第四节 酶促反应的动力学一、酶活力与酶反应速度
1.酶活力 ( enzyme activity),也称 酶活性,指酶催化一定化学反应的能力。其大小可用在一定条件下,它所催化的某一化学反应的反应速度
( reaction rate) 来表示。
2.酶反应速度,用单位时间内、单位体积中底物的减少量或增加量来表示。单位:浓度 /单位时间产物浓度酶反应速度曲线时间斜率 =浓度 /时间 =?
引起酶反应速度降低的原因:
底物浓度的降低;
酶的部分失活;产物对酶的抑制;
产物增加引起的逆反应速度的增加等研究酶反应速度以酶促反应的初速度
( initial speed)
为准。
3,酶的活力单位
(1).酶的活力单位( U-activity unit),1961年,
提出用,国际单位,( IU) 表示酶活力,即,1个酶活力单位,是指在特定条件下,1分钟内能转化 1微摩尔底物的 酶量,或转化底物中 1微摩尔有关基团的酶量。
(25?C,最适底物浓度和最适 pH) 1IU=?mol/min
1972年,提出新的酶活力国际单位:最适条件下,每秒钟能催化 1mol底物转化为产物所需的酶量,定为
1Kat=1mol/s 所以,1Kat=60X106 IU
习惯用法,每小时催化 1克底物所需的酶量。
(2).酶的比活力,每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数,用 U/mg蛋白,IU/mg蛋白,Kat/mg蛋白 表示。实质表示单位蛋白质的催化能力。
( 1)分光光度法( spectrophotometry),多利用产物在紫外或可见光部分的光吸收性质,选择适当波长,测定反应过程的进行情况。简便、
节约时间和样品,可以检测 nmol/L水平的变化。
( 2)荧光法 (fluorometry),主要利用底物或产物的荧光性质。灵敏度高,但易受到干扰。
( 3)同位素测定法,同位素标记底物,反应后经分离,检测产物的脉冲数,即可换算成酶的活力单位。灵敏度最高。
( 4)电化学方法,pH计,氧电极法
4,酶活力测定方法二、影响酶促反应速度的因素
在低底物浓度时,反应速度与底物浓度成正比,
表现为一级反应特征。
当底物浓度达到一定值,
反应速度达到最大值
( Vmax),此时再增加底物浓度,反应速度不再增加,表现为零级反应。
1.底物浓度对酶促反应速度的影响
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
C o n c e n t r a t i o n o f S u b s t r a t e ( u m o l / L )
R
a
t
e
o
f
R
e
a
c
t
i
o
n
(
v
)
1903年,Henri
用蔗糖酶水解蔗糖的实验
( 1) 酶与底物的中间络合物学说 ( Henri和 Wurtz)
S+E ES P+E
1913年前后,Michaelis和 Menten在前人工作的基础上,
假定 S+E ES 快速建立平衡,底物浓度远远大于酶浓度,ES分解产物的逆反应忽略不计,
推导出下列方程:
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
米氏方程( 2)
( 3)米氏方程的推导
在 Michaelis和 Menten的酶促反应动力学基础上,
1925年,Briggs和 Haldane提出酶反应分两步进行,即
,稳态平衡,理论:
第一步:
第二步:
( 1)
( 2)
ES的浓度与( 1)( 2)都有关系
[E] 为酶的总浓度
[ES] 为中产物浓度
[E]-[ES] 为游离酶浓度
[S] 为底物浓度由于 [S][E]所以
[S]-[ES]?[S]ES的形成速度为:
( 3)
ES的分解速度,( 4)
令,Km
所以
( 5)
( 2)
所以,( 6)
当所有的酶被底物饱和时,[ES]=[E]
则,Vmax=K3[E] (7)
Vmax=K3[E] (7) ( 6)
将( 7)代入( 6)得:
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
20
40
60
80
100
C o n c e n t r a t i o n o f S u b s t r a t e ( u m o l / L )
R
a
t
e
o
f
R
e
a
c
t
i
o
n
(
v
)
米氏方程当 [S]Km时,v=Vmax/Km[S]
当 [S]Km时,v=Vmax
当 [S]=Km时,v=Vmax/2
米氏方程
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
Km 即为米氏常数,
Vmax为最大反应速度
当反应速度等于最大速度一半时,即 V = 1/2 Vmax,
Km = [S]
上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。
因此,米氏常数的单位为
mol/L。
