生物化学酶促反应动力学
生物化学(第三版)第九章 酶促反应动力学课后习题详细解答_ 复习重点
第九章酶促反应动力学提要酶促反应动力学是研究酶促反应的速率以及影响此速率各种因素的科学。
它是以化学动力学为基础讨论底物浓度、抑制剂、pH、温度及激活剂等因素对酶反应速率的影响。
化学动力学中在研究化学反应速率与反应无浓度的关系时，常分为一级反应、二级反应及零级反应。
研究证明，酶催化过正的第一步是生成酶-底物中间产物，Michaelis-Menten该呢举中间产物学说的理论推导出酶反应动力学方程式，即Km、Vmax、kcat、kcat/Km。
Km是酶的一个特征常数，以浓度为单位，Km有多种用途，通过直线作图法可以得到Km及Vmax。
Kcat称为催化常数，又叫做转换数（TN值），它的单位为s-1，kcat值越大，表示酶的催化速率越高。
kcat/Km常用来比较酶催化效率的参数。
酶促反应除了单底物反应外，最常见的为双底物反应，按其动力学机制分为序列反应和乒乓反应，用动力学直线作图法可以区分。
酶促反应速率常受抑制剂影响，根据抑制剂与酶的作用方式及抑制作用是否可逆，将抑制作用分为可逆抑制作用及不可逆抑制作用。
根据可逆抑制剂与底物的关系分为竞争性抑制、非竞争性抑制及反竞争性抑制3类，可以分别推导出抑制作用的动力学方程。
竞争性抑制可以通过增加底物浓度而解除，其动力学常数Kˊm变大，Vmax不变；非竞争性抑制Km不变，Vˊmax变小；反竞争性抑制Kˊm及Vˊmax均变小。
通过动力学作图可以区分这3种类型的可逆抑制作用。
可逆抑制剂中最重要的是竞争性抑制，过度态底物类似物为强有力的竞争性抑制剂。
不可逆抑制剂中，最有意义的为专一性Ks型及kcat型不可逆抑制剂。
研究酶的抑制作用是研究酶的结构与功能、酶的催化机制、阐明代谢途径以及设计新药物的重要手段。
温度、pH及激活剂都会对酶促反应速率产生重要影响，酶反应有最适温度及最适pH，要选择合适的激活剂。
在研究酶促反应速率及测定酶的活力时，都应选择酶的最适反应条件。
习题1.当一酶促反应进行的速率为Vmax的80%时，在Km和[S]之间有何关系？[Km=0.25[S]]解：根据米氏方程：V=Vmax[S]/(Km+[S])得：0.8Vmax=Vmax[S]/(Km+[S])Km=0.25[S]2.过氧化氢酶的Km值为2.5×10-2 mol/L，当底物过氧化氢浓度为100mol/L时，求在此浓度下，过氧化氢酶被底物所饱和的百分数。
酶促反应的动力学的意义
酶促反应的动力学的意义以酶促反应的动力学的意义为标题，我们将探讨酶促反应动力学在生物化学中的重要性。
酶是生物体内的蛋白质催化剂，能够加速化学反应的速率。
了解酶促反应的动力学特征对于研究生物体内的代谢过程以及开发新药物具有重要意义。
酶促反应的动力学主要涉及反应速率、底物浓度和酶浓度之间的关系。
反应速率是指单位时间内反应物消失或生成的量，它与底物浓度和酶浓度有直接的关系。
底物浓度越高，酶分子与底物分子发生碰撞的概率越大，反应速率也就越快。
但当底物浓度达到一定程度后，反应速率将不再随底物浓度的增加而继续增加，这是因为酶的活性位点已经饱和，无法再容纳更多的底物分子。
酶促反应的动力学还包括酶的最大反应速率（Vmax）和酶的底物浓度（Km）的关系。
Vmax表示在酶浓度饱和的情况下，反应速率达到的最大值。
Km表示当反应速率达到Vmax的一半时，底物浓度的值。
Km反映了酶与底物结合的亲和力，Km越小，酶与底物结合的亲和力越大，反应速率越快。
了解酶促反应的动力学特征对于生物体内代谢过程的研究非常重要。
通过测定酶的动力学参数，可以判断酶在不同底物浓度下的活性，进而推测酶在生物体内的作用方式和调控机制。
例如，通过测定酶的Vmax和Km值，可以判断某种药物对特定酶的抑制效果，从而为药物研发提供重要依据。
酶促反应的动力学特征还可以应用于药物代谢动力学研究。
药物的代谢过程通常涉及多种酶的参与，了解药物与酶之间的动力学关系可以帮助预测药物的代谢速率和代谢产物的生成情况。
这对于药物的药效和安全性评价具有重要意义。
通过研究酶的动力学特征，可以优化药物的设计和剂量调整，提高药物疗效和减少不良反应。
总结起来，酶促反应的动力学研究在生物化学领域具有重要的意义。
通过了解酶的动力学参数，可以揭示酶与底物之间的相互作用和调控机制，为生物体内代谢过程的研究提供重要依据。
此外，酶动力学的应用还可以帮助药物的设计和剂量调整，提高药物疗效和减少不良反应。
生物化学-生化知识点_酶促反应动力学 (9章)
§2.8 酶促反应动力学（9章 P351）一一一底物浓度对酶反应速率的影响用反应初速度v对底物浓度[S]作图得P355 图9-6。
曲线分以下几段：一1一OA段：反应底物浓度较低时v与[S]成正比，表现为一级反应， v = k[S]。
根据酶底物中间络合物学说，酶催化反应时，首先和底物结合生成中间复合物ES，然后再生成产物P，并释放出E。
E + S = ES → P + EOA段上，底物浓度小，酶未被底物饱和，有剩余酶，反应速率取决于ES浓度，与[S]呈线性关系，v正比于[S]。
一2一AB段：反应速度不再按正比升高，表现为混合级反应。
此时酶渐渐为底物饱和，[E S]慢慢增加，v也慢慢增加，为分数级反应。
一3一BC段：反应速度趋于V max，为零级反应，酶促反应表现出饱和现象。
此时底物过量[S]>[E],[E]已全部转为[E S]而恒定，因此反应速率也恒定，为最大反应速率，V m为[E]所决定。
ax非催化反应无此饱和现象。
酶与底物形成中间复合物已得到实验证实。
一一一酶促反应力学方程式一1一米氏方程推导1913年Michaelis和Menten提出并推导出表示[S]与v之间定量关系的米氏方程V max[S]V =K m + [S]Km：米氏常数，物理意义为反应速率为最大速率V max一半时底物的浓度，单位与底物浓度同。
推导：酶促反应分两步进行。
k1 k3E + S ES → P + Ek2v = k3 [ES]一般k3为限速步骤 v = k3 [ES] … ①1.[ES] 生成速率：d[ES]/dt = k1([E] - [ES]) [S]2.[E S]分解速率：-d[ES] / dt = k2 [ES] + k3 [ES] = (k2 + k3) [ES]3.稳态下[ES]不变，ES生成速率和分解速率相等：k1 ([E]- [ES]) [S] = (k2+k3) [ES]4.引入K m：令K m = k2+k3 / k1代入K m = ([E]- [ES]) [S] / [ES] ,K m [ES] = [E] [S]- [S] [ES], [ES] (K m + S) = [E] [S],[ES] = [E] [S] / K m+[S],5.代入①式：v = k3 [ES] = k3 [E] [S] / K m + [S] … ②6.引入V max：为所有酶都被底物饱和时的反应速率，即此时[E]= [ES]V max = k3 [ES] = k3 [E]代入②式：v = V max [S] / K m + [S]米氏方程表示K m及V max已知时，v~[S]的定量关系。
生物化学 酶促反应动力学
酶的抑制作用
A.不可逆抑制
✓ 抑制剂与酶以共价键结合 ✓ 不能用透析、超滤方法除去抑制剂 ✓ 酶的修饰抑制
B.可逆抑制
✓ 抑制剂与酶以非共价键结合 ✓ 能用透析、超滤方法除去抑制剂，而使酶的活性恢复 ✓ 三种类型
①竞争性抑制
- 可以测定每一种底物（A或B）的Km，通过饱和[B]而改变[A]测定A的 KAm，和饱和[A]而改变[B]测定B的KBm
- BiBi反应的2种类型:
i) 序列反应：在任何产物释放之前，两种底物必须先结合到酶上
有序反应: 按照一定顺序前后结合两种底物和按前后顺序释放两种产物 随机反应: 两种底物与酶的结合及两种产物与酶的分离没有固定顺序
