第三章 均相酶促反应动力学
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第三章 酶促反应动力学(简)-1
-Km
Km Vmax
[S]
21
上述方法的共同点，是要从动力学实验 中获取不同[s]值的v值，而v值不能由实验 直接取得。实验中能直接得到的是不同时 间t时的浓度[s]值(或[p]值)。 − d [s] 为此需要根据速率的定义式 v =
dt
在[s]与t的关系曲线上求取相应各点切线 的斜率,才能确定不同时间的反应速率。 这种求取动力学参数的方法又称之为微分 法。
产物抑制解离常数。
具体推导过程参阅【例题】3－6。
30
三、有抑制剂的酶促反应动力学
由于某种物质的存在而使酶反应速率减 慢，这种物质称为抑制剂。抑制可由抑制 剂和酶之间的作用引起，也可由抑制剂和 底物之间的作用而引起。这里只讨论由抑 制剂与酶作用而引起的抑制现象。 根据抑制的机理不同，可分为竞争性抑制、 非竞争性抑制和反竞争性抑制等。
80 Rate of Reaction(v)
1903年，Henri用蔗糖 酶水解蔗糖的实验
60
40
20
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 C n tratio o S b o cen n f u strate(u o ) m l/L
8
1.米氏方程
对酶反应过程的机理，得到大量实验结 果支持的是活性中间复合物学说。该学 说认为酶反应至少包括两步，首先是底 物S和酶E相结合形成中间复合物[ES]， 然后该复合物分解成产物P，并释放出E。 对单一底物参与的简单酶催化反应
26
2.底物抑制动力学
有些酶反应，在底物浓度增加时，反应 速率反而会下降，这种由底物浓度增大而 引起反应速率下降的作用称为底物抑制作 用。此时的反应机理式为
k +1 k +2 ⎯⎯→ ES ⎯⎯→ P + E E + S← ⎯⎯ k −1 k +3 ⎯⎯→ SES ES + S ← ⎯⎯ k −3
第三章 酶促反应动力学(简)-2
分配效应造成的结果是使微现环境与宏观 环境之间的底物浓度出现了差别，因而影 响了酶催化的反应速率。如果在上述本征 动力学的基础上，仅仅考虑由于这种分配 效应而造成的浓度差异对动力学产生的影 响，所建立的动力学称为固有动力学，对 该种动力学比较简单的处理方法是：动力 学方程仍然服从M-M方程形式，仅对动力 学参数予以修正。
此时，固定化酶与反应物系相接触，该反应过程包括三步： ① 底物从液相主体扩散到达固定化酶的外表面； ② 底物在固定化酶的外表面上进行反应； ③ 产物从酶外表面扩散进入液相主体。
其中，(1)(3)为单纯的传质过程，(2)为催化反应过程。并且认为 这三步是串联过程，其中任一过程发生变化，都影响整个过程。
rmax [ S ] Rsi = = rs 0 (2 − 4 − 4) K m + [S ]
1 外扩散速率对酶催化反应速率的限制
(2) 当外扩散传质速率很慢，而酶表面上的反应速率很快，此时外扩散速率 成为反应的控制步骤。固定化酶外表面上底物浓度趋于零。 故：
扩散最大速率
Rsi = k L a[ S ] = rd (2 − 4 − 5)
3.3 固定化酶促反应动力学
一、 固定化酶催化的动力学特征
1 影响固定化酶动力学的因素 2 固定化酶反应动力学
二、固定化酶促反应中的过程分析
1 外扩散限制对酶催化反应速率的限制 2 内扩散限制效应
酶的固定化，不仅使酶的活性发生了变 化，而且由于固定化酶的引入，反应体系 变为多相体系，例如液-固体系、气-液-固 体系等。因此在研究固定化酶催化反应动 力学时，不仅要考虑酶催化反应的本征动 力学规律，更要研究反应物的质量传递规 律，研究物质的质量传递对酶催化反应过 程的影响。建立起同时包括物质传质速率 和催化反应速率的动力学方程；这种方程 一般称为宏观动力学方程。它是设计固定 化酶催化反应器和确定其操作条件的理论 基础。
均相酶催化反应动力学
二、Briggs－Haldane 对上述第3点假设进行了修正， 提出了“拟稳态”假设。
由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间 复合物分解时所得到的酶又立即与底物相结合，从而使反应 体系中复合物浓度维持不变，即中间复合物的浓度不再随时 间而变化，这就是“拟稳态”假设。这是从反应机理推导动 力学方程又一重要假设。
3. 当Cs与Km的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符 合M- M方程所表示的关系式。
参数求解：
(1) Lineweaver—Burk法(简称L—B法)。将M—M方程取其倒数得到下 式:
（2）Hanes—Woolf法(简称H—W法)。两边均乘以Cs，得 到
（3）Eadie—Hofstee法(简称E—H法)。将M—M方程重排 为
