生化工程,第二章酶促反应动力学
合集下载
生化工程,第二章酶促反应动力学
生化工程,第二章酶促反应动力学
反应速率及其测定
• 反应速率：单位时间内反 应物或生成物浓度的改变。 •P
• 设瞬时dt内反应物浓度的 很小的改变为dS，则：
•t
• 若用单位时间内生成物浓
•v
度的增加来表示，则：
PPT文档演模板
•t
生化工程,第二章酶促反应动力学
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。
•符合双分子反应的表达式，为二级反应。
PPT文档演模板
生化工程,第二章酶促反应动力学
把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应。
v = k [A]0
• 反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是 一致的，但对某些反应来说是不一致的。例如：
•Sucrase
• Sucrose + H2O ─→ Glucose + Frucose • 是双分子反应，但却符合一级反应方程式。
•甲醇
甘油 ＋ 脂肪酸 NaOH
•生物柴油
• 高果糖浆:
•
α-淀粉酶
糖化酶
葡萄糖异构酶
•淀粉浆液
糊精 葡萄糖
果糖
PPT文档演模板
生化工程,第二章酶促反应动力学
化学反应的基础知识
• 反应进行的方向 • 反应进行的可能性 • 反应进行的限度
•化学热力学
• 反应进行的速率 • 反应机制
PPT文档演模板
•化学动力学
•对于酶复合物ES的解离平衡过程来说， •ES •k-1 E + S •k+1
•其解离常数可以表示为,
•(4)
•即,
PPT文档演模板
•代入公式(2)得到
生化工程,第二章酶促反应动力学
反应速率及其测定
• 反应速率：单位时间内反 应物或生成物浓度的改变。 •P
• 设瞬时dt内反应物浓度的 很小的改变为dS，则：
•t
• 若用单位时间内生成物浓
•v
度的增加来表示，则：
PPT文档演模板
•t
生化工程,第二章酶促反应动力学
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。
•符合双分子反应的表达式，为二级反应。
PPT文档演模板
生化工程,第二章酶促反应动力学
把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应。
v = k [A]0
• 反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是 一致的，但对某些反应来说是不一致的。例如：
•Sucrase
• Sucrose + H2O ─→ Glucose + Frucose • 是双分子反应，但却符合一级反应方程式。
•甲醇
甘油 ＋ 脂肪酸 NaOH
•生物柴油
• 高果糖浆:
•
α-淀粉酶
糖化酶
葡萄糖异构酶
•淀粉浆液
糊精 葡萄糖
果糖
PPT文档演模板
生化工程,第二章酶促反应动力学
化学反应的基础知识
• 反应进行的方向 • 反应进行的可能性 • 反应进行的限度
•化学热力学
• 反应进行的速率 • 反应机制
PPT文档演模板
•化学动力学
•对于酶复合物ES的解离平衡过程来说， •ES •k-1 E + S •k+1
•其解离常数可以表示为,
•(4)
•即,
PPT文档演模板
•代入公式(2)得到
生化工程,第二章酶促反应动力学
酶促反应动力学PPT课件
第五节
激活剂对酶反应的 影响
1. 激活剂(activator)
• 激活剂：凡是能提高酶活性的物质。其 中大部分是无机离子或简单有机化合物。
• 金属离子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+等离 子，如Mg2+是多数激酶及合成酶的激 活剂，
• 无机阴离子如：Cl—、Br—、I—等都可作 为激活剂。如Cl—是唾液淀粉酶的激活剂
五、Km和Vmax值的测定
• (3) Hanes— Woolf作图法
• 将前式两边均 乘以[S]得：以 [s]/ v～[s]作图， 得一直线，横 轴的截距为 -Km，斜率为 1/ Vmax
第二节 酶的抑制作用
抑制与失活之间的关系
• 失活作用(inactivation) :使酶蛋白变性 而引起酶活力丧失的作用 ,变性剂对酶 的变性作用无选择性.
