第四章酶促反应动力学.pptx
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1、第四章第四章 酶促反应动力学酶促反应动力学第四章第四章 酶促反应动力学酶促反应动力学基本要求:基本要求:掌握简单催化反应动力学、有抑制的和酶失活反应动力学,掌握影响酶催化反应速率的因素,以及动力学参数的求取。重点:重点:各种情况下的酶动力学方程。难点:难点:酶催化反应动力学机理方程的推导。学时:学时:6学时学时第一节第一节 酶促反应学的特点酶促反应学的特点第二节第二节 均相酶促反应动力学均相酶促反应动力学2.1 2.1 酶促反应动力学的基础酶促反应动力学的基础(一)反应速率及其测定(一)反应速率及其测定反应速率:单位时间内反应物或生成物浓度的改变量。反应速率:单位时间内反应物或生成物浓度的改变
2、量。数学表示方法数学表示方法:或或tr反应速率与时间的关系反应速率与时间的关系(二)反应分子数和反应级数(二)反应分子数和反应级数1.反应分子数反应分子数反应分子数是在反应中真正相互作用的分子数目。反应分子数是在反应中真正相互作用的分子数目。(1)单分子反应)单分子反应根据质量作用定律,单分子反应的动力学方程:根据质量作用定律,单分子反应的动力学方程:(2)双分子反应)双分子反应根据质量作用定律,双分子反应的动力学方程:根据质量作用定律,双分子反应的动力学方程:2.反应级数反应级数 根据实验结果,整个化学反应反应的速率服从哪种分子反应速率方根据实验结果,整个化学反应反应的速率服从哪种分子反应速
3、率方程式,则这个反应就是几级。程式,则这个反应就是几级。(1)一级反应)一级反应反应速率只与反应物的浓度的一次方成正比关系,为一级反应。反应速率只与反应物的浓度的一次方成正比关系,为一级反应。移项移项积分积分得得则则当当代入则代入则因而因而tk一级反应一级反应lnc与时间关系与时间关系(2)二级反应)二级反应反应速率只与反应物的浓度的二次方成(或两种底物浓度的乘积)反应速率只与反应物的浓度的二次方成(或两种底物浓度的乘积)正比关系,为二级反应。正比关系,为二级反应。当用当用a、b分别代表反应物分别代表反应物A和和B的初始浓度,的初始浓度,x表示反应时间表示反应时间t时已发生时已发生反应的物质浓
4、度,则有:反应的物质浓度,则有:情况情况1:A和和B的初始浓度相同,则的初始浓度相同,则移项积分移项积分情况情况1:A和和B的初始浓度不同,则的初始浓度不同,则移项积分移项积分kt(3)零级反应)零级反应与反应物的浓度无关,而受其它因素的影响,为与反应物的浓度无关,而受其它因素的影响,为积分积分xtk2.2 2.2 酶促反应动力学方程式酶促反应动力学方程式(一)(一)Michaelis-Menten 方程方程基于快速平衡理论基于快速平衡理论方程推导三点假设方程推导三点假设(平衡假设平衡假设):与底物浓度S相比,酶的浓度E是很小的,因而可忽略由于生成中间复合物ES而消耗的底物。不考虑这个逆反应的
5、存在。若要忽略该反应的存在,则必须是产物P为零,换言之,该方程适用于反应的初始状态。认为基元反应的反应速率最慢,为该反应速率的控制步骤,而这一反应速率最快,并很快达到平衡状态。对酶催化反应过程的机理,得到大量实验结果支持的是对酶催化反应过程的机理,得到大量实验结果支持的是活性中间复合物学说,该学说认为酶催化反应至少包括活性中间复合物学说,该学说认为酶催化反应至少包括两步,首先是底物两步,首先是底物S和酶和酶E相结合形成中间复合物相结合形成中间复合物ES,然后该复合物分解成产物然后该复合物分解成产物P,并释放出酶,并释放出酶E。例如:酶反应例如:酶反应 其反应机理可表示为其反应机理可表示为n根据
6、化学动力学,反应速率通常以单位时间、单位反应体系中某一组分的变量来表示。对均相酶的催化反应,单位反应体系常用单位体积表示。反应的速率可表示为 r rs s:底物底物S S的消耗速率的消耗速率(mol/Lsmol/Ls)r rp p:产物产物P P生成速率生成速率(mol/Lsmol/Ls)v v:反应体系的体积:反应体系的体积(L L)n ns s、n np p:底物:底物S S和产物和产物P P的质量的质量(molmol)t t:时间时间(s s)根据质量作用定律,根据质量作用定律,P的生成速率可表示为:的生成速率可表示为:速率控制步骤在反应动力学中是一个重要的概念。在一速率控制步骤在反应动
7、力学中是一个重要的概念。在一个多步骤的反应体系中,其中反应速率最慢的一步称为个多步骤的反应体系中,其中反应速率最慢的一步称为速率的控制步骤,并且控制步骤的速率决定了该反应的速率的控制步骤,并且控制步骤的速率决定了该反应的速率。速率。根据上述假定(根据上述假定(3),可列出),可列出 K S 为解离常数(mol/l)反应体系中酶的总浓度 为 代入代入 得米氏方程或称得米氏方程或称MM方程方程 rp,max:P的最大生成速率的最大生成速率 E0:酶的总浓度,亦为酶的初始浓度:酶的总浓度,亦为酶的初始浓度 Briggs和和JBHaldane对上述第三点假设进行修正,提出了对上述第三点假设进行修正,提