2020/4/3
2020/4/3
2020/4/3
第二节 简单的酶催化反应动力学
一、Michaelis-Menten 方程
方程推导三点假设：
①与底物浓度CS相比，酶的浓度CI是很小的，因而可忽略由于 生成中间复合物[ES]而消耗的底物。
②在反应过程中，酶浓度保持恒定。CE0＝CE＋CES ③产物的浓度很低，因而产物的抑制作用可以忽略。生成产物 一步的速率要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应的速率，因此， 生成产物一步的速率决定整个酶的催化反应速率，而生成复合物 的可逆反应达到平衡状态。
如果抑制剂与酶的基因成共价结合，则此时不能用物理方法去掉抑制 剂。此类抑制可使酶永久性地失活。例如重金属离子Hg2+”、Pb2+”等对 木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶的抑制都是不可逆抑制。
一、竞争性抑制动力学
若在反应体系中存在有与底物结构相类似的物质，该物质 也能在酶的活性部位上结合，从而阻碍了酶与底物的结合，使 酶催化底物的反应速率下降。这种抑制称为竞争性抑制，该物 质称为竞争性抑制剂。其主要特点是，抑制剂与底物竞争酶的 活性部位，当抑制剂与酶的活性部位结合之后，底物就不能再 与酶结合，反之亦然。在琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸为延胡索酸 时，丙二酸是其竞争性抑制剂。
酶促反应动力学(有方程推导过程)
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。
01
酶促反应动力学
02
3.4 酶促反应动力学
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=k3[ES]，故反应速度增加。
，所以
(2)
将（2）代入（1）得：
(3)
当[Et]=[ES]时，
(4)
所以
将（4）代入（3），则：
01
Vmax指该酶促反应的最大速度，[S]为底
02
物浓度，Km是米氏常数，V是在某一底物浓
03
度时相应的反应速度。从米氏方程可知：
04
当底物浓度很低时
05
<< Km,则 V≌Vmax[S]/Km ，反应速度
〔E〕〔S〕
〔ES〕
〔E〕〔I〕
〔EI〕
ki
解方程①②③得： 〔ES〕=
〔E〕t
（1 + ）＋1
Km
〔S〕
〔I〕
Ki
又因vi＝k3〔ES〕,代入上式得： Vi＝
（1 + ）＋〔S〕
Km
〔I〕
Ki
Vmax〔S〕
〔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。
均相酶催化反应动力学
例题：P24 例2.1,例2.2。 思考题：试推导上面两个
k cat
。
动力学特征和参数求取 M-M方程所表示的动力学关系为反应速率与 底物浓度之间的关系，即 r ~ CS关系。其图如右 所示。
r max
该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS 1 rmax CS << K S 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 •当 线近似为一直线。这表示反应速率与底物浓度 近似成正比关系，此时的酶反应可以看为一级 0 Km 反应。此时，大部分酶为游离酶，与底物结合 CS 的酶很少，要提高反应速率，只有增加底物的 浓度，才能增加中间复合物的浓度，反应速率 图：CS一定时，rS与CS的关系曲线 主要取决于底物浓度。 •当CS >> K S 时，该曲线近似为一水平线，表示当底物浓度继续增加时反应速率并 C << K 不增加，此时的酶反应可看为零级反应。此时绝大多数酶呈复合物状态，反应 体系内的游离酶很少，即使是提高底物浓度也不能提高酶反应速率。
dC[ ES ]dt
dC P = kC [ ES ] dt dC S − = k +1C E C S − k −1C [ ES ] dt dC [ ES ] = k +1C E C S − k −1C [ ES ] − kC [ ES ] ≈ 0 dt Q C E 0 = C E + C [ ES ] ∴ C [ ES ] = − ∴ C [ ES ] = ( k −1 + k ) C [ ES ] + C E 0 k + 1C S
(d) 有了动力学方程形式和参数，就可以根据动力学方程计算反应一定时间后底 物的浓度、产物的浓度等，就可以把握反应进程，预测在某一反应器中进行某 一反应的结果。
第三章 酶促反应动力学(简)-1
− k1 (1 − e − k 2t )]
例题3－1
6
二、单底物酶促反应动力学
单底物酶促反应动力学系指由一种 反应底物参与的不可逆反应。属于 此类反应的有酶的水解反应、异构 反应以及多数裂解反应。
