10章酶反应动力学-教学用
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第10章 酶促反应动力学
用这些数据求丝氨酸脱水酶的表观米氏常数。 解：1、v对[S]作图法:
v
丙 酮 0.3 酸
Vm
0.2 Vm 2 0.1
Vmax=0.36 1/2Vmax=0.18 Km=3.210-7
M/20min
0
1
2
3
4
5
6
7
8 10-6 [S]
解2、1/v 对1/[S]作图法：
[S]
0.20 0.40 0.85 1.25 1.70 2.00 8.00
说：当酶催化反应时，酶首先与底物结合，生成酶-底物复合物，
然后生成产物，并释放出酶。
V
Vmax
[S] 当底物浓度较低时 反应速度与底物浓度成正比；反 应为一级反应。
V
Vmax
[S]
随着底物浓度的增高 反应速度不再成正比例加速；反应 为混合级反应。
V
Vmax
[S]
当底物浓度高达一定程度 反应速度不再增加，达最大速度； 反应为零级反应
[S] 1000km 100km 10km 4km 3km v 0.999V 0.99V 0.91V 0.8V 0.75V
1km
0.10km
0.5V
0.091V
（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小方向进行。
4、Vmax
磺胺药物的抑菌作用
增效联磺（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。
（四）一些重要的抑制剂
• 1、不可逆抑制剂
①有机磷化合物：与酶活性直接有关的丝氨酸羟基共价结合，从而抑制
酶促反应动力学
2. 激活剂对酶作用的特点
（1）激活剂对酶的作用具有一定的选择 性 ；即一种激活剂对某种酶起激活作用， 而对另一种酶可能起抑制作用 （2）有时金属离子之间也可相互替代 （3）激活离子对于同一种酶，可因浓度 不同而起不同的作用，低浓度激活，高 浓度抑制
抑制与失活之间关系的总结
酶蛋白
失活
变性
抑制
未变性
机理
变性剂或抑 制剂
酶蛋白结构 解体
无选择性
必需基团性 质改变
有选择性
一、抑制程度的表示方法
酶受抑制后活力降低的程度一般用反应速率的 变化来表示(vi-加入抑制剂后的速度; v0- 不加抑制剂时的速度) (1) 相对活力分数(残余活力分数);a=vi / v0 (2) 相对活力百分数(残余活力百分数);a%= vi / v0 x 100% (3) 抑制分数：指被抑制而失去活力的分数;
底 物 浓 度 对 速 率 影 当底物浓度较低时，表现为一级反应（其反应速 响 率与浓度的关系能以单分子反应的动力学方程式 的 表示：v=dc/dt=kc （线性关系） 曲 随着底物浓度的增加，反应表现为混合级反应。 线 当底物浓度达到相当高时，表现为零级反应（与 图 底物浓度无关）。
为解释这一实验结果，Henri和Wurtz提 出了酶底物中间络合物学说。该学说认 为当酶催化某一化学反应时，酶首先和 底物结合生成中间复合物(ES)，然后生 成产物(P)，并释放出酶。反应式：
v = k3[ES] ,代入（1）式得：
V = k3[E][S] / (Km+[S])
（2）
当底物浓度很高时所有的酶都被底物饱和而转 变为ES复合物，即[E]=[ES]，酶促反应达到最 大速度Vmax，所以
Vmax = k3[ES] = k3[E]
酶工程 第十章 酶的催化特性与反应动力学 2013-2
½Vmax 分数级反应 一级反应 [S]<<K
零级反应 [S]>>K
K
[S]
当v = ½Vmax时，K=[S]，即米氏常数，记做Km
35/138
3. 稳态学说
中间复合物假说
假定[ES]处于稳态中，即形成速率等于分解速率： k1[E][S]=k-1[ES]+k2[ES] k1[E][S] [ES]= k-1+k2 酶以ES形式存在的比例: [S] k-1+k2 +[S] k1
