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1、3.4 酶促反应动力学,酶促反应动力学(kinetics of enzyme-catalyzed reactions)是研究酶促反应速度及其影响因素的科学。酶促反应的影响因素主要包括酶的浓度、底物的浓度、pH、温度、抑制剂和激活剂等。,酶促反应动力学,一.酶浓度的影响,在一定温度和pH下，酶促反应在底物浓度大于100 Km时，速度与酶的浓度呈正比。酶浓度对速度的影响机理：酶浓度增加，ES也增加，而V=k3ES，故反应速度增加。,二.温度对酶促反应速度的影响,酶促反应与其它化学反应一样，随温度的增加，反应速度加快。化学反应中温度每增加10反应速度增加的倍数称为温度系数Q10。一般的化学反应的Q1
2、0为23，而酶促反应的Q10为12。,在一定范围内，反应速度达到最大时对应的温度称为该酶促反应的最适温度（optimum temperature Tm）.一般动物组织中的酶其最适温度为3540，植物与微生物中的酶其最适温度为3060，少数酶可达60以上，如细菌淀粉水解酶的最适温度90以上。,温度对酶促反应速度的影响机理：,1.温度影响反应体系中的活化分子数：温度增加，活化分子数增加，反应速度增加。,2.温度影响酶的活性：过高的温度使酶变性失活，反应速度下降。,最适温度不是酶的特征常数，因为一种酶的最适温度不是一成不变的，它要受到酶的纯度、底物、激活剂、抑制剂、酶反应时间等因素的影响。因此，酶的
3、最适温度与其它反应条件有关。,三.pH对酶促反应速度的影响,大多数酶的活性受 pH 影响显著，在某一 pH 下表现最大活力，高于或低于此pH，酶活力显著下降。酶表现最大活力的pH称为酶的最适pH(optimumpH pHm)。典型的酶速度-pH曲线是较窄的钟罩型曲线，但有的酶的速度-pH曲线并非一定呈钟罩型。如胃蛋白酶和木瓜蛋白酶的速度-pH曲线。胃蛋白酶的速度-温度曲线如下图：,胃蛋白酶和葡萄糖-6-磷酸酶的pH活性曲线：,pH对酶促反应速度的影响机理：,1、pH影响酶和底物的解离:酶的活性基团的解离受pH影响，底物有的也能解离，其解离状态也受pH的影响，在某一反应pH下，二者的解离状态最有
4、利于它们的结合，酶促反应表现出最大活力，此pH称为酶的最适pH；当反应pH偏离最适pH时，酶促反应速度显著下降。,2、pH影响酶分子的构象：过高或过低pH都会影响酶分子活性中心的构象，或引起酶的变性失活。,动物体内多数酶的最适pH值接近中性，但也有例外，如胃蛋白酶的最适pH约1.8，肝精氨酸酶最适pH约为9.8(见下表)。,一些酶的最适pH,1902年，Henri用蔗糖酶水解蔗糖的实验中观察到：在蔗糖酶酶的浓度一定的条件下测定底物（蔗糖）浓度对酶 反应速度的影响,它们之间的关系呈现矩形双曲线(rectangular hyperbola)。如下图所示：,四、底物浓度对反应速度的影响,1、酶反应与
5、底物浓度的关系,在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急骤加快，两者呈正比关系，表现为一级反应。随着底物浓度的升高，反应速度不再呈正比例加快，反应速度增加的幅度不断下降。如果继续加大底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。此时，无论底物浓度增加多大，反应速度也不再增加，说明酶已被底物所饱和。所有的酶都有饱和现象，只是达到饱和时所需底物浓度各不相同而已。,为解释酶被底物饱和现象，Michaelis和Menten做了大量的定量研究，积累了足够的实验数据，提出了酶促反应的动力学方程：,ES生成速度：,，ES分解速度：,当酶反应体系处于恒态时：,即：,令：,则：,由于酶促反应速度由ES决定，
