酶动力学
第五章酶反应动力学
rS rS ,max
当CS＜＜Km时，是一级反应，反应速率与底 物浓度成正比，其反应式：
rS
rS max Km
CS
反应最大速率：
rS ,max, K2 E0 K+2——反应常数。 E0—酶总浓度。
二、反应时间计算 1、间歇操作反应器（BSTR)
对间歇搅拌反应器，可对整个反应器做 反应组分的物料衡算为:
r c c K c max m
S0
S
S0
S
m
S
（1）平推流式反应器（CPFR)
V
0
cS
V
0
(cS
dcS)
r
S
dV
R
dcS
dt
dV
R
连续稳态操作时， dcS 0 ,于是 dt
V 0dcS rS dVR
• 对整个反应器有，有
dc cSf
S VR 1
r dV cS0
对底物的物料衡算式有：
V
0
cS
0
V
0
cS
r
SV
R
dcS
dt
V
R
V 0 ——物料流量
c c、 S0 S
——进料、反应器中的底物浓度
V R ——反应器有效体积
在连续稳态时，dcS 0 ，并由上式可得： dt
V c c R S0 S
V m 0
rS
均相酶反应，符合M-M方程反应：
c c ( )
暂存罐 泵
淀粉糖生产的糖化罐
无菌空气
螺旋板换热器
糖化罐
对产物抑制酶反应，由于在CSTR中维持了比CPFR 中较高的产物浓度，因而在CSTR中产物的抑制作 用较大，此时显然应采用CPFR 更为有利于。
第9章__酶动力学
max
V max [ S ] V max V Km [ S ] 2
K 3 [ E ][S ] V max [ S ] K 3 [ E ][S ] 复 习 V K 3 [ ES ] V K 3 [ ES ] Km [ S ] Km [ S ] Km [ S ]
失活 (inactivation)：凡是酶活力的降低或丧失都称为 酶的失活。 抑制 (inhibition)：使酶活力下降或丧失但并不引起酶 蛋白变性，它主要改变酶活性中心的化学性质。 抑制剂（ inhibitor ）：引起酶的抑制作用的物质称为 酶的抑制剂。
研究抑制剂对酶的作用有重大的意义： （1）药物作用机理和抑制剂型药物的设计与开发；抗癌药 （2）了解生物体的代谢途径，进行人为调控或代谢控制发酵； （3）通过抑制剂试验研究酶活性中心的构象及其化学功能基 团，不仅可以设计药物，而且也是酶工程和化学修饰酶、酶 工业的基础。
最适温度： 温度对酶促反应速度的影响有两个方面： 1. 温度升高，加快反应速度。 2. 温度升高，酶变性失活。 最适温度不是酶的特征常数，它与底物种类、作用时间、pH、离子强 度 等因素有关。 温血动物酶的最适温度35℃—40℃；植物酶最适温度40℃—50℃；微生 物差别大，如细菌Taq DNA聚合酶70℃。 温度系数 Q10：温度升高 10℃，反应速度与原来的反应速度之比，大多 数酶的Q10一般为1~2。
（二） 小分子有机物的激活作用
1.某些激活剂（如Cys、GSH）能还原巯基酶中的某些二硫键使 成-SH，-SH是巯基酶起催化作用所需的基团，提高了酶活性。 2.金属螯合剂，如EDTA(乙二胺四乙酸)，可络合一些重金属离 子，解除它们对酶的抑制，从而使酶活升高。
第九章 酶动力学
抑制剂I
激活剂A
一、酶反应速度
测量：单位时间内底物的减少或产物的增加。 （v=dp/dt) 反应进程曲线 初速度
只有初速度的 测定才有意义
初速度 产
酶促反应速度逐渐降低 物
0
时
间
酶反应进程曲线
酶反应的速度不停在变
)
二、底物浓度对酶反应速度的影响
零级反应 v = k [E] 混合级反应
4.Km与Ks：Km不等于Ks，只有在特殊情况下，Km 才可表示酶 和底物的亲和力。
S + E
k1 k2
ES
k3
E+P
∵ Km= （k2 +k3)/k1 当k2＞＞k3时 Km ≈ k2 / k1 ∴ Km可以看作ES的解离常数ks ： [S][E] Km= ks = ———— [ES]
5. 当反应速度达到最大反应速度的90%，则
抑制作用：使酶的必需基团的化学性质改变而降
低酶活性甚至使酶完全丧失活性的作用，引起作用 物质称为抑制剂（I）（选择性）。 研究抑制作用的意义？
类型：
不可逆抑制作用
可逆抑制作用
竞争性抑制
非竞争性抑制 反竞争性抑制
1.不可逆抑制（irreversible inhibition）
抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合, 使酶丧失活性, 不能用透析超滤等物理方法除去 抑制剂使酶恢复活性. 例1： 巯基酶的抑制
例: 反应时间短，最适温度高。 反应时间长，最适温度低。
温度系数： 当温度增高10摄氏度，反应速度与原来 反应速度的比。对于大多数酶，温度系数为2.