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（4）直接线性作图法：
Vmax
Vmax (Vmax, Km)
v1
v2 [S]2 -[S]1 -[S]3
Km
42/138
（5）常用动力学数据处理方法的比较 Lineweaver-Burk法最常用，优点是v和[S]在不同轴上 ，但误差分布不均衡 直接线性作图法优点是v 和[S]直接表现在图线上，具有 统计合理性，可采用Vmax和Km的中位数。采用非线性回 归进行拟合，可得到最优Vmax和Km的值。
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4. 酶专一性的确定
（1）选择底物，测定最适温度、pH等条件 （2）确定米氏常数Km和最大反应速度Vmax （3）选用结构类似物确定专一性 （4）相对专一性的酶确定几个底物的Km、Vmax （5）确定是否有立体异构专一性
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（二）酶催化作用的效率高
转换数（每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数）一般 103 min-1，β-半乳糖苷酶的转换数为12.5×103min-1， 碳酸酐酶的转换数达到3.6×107min-1 。 酶的催化作用可使反应速度提高107～1013倍 例如：H2O2的分解反应
H2O2 → H2O +
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。
酶反应动力学的研究与应用
酶反应动力学的研究与应用酶是一种生物催化剂，可以促进化学反应速度。
酶反应动力学研究的就是酶在化学反应中的作用机制和影响因素，以及酶催化反应速率的动力学模型和数学公式。
酶的研究和应用广泛存在于生物学、化学、医学、农业、食品工业等领域。
1. 酶反应速率的动力学模型和数学公式酶催化反应的速率受到酶底物浓度、反应温度、反应pH、酶的浓度等多种因素的影响。
通过实验测定以上因素对反应速率的影响，可以得到酶反应速率的动力学模型和数学公式。
在实验室中，我们通常使用酶动力学实验来研究酶的性质和应用。
其中最常见的是酶催化反应速率与底物浓度的关系。
当底物浓度较低时，酶催化反应速率随底物浓度呈线性关系。
当底物浓度达到一定浓度时，酶催化反应速率将趋于饱和。
这种趋势可以通过麦克斯韦-玻尔兹曼动力学公式和麦克斯韦-波腾齐方程来描述。
麦克斯韦-玻尔兹曼动力学公式是描述反应速率与温度、激活能之间的关系。
而麦克斯韦-波腾齐方程是描述反应速率与温度之间的关系。
2. 酶反应动力学在医学和生物学中的应用酶动力学在医学和生物学中的应用非常广泛。
例如，肿瘤诊断和治疗中，酶动力学可以用来研究癌细胞和正常细胞之间的酶级别和酶活性差异，以及癌细胞的代谢途径。
另外，在经过酶修饰后的蛋白质的研究中，酶动力学可以被用来研究蛋白质的构象变化和反应机制。
3. 酶反应动力学在制药工业中的应用在制药工业中，酶的应用非常广泛，例如制造药品或生物制剂的酶催化反应。
在这种情况下，酶反应动力学的研究可以帮助我们确定酶和底物之间的最适合反应条件，以及如何控制反应条件以获得更高的反应速率和产量。
4. 酶反应动力学在食品工业中的应用酶在食品工业中的应用主要是用来提高食品的品质和营养价值。
例如在面包、奶酪和啤酒制造过程中，酶可以被用来破解淀粉质、蛋白质和葡萄糖分子，以获得更好的风味和结构。
酶反应动力学的研究可以帮助制定最适宜的反应条件，以获得最高的反应速率和产量，从而提高食品质量和营养价值。