6、即,将（2）代入（1）得：,(3),当Et=ES时，,将（4）代入（3），则：,Vmax指该酶促反应的最大速度，S为底物浓度，Km是米氏常数，V是在某一底物浓度时相应的反应速度。从米氏方程可知：当底物浓度很低时 S Km，此时VVmax，反应速度达最大速度，底物浓度再增高也不影响反应速度。,2.米氏常数的意义,（1）.物理意义：Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。,（2）.Km 值愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈小，酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力大，表示不需要很高的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度。,（3）.Km 值是酶的特征性常数，只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反
7、应条件(如温度、pH、有无抑制剂等)有关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，Km值不同，同一种酶与不同底物作用时，Km 值也不同。各种酶的 Km 值范围很广，大致在 10-110-6 M 之间。,3.Km在实际应用中的重要意义,（1）鉴定酶：通过测定可以鉴别不同来源或相同来源但在不同发育阶段、不同生理状态下催化相同反应的酶是否属于同一种酶。,（2）判断酶的最佳底物：如果一种酶可作用于多个底物,就有几个Km值，其中Km最小对应的底物就是酶的天然底物。如蔗糖酶既可催化蔗糖水解(Km=28mmol/L),也可催化棉子糖水解(Km=350mmol/L),两者相比，蔗糖为该酶的天然底物。,（3）计算一定速度
8、下的底物浓度：如某一反应要求的反应速度达到最大反应速度的99%，则S=99Km,（4）了解酶的底物在体内具有的浓度水平：一般地，体内酶的天然底物的S体内Km，如果S体内 Km，那么VVmax，底物浓度失去生理意义，也不符合实际状态。,（5）判断反应方向或趋势：催化正逆反应的酶，其正逆两向的反应的Km不同，如果正逆反应的底物浓度相当，则反应趋向于Km小对应底物的反应方向。,称为Lineweaver-Buck方程（或双倒数方程）(doublereciprocal plot or LineweaverBurk plot),方程：,用1/V0 对 1/S 的作图得一直线，其斜率是Km/Vmax,，在纵
9、轴上的截距为 1/Vmax,横轴上的截距为-1/Km。此作图除用来求 Km 和 Vmax 值外，在研究酶的抑制作用方面还有重要价值。,双倒数作图法,五.激活剂对酶反应速度的影响,能使酶活性提高的物质，都称为激活剂(activator)，其中大部分是离子或简单的有机化合物。如Mg+是多种激酶和合成酶的激活剂，动物唾液中的-淀粉酶则受Cl-的激活。,特点：1、酶对激活剂有一定的选择性，一种酶的激活剂对另一种酶来说可能是抑制剂 2、有一定的浓度要求，当激活剂的浓度超过一定的范围时，它就成为抑制剂。,激活剂,六、抑制剂对反应速度的影响,凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂(inhi
10、bitor)。使酶变性失活(称为酶的钝化)的因素如强酸、强碱等，不属于抑制剂。通常抑制作用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。,（一）不可逆性抑制作用(irreversible inhibition),不可逆性抑制作用的抑制剂，通常以共价键方式与酶的必需基团进行不可逆结合而使酶丧失活性。常见的不可逆抑制剂如下图所示。按其作用特点，又分专一性及非专一性两种。,1.非专一性不可逆抑制,抑制剂与酶分子中一类或几类基团作用，不论是必需基团与否，皆可共价结合，由于其中必需基团也被抑制剂结合，从而导致酶的抑制失活。某些重金属(Pb+、Cu+、Hg+)及对氯汞苯甲酸等，能与酶分子的巯基进行不可逆适合，许多以巯
11、基作为必需基团的酶(通称巯基酶)，会因此而遭受抑制，属于此种类型。用二巯基丙醇(british antilewisite,BAL)或二巯基丁二酸钠等含巯基的化合物可使酶复活。,2.专一性不可逆抑制,此属抑制剂专一地作用于酶的活性中心或其必需基团，进行共价结合，从而抑制酶的活性。有机磷杀虫剂能专一作用于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基，使其磷酰化而不可逆抑制酶的活性。当胆碱酯酶被有机磷杀虫剂抑制后，乙酰胆碱不能及时分解成乙酸和胆碱，引起乙酰胆碱的积累，使一些以乙酰胆碱为传导介质的神经系统处于过度兴奋状态，引起神经中毒症状。解磷定等药物可与有机磷杀虫剂结合，使酶和有机磷杀虫剂分离而复活。,(二)可逆性
12、抑制(reversible inhibition),抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆的。,1.竞争性抑制(competitive inhibition),(1)含义和反应式,抑制剂I和底物S结构相似，抑制剂I和底物S对游离酶E的结合有竞争作用，互相排斥，已结合底物的ES复合体，不能再结合I。同样已结合抑制剂的EI复合体，不能再结合S。,（2）特点：,抑制剂I与底物S在化学结构上相似，能与底物S竞争酶E分子活性中心的结合基团.,例如，丙二酸、苹果酸及草酰乙酸皆和琥珀酸的结构相似，是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。,抑制程度取决于抑制剂
13、与底物的浓度比、ES和EI的相对稳定性；加大底物浓度，可使抑制作用减弱甚至消除。,（3）竞争性抑制剂的动力学方程,E+S ES E+P E+I EI,k1,k2,k3,由米氏方程得：Km Ki EEtESEI,ES,ES,EI,EI,ki,解方程得：ES=,Et,（1+）1,Km,S,I,Ki,又因vik3ES,代入上式得：Vi,（1+）S,Km,I,Ki,VmaxS,竞争性抑制剂双倒数曲线，如下图所示：,有竞争性抑制剂存在的曲线与无抑制剂的曲线相交于纵坐标I/Vmax处，但横坐标的截距，因竞争性抑制存在变小，说明该抑制作用，并不影响酶促反应的最大速度Vmax，而使Km值变大。,1,vi,（1
14、+）,Km,Vmax,S,1,+,Vmax,1,I,Ki,很多药物都是酶的竞争性抑制剂。例如磺胺药与对氨基苯甲酸具有类似的结构，而对氨基苯甲酸、二氢喋呤及谷氨酸是某些细菌合成二氢叶酸的原料，后者能转变为四氢叶酸，它是细菌合成核酸不可缺少的辅酶。由于磺胺药是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂，进而减少细菌体内四氢叶酸的合成，使核酸合成障碍，导致细菌死亡。抗菌增效剂-甲氧苄氨嘧啶(TMP)能特异地抑制细菌的二氢叶酸还原为四氢叶酸，故能增强磺胺药的作用。,磺胺药物的抑菌作用,2.非竞争性抑制(non-competitive inhibition),(1)含义和反应式,抑制剂I和底物S与酶E的结合完全互不相
15、关，既不排斥，也不促进结合，抑制剂I可以和酶E结合生成EI，也可以和ES复合物结合生成ESI。底物S和酶E结合成ES后，仍可与I结合生成ESI，但一旦形成ESI复合物，再不能释放形成产物P。,（2）特点：,I和S在结构上一般无相似之处，I常与酶分子上结合基团以外的化学基团结合，这种结合并不影响底物和酶的结合，增加底物浓度并不能减少I对酶的抑制。,非竞争性抑制剂的双倒数曲线：有非竞争性抑制剂存在的曲线与无抑制剂的曲线相交于横坐标-1/Km处，但纵坐标的截距，因竞争性抑制存在变大，说明该抑制作用，并不影响酶促反应的Km值，而使Vmax值变小，如下图所示：,非竞争性抑制,Vi,VmaxS,(1+),
16、I,Ki,Km+,(),S,1,Vi,（1+）,I,Ki,（）,1,Vmax,Km,Vmax,1,S,3.反竞争性抑制,(1)含义和反应式,反竞争性抑制剂必须在酶结合了底物之后才能与酶与底物的中间产物结合，该抑制剂与单独的酶不结合。,（2）特点：,反竞争性抑制剂存在下，Km、Vmax都变小。,1,Vi,Km,Vmax,1,S,+,1,Vmax,I,Ki,(1+),Vi,VmaxS,S,I,Ki,（1）,Km,3.5 酶 的分离纯化及活力测定,一、酶的分离提纯,（一）酶在细胞中的分布：,胞外酶：水解酶类，易收集，不必破碎细胞，缓冲液或水浸泡细胞或发酵液离心得到上清液即为含酶液。胞内酶：除水解酶类