0.058
• Km值氢随酶测定的底物、反应的温度、pH及离子强度
而改变。各种酶的K苯m值甲相酰差酪很氨大酰，胺大多数酶2的.5Km
胰值凝介乳于蛋10白-6~酶10-1mol/甲L之酰间酪。氨酰胺
12.0
乙酰酪氨酰胺
32.0
三、Km值的意义
• 3. Km值可以判断酶的专一性和天然底物 有的酶可作用于几种底物，因此就有几个 Km值，其中Km值最小的底物称为该酶的 最适底物也就是天然底物。
•
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。
二、抑制作用的类型
v • 根据抑制作用是否可逆:
• 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的 作用.
酶促反应动力学名词解释
酶促反应动力学名词解释
酶促反应动力学是研究酶催化反应速率、酶与底物之间的相互作用以及反应机制的科学领域。
酶是一种生物催化剂，能够加速化学反应的速率，而酶促反应动力学则是用来描述和解释酶催化反应速率的规律。
酶促反应动力学的主要研究内容包括反应速率、反应机理和酶动力学参数等。
反应速率是指单位时间内反应物转化为产物的量，可以通过测量底物浓度的变化来确定。
酶催化反应速率通常比非酶催化的速率高几个数量级，这是因为酶能够提供更适合反应进行的环境，如形成特定的活性位点、降低反应的活化能等。
反应机理是指酶催化反应中涉及的化学步骤和中间产物的生成过程。
酶催化的反应通常包括底物与酶结合形成底物-酶复合物、底物在酶的活性位点上发生化学反应、产物与酶解离的过程。
通过研究反应机理，可以更好地理解酶催化反应的特点和机制。
酶动力学参数是描述酶催化反应速率和酶与底物之间相互作用的定量指标。
常见的酶动力学参数包括最大反应速率（Vmax）、米氏常数（Km）和催化效率（kcat/Km）等。
Vmax表示在酶的浓度饱和状态下的最大反应速率，Km表示酶与底物结合的亲和力，kcat/Km则是酶催化反应的效率常数。
总的来说，酶促反应动力学的研究对于理解酶催化的反应机制、设计高效的酶催化反应以及开发新型药物和工业催化剂等方面具有重要的意义。
通过深入研究酶
促反应动力学，可以为生物工程、医药化学和工业生产等领域的应用提供理论和实践基础。
酶促反应动力学.
乒乓反应 （双置换反应）动力学方程
• 双置换反应的特点是：酶同A的反应产物（P）是酶同第二 个底物结合之前释放出来，相应的酶转变E。
乒乓反应动力学方程
乒乓反应动力学曲线图
三、酶的抑制作用
能够和酶的必需基团结合，改变必需基团的结构和性质，酶未发生变性， 从而引起酶活性的下降，甚至使酶的活性完全丧失的现象称酶的抑制作 用。能引起抑制作用的物质称为抑制剂。
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
米氏方程
Vmax [S] V= Km + [S]
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， 几乎所有的酶都与底物结 合后，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。
Rate of Reaction(v)
100
80
60
40
20
0 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Concentration of Substrate(umol/L)
•
和底物的亲和力。
• ⑤催化可逆反应的酶正逆方向反应的Km是不相同的，测定 细胞内Km和正逆方向反应的底物浓度，可大致推测正逆反
应的效率，判断酶在细胞内的催化的主要方向。
(2)Vmax和K3（Kcat）的意义
(3) Kcat / Km的意义
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-酶促反应动力学
• 一个标准酶活单位定义为：每分钟使果胶裂解产生1μmol的不饱 和聚半乳糖醛酸所需的酶量。不饱和聚半乳糖醛酸在235nm处的 摩尔吸光系数为4600Lmol-1cm-1[6]。
• U =（A/4600）×106×10-3×3×10×（1/10）×n
• = A×n×(30/46)
• 式中：U-----------酶液的酶活力， U/mL
KS CS
稳态法推导动力学方程：
几点假设：
（1）CS>>CE，中间复合物ES的形成不会降 低CS。
（2）不考虑这个可逆反应。
（3）CS>>CE中间复合物ES一经分解，产生 的游离酶立即与底物结合，使中间复合物 ES浓度保持衡定，即 。 dC ES 0
dt
根据以上假设，可建立如下方程组
rk2CES
（3）E S E为S 快速平衡，E S E P 为整个反应的限速阶段，因此ES分解 成产物不足以破坏这个平衡。
根据假设建立动力学方程
rk2CES
dCES dt
k1CECSk1CES0
C E0C EC ES
CECS CES
KS
k1 k1
解之，得
r k2CE0CS KS CS
令 rmaxk2CE0 则 r rmaxCS
• A —————OD值
• n ———— 酶液稀释倍数
2.1 酶促反应动力学的特点
2.1.1 酶的基本概念 2.1.2 酶的稳定性及应用特点
酶是以活力、而不是以质量购销的。 酶有不同的质量等级：工业用酶、食品用酶、医药 用酶。酶的实际应用中应注意，没有必要使用比工艺 条件所需纯度更高的酶。
经典酶学研究中，酶反应速率的测定是在反应的 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。
• U =（A/4600）×106×10-3×3×10×（1/10）×n
• = A×n×(30/46)
• 式中：U-----------酶液的酶活力， U/mL
KS CS
稳态法推导动力学方程：
几点假设：
（1）CS>>CE，中间复合物ES的形成不会降 低CS。
（2）不考虑这个可逆反应。
（3）CS>>CE中间复合物ES一经分解，产生 的游离酶立即与底物结合，使中间复合物 ES浓度保持衡定，即 。 dC ES 0
dt
根据以上假设，可建立如下方程组
rk2CES
（3）E S E为S 快速平衡，E S E P 为整个反应的限速阶段，因此ES分解 成产物不足以破坏这个平衡。
根据假设建立动力学方程
rk2CES
dCES dt
k1CECSk1CES0
C E0C EC ES
CECS CES
KS
k1 k1
解之，得
r k2CE0CS KS CS
令 rmaxk2CE0 则 r rmaxCS
• A —————OD值
• n ———— 酶液稀释倍数
2.1 酶促反应动力学的特点
2.1.1 酶的基本概念 2.1.2 酶的稳定性及应用特点
酶是以活力、而不是以质量购销的。 酶有不同的质量等级：工业用酶、食品用酶、医药 用酶。酶的实际应用中应注意，没有必要使用比工艺 条件所需纯度更高的酶。
经典酶学研究中，酶反应速率的测定是在反应的 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。
生化反应工程酶促反应动力学
• 设瞬时dt内反应物浓度的很小 的改变为dS，则：
d[ S ] r dt
• 若用单位时间内生成物浓度 的增加来表示，则：
r d[ P ] dt
2.2.1.4酶促反应动力学分类----反应级数
①零级反应 反应速率与底物的浓度无关，称为零级反应。
d [ s] rmax dt
（[S]-底物浓度，rmax-最大反应速率）
E ＋ S
k1
k-1
ES
k2
E ＋ P
稳态学说
稳态学说的几点假设条件： 1. 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。
2. 在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+E→ES这个可逆反应
的速率极小，可以忽略不计。
3. [ES]的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变 化。
• 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。
2.2.1.2影响酶促反应的因素
浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等） 外部因素（温度，pH，压力，溶液的介电常数，离子 强度等） 内部因素（酶的结构等）
2.2.1.3反应速率及其测定
• 反应速率：单位时间内反应物或生成物浓度的改变。
酶量守恒 产物生成速率 动力学方程
KS
[E0 ] [E] [ ES ]
rP k2 [ ES]
rP rP max[ S ] K S [S ]
rP rP max[ S ] K m [S ]
与 Km
k K S 1 k1
k1 k 2 Km k1
动力学参数的求解
(9)
k 2 [ E0 ][S ] rP max[ S ] d[ P] rP k 1 k 2 dt [S ] K m [S ] k1
d[ S ] r dt
• 若用单位时间内生成物浓度 的增加来表示，则：
r d[ P ] dt
2.2.1.4酶促反应动力学分类----反应级数
①零级反应 反应速率与底物的浓度无关，称为零级反应。
d [ s] rmax dt
（[S]-底物浓度，rmax-最大反应速率）
E ＋ S
k1
k-1
ES
k2
E ＋ P
稳态学说
稳态学说的几点假设条件： 1. 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。
2. 在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+E→ES这个可逆反应
的速率极小，可以忽略不计。
3. [ES]的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变 化。
• 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。
2.2.1.2影响酶促反应的因素
浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等） 外部因素（温度，pH，压力，溶液的介电常数，离子 强度等） 内部因素（酶的结构等）
2.2.1.3反应速率及其测定
• 反应速率：单位时间内反应物或生成物浓度的改变。
酶量守恒 产物生成速率 动力学方程
KS
[E0 ] [E] [ ES ]
rP k2 [ ES]
rP rP max[ S ] K S [S ]
rP rP max[ S ] K m [S ]
与 Km
k K S 1 k1
k1 k 2 Km k1
动力学参数的求解
(9)
k 2 [ E0 ][S ] rP max[ S ] d[ P] rP k 1 k 2 dt [S ] K m [S ] k1
2酶促反应动力学
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
➢ Km值代表反应速率达到Vmax/2时的底物浓度。 ➢ Km是酶的一个特性常数，Km的大小只与酶的性质有关，而与酶
浓度无关。但底物种类、反应温度、pH和离子强度等因素会影
响Km值。因此可以用Km值来鉴别酶。 ➢ Km值可以判断酶的专一性和天然底物。 ➢ 当k+2<<k-1时， Km ＝KS ，那么Km可以作为酶和底物结合紧密
•考虑一下Km的定义
：
•
实验测定Michaelis-Menten动
力学参数
•根据已知的 [S0] 和 [E0], 能计算出初始的反 应速率:
动力学参数的求解
作图法(通过方程变换，将方程线性化)
✓L-B法 ✓H-W法 ✓E-H法 ✓积分法
非线性最小二乘法回归处理
✓信赖域法(Matlab的优化工具箱) ✓遗传算法(不依赖于初值，可并行计算)
• 平衡常数(K)的计算：
例：A+3B
2C+D
酶的基本概念
酶可加快反应速率 降低反应的活化能(Ea) 不能改变反应的平衡常数K 不能改变反应的自由能变化(ΔG)
✓酶有很强的专一性 ✓较高的催化效率 ✓反应条件温和 ✓酶易失活
酶促反应动力学基础
影响酶促反应的主要因素
✓ 浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等） ✓ 外部因素（温度，压力，pH，溶液的介电常数，
反应物在容器中混合良好
反应速率采用初始速率
•单底物酶促反应动力学
•E •＋ •S
•k+1 •ES
•k-1
•k+2
•E •＋ •P
• 快速平衡学说的几点假设条件：
1. 酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完 成的。
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。
• The data below was from an enzyme activity determination.
•1. [S] 3 μM ------------ v = 10.4 μmol/min 2. [S] 5 μM ------------ v = 14.5 μmol/min 3. [S] 10 μM ----------- v = 22.5 μmol/min 4. [S] 30 μM ----------- v = 33.8 μmol/min 5. [S] 90 μM ----------- v = 40.5 μmol/min
•t
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：
• 双如：A＋B → C＋D 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。
•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。
•
v = k [S]
酶促反应动力学基础－反应速率
零级反应
•k
•A
一级反应 A ─→ B
•A0
积分后得： 这儿：k是反应速率常数，C是积分常数
•t •一级反应
若反应开始(t=0)时,A=A0,则C=lnA0, 最后得到: A=A0e-kt
底物 与 效应物
【效应物】(Effecter)：凡能使酶分子发生别构作用的物质叫效应物 ，通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性降低的物质称 为负效应物。
✓ 可逆抑制 和 不可逆抑制(如铅和汞等重金属)
【可逆抑制】 (reversible inhibition)：抑制剂与酶以非共价 键结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂而使 酶复性，这种抑制作用是可逆的，称为可逆抑制。
• 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。
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
•竞争性抑制 可逆抑制 •非竞争性抑制
•抑制
•反竞争性抑制
不可逆抑制
•不可逆抑制 ：
• 杀虫剂：二异丙基氟磷酸（DFP）对乙酰胆碱酯酶 的抑制－－乙酰胆碱酯酶是神经传导所必需的，这酶 的抑制引起生命功能的迅速削弱。
•竞争性抑制 ： 竞争性抑制剂往往和底物在结构上相似
• 丙二酸（HOOC—CH2—COOH）抑制琥珀酸脱氢酶催化的琥珀酸（ HOOC—CH2—CH2—COOH）脱氢作用。 •对氨基苯甲酸逆转磺胺药物对细菌生长的抑制作用(二氢叶酸合成酶 )，对 氨基苯甲酸是细菌的一种维生素，细菌依赖它合成代谢所必需的叶酸。 •许多抗代谢的抗癌药物如5-氟尿嘧啶和6-巯基嘌呤几乎都是酶的竞争性抑 制剂。
程度的一个度量，表示酶和底物结合的亲合力大小。
➢ 若已知Km值，可以计算出某一底物浓度时，其反应速率相当于 Vmax的百分率。例如:当[S]=3 Km时，代入米氏方程后可求得 v=0.75Vmax
➢ Km值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径。催化可逆反应 的酶，对正逆两向底物的Km值往往是不同的，例如谷氨酸脱氢 酶，NAD+的Km值为2.5×10-5mol/L，而NADH为1.8×10-5 mol/L。测定这些Km值的差别及正逆两向底物的浓度，可以大
离子强度等） ✓ 内部因素（效应物，酶的结构）
酶与底物的作用机理
• Lock and Key Model
Induced-Fit Model
• 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。
酶反应动力学
➢ 酶反应动力学的两点基本假设：
慢于[ES]复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是 正确的。
•Mixed order •with respect to S
反应速率、底物浓度与时间的关系
•S, E
•反应速率
底物浓度与反应速率的关系
•Vm
•底物浓度
反应速率、底物浓度与时间的关系
•反应速率 •底物浓度
•反应时间
•反应时间
米氏常数Km的意义
•E + S •Km’ •[ES] •+ •I
•I
•KI
•EΒιβλιοθήκη •[EI] •S•E + P •E •I •X •P
•抑制剂是底物的类似物
•利用快速平衡假说: •和酶的浓度方程, •产物速率方程, •综合以上方程,消除[ES]得到：
•where
and
.
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。
•E •＋ •S •k+1 •k-1
•ES •k+2 •E •＋ •P
•快速平衡学说
➢ 对于单底物的酶促反应:
•由假设4可得到：
•(1)
•由假设3可得到产物的合成速率为：
•(2)
•反应体系中酶量守恒：
•淀粉浆液
糊精 葡萄糖
果糖
化学反应的基础知识
• 反应进行的方向 • 反应进行的可能性 • 反应进行的限度
•化学热力学
• 反应进行的速率 • 反应机制
•化学动力学
反应速率及其测定
• 反应速率：单位时间内反
应物或生成物浓度的改变
•P
。
• 设瞬时dt内反应物浓度的 很小的改变为dS，则：
•t
•v
• 若用单位时间内生成物浓 度的增加来表示，则：
生化工程,第二章酶促反 应动力学
2020年6月2日星期二
•《生化工程》
•Biochemical Engineering
第二章 均相酶催化反应动力学
•Lysozyme
•实 例
• 脂肪酶催化酯化反应: 生物柴油
• 油料
•甲醇
甘油 ＋ 脂肪酸 NaOH
•生物柴油
• 高果糖浆:
•
α-淀粉酶
糖化酶
葡萄糖异构酶
•k 二级反应 A+B ─→ C
•k指反应的速率常数。 •反应速率与反应物的性质和浓 度、温度、压力、催化剂及溶剂 性质有关
酶促反应动力学基础－平衡常数
• 平衡：可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行， 但反应速率相等的动态过程。
• 反应的平衡常数与酶的活性无关，与反应速率的大小无 关，而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。