8、出了“拟稳态拟稳态”假设假设。(二)(二)Michaelis-Menten 方程修正方程修正第一步:第一步:第二步:第二步:ESPE+“拟稳态拟稳态”假假设设合成的合成的ES=分解分解ES 认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多,中间复合物分认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多,中间复合物分解时所得到的酶又立即与底物相结合,从而使反应体系中复合物的浓解时所得到的酶又立即与底物相结合,从而使反应体系中复合物的浓度维持不变,即中间复合物的浓度不再随时间而变化。度维持不变,即中间复合物的浓度不再随时间而变化。消去 得km:米氏常数(mol/l)km与与ks的关系为的关系为由两种推导方法
9、所得速率方程式形式基本相同,不同的是由两种推导方法所得速率方程式形式基本相同,不同的是ks值代表反应的平衡常数,而值代表反应的平衡常数,而km值称为米氏常数,它代值称为米氏常数,它代表动态的平衡常数,表示实际的恒态时的浓率关系。表动态的平衡常数,表示实际的恒态时的浓率关系。当当 时,时,km值才接近于值才接近于ks 米氏方程米氏方程rrmaxrmax/2Kms酶浓度一定时底物浓度对反应速率的影响对米氏方程的讨论:n当sKm时,属零级反应。n当sKm时,。Km在数量上等于反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。例例4-14-1:有一均相酶催化反应,:有一均相酶催化反应,k km m值为值为21
10、0210-3-3mol/lmol/l,当底,当底物的初始浓度物的初始浓度S S0 0 为为110110-5-5mol/lmol/l时,若反应进行时,若反应进行1 min1 min,则,则有有2%2%的底物转化为产物。试求:(的底物转化为产物。试求:(1 1)当反应进行了)当反应进行了3 3 minmin,底物转化为产物的百分数是多少?此时底物和产物,底物转化为产物的百分数是多少?此时底物和产物的浓度分别为多少?(的浓度分别为多少?(2 2)当)当S S0 0 为为110110-6-6mol/lmol/l时,也反时,也反应了应了3 min3 min,底物和产物的浓度又是多少?(,底物和产物的浓度
11、又是多少?(3 3)最大反应)最大反应速率速率r rmaxmax值为多少?值为多少?解:(解:(1)根据题意,)根据题意,此时一般可认为按一级反应处理,此时一般可认为按一级反应处理,其动力学方程可表示为:其动力学方程可表示为:mol/l时时将已知数据代入上式中,求得 min-1、当 t=3min时,可以求得 mol/l xS=6%mol/l(2)当S0为为110-6mol/l时,仍可视为一级反应,t=3 min时,同样可求得 xS=6%mol/l mol/l 3)据 得 mol/lmin(1)米氏常数的意义)米氏常数的意义 是酶的一个特性常数:是酶的一个特性常数:的大小只与酶的性质有的大小只与
12、酶的性质有关,而与酶浓度无关。关,而与酶浓度无关。值随测定的底物浓度、反值随测定的底物浓度、反应的温度、应的温度、pH及离子强度而改变。及离子强度而改变。根据根据km值可以推断酶和底物的亲和力。如果酶的专一性值可以推断酶和底物的亲和力。如果酶的专一性不高,可催化几种底物发生反应时,不高,可催化几种底物发生反应时,km值最小的就表值最小的就表示酶与这一底物的亲和力最大,反之,则最小。示酶与这一底物的亲和力最大,反之,则最小。(三)动力学参数的意义(三)动力学参数的意义根据根据km值,可以估计胞内基质浓度,如值,可以估计胞内基质浓度,如 是没有意义的是没有意义的。若已知某个酶的若已知某个酶的Km值
13、,就可以计算出在某一底物浓度值,就可以计算出在某一底物浓度时,其反应速率相当于时,其反应速率相当于Vmax的百分率。的百分率。Km值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径。催值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径。催化可逆反应的酶,对正逆两向底物的化可逆反应的酶,对正逆两向底物的Km不同。不同。KmKm可以帮助推断某一反应的方向和途径可以帮助推断某一反应的方向和途径乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶乳酸乳酸丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶乙酰乙酰CoACoA丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶乙醛乙醛Km=1.7x10Km=1.7x10-5-5mol/Lmol/LKm=1.3x10Km=1.3x10-3-3 mol/Lmol/L
14、Km=1.0 x10Km=1.0 x10-3-3mol/Lmol/L 丙酮酸(2)Vmax和和K3(Kcat)的意义的意义 在一定的酶浓度下,酶对特定底物的在一定的酶浓度下,酶对特定底物的Vmax也是一个常数。也是一个常数。当当s很大时,很大时,Vmax=K3E。Vmax与与K3成线性关系,而直线成线性关系,而直线的斜率为的斜率为K3。K3 表示当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分子数,这表示当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分子数,这个常数又叫转换数(简称个常数又叫转换数(简称TN),通称催化常数(,通称催化常数(catalytic constant,kcat).Kcat值越
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