17、外的其它酶类，需破碎细胞，不同的酶分布部位不同，最好先将酶存在的细胞器分离后再破碎该细胞器，然后将酶用适当的缓冲溶液或水抽提。,（二）分离材料：,动植物原料或微生物的发酵液。微生物发酵液是用于分离酶的最常用材料，因为微生物种类多，繁殖快，培养时间短，含酶丰富。由微生物发酵产生的酶或其它生物组织中的酶因含有大量的其它物质，所以必须经过分离、提纯、结晶等阶段才可做实际应用。,对于某种酶的具体制备方案，应通过了解酶的来源、性质及纯度需要来确定，无固定的方案。,（三）原则：,在增加酶得率和纯度的同时，尽可能避免高温、过酸、过碱、剧烈的震荡及其它可能使酶丧失活力的一切操作过程。尽最大可能保存酶的活力。,
18、（四）分离提纯：,1.酶的抽提：将酶溶解出来就称为抽提。,胞外酶：固体培养的菌体加水或适当缓冲溶液浸泡过 滤即可。液体培养的菌体将发酵液离心分离除去菌体收 集离心液即可。胞内酶：先破碎细胞，再用水或适当的缓冲溶液抽提。,2.酶的纯化：,纯化的关键是维持酶的活性，因为随着酶的逐渐提纯，一些天然的可保持酶活力的其它成分逐渐减少，酶的稳定性变差，所以整个纯化过程应维持低温。,（1）酶的沉淀方法：与蛋白质的沉淀方法相同，常用：,盐析法：常用硫酸铵盐析，有分段盐析和一次性盐析两种方法。有机溶剂沉淀法：用乙醇、丙酮等。应低温操作，溶剂少量分批加入。等电点沉淀法,（2）酶的纯化方法：有吸附层析、离子交换层析
19、、凝胶过滤层析、亲和层析等.,3.酶的结晶：纯化以后的酶液再次沉淀，仍采用沉淀法。4.酶的保存：一般在-20以下低温保存。,二、酶活力的测定,定性鉴定提取物中某一酶是否存在，一般是根据此酶引起的化学反应来判断，如检验在提取物中是否存在淀粉酶。则用提取物与淀粉反应，一段时间以后，用碘-碘化钾与反应液反应，若变蓝，说明提取物无淀粉酶活力；反之，提取物有淀粉酶的活力。,酶活力的测定：实际上是酶定量测定的方法，酶制剂因含杂质多易失活等原因，故不能用称重或测量体积来定量。,（一）酶活力的概念：指酶催化特定化学反应的能力。其大小通常用在一定条件下酶催化某一特定化学反应的速度来表示。一定量的酶制剂催化某一化
20、学反应速度快，活力大；反之，活力小。速度表示法常用-dS/dt或dP/dt，测初速度，多用后者。因为反应初期底物过量，底物的减少量不容易测定，而产物从无到有，易测定。,（二）酶的活力单位：1961年国际生化协会酶学委员会统一规定，酶的国际单位（IU）规定为：在最适反应条件（温度25）下，每分钟内催化1微摩尔（mol）底物转化为产物所需的酶量（或1分钟内转化底物生成1微摩尔产物的酶量）称为1标准单位。测定条件：最佳的反应条件，如最适的T（或25）、最适pH、S E、初速度下。1972年国际生化协会又推荐一种新单位，即Katal(Kat)单位。规定：在最适温度下，每秒钟能催化1摩尔底物转化的酶量定
21、义为 1 Kat。1 Kat=60106 IU.,(三)酶的比活力：每单位酶蛋白所含的活力单位数。对固体酶：用活力单位/mg酶蛋白、或活力单位/mg酶蛋白氮来表示；对液体酶：用活力单位/ml酶液来表示。很明显，比活力越大，酶的活力越大。,（五）酶活力的测定方法,1、分光光度法：产物与适当的化学试剂生成有色物质 或产物有紫外吸收的能力可采用此法。2、测压法：产物中有气体，测气压增加量。3、滴定法：产物中有酸生成，用碱滴定。4、荧光法：产物中有荧光物质生成或产物与荧光试剂 反应生成荧光产物可用此法。5、旋光法：产物中有旋光物质可采用此法。,除了以上方法外，还可根据产物的性质采用其它方法。,三、回收
22、率和纯化倍数回收率 100,每次总活力,第一次总活力,纯化倍数,每次比活力,第一次比活力,酶的回收率和纯化倍数的测定常在酶分离过程中的每个环节中进行。一个正常、合理的纯化程序，随着纯化的进行，总蛋白量逐渐减少，比活力不断增加，纯化倍数提高了，但回收率降低。,一、变构酶与变构调节,（一）按动力学分类：调节酶：凡能通过构象变化或亚基解聚或亚基修饰等方式来改变酶活性而对代谢起调节作用的酶称为调节酶。（共价调节酶、别构酶）、非调节酶,变构酶又称为别构酶，指调节物与酶分子的调节部位以非共价键结合后，引起酶的构象的改变，进而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称为变构调节(allosteric regula