五、 pH对酶反应速度的影响
A: 胃蛋白酶; B: 葡萄糖-6-磷酸酶 酶 的 活 性
酶的酶学动力学与酶反应速率
酶的酶学动力学与酶反应速率酶学动力学是研究酶催化反应速率的一门科学，它对了解酶的功能及其在生物体内的重要作用具有极大的意义。
酶反应速率是指单位时间内酶催化反应所进行的化学转化数量，了解酶反应速率的影响因素，可以帮助我们更好地理解和应用酶。
一、酶学动力学的基本概念1. 反应速率（Reaction Rate）：反应速率是指单位时间内发生的化学反应的转化数量，通常用反应物消耗或生成的摩尔数表示。
2. 酶反应速率（Enzyme Reaction Rate）：酶反应速率是指酶催化反应在单位时间内进行的化学转化数量。
3. 酶反应速率常数（Enzyme Reaction Rate Constant）：酶反应速率常数是指酶催化反应速率和底物浓度之间的关系。
它表示单位时间内单位底物浓度所进行的化学转化数量。
4. 酶底物（Enzyme Substrate）：酶催化反应的底物，酶与底物结合形成酶底物复合物，进而发生催化反应。
5. 酶底物复合物（Enzyme-Substrate Complex）：酶与底物结合形成的中间产物，也称为酶底物复合物。
二、酶反应速率的影响因素1. 温度（Temperature）：温度是影响酶反应速率的重要因素。
一般情况下，随着温度的升高，酶反应速率会增加，因为温度升高可以提高酶分子的热运动速率，增加有效碰撞的频率。
但是超过一定温度，酶的构象会发生改变，失去催化活性。
2. pH值：pH值是指溶液的酸碱性，也是酶催化反应速率的重要影响因素。
不同酶对pH值的适应性不同，大部分酶在特定的pH值范围内才能发挥最大催化活性。
改变pH值会影响酶底物结合力、酶的构象和其所需离子的可用性，从而影响酶活性。
3. 底物浓度：底物浓度是影响酶反应速率的重要因素。
一般情况下，随着底物浓度的增加，反应速率也会增加，因为底物浓度的增加会增加有效碰撞的可能性。
但是当底物浓度超过酶的饱和浓度时，反应速率将达到极大值，此时反应速率不再增加。
第三章 酶反应动力学
引起酶反应速度降低的原因： 底物浓度的降低；酶的部分失
斜率=[P]/ t = V初速度 活；产物对酶的抑制；产物增
加引起的逆反应速度的增加
时间
t •研究酶反应速度以酶促反应的
初速度(initial speed)为准
酶反应速度曲线
二、底物浓度对反应速度的影响
1、单底物酶促反应动力学
（1））米氏方程（Michaelis－Menten equation
所以 Vm k2 Et
(4)
v
Vm ax S Km S
2.2.3 米氏常数的意义
•当v=Vmax/2时，Km=[S]（ Km的单位为浓度单位）,即 米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。
* 是酶在一定条件下的特征物理常数，通过测定Km的
数值，可鉴别酶。
* 可近似表示酶和底物亲合力，Km愈小，E对S的亲合
以 对作图，绘出曲线，横轴截距即 为－值，纵轴截距则是
双倒数作图
米氏常数（Michaelis-constant）的意义
a Km的物理意义
当V＝1/2Vmax时的底物浓度，为Km的物理意义。 即［S］＝Km
Km单位：m(mol)/L
b Km是酶的特征性常数
不同酶,Km是不一样的。 底物种类，pH（opt）,T（opt） 要定下来。
分变性； （3） 随时间延长，产物增加，产物对酶的抑制作用； （4） 产物增加，逆反应速度增加。
因此，只有初速度才是酶的反应速度。
一、酶浓度的影响
酶促反应的速度和酶浓度成正比
[S]>>[E]
V∝[E]
反 应 速 度
0
酶浓度
[P] 产 物 浓 度
反应速度:用单位时间内、单 位体积中底物(S)的减少量或产 物(P)的增加量来表示。单位： 浓度/单位时间
第十章酶动力学
（二）可逆抑制作用： • 抑制剂以非共价键与酶分子可逆性 结合造成酶活性的抑制，且可采用 透析等简单方法去除抑制剂而使酶 活性完全恢复的抑制作用就是可逆 抑制作用。 • 可逆抑制作用包括竞争性、反竞争 性、和非竞争性抑制几种类型。
抑制程度是由酶与抑制剂之间的亲和力大 小、抑制剂的浓度以及底物的浓度决定。
四、pH对反应速度的影响
观察pH对酶促反应速度的影响，
通常为一“钟形”曲线，即pH过高 或过低均可导致酶催化活性的下降。 酶催化活性最高时溶液的pH值就 称为酶的最适pH。
pH对酶促反应速度的影响
木瓜蛋白酶
乙酰 胆碱 酯酶
人体内大多数酶的最适pH在6.5～ 8.0之间。 酶的最适pH不是酶的特征性常数。
与 图 形 特 征
反 竞 争 性 抑 制 的 速 度 方 程
反竞争性抑制的双倒数图形特征
• • • • •
反竞争性抑制的特点： ⑴ 反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的 ⑵ 抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合； ⑶ 必须有底物存在，抑制剂才能对酶产生抑制 ⑷ 动力学参数：Km减小，Vm降低。
1. 反应体系中不加I。 2.反应体系中加入 一定量的不可逆抑 制剂。
v
1
2
3
3.反应体系中加入一定 量的可逆抑制剂。
4、可逆抑制强度与时间 无关，而不可逆抑制强 度与时间有关
[E]
v
[I ]→
v
[I ]
[E]
不可逆抑制剂的 作用 可逆抑制剂的作用
[E]
• 1.竞争性抑制（competitive inhibition)： • 抑制剂与底物竞争与酶的同一活性中心结 合，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的 催化活性降低，称为竞争性抑制作用。
第九章 酶动力学
Hill常数不同的酶反应速率与底物浓度的关系曲线
v
vmax
Km
ES
I
KI
EI S
k1 ES
k2 E P
k-1
I v [S] vmax
KI’
[S] Km (1 [I ] ) KI
EIS
Km 不变 vmax 降低
+抑制剂
1/v
Vmax/(1+[I]/KI)
[S]
(1+[I]/KI)/Vmax
-1/Km
斜率=Km/vmax
斜率= Km(1+[I]/KI)/vmax
米氏酶的双倒数作图
Eadie-Hofstee作图
Hanes-Wolff 作图
酶抑制剂作用的动力学
酶抑制剂的类型 ① 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； ② 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
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。
第10章 酶动力学
+抑制剂
1/v
(1+ KI/[I])/Vmax Vmax/(1+KI/[I])
斜率=Km/vmax
斜率= Km/vmax
[S]
Km/(1+ KI/[I]) Km
-1/Km - (1+ KI/[I])/Km
1/vmax
1/[S]
无I 有I
与 图 形 特 征
反 竞 争 性 抑 制 的 速 度 方 程
反竞争性抑制的特点： ⑴ 反竞争性抑制剂的化学结构不一定与 底物的分子结构类似； ⑵ 抑制剂与底物可同时与酶的不同部位 结合； ⑶ 必须有底物存在，抑制剂才能对酶产 生抑制作用；抑制程度随底物浓度的增 加而增加； ⑷ 动力学参数：Km减小，Vm降低。
非 竟 争 性 抑 制
（3）反竞争性（Uncompetitive ）抑制
反竞争性抑制剂
ES
k1 k-1
ES
I
KI’
k2
EP
v max [S ] Km K (1 I ) [S ] K [I ] (1 I ) [I ]
Km 降低 vmax 降低 斜率不变
v
vmax
v
EIS
I
E S
KI
k1 K-1
ES
v max [ S ]
k2
EP
v
EI
v
vmax
Km(1+[I]/KI)
[ S ] K m (1
[I ] ) KI
Km 升高 vmax 不变
+抑制剂
1/v
斜率=Km/vmax
斜率= Km(1+[I]/KI)/vmax
Km
[S]
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酶动力学
酶动力学是研究酶结合底物能力和催化反应速率的科学。
研究者通过酶反应分析法（enzyme assay）来获得用于酶动力学分析的反应速率数据。
研究酶催化剂参与的生物反应过程中，酶反应速率及影响酶反应速率的各种因素。
它能提出底物到产物之间可能历程与机理，获取反应速率和影响此速率的诸因素，例如温度、pH、反应物系的浓度以及有关抑制剂等的关系，以满足酶反应过程开发和生物反应器设计的需要。
底物浓度的影响长期以来，人们已经知道许多化学反应的速率随着反应物浓度的增加而增加。
对于一个单底物不可逆的酶反应，当底物浓度增加时，酶反应的速率不断增大并接近一