1913年前后,Michaelis和 Menten提出,米氏学说,
(4)关于米氏常数 Km的几点说明
a.不同的酶具有不同 Km值,它是酶的一个重要的特征物理常数,只与酶的性质有关,而与其浓度无关。
b.Km值只是在固定的底物,一定的温度和 pH条件下,一定的缓冲体系中测定的,不同条件下具有不同的 Km值
( P248) 。
c.Km值表示酶与底物之间的亲和程度,Km值大表示亲和程度小,酶的催化活性低 ; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。
(同一种酶有几种底物就有几个 Km值,其中 Km值最小的底物一般称为该酶的 最适底物或天然底物 )
一般情况下,1/Km可以近似地表示酶对底物的亲和力大小,1/Km愈大,表明亲和力愈大。
d,Km与 Ks Km不等于 Ks。 在 K3<<K1,K2时,Km看作 Ks,也只有此时 1/Km 才可以近似表示酶与底物结合的难易程度。
e.Km与 Km? 无抑制剂时,ES的分解速度与形成速度的比值符合米氏方程,为 Km; 而有抑制剂时发生变化,则不符合米氏方程,为 Km? 。
Km= 所以 1/Km表示形成 ES的趋势大小特例,Km=K2/K1=Ks(在 K3K1,K2时 )
f.Km和米氏方程 的实际应用若已知某个酶的 Km值,可以计算在某一个底物浓度时,反应速度相当于最大反应速度的百分率。
如,[S]=3Km时,根据:
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
则:
g.Km可以帮助推断某一反应的方向和途径丙酮酸乳酸脱氢酶 乳酸丙酮酸脱氢酶 乙酰 CoA
丙酮酸脱羧酶 乙醛
Km=1.7x10-5mol/L
Km=1.3x10-3 mol/L
Km=1.0x10-3mol/L
( 5),米氏常数的求法
1 Km 1 1
= +
V Vmax [S] Vmax
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S ](1/ m m ol,L
-1
)
1/v
a.双倒数作图法
(Lineweaver-Burk)
斜率 =Km/Vmax
-1/Km
1/Vmax
b,v-v/[S]作图法
(Eadie-Hofstee)
将米氏方程改写:
c.Hanes-Woolf作图法
1 Km 1 1
= +
V Vmax [S] Vmax
d,Eisenthal和 Cornish-Bowden直接线性作图将米氏方程改写为:
2,pH 的影响
在一定的 pH 下,酶具有最大的催化活性,通常称此 pH 为最适
pH(optimum pH)。
a.过酸或过碱影响酶蛋白的构象,使酶变性失活。
b.影响酶分子中某些基团的解离状态(活性中心的基团或维持构象的一些基团)
c.影响底物分子的解离状态缓冲液体系木瓜蛋白酶胆碱脂酶胃蛋白酶
3,温度的影响
一方面是温度升高,酶促反应速度加快 (温度系数 Q10:
反应温度提高 10? C,其反应速度与原来的反应速度之比 )。
另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性,导致酶活性降低甚至丧失。
因此大多数酶都有一个最适温度。 在最适温度
(optimum temperature )
条件下,反应速度最大。
酶对温度的耐受力与其存在状态有关。
10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
20
40
60
80
100
T e m p e r a t u r e
O
C
R
e
l
a
t
i
v
e
A
c
t
i
v
i
t
y
(
%
)
4.酶浓度对酶反应速度的影响酶浓度对反应速度的影响
[E]
Vmax=K3[E]
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
5.激活剂对酶反应速度的影响
凡能提高酶活性的物质,都称为 激活剂
( activator)。
( 1) 无机离子,金属离子 (K+ Na+ Mg2+ Zn2+ Fe2+ Ca2+)、
阴离子 (Cl- Br-),氢离子
( 2)中等大小的有机分子,某些还原剂、乙二胺四乙酸( EDTA)
(3)某些酶类,酶原激活过程中的酶类原理,a.酶活性中心的必需基团
b.酶 -底络合物形成的桥梁
c.作为某些酶的辅助因子
d.保护 -SH酶不被氧化
6,抑制剂对酶反应速度的影响
(1)抑制作用与抑制剂凡使酶的活性降低或丧失,但并不引起酶蛋白变性的作用称为 抑制作用( inhibition) 。
能够引起抑制作用的化合物则称为 抑制剂
(inhibitor)。( 抑制剂不同于变性剂)
(2) 抑制作用的类型
a,不可逆抑制作用 ( irreversible inhibition)
b,可逆抑制作用 (reversible inhibition)
(2) 抑制作用的类型
a,不可逆抑制作用 ( irreversible inhibition)