✓抑制剂与底物相似，可以竞争性地与酶的活性中心结合 ✓增加底物的浓度可以解除抑制
②非竞争性抑制
✓抑制剂与底物不相似，抑制剂是与活性中心外结合位点结合 ✓可形成酶-抑制剂-底物三元复合物
③反竞争性抑制
✓酶与底物先结合，然后再与抑制剂结合
可逆抑制与不可逆抑制的区别
[I]↑ [I]↑
v0
v0
v0
0
[E]
阴离子(少数) ➢Cl-等
有机小分子(少数) ➢胆汁酸盐等
酶促反应的中间络合物学说
1. 酶（E）的结合基团结合底物（S）形成酶-底物复合物（E-S）
E+S E-S
2. 酶的催化基团催化底物(S)形成产物(P)，E-S转变为E-P
E-S E-P
3. 酶的结合基团释放产物P，E-P形成E和P
E-P E + P
B.可逆抑制
✓ 抑制剂与酶以非共价键结合 ✓ 能用透析、超滤方法除去抑制剂，而使酶的活性恢复 ✓ 三种类型
【生物化学】第六章 酶促反应动力学
本章纲要
一、化学动力学基础 二、底物浓度对酶反应速度的影响 三、抑制剂对酶反应速度的影响 四、激活剂对酶反应速度的影响 五、温度对酶反应速度的影响 六、pH对酶反应速度的影响
一、化学动力学基础
了解反应速率及其测定 反应分子数和反应级数
一、化学动力学基础
㈠ 反应速率及其测定
单位时间内反应物的减少量或生成物的增加量用瞬时速率表示, 单位: 浓度/时间,研究酶反应速度以酶促反应的初速度为准。
第六章 酶促反应动力学
Enzyme kinetics
概述
研究酶促反应的速率以及影响此速率的各 种因素的科学,是酶工程中的重要内容
研究酶结构和功能的关系以及酶的作用机 制，需要动力学提供实验数据
发挥酶促反应的高效率，寻找最为有利的 反应条件
酶在代谢中的作用和某些药物的作用机制 具有理论研究的意义和实践价值
C是反应物的浓度变化, K为速率常数，是时间的倒数 基元反应:反应物分子在碰撞中一步直接转化为生成物分子的反应。
一、化学动力学基础
2. 反应级数：实验测得的表示反应速率与反应浓度之间关系的概念。 对于基元反应
1.一级反应单分子反应符合V=KC的反应
蔗糖+水
葡萄糖+果糖 V=KC蔗糖C水
由于水的浓度变化影响可忽略（非限制性因素）则V=KC蔗糖
二、底物浓度对酶反应速度的影响
㈠ 中间络合物学说
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:
酶与底物反应时，通过特异识别作用，先 形成酶底物复合物，然后再形成产物和酶分 子，酶分子重新结合底物。
该学说已得到大量实验证实
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生物化学教程全套讲义-第9章酶促反应动力学
第九章酶促反应动力学第一节化学动力学基础一、反应速率及其测定二、反应分子数和反应级数反应分子数反应级数三、各级反应的特征（一）一级反应其速率与反应物浓度的一次方成正比。
-dc/dt=kclnc=-kt+lnc0lnc=-kt+B（直线）K=(1/t)ln(c0/c)c=(1/2)c0时k=(ln2)/t1/2t1/2=(ln2)/k半衰期与反应物的初始浓度无关。
（二）二级反应反应的速率与反应物浓度的二次方成正比。
1．若A和B为同一物质-dc/dt=kc2，dc/c2=-kdt；c/c0=1/(1+kc0t)；c/c0=1/2时，k=1/c0t1/2。
2．A和B的初始浓度相同k=(1/t){x/[a(a−x)] }3．A和B的初始浓度不同k=[1/t(a−b)]/ln{[b(a−x)]/[a(b−x)]}a：反应物A的初始浓度。
b：反应物B的初始浓度。
(a-x)：反应时间为t时A的浓度。
(b-x)：反应时间为t时B的浓度。
（三）零级反应反应速率与反应物的浓度无关。
-dc/dt=k，或dx/dt=k。
X=kt，或k=x/t。
第二节底物浓度对酶反应速率的影响一、中间产物学说中间产物学说的实验依据：（1）核酸和酶的复合物可直接用电镜观察；（2）下图；（3）复合物的溶解度和稳定性有所变化；（4）有些复合物可直接分离得到。
酶催化的反应中各成份的变化：酶反应的速度在不停地变，实验上只有初速度的测定才有意义。
酶反应的初速度与底物浓度之间的关系：二、酶促反应的动力学方程式（一）米氏方程的推导米氏方程v=Vmax[S]/(Km+[S])符合v-[S]曲线。
若Km>>[S]，v=(Vmax/Km)[S]；若[S]>>Km，v=Vmax；由v=Vmax[S]/(Km+[S])，得Km=[S][(Vmax/v)-1]，为典型的双曲线方程。
（二）动力学参数的意义1．Km的意义**值等于反应速度达最大反应速度一半时的底物浓度，单位是浓度单位，是酶的特征常数，酶对一定的底物只有一个特定的Km：V/2=V[S]/(Km+[S])，则Km=[S]。
《生物化学》酶促反应动力学
k4
[ES]
(3)推导过程-1 由中间产物学说可知，酶促反应分两步进行
在稳态下,ES的生成速率与分解速率相等,达到动态平衡即:
VES生成 = VES分解
k1([E]- [ES]) [S]=(k2+ k3) [ES] 令Km = (k2+ k3)/ k1,则
([E]- [ES]) [S]/ [ES]= (k2+ k3)/ k1= Km
第二单元 酶化学
第8章 酶通论 第9章 酶促反应动力学 第10章 酶的作用机制和酶的调节
第9章 酶促反应动力学
一、化学动力学基础(P351) 二、底物浓度对酶反应速率的影响(P355) 三、酶的抑制作用(P368) 四、温度对酶反应的影响(P378) 五、pH对酶反应的影响(P379) 六、激活剂对酶反应的影响(P380)
1、不可逆的抑制作用
抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活力丧失， 不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活，称 为不可逆抑制（irreversible inhibition）。
2、可逆抑制作用
抑制剂与酶的必需基团以非共价键结合而引起酶活力丧 失，能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活， 称为可逆抑制（reversible inhibition）
4、抑制百分数：
i%= （1- a） × 100% = （1-vi/ v0）× 100%
（二）抑制作用的类型
抑制剂： 凡使酶的必需基团或酶的活性部位中的基团的化学
性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的物质， 称为抑制剂，用I表示，其作用称为抑制作用。
抑制作用一般分为: 不可逆抑制作用和可逆抑制作用两类。
的速率方程称为本征动力学方程，有具体的物理
酶促反应的动力学分析与模拟
酶促反应的动力学分析与模拟酶是一种重要的生物催化剂，可以加速生物体内的化学反应速率，促进生物体的正常生长和代谢过程。
酶促反应的动力学是研究酶在反应中所表现的动态过程及其机理的一门学科。
对于生物化学领域的研究者来说，深入理解酶促反应的动力学特性以及相应的模拟研究，不仅可以提高生物医学和生物工程的应用效果，还有助于更好地理解生物体的代谢机制，为生物医学和生物工程的研究提供有力支持。
1. 酶促反应动力学分析酶促反应的动力学特性是指在特定环境下，酶与底物反应的速率和动态过程，不同酶反应具有不同的反应动力学特性。
这些反应通常是多级反应，包括底物的结合、转化和产物的释放。
在这个过程中，催化活性的酶以及底物和产物组成了一个多催化物体系。
因此，酶反应机制在分析时需要考虑多种反应物之间的相互作用。
在酶催化反应中，底物与酶结合并形成酶底物复合物是反应速率的关键步骤。
当复合物形成后，底物开始发生转化并最终生成产物，而这个转化过程的速率大大受酶的活性水平和底物浓度的影响。
除此之外，温度、pH值、离子强度等环境因素也会影响酶反应的动力学特性，其中最主要的是温度。
酶活性与温度的关系可以通过活性温度曲线来体现。
在温度较低的情况下，酶的活性较低。
随着温度的升高，酶的活性不断增加，但当温度超过一定阈值后，酶的构象会发生改变，导致酶失去活性，反应速率下降。
因此，理解酶在不同条件下的活性变化和酶底物复合物转化过程是酶促反应动力学分析的核心。
2. 酶促反应的数学模拟酶促反应的动力学分析不仅仅可以通过实验方法来完成，还可以通过数学模拟方法来进行。
数学模拟是指利用计算机对酶反应过程进行建模和计算，从而分析体系内各分子间的相互作用，研究动力学特性及其机理。
在酶促反应的数学模拟中，需要考虑的参数有：酶的浓度、底物的浓度、酶的动力学性质、酶底物复合物的动态过程等等。
此外，数学模拟还需要结合各种因素对反应的影响因素，如温度、pH值等等。
通过数学模拟可以得到酶促反应的动态变化曲线以及四个重要的动力学参数：最大反应速率（Vmax）、酶的亲和力（Km）、酶反应速率常数（Kcat）和酶底物复合物解离常数（Kd）。
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d[ES] dt
= k2[ES]+k3[ES]
(2)
10.1.2 米氏方程的推导
达到动态平衡时，ES生成与分解速率相等：
k1([E]-[ES])[S] = k2[ES]+k3[ES]
（[E]-[ES]）[S] =
k2 + k3[ES]k1来自=Km[E][S]
[ES]= Km + [S]
(3)
10.1.2 米氏方程的推导
d[ES]
dt = 0
10.1.2 米氏方程的推导
在反应初始阶段时，E+PES的速率极小，可以忽
略不计，E+SES, 于是ES的生成速率可表示为：
d[ES]
dt = k1([E]-[ES])[S]
(1)
通常[S]》[E]，即[S]-[ES][S]，ES分解速率与ES
S+E 和ESP+E 有关，于是ES的分解速率可表示为：
10.1.3 Km的意义
酶
底物
Km/moLL-1
谷氨酸脱氢酶 谷氨酸 -酮戊二酸 NAD+
NADH
1.2 10-4 2.0 10-3 2.5 10-5 1.8 10-5
丙酮酸羧化酶 丙酮酸 HCO3ATP
4.0 10-4 1.0 10-3 6.0 10-5
10.1.3 Km的意义
4、已知Km可求在某一底物浓度时的反应速率
1903年Henri用蔗糖酶水解蔗糖实验研
究底物浓度与反应速率的关系。
C
B
为解释此现象，提出了中间络合物学说
A
S + E ES P + E
[S]
1913年，Michaelis and Menten根据 中间复合物学说提出米氏方程。
[S]>>[E], [ES]分解为产物的逆反应忽略不计
S + E Ks ES k P + E
10.1.2 米氏方程的推导
10.1.2 米氏方程的推导
根据米氏方程：
（1）当[S]<<Km时
Vmax[S]
v=
Km
= K [S]
符合一级反应动力学，酶未被全部饱和，因此在[S]低时不能
正确测得酶活力；
（2）当[S]>>Km时，v=Vmax，此条件下可正解测得酶活力
（3）当[S]=Km时，v=Vmax/2
= Vmax[S] Ks + [S]
1925年，Briggs and Haldane提出了
稳态理论，对米氏方程做出了重要的修
正。
k1
E+S
ES
k2
（1）
k3
ES
k4
E+P
（2）
[ES]不仅与（1）有关，也与(2)有关。
10.1.2 米氏方程的推导
k1
k3
E+S
ES
k2
k4
E+P
当反应系统中ES的生成速率与降解速率相等时， 络合物ES的浓度保持不变，即达到稳定状态即：
因为酶反应速率（）与[ES]成正比，即
= k3 [ES]
代入方程（3）得：