7
中间络合物学说
100
ห้องสมุดไป่ตู้
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。 (酶浓度不变时)
ln( [ S ]0 [ S ]) [ S ]0 − [ S ]
VmaX Km
1 − KM
1 Vmax
t [ S ]0 − [ S ]
例3－2,3-3,3-4
24
根据米氏方程，结合t=0,[S]=[S]0的初值积 分得到 [ S ]0 Vmax t = ([ S ]0 − [ S ]) + K m ln [S ] [ S ]0 Km 1 引入转化率 χ s ⎯⎯ ⎯ ⎯ → t = ⎯ χs ln( )+ Vmax 1 − χ s Vmax
14
k +1 k +2 ⎯⎯→ ES ⎯⎯→ P + E E + S← ⎯⎯ k −1
米氏方程:
Vmax [ S ] v= K m + [S ]
米氏常数:
k −1 + k + 2 k+2 Km = = Ks + k +1 k +1
15
酶反应速度与底物浓度的 关系曲线
当[S] <<Km时
V=
V max [ S ] V max [ S ] = = K’S ] [ Km + [ S ] Km
例题3－1
6
二、单底物酶促反应动力学
单底物酶促反应动力学系指由一种 反应底物参与的不可逆反应。属于 此类反应的有酶的水解反应、异构 反应以及多数裂解反应。
7
中间络合物学说
100
ห้องสมุดไป่ตู้
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。 (酶浓度不变时)
ln( [ S ]0 [ S ]) [ S ]0 − [ S ]
VmaX Km
1 − KM
1 Vmax
t [ S ]0 − [ S ]
例3－2,3-3,3-4
24
根据米氏方程，结合t=0,[S]=[S]0的初值积 分得到 [ S ]0 Vmax t = ([ S ]0 − [ S ]) + K m ln [S ] [ S ]0 Km 1 引入转化率 χ s ⎯⎯ ⎯ ⎯ → t = ⎯ χs ln( )+ Vmax 1 − χ s Vmax
14
k +1 k +2 ⎯⎯→ ES ⎯⎯→ P + E E + S← ⎯⎯ k −1
米氏方程:
Vmax [ S ] v= K m + [S ]
米氏常数:
k −1 + k + 2 k+2 Km = = Ks + k +1 k +1
15
酶反应速度与底物浓度的 关系曲线
当[S] <<Km时
V=
V max [ S ] V max [ S ] = = K’S ] [ Km + [ S ] Km
酶催化反应动力学解析
酶催化反应动力学解析背景介绍：酶是一种生物催化剂，能够加速化学反应速率。
它们在许多生物体内起着至关重要的作用，包括代谢过程、信号转导、分子识别和DNA复制等。
了解酶催化反应动力学是理解生物学中许多关键过程的关键。
酶动力学：酶催化反应的动力学是关于酶催化反应速率与底物浓度、温度和pH等环境因素之间关系的研究。
通过实验测量酶活性并分析数据可以获得这些关系，这对我们理解和控制酶催化反应至关重要。
酶催化反应速率的表达式：酶催化反应速率可以用麦克斯韦-玛格努斯方程（Michaelis-Menten equation）来表达：v = Vmax * [S] / (Km + [S])其中，v是酶催化反应速率，[S]是底物浓度，Vmax是在无限大底物浓度下酶反应速率的最大值，Km是米氏常数，代表底物浓度为一半时的酶催化反应速率。
米氏常数Km的意义：酶的米氏常数Km反映了底物与酶之间相互作用的亲和力。
Km越小，酶的亲和力越大；Km越大，底物与酶的结合较弱。
Km值对于酶活性的影响非常重要，它决定了在给定底物浓度下酶催化反应速率的快慢。
酶催化反应速率与底物浓度的关系：麦克斯韦-玛格努斯方程中的[S] / (Km + [S]) 这一项表示底物浓度对酶催化速率的贡献。
当底物浓度远小于Km值时，可以简化为[S] / Km，速率与底物浓度成正比，速率随着底物浓度的增加而增加；当底物浓度远大于Km值时，可以简化为1，速率不再受底物浓度的影响。
酶反应速率对底物浓度的响应图像通常符合麦克斯韦-玛格努斯方程预测的双曲线形状。
图像的初始阶段速率随底物浓度线性增加，当底物浓度达到一定程度后，速率趋于平缓。
催化常数kcat：酶的催化常数kcat是与酶催化效率相关的参数。
它表示在单位时间内酶分子催化底物数量的能力。
kcat的大小与酶催化底物的速率相关，kcat越大，酶的催化效率越高。
抑制剂对酶催化动力学的影响：抑制剂是一种可以降低酶催化反应速率的物质。
第三章 酶催化反应动力学
32
33
二、影响酶催化作用的因素
34
2.1 底物浓度的影响
底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。在其他条件不变的情况下， 酶催化反应速度与底物浓度的关系如图。
35
2.2 酶浓度的影响
在底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度 成正比，它们之间的关系可以用下式表示：
36
2.3 温度对反应速度的影响
When [S] << KM, the enzyme is largely unbound and [E]≈[E]T
27
S+E
kcat/KM
E+P
When [S] << KM, kcat/KM is the rate constant for the interaction of E and S. kcat/KM can be used as a measure of catalytic efficiency.
24
25
（3）. Kcat/Km
Kcat:反映的是一种酶被底物饱和时的 酶性质。在低[S]下， Kcat则失去了意义。 当[s]<<km， Kcat/Km是一个比较酶催 化效率较好的一个动力学参数。
26
（3）酶的催化效率:kcat/KM 评价
kcat/KM通常被看做酶的效率，Kcat越大或是Km越小，都使得Kcat/Km越 大 在生理条件下，大多数的酶不被底物所饱和，且底物浓度与Km相比要小 的多 。
酶工程与蛋白质工程
第三章 酶催化反应动力学
1
本节主要内容
一、酶催化反应动力学 二、影响酶催化作用的因素 三、酶活测定
2
动力学研究的主要目的
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39
二、酶与底物的作用机理
• Lock and Key Model
整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具 有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。
40
Induced-Fit Model
• 诱导契合模型： 手与手套的关 系。
• 当底物接近酶 的活性中心并 与之结合时， 酶的构象能发 生改变，更适 合于底物的结 合。
属于双分子反应
• 其反应速率方程可表示为：
• 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解反应机制， 即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。
• 反应机制往往很复杂，不易弄清楚，但是反应速率与浓度的关系可用 实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。
v k [A][B]
11
反应级数
根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反 应速率方程式，则这个反应即为几级反应。 例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速 率方程式表示，那么这个反应为一级反应。 又如某一反应： A + B → C + D
因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多， 水浓度的减少与蔗糖比较可以忽略不计。因此，反应速 率只决定于蔗糖的浓度。
Sucrase
v = k [S]
13
酶促反应动力学基础－反应速率
零级反应
v d[ S ] K dt
k
dA dt
A
一级反应 A ─→ B
v
dA kA dt
A0
B
C
A
B
C
37
（三）酶促反应的可调节性
对酶生成与降解量的调节
酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等
38
（四）具有温和的反应条件 温度一般在25~37oC，pH为接近中性。 （五）酶易变性与失活 蛋白质酶在应用时，常因变性而活力下降，甚 至完全失去活力。酶的变性多数为不可逆。 引起失活的因素：热、紫外线、X射线、酸、 碱、重金属盐和表面活性剂。 （六）酶的提取工艺复杂、成本高且大多数酶 催化反应只能在水溶液中进行。
①必须是均相体系 ②强烈的混合手段
(微观条件) (宏观条件)
③反应速度远小于分子扩散速度
5
均相催化反应
基本特点: ① 高活性，高选择性，反应条件温和； ② 在一定浓度范围内，反应速率随催化剂浓度增大而加快； ③ 催化剂循环、回收困难，而且不易连续操作，有时对设备 腐蚀严重。 1．酸碱催化 主要特征：质子的转移 凡能给出或接受质子的物质都具有催化作用 酸催化 碱催化 S＋HA S＋B SH+ +A－ S－ + HB+ 产物＋HA 产物＋B
dS v dt
v
P
dP dt
t
• 若用单位时间内生成物浓 度的增加来表示，则：
dP v dt
v
t
10
反应分子数
• 反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。 • 如：A → P 属于单分子反应 • 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是： •
v k [A] 如：A＋B → C＋D
非催化反应活化能
酶促反应 活化能
底物
反应总能量改变 产物 反 应 过 程
酶促反应活化能的改变
31
过氧化氢分解反应所需活化能 催化剂 每摩尔需活化能
无
胶态钯 过氧化氢酶
18 000cal
11 700cal 2 000cal
32
四个概念：
酶的分子活力：在最适宜条件下，1mol酶在单 位时间内所能催化底物的最大量。 酶的催化中心活力 ( 酶的转化数 ) ：在最适宜条 件下，在单位时间内每一个酶的催化中心所催化 底物的最大量。 酶活力 U：在特定条件下， 1min催化 1mol底物 转化为产物时所需要的酶量称为一个酶单位。 比活力是指1mg酶所具有的酶单位数。
C 2D K A B3
16
2C+D
反应转化率X 组分K转化率
组分K反应掉的摩尔数 nk 0 nk xk 组分K起始时的摩尔数 nk 0
若进料中各反应组分的含量比不同于计量 系数之比时，各个组分的转化率是不同的。
17
3.2 酶的基本概念
Enzyme
18
• 酶定义：酶是活细胞产生的具有催化作用的蛋 白质。少数酶同时含有少量的糖和脂肪，是一 种提高生化反应速率的生物催化剂。生物体内 所有的反应均在酶的催化作用下完成，生物的 生理现象与酶的作用有关。 • 酶的种类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂 合酶、异构酶和合成酶。
3
催化反应动力学
2．催化作用的基本特征
① 仅加快热力学上可能的反应
② 不改变化学平衡 ③ 具有特殊的选择性和活性 催化剂的选择性:
转化为目的产品的原料量 选择性＝ 原料的总转化量
④ 催化剂参与化学反应 ─ 生成中间化合物
4
3.1 基本概念与术语
• 均相反应: 指参与反应的各物质均处于同一个相内进行 的化学反应。（烃类的高温裂解为气相均相反应，而酸 碱中和、酯化反应为典型的液相反应） • 均相反应是在一个相中的反应物料以分子尺度混合，要 求：
失。
金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合
不甚紧密。
23
金属离子的作用 参与催化反应，传递电子；
在酶与底物间起桥梁作用； 稳定酶的构象；
中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
小分子有机化合物的作用 参与酶的催化过程，在反应中传递电子、 质子或一些基团。
34
绝对特异性
酶只作用于特定结构的底物，进行一种专 一的反应，生成一种特定结构的产物 。
如：
NH2 O C NH2 尿素 NH CH3 O C NH2 甲基尿素
35
+ H2O
脲酶
2NH3 + CO2
脲酶 + H2O
相对特异性
• • 酶作用于一类化合物或一种化学键。 如：
蔗糖
CH2OH O H H H 1 OH H OH H OH 1 CH2OH O O H OH H OH CH2OH H
26
活性中心内的必需基团 结合基团 (binding group) 与底物相结合 活性中心外的必需基团 维持酶活性中心应有的空间构象所必需。 构成酶活性中心的常见基团： His(组氨酸)的咪唑基、Ser（丝氨酸）的－OH、 Cys（胱氨酸）的－SH、Glu的γ-COOH。
27
催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物
6
2. 络合催化 特点： 高效、多功能、适用于缓和条件下操作、一步合成
主要特征：催化剂与反应物分子(或基团)构成配位键形成不稳定络合物
不稳定，易发生重排反应
7
3. 酶催化
特 点: ① 活性高，约为一般酸碱催化剂的108 ～1012 倍； ② 选择性极高，一种酶只能使一种反应物转化为特定的产物； ③ 特殊的温度效应
29
一、 酶促反应的特点
（一）酶促反应具有极高的效率
酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍， 比一般催化剂高107～1013倍。 酶加速反应的机理是降低反应的活化能 (activation energy)。
30
活化能E： 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。
能
量
一般催化剂催 化反应的活化能
活性中心以外 的必需活性中心
28
3.4 酶促反应的特点与机理
The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction
• 酶与一般催化剂的共同点
– 在反应前后没有质和量的变化； – 只能催化热力学允许的化学反应； – 只能加速可逆反应的进程，而不改变 反应的平衡点。
结合酶 (conjugated enzyme)
酶蛋白 (apoenzyme)
全酶 (holoenzyme)
决定反应的特异性 辅助因子(cofactor)
决定反应的种类与性质
22
金属离子 辅助因子(cofactor) 小分子有机化合物
金属酶(metalloenzyme)
金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢
CH2OH O H OH 蔗糖酶 H 1 1 OH H O CH 2 CH2OH H O O H H H H OH H 1 OH H OH H O CH2OH OH 棉子糖 H H OH OH
36
立体结构特异性
酶仅作用于立体异构体中的一种。
H C OH H C COOH OH
H3C
COOH
H3C
A
生物反应工程电子教案
主 讲：王 霞 教授 单 位：生命科学学院 电 话：88366231 E-mail：ghwx@
1
主要内容
3.1 基本概念与术语
3.2
酶的基本概念
3.4 酶促反应的特点与机理
3.5单底物酶促反应动力学
3.6抑制剂对酶促反应速率的影响
3.7双底物酶促反应动力学
3.8影响酶催化反应速率的因素
19
有关名词
• • • • 底物(substrate, S)：酶作用的物质。 产物(product, P)：反应生成的物质。 酶促反应：酶催化的反应。 酶活性：酶催化化学反应的能力。
转氨酶 丙酮酸 + Glu
Ala + α -酮戊二酸
20
3.3 酶的分子结构与功能
The Molecular Structure and Function of Enzyme
v k [ A][ B ]
式中k为反应速率常数 符合双分子反应的表达式，为二级反应。
12
二、酶与底物的作用机理
• Lock and Key Model
整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具 有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。
40
Induced-Fit Model
• 诱导契合模型： 手与手套的关 系。
• 当底物接近酶 的活性中心并 与之结合时， 酶的构象能发 生改变，更适 合于底物的结 合。
属于双分子反应
• 其反应速率方程可表示为：
• 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解反应机制， 即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。
• 反应机制往往很复杂，不易弄清楚，但是反应速率与浓度的关系可用 实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。
v k [A][B]
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反应级数
根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反 应速率方程式，则这个反应即为几级反应。 例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速 率方程式表示，那么这个反应为一级反应。 又如某一反应： A + B → C + D
因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多， 水浓度的减少与蔗糖比较可以忽略不计。因此，反应速 率只决定于蔗糖的浓度。
Sucrase
v = k [S]
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酶促反应动力学基础－反应速率
零级反应
v d[ S ] K dt
k
dA dt
A
一级反应 A ─→ B
v
dA kA dt
A0
B
C
A
B
C
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（三）酶促反应的可调节性
对酶生成与降解量的调节
酶催化效力的调节 通过改变底物浓度对酶进行调节等
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（四）具有温和的反应条件 温度一般在25~37oC，pH为接近中性。 （五）酶易变性与失活 蛋白质酶在应用时，常因变性而活力下降，甚 至完全失去活力。酶的变性多数为不可逆。 引起失活的因素：热、紫外线、X射线、酸、 碱、重金属盐和表面活性剂。 （六）酶的提取工艺复杂、成本高且大多数酶 催化反应只能在水溶液中进行。
①必须是均相体系 ②强烈的混合手段
(微观条件) (宏观条件)
③反应速度远小于分子扩散速度
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均相催化反应
基本特点: ① 高活性，高选择性，反应条件温和； ② 在一定浓度范围内，反应速率随催化剂浓度增大而加快； ③ 催化剂循环、回收困难，而且不易连续操作，有时对设备 腐蚀严重。 1．酸碱催化 主要特征：质子的转移 凡能给出或接受质子的物质都具有催化作用 酸催化 碱催化 S＋HA S＋B SH+ +A－ S－ + HB+ 产物＋HA 产物＋B
dS v dt
v
P
dP dt
t
• 若用单位时间内生成物浓 度的增加来表示，则：
dP v dt
v
t
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反应分子数
• 反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。 • 如：A → P 属于单分子反应 • 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是： •
v k [A] 如：A＋B → C＋D
非催化反应活化能
酶促反应 活化能
底物
反应总能量改变 产物 反 应 过 程
酶促反应活化能的改变
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过氧化氢分解反应所需活化能 催化剂 每摩尔需活化能
无
胶态钯 过氧化氢酶
18 000cal
11 700cal 2 000cal
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四个概念：
酶的分子活力：在最适宜条件下，1mol酶在单 位时间内所能催化底物的最大量。 酶的催化中心活力 ( 酶的转化数 ) ：在最适宜条 件下，在单位时间内每一个酶的催化中心所催化 底物的最大量。 酶活力 U：在特定条件下， 1min催化 1mol底物 转化为产物时所需要的酶量称为一个酶单位。 比活力是指1mg酶所具有的酶单位数。
C 2D K A B3
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2C+D
反应转化率X 组分K转化率
组分K反应掉的摩尔数 nk 0 nk xk 组分K起始时的摩尔数 nk 0
若进料中各反应组分的含量比不同于计量 系数之比时，各个组分的转化率是不同的。
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3.2 酶的基本概念
Enzyme
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• 酶定义：酶是活细胞产生的具有催化作用的蛋 白质。少数酶同时含有少量的糖和脂肪，是一 种提高生化反应速率的生物催化剂。生物体内 所有的反应均在酶的催化作用下完成，生物的 生理现象与酶的作用有关。 • 酶的种类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂 合酶、异构酶和合成酶。
3
催化反应动力学
2．催化作用的基本特征
① 仅加快热力学上可能的反应
② 不改变化学平衡 ③ 具有特殊的选择性和活性 催化剂的选择性:
转化为目的产品的原料量 选择性＝ 原料的总转化量
④ 催化剂参与化学反应 ─ 生成中间化合物
4
3.1 基本概念与术语
• 均相反应: 指参与反应的各物质均处于同一个相内进行 的化学反应。（烃类的高温裂解为气相均相反应，而酸 碱中和、酯化反应为典型的液相反应） • 均相反应是在一个相中的反应物料以分子尺度混合，要 求：
失。
金属激活酶(metal-activated enzyme) 金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合
不甚紧密。
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金属离子的作用 参与催化反应，传递电子；
在酶与底物间起桥梁作用； 稳定酶的构象；
中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。
小分子有机化合物的作用 参与酶的催化过程，在反应中传递电子、 质子或一些基团。
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绝对特异性
酶只作用于特定结构的底物，进行一种专 一的反应，生成一种特定结构的产物 。
如：
NH2 O C NH2 尿素 NH CH3 O C NH2 甲基尿素
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+ H2O
脲酶
2NH3 + CO2
脲酶 + H2O