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]
酶催化反应动力学概况课件
非竞争性抑制剂
与酶的活性中心以外的位点结合，影响酶与底物的结合。
反竞争性抑制剂
既不与底物也不与酶直接结合，而是通过改变酶的构象来影响其 催化活性。
酶促反应的激活剂
01
02
有机小分子
金属离子
03 蛋白质
抑制剂与激活剂的应用
药物研发 生物工程 化学工业
05
酶催化反应的动力学应 用
CHAPTER
酶催化反应在生物工程中的应用
影响因素
速率常数受到多种因素的影响， 包括温度、pH值、离子强度、底 物浓度、酶浓度等。
酶的活性单位与测定方法
活性单位定义
1
常用活性单位
2
测定方法
3
酶促反应的速率常数与底物浓度关系
米氏方程
Km值的意义
04
酶促反应的抑制剂与激 活剂
CHAPTER
酶促反应的抑制剂
竞争性抑制剂
与底物竞争酶的活性中心，从而降低酶的催化效率。
02
酶催化反应的速率方程
CHAPTER
米氏方程
米氏方程是描述酶催化反应速率与底物浓度关系的方程，其形式为v=Vmax[S]/ （Km+[S]），其中v代表反应速率，Vmax代表最大反应速率，[S]代表底物浓度， Km代表米氏常数。
米氏方程是酶动力学中的基本方程之一，通过它可以研究酶催化反应的特性，如 最大反应速率、底物浓度等对反应速率的影响。
初始速率法
初始速率法可以避免产物抑制和底物 抑制等效应对实验结果的影响，因此 被广泛应用于酶促反应的动力学研究。
酶促反应的速率曲线
03
酶促反应的速率常数与 酶活性
CHAPTER
酶促反应的速率常数
定义
与酶的活性中心以外的位点结合，影响酶与底物的结合。
反竞争性抑制剂
既不与底物也不与酶直接结合，而是通过改变酶的构象来影响其 催化活性。
酶促反应的激活剂
01
02
有机小分子
金属离子
03 蛋白质
抑制剂与激活剂的应用
药物研发 生物工程 化学工业
05
酶催化反应的动力学应 用
CHAPTER
酶催化反应在生物工程中的应用
影响因素
速率常数受到多种因素的影响， 包括温度、pH值、离子强度、底 物浓度、酶浓度等。
酶的活性单位与测定方法
活性单位定义
1
常用活性单位
2
测定方法
3
酶促反应的速率常数与底物浓度关系
米氏方程
Km值的意义
04
酶促反应的抑制剂与激 活剂
CHAPTER
酶促反应的抑制剂
竞争性抑制剂
与底物竞争酶的活性中心，从而降低酶的催化效率。
02
酶催化反应的速率方程
CHAPTER
米氏方程
米氏方程是描述酶催化反应速率与底物浓度关系的方程，其形式为v=Vmax[S]/ （Km+[S]），其中v代表反应速率，Vmax代表最大反应速率，[S]代表底物浓度， Km代表米氏常数。
米氏方程是酶动力学中的基本方程之一，通过它可以研究酶催化反应的特性，如 最大反应速率、底物浓度等对反应速率的影响。
初始速率法
初始速率法可以避免产物抑制和底物 抑制等效应对实验结果的影响，因此 被广泛应用于酶促反应的动力学研究。
酶促反应的速率曲线
03
酶促反应的速率常数与 酶活性
CHAPTER
酶促反应的速率常数
定义
生物化学中的酶反应动力学
生物化学中的酶反应动力学酶是生物体内重要的催化剂，它的反应速率决定了众多生物代谢过程的速度和效率。
而酶反应速率的研究则是酶学中的一个重要分支——酶动力学。
在酶动力学中，研究的重点就是酶反应速率的测定和酶反应的调控机制。
一、酶反应速率的测定1.1 反应速率和酶浓度酶反应速率随着酶浓度的增加而增加，但是当酶浓度达到一定程度时，酶反应速率不再受到酶浓度的限制。
这是因为反应速率受到底物浓度和酶催化活性的限制。
1.2 最大反应速率和酶活性最大反应速率是当底物浓度足够高时，反应速率达到最大值的状态。
而酶活性则是指在最大反应速率时的酶浓度。
酶活性的大小和酶催化效率有关，也与底物的亲和力和反应过程的阻力有关。