[E][S] =k3[ES]=k3 Km + [S]
由于反应系统中[S]»[E]，当酶全部被饱和形成ES时，[E]=[ES] 酶促反应达到最大反应速率Vmax，即Vmax=k3[ES]=k3[E]
= Vmax[S] Km + [S]
主要内容
底物浓度对酶促反应速率的影响 酶的抑制作用 温度对酶促反应的影响 pH对酶促反应的影响 激活剂对酶促反应的影响
10.1 底物浓度 对酶促反应速率的影响
S+E=P+E 酶促反应中,如果[S]大大过量, V与 [E]的关系如何？ 实际情况下，[E]稳定，而[S]变化， V与[S]的关系如何？
10.1.1 中间络合物学说
10.1.4 Vmax和K3的意义
3、生理条件下S << Km， Vmax = kcat [E] 代入米氏方程 v = kcat [E] [S] / Km + [S] = kcat [E] [S] / Km
得出：v = kcat / Km[E][S] kcat / Km为[E]和[S]反应形成产物的表观二级速度常数，单 位：L/mol s。 kcat / Km大小可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催 化效率。
10.1.5 Km和Vmax的求法
Lineweaver-Burk双倒数作图法 Eadie-Hofstee作图法
10.1.5 Km和Vmax的求法 双倒数作图法
0
10.1.5 Km和Vmax的求法 Eadie-Hofstee作图法
0
例题
为了确定某酶的催化反应的初速度的底物依赖关系，制备 了一系列的l00ml含有不同底物浓度的反应混合物。向每 个混合物加入相同量的酶后便开始反应。通过测定每单位 时间（分钟）所形成的产物量而获得催化反应的初速度， 其结果如下表所示。
如当[S]=4Km时，V=80%Vmax；
当[S]=10Km时，V=91%Vmax
5、Km可帮助推断某一代谢反应的方向和途径
乳酸脱氢酶
丙酮酸
乳酸
Km=1.7 10-5
丙酮酸
丙酮酸脱氢酶 乙酰辅酶A Km=1.3 10-3
丙酮酸
丙酮酸脱羧酶 乙醛
Km=1.0 10-3
10.1.4 Vmax和K3的意义
1、在一定酶浓度下，酶对特定底物的Vmax也是一常数。 同一种酶对不同的底物的Vmax不一样，pH、温度和离 强度等也会影响Vmax的值。
2、当[S]很大时，Vmax=k3[E]， k3是一级反应速率常数； 因此k3表示当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底 物的分子数，又称转换系数（TN）或催化常数（Kcat）, Kcat越大，表示催化效率越高。
底物浓度 (mol/L)
初速度 (μmol/min)
1×10－6 0.08
5×10－6 0.25
1×10－5 1×10－4
0.33
0.48
1×10－3 0.50
1×10－2 0.50
①把表中的数据绘制成图，在给出的酶量下的 Vmax是多少? ②根据米氏方程，用Vmax、υ和〔S〕推演出 Km的代数表达式。计算每个反应混合物的Km。 Km值取决于底物浓度吗? ③当底物浓度为0.1mol·L－1和l×l0－7mol·L－1 时，计算它们的初速度。 ④反应混合物保温2分钟后确定反应的初速度。 当初始底物浓度为1×10－2mol·L－1时，计算 产物的生成量。在2分钟后底物总量的百分之 几被转换?
10.1.3 Km的意义
1、Km是酶的特性常数 Km的大小只与酶的性质有关，而与酶浓度无关，但与底物、 温度、pH及离子强度有关。 2、Km可判断酶的专一性和天然底物 Km最小的底物称为该酶的最适底物或天然底物。1/km近似 表示酶与底物的亲和力。 3、当k3<<k2时，Km=k2/k1，Km=Ks（解离常数），严格地 说是1/Ks表示酶与底物的亲和力，当k3极小时，1/Km才表示 酶与底物的亲和力。