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1、第九章 酶动力学,提纲,一、影响酶促反应的因素二、米氏反应动力学米氏方程成立的前提米氏方程的推导米氏方程的解读和延伸米氏方程的双重性米氏方程的线性转换三、 酶抑制剂作用的动力学可逆性抑制剂不可逆性抑制剂四、别构酶的动力学别构酶的性质S 形曲线和Hill 方程Hill 作图协同性的优点,影响酶促反应的因素,酶促反应速率和反应类型 酶反应速率与非酶促反应一样，一般都是以单位时间内，底物或产物浓度的变化值来表示。影响酶促反应速率的因素 影响酶促反应速率的主要因素包括：酶浓度、底物浓度、反应温度、反应介质的pH和离子强度以及有无抑制剂的存在等。,酶浓度对反应速率的影响,温度对反应速率的影响,最适温度,
2、H对反应速率的影响,最适pH,底物浓度对酶反应速率的影响,米氏反应动力学,酶反应动力学最简单的模型由Lenor Michaelis和Maude Menten于1913年提出，因此又名为Michaelis-Menten模型或M-M模型。米氏方程推导设定的3个条件：反应速率为初速率，因为此时反应速率与酶浓度呈正比关系，避免了反应产物以及其它因素的干扰酶底物复合物处于稳态即ES浓度不发生变化符合质量作用定律,Leonor Michaelis (1875-1949),Maud Menten (1879-1960),米氏方程的推导,假定f表示ES形成的速率，d为ES解离的速率，那么fk1ES， 即dk-
3、1ES+k2ES=(k-1+k2)ES在稳态时，ES形成的速率与ES解离的速率相等，因此df，即 k1ES(k-1+k2)ES 假定Et表示酶的总浓度，E表示游离的酶浓度，ES为与底物结合的酶浓度，则EtE+ES。于是，式可变为：,对于一个单底物-单产物反应：,由于酶促反应的初速率即是产物形成的速率，k2ES，于是， 当S，酶被底物饱和，这时的反应速率为最大反应速率Vmax，即 最后，米氏方程可重写成：,米氏方程的推导（续）,解读米氏方程,1. 解读米氏常数Km Km是酶反应初速率为Vmax一半时底物的浓度。在一定条件下，可以使用它来表示酶与底物的亲和力。一个酶的Km越大，意味着该酶与底物的亲
4、和力越低；反之，Km越小，该酶与底物的亲和力越高。 Km可以帮助判断体内一个可逆反应进行的方向。如果酶对底物的Km值小于对产物的Km值，则反应有利于正反应。否则，有利于逆反应。2. 解读Vmax Vmax也是酶的特征常数，但随着酶浓度的变化而变化。3. 解读kcat kcat称为酶的催化常数或转换数或周转数，具体是指在单位时间内，一个酶分子将底物转变成产物的分子总数。kcat的单位是s-1。如果一个酶遵守米氏方程，则kcatk2Vmax/Et。4. 解读kcat/Km kcat/Km通常被用来衡量酶的催化效率,可以表示一个酶的催化效率或者完美程度。大的kcat和（或）小的Km将给出大的kcat
5、/Km值。,几种酶的动力学参数,米氏方程的双重性,当底物浓度很低的情况下，即SKm，米氏方程可转变为： 这时酶反应速率接近最大值，如果继续增加底物的浓度，v不可能继续增加，反应速率与底物浓度的关系符合零级动力学。,米氏方程的线性转换,直接使用米氏方程中的v对S作图得到的是一条曲线，从图中虽然也能得到Km 值和Vmax值，然而，由于实验误差的客观存在，只要出现任何可见的误差使数据点偏离真实的位置，那么就很难画出一个很完美的曲线，但在同样的条件下，画直线更容易。因此，将米氏方程进行线性化处理就显得十分必要。,米氏酶的双倒数作图,Eadie-Hofstee作图,Hanes-Wolff 作图,酶抑制剂
6、的类型可逆性抑制剂。以次级键与酶可逆结合，使用透析或超滤就可去除它们，让酶恢复活性；不可逆性抑制剂。也被称为酶灭活剂，以强的化学键（通常是共价键）与酶不可逆结合，可导致酶有效浓度的降低，因此一旦失活就不可逆转。如果想恢复酶的活性，唯一的手段只能是补充新酶。酶抑制剂对米氏酶动力学性质的影响,酶抑制剂作用的动力学,几种常见的酶抑制剂药物,可逆性抑制剂,可分为竞争性、非竞争性和反竞争性抑制剂。1. 竞争性抑制剂（1）性质：有两类，一类与底物在结构和化学上具有很强的相似 性；第二类与底物无结构和化学性质的相似性。（2）动力学： Km值提高，但Vmax不变。2. 非竞争性抑制剂（1）性质：既能与ES结合
7、，又能与游离的酶结合。一旦它们与E结合，将导致酶活性受到抑制。（2）动力学：Km不变,Vmax降低。3. 反竞争性抑制剂（1）性质：只能与ES结合，但不能与游离的酶结合。一旦它们与ES结合，将导致与活性中心结合的底物不再能够转变为产物。（2）动力学： Km降低,Vmax降低。,琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制,竞争性抑制剂,v,S,vmax,Km,1/S,1/v,1/vmax,-1/Km,斜率=Km/vmax,KI,Km 升高vmax 不变,+抑制剂,Km(1+I/KI),-1/(Km(1+I/KI),斜率= Km(1+I/KI)/vmax,非竞争性抑制剂,k1,k-1,k2,KI,Km 不变vmax
8、 降低,KI,反竞争性抑制剂,k1,k-1,k2,Km 降低vmax 降低,+抑制剂,KI,1/S,1/v,1/vmax,-1/Km,斜率=Km/vmax,(1+ /(1+I/KI)/Vmax,斜率= Km/vmax,v,S,vmax,Km,Km/(1+ I/KI),Vmax/(1+I/KI),- (1+ /(1+I/KI) /Km,不可逆性抑制剂,1. 基团特异性抑制剂 这类抑制剂在结构上与底物无相似之处，但能共价修饰酶活性中心上的必需侧链基团而导致酶活性不可逆的失活。由于许多氨基酸残基含有亲核侧链基团，所以充当基团特异性抑制剂的一般是亲电试剂。2. 底物类似物抑制剂 这类抑制剂在结构上相似
9、于底物，因此在活性中心与酶结合，然后不可逆地修饰酶活性中心上的必需基团，导致酶活性的丧失。3.过渡态类似物抑制剂 这类抑制剂与酶促反应的过渡态极为相似，它们在化学结构和分子形状上与酶的活性中心十分般配，能够以极高的亲和力与活性中心结合，从而导致底物无法进入而使得酶活性受到不可逆性抑制。4.自杀型抑制剂 这类抑制剂受酶本身的激活，在与酶结合以后，受到酶的催化发生几步反应，但并不形成产物，而是变成高度反应性的化合物后，转而修饰酶的必需基团导致酶活性的丧失。,乙酰胆碱酯酶的基团特异性抑制剂,TPCK对糜蛋白酶活性中心His的修饰,N,N-二甲基炔丙胺对单胺氧化酶的自杀型抑制,别构酶的动力学,一、别构
10、酶的性质速率/底物浓度曲线为S型具有别构效应物对竞争性抑制的作用表现双相反应温和变性可导致别构效应的丧失通常是寡聚酶与非别构酶相比，别构酶占少数二、S型作图和Hill方程,典型的别构酶催化的反应速率与底物浓度的S 型曲线,激活剂或抑制剂对别构酶活性的影响,S型曲线和Hill方程,既然米氏方程给出的是双曲线（v对S作图），所以它不适合具有底物协同性的呈S型曲线的别构酶，但Hill方程却能够很好地说明别构酶的动力学，Hill方程是：Hill方程与米氏方程实际上十分相似，它们的主要差别首先是Hill方程中的底物浓度S被提高到h数量级，h被称为Hill系数；其次，方程底部的常数不是Km，而是K0.5，
11、该常数也被提高了h数量级。K0.5与Km十分相似，因为它也是指速率为最大速率一半时候的底物浓度。Hill常数能够反映底物协同性的程度：如果h=1，这时的Hill方程实际上与米氏方程一模一样，这意味着酶不是别构酶，无底物协同性，速率对底物作图应该为双曲线，K0.5=Km；如果h 1，则速率对底物浓度作图呈S型曲线，酶具有正底物协同性；如果h 1，则意味着酶具负底物协同性。,Hill常数不同的酶反应速率与底物浓度的关系曲线,Hill方程可以重新整理为：如果同时对两边取对数，就得：再以 对 作图，则得到斜率为h、纵截距为 、横截距为 的直线，这种作图法就是Hill作图法。,Hill作图,Hill作图,协同性的好处,1. 正协同性的优势 对于无协同性的米氏酶而言，将其反应速率从Vmax的 10% 增加到 90%时，需要较大的底物浓度增加。正协同效应意味着酶对环境中底物浓度的变化更为敏感。这样的结果可以使得机体内某些重要的调节酶能够根据环境的变化对代谢进行更加灵敏的调节。2. 负协同性的优势 呈现负协同效应的别构酶（h=0.5）要将其反应速率从Vmax的 10% 增加到 90%，需要将底物浓度提高6561倍。如此大幅度的提高就意味着该酶对底物浓度的变化极度不敏感。,Hill常数不同的酶的酶活性对底物浓度变化的敏感性,