1.3 底物浓度和酶反应速率底物浓度对酶反应速率具有重要的影响。
当底物浓度越高时，酶能够催化的反应速率也就越快。
但当底物浓度达到一定程度时，酶反应速率就不再随着底物浓度的增加而增加，因为酶已经饱和了。
二、酶反应的调控机制2.1 温度和酶反应速率温度对酶反应速率有重要的影响。
一般而言，温度越高，分子的动能越大，分子运动越快，酶反应速率就越快。
但是当温度过高时，酶的构象会发生变化，导致酶失去催化活性。
因此，要在合适的温度范围内进行酶反应研究。
2.2 pH值和酶反应速率pH值对酶反应速率也有重要的影响，因为酶在不同的pH值下具有不同的催化活性。
这是因为不同的pH值会影响酶的离子化和氢键等性质，进而影响酶的活性。
不同类型的酶也具有不同的最适pH值，因此在研究酶反应时需要注意pH值的调节。
2.3 抑制剂和酶反应速率抑制剂是能够抑制酶活性的物质，能够降低酶反应速率。
抑制剂可分为可逆抑制剂和不可逆抑制剂。
可逆抑制剂按照受抑制的部位可以分为竞争性抑制剂和非竞争性抑制剂，其中竞争性抑制剂是和底物竞争同一反应位点上的底物结合，而非竞争性抑制剂则是与酶不同的位点结合。
不可逆抑制剂则是能够永久地结合在酶的活性中心上，使酶永久地失去活性。
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数,例如
k2k3 k2 k3
kcat
Kcat 是k2、k3的函数
k2k3 k2 k3
kcat
胰凝乳蛋白酶催化某些底物时k2<<k3，此时kcat=k2；对另一些 底物k2>>k3，kcat= k3。
Kcat 一级反应速率常数，因此量纲是时间-1如min-1，s-1。 kcat有时也称为酶的转换数(turnover number, TN)，它是酶的
将实验测定的米-曼氏曲线的坐
标作平移，并用新坐标系 (x，y)
表示旧坐标系(v0，[S])，米-曼 氏方程可以转变为 xy = -Km 其 曲线为以坐标轴(x，y)为渐近线
的直角或等轴或等边双曲线
Vm a x
2
从米-曼氏方程或其曲线可以看出三种情况：
当[S ]
[Km
]，v0
Vmax[S ] Km
d[P]
dt
酶促反应过程中前稳态和稳态期间各种浓度变化（A）和速率变化（B）
E SK -K1 1 ES KK-22 P E
ES生成速度：K1([Et] - [ES])[S] ES分解速度：k2[ES]+k-1[ES] 稳态时：k1([Et] - [ES])[S] = k2[ES]+k-1[ES]
v0
Vmax[S ] Km [S]
在生理条件下，大多数酶并不被底物所v 饱 和Vm。ax[S]
Vmax kcat[Et ]
根当据当常K此同当观[Sc：][数参底酶速a<EtV/vvvk<K](数物与率0cm和单KaMat x(常 底 常/mk[位 竞可KKScKV[a时用 物 数E]tk争mmmmm作[均c]Ea，来 的 。aox[性t[T为S为[l[S[-E]大k比 相 当S]1S[底]2在·kT变]S]s3多较 互K]-]k物1远量1Vk·2vvvk数不碰L>3cm)低a时的>a)t酶同撞x；/kKKV于，KkcK催Kamm处酶是-ctk1mamm[a饱K时tcx化E[a于的限[tST[cS和[，a效E]k]S[t]游催速[2ktES是]量]K3率]]k离化步[1kM的SE，则3=形效骤]+底k：因S式率时2→/V物vvk此kc0m[，，a1EEa浓t,也x/K]特K+k而KkK度Kc≈Pm称cackm别atmakm[[tct反下EEa/c为[tKa是[ttSt[应E]k]酶=[专MS][:2kTE比Sk]可3]的的]]2k一[，较1kS代表3催性]vvk同00表c观化a常t一/真二效kKKk数Kc个caMm实a级率ttm。[[酶E的E速指tk[]]对2Sk[[微率S数S3]k]不]1k。3