个最大值（见图）。
L.米歇利斯和L.M.门腾（1913）基于酶被底物饱和的现象，提出“中间产物”学说：即酶（E）与底物（S）结合形成一个不稳定的中间产物或络合物（ES），然后生成产物（P）和游离酶E，并推导出反应速率与底物浓度的关系式(2),即米氏方程式。
它是研究影响反应速率各种因素的基本动力学的方程式，式中r为反应速率，亦即酶活力,以单位时间内底物被分解的量来表示，r=-dS/dt；S表示底物浓度;rmax为最大反应速率；Km为米氏常数，Km=（k2+k3）/k1,其数值等于当酶反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度。
Km是酶的一个特征性常数，当速率常数K2比K3大很多时,Km就接近络合物（ES）的解离常数。
因此，Km是酶与底物亲和力的量度:Km值高表示E与S的亲和力弱;Km值低时表示亲和力强。
在米氏方程中，有两个基本常数Km和rmax，除从图中直接读出近似值外，一般常用双倒数法来求其精确值。
此法是将式(2)的两边取倒数，以1/r与1/S来作图，可求出rmax和Km 值。
酶的抑制作用酶的抑制作用是由于某些物质与酶相互作用后导致酶反应速率的下降。
引起抑制作用的物质称抑制剂。
抑制作用有可逆与不可逆的。
可逆抑制又有竞争性抑制、非竞争性抑制和不竞争性抑制之分。
常用反应式(4)和式(5)来表示可能发生的相互作用。
E+IE=I(4)
ES+I=ESI(5)
此外I为抑制剂；EI为酶-抑制剂络合物；ESI为酶-抑制剂-底物络合物。
抑制剂可以按式(4)和式(5)所示的相互作用，降低式(1)的反应速率。
①竞争性抑制作用抑制剂与底物结构相似，与底物对酶分子上相同的活性部位发生竞争性结合，生成络合物,如式(4)所示。
竞争性抑制可用增加酶反应中底物浓度而逆转以解除抑制
作用。
如果抑制剂是产物时，则称竞争性产物抑制,反应过程中常采取增加底物浓度,或不断将产物分离出去，降低产物浓度，提高反应速率。
②非竞争性抑制作用是由于一种抑制剂既与酶也与酶-底物络合物相互作用引起的结果。
如式（4）和式(5)所示,这类抑制作用不能用提高底物浓度来消除。
如果抑制剂是产物时，则称为非竞争性产物抑制，在所有范围的底物浓度下，产生的抑制作用是一致的。
凡是有产物抑制的酶反应常优先采用连续管式或分批釜式反应器。
③不竞争性抑制作用如式(5)所示，抑制剂只与酶-底物络合物相互作用。
在低底物浓度下,其抑制作用比在高底物浓度下所产生的效应（对照百分率）为少。
在不少酶反应过程中，底物也是抑制剂，底物抑制的酶反应常采用连续釜式反应器生产，它比分批式反应器有利。
以上三种可逆抑制酶反应的修正米氏方程式（见表），有一般表达式和典型表达式。
前者用K抑制常数；后者用K,KP分别为底物和产物抑制常数;I表示抑制剂的浓度;P表示产物浓度。
酶动力学
温度的影响酶对温度极为敏感,绝大多数酶在60℃以上即变性、失活。
在低温时酶反应进行缓慢；当温度逐渐升高时，反应速率也逐渐升高；到最高峰时，温度如继续升高反应速率很快降低。
一种酶在一定条件下，只能在某一温度时才表现出最大活力，这个温度就是这种酶反应的最适温度。
各种酶都有它的最适温度。
最适温度的出现，是由于温度对酶的反应有双重影响的结果。
一方面同一般化学反应一样，随着温度升高酶催化的反应速率也加快；另一方面是由于酶是蛋白质，随着温度升高会加速酶蛋白的变性，使酶的活性丧失。
pH的影响反应介质的氢离子浓度也相当大地影响酶的活力。
酶常常在某一pH范围内才表现出最大活力，这种表现出酶最大活力时的pH，就是酶的最适pH。
在最适pH范围内，酶反应速率最大，否则酶反应速率就降低。
pH对酶反应速率的影响，一方面是由于酶本身是蛋白质，过酸或过碱易使酶变性失活；另一方面主要是影响了酶分子的活性中心上有关基团的解离或底物的解离，影响酶与底物的结合，从而影响酶的活力。
不同酶的最适pH可分布在很广的范围内,从大约pH为2的蛋白酶到大约pH为10的精氨酸酶。
某些酶可以跨越几个pH单位的广阔的最适pH范围，而其他一些酶则有非常窄的最适pH。
与最适温度一样，一种酶的最适pH可以随所用的底物及其他实验条件而变化。
米氏方程
米氏方程是基于质量作用定律而确立的，而该定律则基于自由扩散和热动力学驱动的碰撞这些假定。
然而，由于酶/底物/产物的高浓度和相分离或者一维/二维分子运动，许多生化或细胞进程明显偏离质量作用定律的假定。
在这些情况下，可以应用分形米氏方程。