第二章 酶促反应动力学详解
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生化工程,第二章酶促反应动力学
v
dP dt
t
v
dP dt
t5
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] • 双如：A＋B → C＋D
属于双分子反应
• 其反应速率方程可表示为：
vk[A]B []
• 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。
V k E Pma x 2[0]
代入式(5)得：
vPd d [P t]kK 2 S [E 0 [ ]S S ] []V K PS m [ [ a S S x ] ]
(6)
式中：
Vp,max: 最大反应速率
如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。
KS: 解离常数，饱和常数
低KS值意味着酶与底物结合力很强，
• 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。
6
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
2. 底物浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低 底物浓度[S]，底物浓度以初始浓度计算。
3. 不考虑P+E→ES这个可逆反应的存在。
4. [ES]在反应开始后与E及S迅速达到动态平衡。
17
E ＋S
k+1
k-1
2 酶促反应动力学(2)
2.2.4 抑制剂对酶促反应速率的影响首先应搞清失活作用与抑制作用的异同。
失活作用：指物理或化学因素部分或全部破坏了酶的三维结构，引起酶的变性，导致酶部分或全部丧失活性。
抑制作用：指酶在不变性条件下，由于活性中心化学性质的改变而引起酶活性的降低或丧失。
凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称做酶的抑制剂(inhibitor)。
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。
2.2.4.1竞争性抑制图2－3 竞争性抑制作用示意图 反应机理：P E ES S E k k k +→⇔+−211 （2－36）EI I E IK ⇔+ （2－37） 采用快速平衡法推导动力学方程：ES C k r 2= （2－38）S ES S E K k k C C C ==−11（2－39） I EIIE K C C C = （2－40） EI ES E E C C C C ++=0 （2－41）解之，得SI I S SC K C K C r r ++=)/1(max （2－42）E IS式中，02max E C k r =，11k k K S −=采用稳态法推导动力学方程：ES C k r 2= （2－43）0211=−−=−ES ES S E ESC k C k C C k dtdC （2－44）0=−=−EI i I E i EIC k C C k dtdC （2－45） EI ES E E C C C C ++=0（2－46）解之，得SI I m SC K C K C r r ++=)/1(max （2－47）式中: 02max E C k r =，121k k k K m +=− 令 )/1(I I m m K C K K +=′，（2－47）式可变形为Sm SC K C r r +′=max （2－48） 式中 m m K K >′将（2－48）式与米氏方程比较，可知最大反应速率测有变化，而K m 增大。
2酶促反应动力学-28页精选文档
2 酶促反应动力学教学基本内容：酶促反应的特点；单底物酶促反应动力学方程（米氏方程）的推导；抑制剂对酶促反应的影响，竞争性抑制和非竞争性抑制酶促反应动力学方程的推导；产物抑制、底物抑制的概念，产物抑制和底物抑制酶促反应动力学方程的推导；多底物酶促反应的机制，双底物酶促反应动力学的推导；固定化酶的概念，常见的酶的固定化方法，固定化对酶性质的影响及固定化对酶促反应的影响，外扩散过程和内扩散过程分析；酶的失活动力学。
2.1 酶促反应动力学的特点2.2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础2.2.2 单底物酶促反应动力学2.2.3抑制剂对酶促反应速率的影响2.2.4多底物酶促反应动力学2.3 固定化酶促反应动力学2.4 酶的失活动力学授课重点：1. 酶的应用研究与经典酶学研究的联系与区别2. 米氏方程。
3 竞争性抑制酶促反应动力学方程。
4. 非竞争性抑制酶促反应动力学方程。
5. 产物抑制酶促反应动力学方程。