相对特异性
• • 酶作用于一类化合物或一种化学键。 如：
蔗糖
CH2OH O H H H 1 OH H OH H OH 1 CH2OH O O H OH H OH CH2OH H
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活性中心内的必需基团 结合基团 (binding group) 与底物相结合 活性中心外的必需基团 维持酶活性中心应有的空间构象所必需。 构成酶活性中心的常见基团： His(组氨酸)的咪唑基、Ser（丝氨酸）的－OH、 Cys（胱氨酸）的－SH、Glu的γ-COOH。
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催化基团 (catalytic group) 催化底物转变成产物
6
2. 络合催化 特点： 高效、多功能、适用于缓和条件下操作、一步合成
主要特征：催化剂与反应物分子(或基团)构成配位键形成不稳定络合物
不稳定，易发生重排反应
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3. 酶催化
特 点: ① 活性高，约为一般酸碱催化剂的108 ～1012 倍； ② 选择性极高，一种酶只能使一种反应物转化为特定的产物； ③ 特殊的温度效应
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一、 酶促反应的特点
（一）酶促反应具有极高的效率
酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍， 比一般催化剂高107～1013倍。 酶加速反应的机理是降低反应的活化能 (activation energy)。
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活化能E： 底物分子从初态转变到活化态所需的能量。
能
量
一般催化剂催 化反应的活化能
活性中心以外 的必需活性中心
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3.4 酶促反应的特点与机理
The Characteristic and Mechanism of Enzyme-Catalyzed Reaction
• 酶与一般催化剂的共同点
– 在反应前后没有质和量的变化； – 只能催化热力学允许的化学反应； – 只能加速可逆反应的进程，而不改变 反应的平衡点。
结合酶 (conjugated enzyme)
酶蛋白 (apoenzyme)
全酶 (holoenzyme)
决定反应的特异性 辅助因子(cofactor)
决定反应的种类与性质
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金属离子 辅助因子(cofactor) 小分子有机化合物
金属酶(metalloenzyme)
金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢
CH2OH O H OH 蔗糖酶 H 1 1 OH H O CH 2 CH2OH H O O H H H H OH H 1 OH H OH H O CH2OH OH 棉子糖 H H OH OH
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立体结构特异性
酶仅作用于立体异构体中的一种。
H C OH H C COOH OH
H3C
COOH
H3C
A
生物反应工程电子教案
主 讲：王 霞 教授 单 位：生命科学学院 电 话：88366231 E-mail：ghwx@
1
主要内容
3.1 基本概念与术语
3.2
酶的基本概念
3.4 酶促反应的特点与机理
3.5单底物酶促反应动力学
3.6抑制剂对酶促反应速率的影响
3.7双底物酶促反应动力学
3.8影响酶催化反应速率的因素
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有关名词
• • • • 底物(substrate, S)：酶作用的物质。 产物(product, P)：反应生成的物质。 酶促反应：酶催化的反应。 酶活性：酶催化化学反应的能力。
转氨酶 丙酮酸 + Glu
Ala + α -酮戊二酸
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3.3 酶的分子结构与功能
The Molecular Structure and Function of Enzyme
v k [ A][ B ]
式中k为反应速率常数 符合双分子反应的表达式，为二级反应。
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