•非竞争性抑制： 非竞争性抑制剂和底物可能分别与 酶的不同部位结合。抑制剂与酶的结合并不妨碍酶再 与底物结合，但所形成：酶—底物—抑制剂复合物
•反竞争性抑制： 反竞争性抑制剂只结合到ES复合 物。
• 酶—底物—抑制剂复合物
•这种抑制剂仅能与ES复合物结合，而与游离酶不 能直接结合
竞争性抑制(competitive inhibitions)
L-B双倒数法
• 将米氏方程式两侧取双 倒数，得到下列方程式 ：
•以 直线
作图,得到一
• 缺点：实验点过分集中 在直线的左下方，影响
Km和Vmax的准确测定。
积分法
•分批酶反应体系中[S]随时间的变化过程可以用表示为：
•积分得到 ,
•或,
•与
对应作图，得到一直线，
•斜率为-Km ,截距为Vm
•实例
•当反应系统中 [ES]的生成速率与分解速率相等时，[ES]浓度 保持不变的状态称为稳态。
浓度无关。但底物种类、反应温度、pH和离子强度等因素会影
响Km值。因此可以用Km值来鉴别酶。 ➢ Km值可以判断酶的专一性和天然底物。 ➢ 当k+2<<k-1时， Km ＝KS ，那么Km可以作为酶和底物结合紧密
•考虑一下Km的定义
：
•
实验测定Michaelis-Menten动
力学参数
•根据已知的 [S0] 和 [E0], 能计算出初始的反 应速率:
动力学参数的求解
作图法(通过方程变换，将方程线性化)
✓L-B法 ✓H-W法 ✓E-H法 ✓积分法
非线性最小二乘法回归处理
✓信赖域法(Matlab的优化工具箱) ✓遗传算法(不依赖于初值，可并行计算)
• 平衡常数(K)的计算：
例：A+3B
2C+D
酶的基本概念
酶可加快反应速率 降低反应的活化能(Ea) 不能改变反应的平衡常数K 不能改变反应的自由能变化(ΔG)
✓酶有很强的专一性 ✓较高的催化效率 ✓反应条件温和 ✓酶易失活
酶促反应动力学基础
影响酶促反应的主要因素
✓ 浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等） ✓ 外部因素（温度，压力，pH，溶液的介电常数，
反应物在容器中混合良好
反应速率采用初始速率
•单底物酶促反应动力学
•E •＋ •S
•k+1 •ES
•k-1
•k+2
•E •＋ •P
• 快速平衡学说的几点假设条件：
1. 酶和底物生成复合物[ES]，酶催化反应是经中间复合物完 成的。
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。
• The data below was from an enzyme activity determination.
•1. [S] 3 μM ------------ v = 10.4 μmol/min 2. [S] 5 μM ------------ v = 14.5 μmol/min 3. [S] 10 μM ----------- v = 22.5 μmol/min 4. [S] 30 μM ----------- v = 33.8 μmol/min 5. [S] 90 μM ----------- v = 40.5 μmol/min
•t
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：
• 双如：A＋B → C＋D 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。
•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。
•
v = k [S]
酶促反应动力学基础－反应速率
零级反应
•k
•A
一级反应 A ─→ B
•A0
积分后得： 这儿：k是反应速率常数，C是积分常数
•t •一级反应
若反应开始(t=0)时,A=A0,则C=lnA0, 最后得到: A=A0e-kt
底物 与 效应物
【效应物】(Effecter)：凡能使酶分子发生别构作用的物质叫效应物 ，通常为小分子代谢物或辅因子。如因别构导致酶活性降低的物质称 为负效应物。
✓ 可逆抑制 和 不可逆抑制(如铅和汞等重金属)
【可逆抑制】 (reversible inhibition)：抑制剂与酶以非共价 键结合而引起酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂而使 酶复性，这种抑制作用是可逆的，称为可逆抑制。
• 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。
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
•竞争性抑制 可逆抑制 •非竞争性抑制
•抑制
•反竞争性抑制
不可逆抑制
•不可逆抑制 ：
• 杀虫剂：二异丙基氟磷酸（DFP）对乙酰胆碱酯酶 的抑制－－乙酰胆碱酯酶是神经传导所必需的，这酶 的抑制引起生命功能的迅速削弱。
•竞争性抑制 ： 竞争性抑制剂往往和底物在结构上相似
• 丙二酸（HOOC—CH2—COOH）抑制琥珀酸脱氢酶催化的琥珀酸（ HOOC—CH2—CH2—COOH）脱氢作用。 •对氨基苯甲酸逆转磺胺药物对细菌生长的抑制作用(二氢叶酸合成酶 )，对 氨基苯甲酸是细菌的一种维生素，细菌依赖它合成代谢所必需的叶酸。 •许多抗代谢的抗癌药物如5-氟尿嘧啶和6-巯基嘌呤几乎都是酶的竞争性抑 制剂。
程度的一个度量，表示酶和底物结合的亲合力大小。
➢ 若已知Km值，可以计算出某一底物浓度时，其反应速率相当于 Vmax的百分率。例如:当[S]=3 Km时，代入米氏方程后可求得 v=0.75Vmax
➢ Km值可以帮助推断某一代谢反应的方向和途径。催化可逆反应 的酶，对正逆两向底物的Km值往往是不同的，例如谷氨酸脱氢 酶，NAD+的Km值为2.5×10-5mol/L，而NADH为1.8×10-5 mol/L。测定这些Km值的差别及正逆两向底物的浓度，可以大
离子强度等） ✓ 内部因素（效应物，酶的结构）
酶与底物的作用机理
• Lock and Key Model
Induced-Fit Model
• 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。
酶反应动力学
➢ 酶反应动力学的两点基本假设：
慢于[ES]复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是 正确的。
•Mixed order •with respect to S
反应速率、底物浓度与时间的关系
•S, E
•反应速率
底物浓度与反应速率的关系
•Vm
•底物浓度
反应速率、底物浓度与时间的关系
•反应速率 •底物浓度
•反应时间
•反应时间
米氏常数Km的意义
•E + S •Km’ •[ES] •+ •I
•I
•KI
•EΒιβλιοθήκη •[EI] •S•E + P •E •I •X •P
•抑制剂是底物的类似物
•利用快速平衡假说: •和酶的浓度方程, •产物速率方程, •综合以上方程,消除[ES]得到：
•where
and
.
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。
•E •＋ •S •k+1 •k-1
•ES •k+2 •E •＋ •P
•快速平衡学说
➢ 对于单底物的酶促反应:
•由假设4可得到：
•(1)
•由假设3可得到产物的合成速率为：
•(2)
•反应体系中酶量守恒：
•淀粉浆液
糊精 葡萄糖
果糖
化学反应的基础知识
• 反应进行的方向 • 反应进行的可能性 • 反应进行的限度
•化学热力学
• 反应进行的速率 • 反应机制
•化学动力学
反应速率及其测定
• 反应速率：单位时间内反
应物或生成物浓度的改变
•P
。
• 设瞬时dt内反应物浓度的 很小的改变为dS，则：
•t
•v
• 若用单位时间内生成物浓 度的增加来表示，则：
生化工程,第二章酶促反 应动力学
2020年6月2日星期二
•《生化工程》
•Biochemical Engineering
第二章 均相酶催化反应动力学
•Lysozyme
•实 例
• 脂肪酶催化酯化反应: 生物柴油
• 油料
•甲醇
甘油 ＋ 脂肪酸 NaOH
•生物柴油
• 高果糖浆:
•
α-淀粉酶
糖化酶
葡萄糖异构酶
•k 二级反应 A+B ─→ C
•k指反应的速率常数。 •反应速率与反应物的性质和浓 度、温度、压力、催化剂及溶剂 性质有关
酶促反应动力学基础－平衡常数
• 平衡：可逆反应的正向反应和逆向反应仍在继续进行， 但反应速率相等的动态过程。
• 反应的平衡常数与酶的活性无关，与反应速率的大小无 关，而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。
•非竞争性抑制： 非竞争性抑制剂和底物可能分别与 酶的不同部位结合。抑制剂与酶的结合并不妨碍酶再 与底物结合，但所形成：酶—底物—抑制剂复合物
•反竞争性抑制： 反竞争性抑制剂只结合到ES复合 物。
• 酶—底物—抑制剂复合物
•这种抑制剂仅能与ES复合物结合，而与游离酶不 能直接结合
竞争性抑制(competitive inhibitions)
L-B双倒数法
• 将米氏方程式两侧取双 倒数，得到下列方程式 ：
•以 直线
作图,得到一
• 缺点：实验点过分集中 在直线的左下方，影响
Km和Vmax的准确测定。
积分法
•分批酶反应体系中[S]随时间的变化过程可以用表示为：
•积分得到 ,
•或,
•与
对应作图，得到一直线，
•斜率为-Km ,截距为Vm
•实例
•当反应系统中 [ES]的生成速率与分解速率相等时，[ES]浓度 保持不变的状态称为稳态。