6. 底物抑制酶促反应动力学方程。
7. 双底物酶促反应动力学方程。
8. 外扩散对固定化酶促反应动力学的影响，Da准数的概念。
9. 内扩散对固定化酶促反应动力学的影响，φ准数的概念。
10. 酶的失活动力学。
难点：1. 采用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程。
2. 固定化对酶促反应的影响，五大效应(分子构象的改变、位阻效应、微扰效应、分配效应及扩散效应)的区分。
3. 内扩散过程分析，涉及到对微元单位进行物料衡算和二阶微分方程的求解、无因次变换、解析解与数值解等问题。
4.温度对酶促反应速率和酶的失活速率的双重影响，最适温度的概念。
温度和时间对酶失活的影响。
本章主要教学要求：1. 掌握稳态法和快速平衡法推导酶促反应动力学方程。
2. 了解酶的固定化方法。
理解固定化对酶促反应速率的影响。
掌握Da 准数的概念及φ准数的概念，理解外扩散和内扩散对酶促反应速率的影响。
3. 了解酶的一步失活模型与多步失活模型，反应过程中底物对酶稳定性的影响。
第2章酶促反应动力学
酶应用的特点
1) 酶的稳定性及应用特点 2) 酶是以活力、而不是以质量购销的 3) 酶有不同的质量等级：
工业用酶 食品用酶 医药用酶 …… 实际应用酶时应注意，没有必要使用比工艺条件所需 纯度更高的酶。
酶应用的特点
酶应用的特点
酶应用的特点
酶应用的特点
• 经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内 进行的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学 研究的目的是探讨酶促反应的机制。
酶的分类
• 例如：
编号EC1.1.1.1（已醇脱氢酶）
第一大 类（氧 化还原 酶）
第一亚 类（氧 化基团 是CHO
H）
第一亚
亚类 （NAD 为H的 受体）
在此亚 亚类中 的顺序
号
酶的催化共性
1）降低反应的活化能 如过氧化氢的分解，无催化剂时反应 活化能为75.31kJ/mol，加入过氧化氢酶后，过氧化氢分 解反应的活化能为8.37kJ/mol；
酶的分类
• 国际生物化学联合会(International Union of Biochemistry IUB)国际酶学委员会(Enzyme Commission, EC)于1961年 提出的酶的分类与命名方案的规定，按照酶进行催化反应 的类型，可将酶分为六类： 1）氧化还原酶类(oxidoreductases) 2）转移酶类(transferases) 3）水解酶类(hydrolases) 4）裂合酶(lyases) 5）异构酶(isomerases) 6）连接（或合成）酶(ligase, synthetases)
2）加快反应速率 一般非酶催化反应速率太低，不易观察， 酶催化反应速率和在相同pH值与温度下非酶催化反应速 率可直接比较的例子很少。已知己糖激酶可加快反应速率， 大于1010倍；乙醇脱氢酶大于2×108倍。
酶促反应动力学ppt课件.ppt
五、Km和Vmax值的测定
(2) 双倒数 作图法
将米氏方 程式两侧 取双倒数， 以1/v1/[s]作图， 得出一直 线.
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
五、Km和Vmax值的测定
(3) Hanes— Woolf作图法
- d[ES] / dt = k2[ES] + k3[ES]
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
二、酶促反应的动力学方程式
当酶体系处于动态平衡时，ES的形成速 度和分解速度相等
k1([E] — [ES]) * [S] = k2[ES] + k3[ES]
因为当底物浓度很高时，酶反应速率（v）与 [ES]成正比，即
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]
i =1-a (4) 抑制百分数; i %=(1-a) x 100% 通常所谓抑制率是指抑制分数或抑制百分数。
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
二、抑制作用的类型
v 根据抑制作用是否可逆:
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
2.1 酶促反应动力学
k+1 k1
ES
k+2
E+P
其中：k+1，k1，k+2——反应速度常数 E，S，ES，P——酶，底物，酶-底物复合物， 产物 根据Michaelis、Menten的单一底物的酶反应模 型，其假设条件为： （1 ）在反应过程中，限制反应速度的反应是 ES到 E+P这一步反应； （ 2 ） E+S 到 ES 的反应在整个过程中始终处于动态 平衡； （ 3 ）酶以酶游离状态E和酶- 底物复合物ES 的形式 存在，酶在反应过程中总浓度不变； （4）底物浓度比酶-底物络合物浓度要大得多。
k 2C E 0C S VmaxC S V CS CS Km Km
（1-4）
（1-5）
式中： Vmax——最大的酶促反应速度。
Vmax k 2 C E 0
（1-6）
1.1.2 Briggs-Haldane对M-M方程的修正 1925年 Briggs和Haldane认为在酶促反应过程 中，反应的中间体ES（酶-底物复合物）的浓度 不随反应时间而变化，即在酶促反应过程中，反 应的中间体ES的浓度处于稳定的状态，基于这一 假设所得到的酶促反应的模型称之为“稳定态理 论”。即
第二节
均相的酶促 反应动力学
1.1. 酶促反应的Michaelis-Menten方程 1.1.1. 酶促反应的Michaelis-Menten方程
Michaelis、Menten（1913）提出了单一底 物的酶反应模型，基本内容是：酶E的底物S首 先形成酶—底物复合物ES，在酶—底物复合物 ES的基础上反应生成产物P和酶E。反应式如下： E+S
（1-22）
总酶量为
C E 0 C E C ES C EI C IES
ES
k+2
E+P
其中：k+1，k1，k+2——反应速度常数 E，S，ES，P——酶，底物，酶-底物复合物， 产物 根据Michaelis、Menten的单一底物的酶反应模 型，其假设条件为： （1 ）在反应过程中，限制反应速度的反应是 ES到 E+P这一步反应； （ 2 ） E+S 到 ES 的反应在整个过程中始终处于动态 平衡； （ 3 ）酶以酶游离状态E和酶- 底物复合物ES 的形式 存在，酶在反应过程中总浓度不变； （4）底物浓度比酶-底物络合物浓度要大得多。
k 2C E 0C S VmaxC S V CS CS Km Km
（1-4）
（1-5）
式中： Vmax——最大的酶促反应速度。
Vmax k 2 C E 0
（1-6）
1.1.2 Briggs-Haldane对M-M方程的修正 1925年 Briggs和Haldane认为在酶促反应过程 中，反应的中间体ES（酶-底物复合物）的浓度 不随反应时间而变化，即在酶促反应过程中，反 应的中间体ES的浓度处于稳定的状态，基于这一 假设所得到的酶促反应的模型称之为“稳定态理 论”。即
第二节
均相的酶促 反应动力学
1.1. 酶促反应的Michaelis-Menten方程 1.1.1. 酶促反应的Michaelis-Menten方程
Michaelis、Menten（1913）提出了单一底 物的酶反应模型，基本内容是：酶E的底物S首 先形成酶—底物复合物ES，在酶—底物复合物 ES的基础上反应生成产物P和酶E。反应式如下： E+S
（1-22）
总酶量为
C E 0 C E C ES C EI C IES
第二章均相酶催化反应动力学
能 量
水
平 E+S
ES
E2
G
P+ E
反应过程
2.1.2 酶的催化特性
(1)有较高的催化效率
➢ 酶的分子活力：在最适宜的条件下，每 1mol酶在单位时间内所能催化底物的最 大量(mol)。
➢ 酶催化中心活力：在单位时间内，每一 个酶的催化中心所能催化底物的量(mol)。 又称为酶的转换数。
得：
rp k 2 CE 0 Cs rp, max Cs (2 8)
ks Cs
Ks Cs
M- M方 程
动力学参数： Ks k 1 Cs CE (2 9) k 1 C [ES ]
rp, max k 2 CE 0
式中： rp, max — P的最大生成速率， mol /( L s)
忽略，也不必考虑这个P E [ES ] 逆反应存在。 可见，此方程仅适用于反应初始状态
2.2.1 Michaelis-Menten 方程
该法认为酶催化反应机理中，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 的速率决定整个酶催化反应的速率，而生成复合物的可逆反应 达到平衡状态，因此又称为“平衡”假设。
对单一底物参与的简单酶催化反应
E S k1 ES k2 E P k1
根据化学动力学，反应速率可表示为
rs 1 dns rp 1 dnp (2-1)
v dt
v dt
式中：rs—底物S的消耗速率，mol/(L•S) rp—产物P的生成速率，mol/(L•S) v—反应体系的体积，L ns—底物S的物质的量，mol np—产物P的物质的量，mol t—时间，s
根据上述假设和式 （2－2），有：
和
酶催化反应动力学
• 酶所表现的最适温度是上述两种影响综合作用的 结果。
在较低的温度范围内， 酶催化反应速率会随着 温度的升高而加快，超 过某一温度，即酶被加 热到生理允许温度以上 时，酶的反应速率反而 随着温度的升高而下降。
这是由于温度升高，虽然可加速酶的催化反应速率， 同时也加快了酶的热失活速率。
• 只有在某一温度条件下， 酶促化学反应速度达到 最大值，通常把这个温 度称为酶促化学反应的 最适温度(optimum temperature)。
• 计算一定反应速度下的底物浓度: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
• 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[S]体内≈Km，如果[S]体内<< Km，那么V<< Vmax，细胞中的酶处于“浪费” 状态，反之，[S]体内 >> Km，那么V≈Vmax，底 物浓度失去生理意义，也不符合实际状态。
酶与其他催化剂比较具有显著的特性
A.高效性
• 酶的催化作用可使反应速度提高107 -1013倍。 极少量酶就可催化大量反应物发生转变。
• 例如： 2H2O2
2H2O + O2
• 用Fe+催化， 1mol铁离子可催化10-5mol双氧
水分解。在相同条件下，1mol过氧化氢酶却
可催化5×105mol的双氧水分解。
v/nmol • L-1• min-1
6.2510-6
15.0
7.5010-5
56.25
1.00 10-4
60.0
1.00 10-3
74.9
1.00 10-2
75.0
1）计算Km和Vmax
2）当[S]= 5.010-5 mol/L 时，酶催化反应的速 率是多少？
在较低的温度范围内， 酶催化反应速率会随着 温度的升高而加快，超 过某一温度，即酶被加 热到生理允许温度以上 时，酶的反应速率反而 随着温度的升高而下降。
这是由于温度升高，虽然可加速酶的催化反应速率， 同时也加快了酶的热失活速率。
• 只有在某一温度条件下， 酶促化学反应速度达到 最大值，通常把这个温 度称为酶促化学反应的 最适温度(optimum temperature)。
• 计算一定反应速度下的底物浓度: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
• 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[S]体内≈Km，如果[S]体内<< Km，那么V<< Vmax，细胞中的酶处于“浪费” 状态，反之，[S]体内 >> Km，那么V≈Vmax，底 物浓度失去生理意义，也不符合实际状态。
酶与其他催化剂比较具有显著的特性
A.高效性
• 酶的催化作用可使反应速度提高107 -1013倍。 极少量酶就可催化大量反应物发生转变。
• 例如： 2H2O2
2H2O + O2
• 用Fe+催化， 1mol铁离子可催化10-5mol双氧
水分解。在相同条件下，1mol过氧化氢酶却
可催化5×105mol的双氧水分解。
v/nmol • L-1• min-1
6.2510-6
15.0
7.5010-5
56.25
1.00 10-4
60.0
1.00 10-3
74.9
1.00 10-2
75.0
1）计算Km和Vmax
2）当[S]= 5.010-5 mol/L 时，酶催化反应的速 率是多少？
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k2dt
(a0
1
b0
)
•
(b0
1
c)
1 (a0
Hale Waihona Puke c)dck2dt
c 0
(a0
1
b0
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•
(b0
1
c)
(a0
1
c)
dc
t
0 k2dt
(a0
1 b0 )
c 0
1 (b0
c)
dc
c 0
1 (a0
c)
dc
k2
t 0
dt
第二章 酶促反应动力学
1
(a0
b0
)
c 0
c) c)
k2t
第二章 酶促反应动力学
4.连锁酶促反应
A k1 B k2 C
da dt
k1a
db dt
k1a
k2b
dc dt
k2b
式中： k1,k2—各步骤反应速率常数； a,b,c—底物A,B,C的初始浓度；
da dt
k1a
第二章 酶促反应动力学
a
a0
da a
k1
t 0
dt
ln
a
|a
a0
d[L] k1[G0 ]
dt k2 k1
k1ek1t k2ek2t
0
第二章 酶促反应动力学
k1ek1t k2ek2t 0 k2ek2t k1ek1t
e k (k1 k2 )t
1
k2
(k1
k2 )t
ln
k1 k2
ln k1
tmax
(k1
k2 k2)
第二章 酶促反应动力学
2.2.2 M-M方程的建立及其特征参数的求取
第二章 均相酶促反应动力学
2.1 酶促反应动力学的特点 2.2 单底物均相酶促反应动力学 2.3 固定化酶促反应动力学 2.4 酶的失活动力学
第二章 酶促反应动力学
2.1 酶促反应动力学的特点
2.1.1 酶的基本概念
1. 酶是一种催化剂具备催化剂的特性
降低反应的活化能； 不影响反应的平衡常数； 加速反应的进行。
第二章 酶促反应动力学
V0 K 2[ES ]
V formation K1 [ E ] free [ S ] Vbreakdown K1[ES] K1 [ E ] free [ S ] ( K1)[ES]
[ES] K1 [E]free [S] ( K1)
第二章 酶促反应动力学
KS (K 1) K 1
的，因而可以忽略由于生成中间复合物 而消耗的底物。
3. 产物的浓度是很低的，因而产物的抑制 作用可以忽略，即不必考虑逆反应的存 在。换言之，据此假设所确定的方程仅 适用于反应初始状态。
4. 生成产物的速率要慢于底物与酶生成复 合物的可逆反应速率，因此，生成产物 的速 率决定整个酶催化反应的速率，
而生成复合物的可逆反应达到平衡状态。 因此，又称为“平衡”假设。
1.米氏方程[快速平衡说] An Enzymatic Reaction
E
S
k1 ES k1
kk22
E
P
E enzyme S substrate ES enzyme-substrate complex P product
4个假设： 1. 在反应过程中，酶的浓度保持恒定，即
[E]tot =[E]free + [ES] 2. 与底物浓度[S]相比，酶的浓度是很小
第二章 酶促反应动力学
2.一级反应：反应速率与底物浓度的一次方成正比，即酶催化A→B的反应过程。
db dt
k1[ A]
db dt
k1a0
b
式中： K1—一级反应速率常数； a0—底物A的初始浓度； b—t时产物B的浓度。
第二章 酶促反应动力学
3.二级反应：反应速率与底物浓度的一次方成正比，即酶催化A+B→C的反应过程。
(饱和常数）
K [E] [S] [ES] 1 free
2. 酶的化学本质是蛋白质 3. 酶催化的特性
酶有很强的专一型； 酶的催化效率很高。
第二章 酶促反应动力学
2.1.2 酶促反应的特征
1. 优点
在常温、常压、中性范围条件下进行； 由于酶促反应的专一性，副产物较少； 与微生物相反应相比，体系简单，易控制最适条件
2. 不足
酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应，与 微生物体系相比，在经济上有时并不理想；
k1t
|t0
ln a ln a0 k1t
ln
a a0
k1t
a ek1t a0
a a0ek1t
第二章 酶促反应动力学
db dt
k1a
k2b
db dt
k1a0 e k1t
k2b
db dt
k2b
k1a0 e k1t
dy p(x) y q(x) dx
b Ce k2dt e k2dt k1a0ek1te k2dt dt
b
Ce k2t
k1a0 k2 k1
ek1t
第二章 酶促反应动力学
t＝0时,b＝0，代入上式求得C
C
k1a0 k2 k1
b k1a0 ek1t ek2t k2 k1
第二章 酶促反应动力学
5.举例
葡萄糖G k1 葡萄糖内酯L k2 葡萄糖酸P
[L] k1[G0 ] ek1t ek2t k2 k1
1 (b0
c)
d (b0
c)
c 0
1 (a0
c)
d (a0
c)
k2
t 0
dt
1
(a0 b0 )
ln(a0 c) |c0 ln(b0 c) |c0
k2t |t0
(a0
1
b0
)
ln(a0
c)
ln
a0
ln(b0
c)
ln
b0
k2t
(a0
1
b0
)
ln
b0 (a0 a0 (b0
dc dt
k2[ A][B]
dc dt
k2 a0
cb0
c
式中：
K2—二级反应速率常数； a0—底物A的初始浓度； b0—底物B的初始浓度； c—t时产物c的浓度。
dc dt
k2 a0
cb0
c
第二章 酶促反应动力学
dc
a0 cb0 c k2dt
[(a0 c) (b0 c)]dc (a0 b0 )(a0 c)(b0 c)
第二章 酶促反应动力学
b Ce e k a e e dt 0t k2dt
0t k2dt t
k1t 0t k2dt
0 10
b Cek2t ek2t
t 0
k1a0ek1t
ek2t
dt
b Cek2t k1a0ek2t
t 0
e dt (k2 k1 )t
b
Cek2t
k1a0ek2t
e(k2 k1 )t k2 k1
酶促反应条件温和，但一般周期较长，有发生染菌 可能；
固定化酶反应体系有许多优于有利酶反应体系的优 点，但并非是最佳的生物催化剂。
第二章 酶促反应动力学
2.2 单底物均相酶促反应动力学
2.2.1 酶促反应动力学基础
1.零级反应：酶促反应速率与底物浓度无关
d[S dt
]
rm a x
式中：
[S]---底物浓度； rmax—最大反应速率。