K2 限速步骤速率常数
E S KK-11 ES K2 EPK3 E P
K3 限速步骤限速常数
需要提出一个更通用 的速率常数，催化常
数，Kcat，用来描述任
一酶促反应在饱和时 的限制速率
如果一个多步骤的反应,其中一步明显是限速的,则该步骤的速率常数就
是Kcat，K2和K3。 如果几个步骤都是部分限速的,Kcat 可以是几个速率常数的一个复杂函
P1
第一步是快速平衡,第二和第三步是慢速过程。应用稳态假设,
从上面模型可以导出胰凝乳蛋白酶催化水解的稳态速率
v0
k2k3 k2 k3
[Et
][
S
]
ks
k3 k2 k3
[S ]
可见胰凝乳蛋白酶是遵守米 -曼氏动力学的。
这里,
Vm a x
k2k3 k2 k3
[
Et
]或
k2k3 k2 k3
因此:
kcat KM
k2 k2 / k1
k1
k1存在一个上限，取决于酶与底物在水溶液中的碰撞频率。如果每 次碰撞都能形成ES复合体，则根据扩散理论预言，k1将约为108 － 109mol-1·s-1·L，这是扩散控制的极限范围。酶的催化效率不能超过
此极限范围。
(四) 米一曼氏方程的线性化作图求KM和Vmax值
混合级反应
零级反应
一级反应
v0 k[S0 ] 非催化反应
教学内容
(一) 酶促反应动力学的基本公式-米-曼氏方程 (二) 米-曼氏方程所确定的图形是一直角双曲线 (三) 米-曼氏动力学参数的意义 (四) 米-曼氏方程的线性化作图求Km和Vmαx值
(一) 酶促反应动力学的基本公式：米-曼氏方程
中间复合体学说：
E SKK-11 ES K-2 K2 P E
steady-state theory：反应进行不长的一段时间内(几毫秒，前稳态)，系统
的ES浓度由0增加到一定数值，在一定时间内，尽管底物浓度不断变化，
ES也在不断合成和分解，但是当反应系统中ES的生成和分解速率相等时，
络合物ES的浓度保持不变，这种状态称为稳态 d[S] dt
[ES] [Et ][S] [Et ][S] K 2 K1 [S] Km [S] K1
Km K 2 K1 K1
Vmax=kcat [Et]
v0 K2 [ES] kcat[ES] Kcat [Et ][S ]
Km [S] V max[S]
Km [S]
E SKs ES KcatP E
Ks：解离[平衡]常数； Kcat：催化常数
1913，德化学家Michaelis L和Menten M 根据中间产物学快速平 衡模型或平衡稳态模型，称为米-曼氏模型。
v0
Vmax[S ] Ks [S]
米式方程的导出：
基于快速平衡模型或平衡稳态模型的米氏方程: 早年的米式方程 最初，Michaelis 和 Menten 根据“快速平衡假说”推出米式方程。 快速平衡假说：一些假设
的，不同条件下具有不同的KM值。 ② 判断酶的专一性和天然底物：KM最小的底物为最适或天然底物。 ③ 判断酶与底物结合的难易：KM 是 ES分解速度(K-1+K2)与形成速
度(K1)的比值，包含ES解离趋势(K-1／K1)和产物形成趋势(K2／ K1)。Kss：酶与底物亲和力大小(ES形成趋势)，底物亲和力
Vm a x 2
米-曼氐方程线性化: 最常见的变换形式是Lineweaver-Butk方程
v0
Vmax[S ] Km [S]
Vmax kcat[ET ]
v kcat[ET ][S ] Km [S]
v0 Kcat [ES] Kcat [Et ][S ]
K1 [S ] K1 Vmax [S ] 此模型不具有普遍性 KS [S]
[ES ] K1[Et ][S ] K 1K1[S ]
ks k1 k1
V max = Kcat [Et]
1952，Briggs G E和Haldane J B S 的“稳态理论”及其对米式方程的 发展：稳态模型或Briggs-Haldane氏模型
大不一定反应速度大(产物形成趋势，K2／K1 )，只有当K-1、K1 >>K2时，KM ≈ Ks，1/Km 近似地表示底物亲和力的大小。 ④ 生产上的实际应用： 已知V求[S]; 已知[S]求V
⑤ 判断某一代谢反应的方向和途径
2. Kcat 的意义：催化常数或转换数
E S KK-11 ES KK-22 E P
v0
Vmax[S ] Km [S]
Vmax kcat[ET ]
直过接渐v 按近 米线kcK-求a曼tm[出E氏TV[]方Sm[S]a程x]，作再图从，通 Vmax/2 求出相应的[S]，即 KMv。不准[E确]，[S只] 能得到Vmax
和够水大平KkMc，(aV的t vm/近0aK也x)似m。很值难k，达2k即3k到1k使渐3 [S近]足线
最大催化活力的量度，即在酶被底物饱和时每一酶分子或每一
活性部位(对多亚基酶而言)在单位时间内被转变为产物的底物
分子数。转换数也称为酶的分子活力(molecular activity)或催
化中心活力。只要反应混合液中酶的总浓度[Et]为已知， kcat 即可从V max 算出。
3. Kact/km的意义:催化效率指数或专一性常数
Km 比Ks 更具普遍性。稳态下，当 K2<<K-1时，则Km= K-1/K1 =Ks ， 因 此平衡态可以看成是稳态的一个特例
(二) 米-曼氏方程所确定的图形是一直角双曲线
v0
V max[S] Km [S]
以初始速率作为初始底物浓度[S] 的函数所做的底物饱和曲线，也称 米-曼氏作图或米-曼氏曲线
1. KM的意义: 真实解离常数和表观解离常数
① 米氏常数KM是 v0=1/2 Vmax时的底物浓度。遵循米-曼氏动力 学的酶,也称为米-曼型酶, 是指呈现v0对[S]的双曲线关系的酶。
② KM的真实意义决定于酶促反应机制的特定方面, 如反应步骤 数目和各步的速率常数。对于简单的二步反应：
KM=(K-1+K2)/K1
第 10 章 酶促反应动力学
酶促反应动力学： 研究酶促反应的速度及其影响因素的科学。为酶的机理研究提供实验 证据，指导酶在生产中的应用。
教学内容 一、有关的化学动力学概念（自学，化学学习的内容） 二、底物浓度对酶促反应速率的影响 三、多底物的酶促反应 四、影响酶促反应速率的其他因素 五、酶的抑制作用
E Sk1 ES 反应可逆，且很快达到平衡 k-1
ES k2 P E 限速步骤，K2 << K-1 P的生成不足以破坏快速平衡
初始阶段，初始底物浓度[S0]>>[E0] 初始酶浓度，初始底物浓度之用去 很小部分底物浓度[S]可看成是[S0] 。 酶守恒公式：[E]+[ES]=[Et] =[E0]
k2k3 k2 k3
kcat
Kcat 是k2、k3的函数
k2k3 k2 k3
kcat
胰凝乳蛋白酶催化某些底物时k2<<k3，此时kcat=k2；对另一些 底物k2>>k3，kcat= k3。
Kcat 一级反应速率常数，因此量纲是时间-1如min-1，s-1。 kcat有时也称为酶的转换数(turnover number, TN)，它是酶的
将实验测定的米-曼氏曲线的坐
标作平移，并用新坐标系 (x，y)
表示旧坐标系(v0，[S])，米-曼 氏方程可以转变为 xy = -Km 其 曲线为以坐标轴(x，y)为渐近线
的直角或等轴或等边双曲线
Vm a x
2
从米-曼氏方程或其曲线可以看出三种情况：
当[S ]
[Km
]，v0
Vmax[S ] Km
d[P]
dt
酶促反应过程中前稳态和稳态期间各种浓度变化（A）和速率变化（B）
E SK -K1 1 ES KK-22 P E
ES生成速度：K1([Et] - [ES])[S] ES分解速度：k2[ES]+k-1[ES] 稳态时：k1([Et] - [ES])[S] = k2[ES]+k-1[ES]
v0
Vmax[S ] Km [S]
在生理条件下，大多数酶并不被底物所v 饱 和Vm。ax[S]
Vmax kcat[Et ]
根当据当常K此同当观[Sc：][数参底酶速a<EtV/vvvk<K](数物与率0cm和单KaMat x(常 底 常/mk[位 竞可KKScKV[a时用 物 数E]tk争mmmmm作[均c]Ea，来 的 。aox[性t[T为S为[l[S[-E]大k比 相 当S]1S[底]2在·kT变]S]s3多较 互K]-]k物1远量1Vk·2vvvk数不碰L>3cm)低a时的>a)t酶同撞x；/kKKV于，KkcK催Kamm处酶是-ctk1mamm[a饱K时tcx化E[a于的限[tST[cS和[，a效E]k]S[t]游催速[2ktES是]量]K3率]]k离化步[1kM的SE，则3=形效骤]+底k：因S式率时2→/V物vvk此kc0m[，，a1EEa浓t,也x/K]特K+k而KkK度Kc≈Pm称cackm别atmakm[[tct反下EEa/c为[tKa是[ttSt[应E]k]酶=[专MS][:2kTE比Sk]可3]的的]]2k一[，较1kS代表3催性]vvk同00表c观化a常t一/真二效kKKk数Kc个caMm实a级率ttm。[[酶E的E速指tk[]]对2Sk[[微率S数S3]k]不]1k。3
K2 限速步骤速率常数
E S KK-11 ES K2 EPK3 E P
K3 限速步骤限速常数
需要提出一个更通用 的速率常数，催化常
数，Kcat，用来描述任
一酶促反应在饱和时 的限制速率
如果一个多步骤的反应,其中一步明显是限速的,则该步骤的速率常数就
是Kcat，K2和K3。 如果几个步骤都是部分限速的,Kcat 可以是几个速率常数的一个复杂函
P1
第一步是快速平衡,第二和第三步是慢速过程。应用稳态假设,
从上面模型可以导出胰凝乳蛋白酶催化水解的稳态速率
v0
k2k3 k2 k3
[Et
][
S
]
ks
k3 k2 k3
[S ]
可见胰凝乳蛋白酶是遵守米 -曼氏动力学的。
这里,
Vm a x
k2k3 k2 k3
[
Et
]或
k2k3 k2 k3
因此:
kcat KM
k2 k2 / k1
k1
k1存在一个上限，取决于酶与底物在水溶液中的碰撞频率。如果每 次碰撞都能形成ES复合体，则根据扩散理论预言，k1将约为108 － 109mol-1·s-1·L，这是扩散控制的极限范围。酶的催化效率不能超过
此极限范围。
(四) 米一曼氏方程的线性化作图求KM和Vmax值
混合级反应
零级反应
一级反应
v0 k[S0 ] 非催化反应
教学内容
(一) 酶促反应动力学的基本公式-米-曼氏方程 (二) 米-曼氏方程所确定的图形是一直角双曲线 (三) 米-曼氏动力学参数的意义 (四) 米-曼氏方程的线性化作图求Km和Vmαx值
(一) 酶促反应动力学的基本公式：米-曼氏方程
中间复合体学说：
E SKK-11 ES K-2 K2 P E
steady-state theory：反应进行不长的一段时间内(几毫秒，前稳态)，系统
的ES浓度由0增加到一定数值，在一定时间内，尽管底物浓度不断变化，
ES也在不断合成和分解，但是当反应系统中ES的生成和分解速率相等时，
络合物ES的浓度保持不变，这种状态称为稳态 d[S] dt
[ES] [Et ][S] [Et ][S] K 2 K1 [S] Km [S] K1
Km K 2 K1 K1
Vmax=kcat [Et]
v0 K2 [ES] kcat[ES] Kcat [Et ][S ]
Km [S] V max[S]
Km [S]
E SKs ES KcatP E
Ks：解离[平衡]常数； Kcat：催化常数
1913，德化学家Michaelis L和Menten M 根据中间产物学快速平 衡模型或平衡稳态模型，称为米-曼氏模型。
v0
Vmax[S ] Ks [S]
米式方程的导出：
基于快速平衡模型或平衡稳态模型的米氏方程: 早年的米式方程 最初，Michaelis 和 Menten 根据“快速平衡假说”推出米式方程。 快速平衡假说：一些假设
的，不同条件下具有不同的KM值。 ② 判断酶的专一性和天然底物：KM最小的底物为最适或天然底物。 ③ 判断酶与底物结合的难易：KM 是 ES分解速度(K-1+K2)与形成速
度(K1)的比值，包含ES解离趋势(K-1／K1)和产物形成趋势(K2／ K1)。Kss：酶与底物亲和力大小(ES形成趋势)，底物亲和力
Vm a x 2
米-曼氐方程线性化: 最常见的变换形式是Lineweaver-Butk方程
v0
Vmax[S ] Km [S]
Vmax kcat[ET ]
v kcat[ET ][S ] Km [S]
v0 Kcat [ES] Kcat [Et ][S ]
K1 [S ] K1 Vmax [S ] 此模型不具有普遍性 KS [S]
[ES ] K1[Et ][S ] K 1K1[S ]
ks k1 k1
V max = Kcat [Et]
1952，Briggs G E和Haldane J B S 的“稳态理论”及其对米式方程的 发展：稳态模型或Briggs-Haldane氏模型
大不一定反应速度大(产物形成趋势，K2／K1 )，只有当K-1、K1 >>K2时，KM ≈ Ks，1/Km 近似地表示底物亲和力的大小。 ④ 生产上的实际应用： 已知V求[S]; 已知[S]求V
⑤ 判断某一代谢反应的方向和途径
2. Kcat 的意义：催化常数或转换数
E S KK-11 ES KK-22 E P
v0
Vmax[S ] Km [S]
Vmax kcat[ET ]
直过接渐v 按近 米线kcK-求a曼tm[出E氏TV[]方Sm[S]a程x]，作再图从，通 Vmax/2 求出相应的[S]，即 KMv。不准[E确]，[S只] 能得到Vmax
和够水大平KkMc，(aV的t vm/近0aK也x)似m。很值难k，达2k即3k到1k使渐3 [S近]足线
最大催化活力的量度，即在酶被底物饱和时每一酶分子或每一
活性部位(对多亚基酶而言)在单位时间内被转变为产物的底物
分子数。转换数也称为酶的分子活力(molecular activity)或催
化中心活力。只要反应混合液中酶的总浓度[Et]为已知， kcat 即可从V max 算出。
3. Kact/km的意义:催化效率指数或专一性常数
Km 比Ks 更具普遍性。稳态下，当 K2<<K-1时，则Km= K-1/K1 =Ks ， 因 此平衡态可以看成是稳态的一个特例
(二) 米-曼氏方程所确定的图形是一直角双曲线
v0
V max[S] Km [S]
以初始速率作为初始底物浓度[S] 的函数所做的底物饱和曲线，也称 米-曼氏作图或米-曼氏曲线
1. KM的意义: 真实解离常数和表观解离常数
① 米氏常数KM是 v0=1/2 Vmax时的底物浓度。遵循米-曼氏动力 学的酶,也称为米-曼型酶, 是指呈现v0对[S]的双曲线关系的酶。
② KM的真实意义决定于酶促反应机制的特定方面, 如反应步骤 数目和各步的速率常数。对于简单的二步反应：
KM=(K-1+K2)/K1
第 10 章 酶促反应动力学
酶促反应动力学： 研究酶促反应的速度及其影响因素的科学。为酶的机理研究提供实验 证据，指导酶在生产中的应用。
教学内容 一、有关的化学动力学概念（自学，化学学习的内容） 二、底物浓度对酶促反应速率的影响 三、多底物的酶促反应 四、影响酶促反应速率的其他因素 五、酶的抑制作用
E Sk1 ES 反应可逆，且很快达到平衡 k-1
ES k2 P E 限速步骤，K2 << K-1 P的生成不足以破坏快速平衡
初始阶段，初始底物浓度[S0]>>[E0] 初始酶浓度，初始底物浓度之用去 很小部分底物浓度[S]可看成是[S0] 。 酶守恒公式：[E]+[ES]=[Et] =[E0]