23、tion)，具有变构调节的酶称变构酶(allosteric enzyme)。凡能使酶分子发生别构作用的物质称为变构剂或调节物调节物能使酶活性增加的效应叫正协同效应，该调节物叫正调节物（如底物）调节物能使酶活性降低的效应叫负协同效应，该调节物叫负调节物,通过其它酶对其多肽链某些基团进行可逆共价修饰，使处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性；共价修饰主要是磷酸化、腺苷酰化、甲基化等。如在蛋白激酶作用下发生磷酸化，主要的蛋白激酶有蛋白激酶A，磷酸化酶激酶，蛋白酪氨酸激酶等；共价调节酶是寡聚酶，且在每个亚基上都含有共价修饰的位点。,变构酶多为寡聚酶，含的亚基数一般为偶数；且分子中有催化部位（结合底
24、物）与调节部位（结合变构剂），这两部位可以在不同的亚基上，或者在同一亚基的两个不同部位。,（二）变构酶作用特点,1、正协同效应的变构酶其速度-底物浓度曲线呈S形，如大肠杆菌的天冬氨酸转甲酰基酶（ATCase）对底物天冬氨酸的结合表现为正协同效应。,2、负协同效应的变构酶其速度-底物浓度曲线为类似双曲线。如3-磷酸甘油醛脱氢酶对NAD+的结合为负协同效应，,3、由于变构酶动力学不符合米-曼氏酶的动力学，所以当反应速度达到最大速度一半时的底物的浓度，不能用Km表示，而代之以K0.5S表示。,（三）生理意义,1、在正协同效应的变构酶的S形曲线中段，底物浓度稍有降低，酶的活性明显下降，多酶体系催化的代
25、谢通路可因此而被关闭；反之，底物浓度稍有升高，则酶活性迅速上升，代谢通路又被打开，因此可以通过细胞内底物浓度的变化来灵敏地控制代谢速度。,2、变构抑制剂（负调节物）常是代谢通路的终产物，变构酶常处于代谢通路的入口，通过反馈抑制，可以及早地调节整个代谢通路，减少不必要的底物消耗。,例如葡萄糖的氧化分解可提供能量使AMP、ADP转变成ATP，当ATP过多时，通过变构抑制剂ATP抑制磷酸果糖激酶的活性，可限制葡萄糖的分解，而ADP、AMP增多时，则可通过变构激活剂AMP、ADP激活磷酸果糖激酶的活性促进糖的分解。随时调节ATP/ADP的水平，可以维持细胞内能量的正常供应。,二、共价调节酶,1、概念：
26、也称共价修饰酶，通过其它酶对其多肽链某些基团进行可逆共价修饰，使处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性；共价修饰主要是磷酸化、腺苷酰化、甲基化等。如在蛋白激酶作用下发生磷酸化，主要的蛋白激酶有蛋白激酶A，磷酸化酶激酶，蛋白酪氨酸激酶等；共价调节酶是寡聚酶，且在每个亚基上都含有共价修饰的位点。,2、特点：,共价修饰酶通常有活性与非活性两种形式，两种形式之间转换的正、逆反应是由不同的酶催化产生。如骨骼肌中的糖原磷酸化酶有高活性的磷酸化形式与低活性的脱磷酸化形式两种，从脱磷酸化形式转化成磷酸化形式是由磷酸化酶b激酶催化，反之，则是有由磷酸化酶磷酸酶催化。,目前已发现有几百种酶被翻译后都需要进行共
27、价修饰，其中一部分处于分支途径，对其代谢流量起调节作用的关键酶，属于这种酶促共价修饰系统。由于这种调节的生理意义广泛，反应灵敏，节约能源，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。,三、同工酶,同工酶(isoenzyme)是指催化的化学反应相同，酶蛋白的分子组成形式、理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。这类酶存在于生物的同一种属或同一个体的不同组织、甚至同一组织或细胞中。如乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase,LDH），具有多种分子组成形式：LDH5（M4）、LDH4（M3H）、LDH3（M2H2）、LDH2（MH3）、
28、LDH1（H4）。,LDH同工酶有组织特异性，LDH1在心肌含量高，而LDH5在肝、骨骼肌含量高。因此，LDH同工酶的相对含量的改变在一定程度上反映了某器官的功能状态，临床上利用这些同工酶在血清中的相对含量的改变作为某脏器病变鉴别诊断的依据。,同工酶也是研究代谢调节、分子遗传、生物进化、个体发育、细胞分化和癌变的有力工具，在酶学、生物学、和医学中均占有重要地位。,不同组织中LDH同工酶的电泳图谱,四、固定酶,用物理、化学等方法将水溶性的酶固定到特定的载体上使之成为水不溶性的酶称之为固定酶或固相酶。,五、核酶,具有催化活性的RNA称为核酶。,核酶种类：自催化核酶（自我剪切核酶、自我剪接核酶），分子间催化核酶,