抑制剂与酶蛋白中的必需基团以共价形式结合,
引起酶的永久性失活,不能用透析或超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。
专一性不可逆抑制作用,这类抑制剂只作用于与酶活性部位有关的氨基酸残基或一类酶。
非专一性不可逆抑制作用,这类抑制剂作用于酶分子上不同的基团或作用于几类不同的酶。如:
酰化剂酸酐和磺酰氯等可使酶蛋白的 -OH,SH、
NH2等发生酰化。
b,可逆抑制作用 (reversible inhibition)
抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合,引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过 透析等方法 被除去,并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐抑制剂与酶结合的情况,又可以分为三类
b1竟争性抑制 (competitive inhibition)
b2 非竟争性抑制 (noncompetitive inhibition )
b3 反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition )
b1竟争性抑制 (competitive inhibition)
某些抑制剂的化学结构与底物相似,因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后,底物被排斥在反应中心之外,其结果是酶促反应被抑制了。
竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度,
即提高底物的竞争能力来消除。
竟争性抑制作用的例子:
b2 非竟争性抑制 (noncompetitive inhibition )
酶可同时与底物及抑制剂结合,即底物和抑制剂没有竞争作用。酶与抑制剂结合后,还可与底物结合;酶与底物结合后,也可再结合抑制剂,但是三元的中间产物不能进一步分解为产物,所以酶活性降低。
如某些金属离子( Cu2+,Ag+、
Hg) 通常能与酶分子的调控部位中的 -SH基团作用,改变酶的空间构象,引起非竞争性抑制; EDTA结合金属离子引起的抑制作用也属于非竞争性抑制。
非竞争性抑制剂与酶活性中心以外的基团结合。这类抑制作用不会因提高底物浓度而减弱
b3 反竞争性抑制 (uncompetitive inhibition )
酶只有与底物结合后才与抑制剂结合,
从而导致酶活性下降。这类抑制作用最不重要。
( 1)抑制作用与抑制剂
( 2)抑制作用的类型
( 3)可逆抑制作用的动力学特征
( 4)一些重要的抑制剂
6,抑制剂对酶反应速度的影响
( 3)
可逆抑制作用的动力学特征
加入竞争性抑制剂后,Km
变大,酶促最大反应速度不变。
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S](1/m m ol,L
-1
)
1/v
a,竞争性抑制无抑制剂竞争性抑制剂
1/Vmax
1/v
1/s
加入非竞争性抑制剂后,Km
不变,而
Vmax减小。
b.非竞争性抑制
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S](1/m m ol,L
-1
)
1/v
无抑制剂非 竞争性抑制剂
-1/km
1/v
1/s
C.反竞争性抑制无抑制剂反竞争性抑制剂
1/?
1/[S]
-1/km(1+[I]/ki)
加入反竞争性抑制剂,使
Km和 Vmax均减小
I增加可逆抑制的动力学比较抑制类型 Vmax Km
无抑制剂 Vmax Km
竞争性抑制作用 不变 变大非竞争性抑制作用 变小 不变反竞争性抑制作用 变小 变小
( 4)一些重要的抑制剂
a.不可逆抑制剂有机磷化合物 — 与酶活性直接有关的丝氨酸上的 -
OH牢固地结合,从而抑制某些蛋白酶或酯酶。( DFP、
敌百虫、敌敌畏、农药 1605等,P258-259)
有机汞、有机砷化合物 —与酶蛋白上的 -SH作用,
从而抑制含 -SH酶的活性。(对氯汞苯甲酸,P259)
路易斯毒气作用机制氰化物 —与含铁卟啉的酶中的 Fe3+结合,使酶失活。
重金属 —能使大多数酶失活,加入 EDTA可以除去。
烷化剂 —使酶蛋白中的 –SH,-NH2,-OH等发生烷基化,失活。
青霉素 —抗菌素类药物,与糖肽转肽酶活性部位 Ser-
OH共价结合,使酶失活。
有活化作用的不可逆抑制剂 —与酶结合后而被激活,
又作用于酶活性中心的有关基团,使酶失活。
即底物需经过酶催化之后,才能形成酶的不可逆抑制剂,因此,称之为,自杀性底物,
( suicidesubstrates),P260
( 4)一些重要的抑制剂
b,可逆抑制剂在可逆抑制剂中最重要的是 竞争性抑制剂。如:
磺胺药,TMP,氨基叶酸等。 用增加底物浓度的方法可以减弱抑制作用。
磺胺药物的作用机制: