第一章 酶催化反应动力学
酶催化反应动力学和热力学参数分析研究
酶催化反应动力学和热力学参数分析研究酶是一种生物催化剂，其在生命体系内具有特殊而重要的催化作用。
酶促反应研究的目的是揭示酶催化反应的动力学和热力学特性，进一步理解和掌握生命体系的基本规律，为生物制造和治疗、食品加工、环境污染治理等领域的应用提供依据。
本文就酶催化反应的动力学和热力学参数分析研究进行探讨。
第一部分动力学分析动力学是研究化学反应速率及其变化规律的分支学科。
酶催化反应是在生物催化剂作用下进行的化学反应，因此，其反应动力学研究应该关注酶浓度、底物浓度、反应温度、pH值等因素对反应速率的影响。
一、酶浓度对反应速率的影响酶浓度对反应速率的影响是双向的。
当酶浓度增加时，反应速率随之增加，因为更多的酶分子被引入到反应体系中，更多的底物被催化转化。
但是，当酶浓度达到一定水平时，反应速率不再随酶浓度增加而增加，原因是此时反应速率已经达到最大值，即酶对底物的催化饱和状态。
二、底物浓度对反应速率的影响底物浓度对反应速率的影响也是双向的。
当底物浓度增加时，反应速率随之增加，因为更多的底物分子被催化转化。
但是，当底物浓度达到一定水平时，反应速率不再随底物浓度增加而增加，原因是此时反应速率已经达到最大值，即酶对底物的催化饱和状态。
三、反应温度对反应速率的影响反应温度是影响酶催化反应速率的重要因素之一。
一般而言，反应温度越高，反应速率越快，因为更多的酶分子具有足够的能量，能够催化底物反应。
但是，当反应温度过高，酶分子会出现断裂和变性，从而影响催化效果。
四、pH值对反应速率的影响pH值是影响酶催化反应速率的重要因素之一。
一般而言，酶的最适 pH 值是其最大催化速率所处的 pH 值。
当 pH 值偏离最适 pH 值时，酶的催化效果会受到影响，反应速率会下降。
第二部分热力学分析热力学是研究热现象和热能转换规律的科学。
在酶催化反应中，热力学参数分析是反应体系稳定性、反应焓、反应熵、自由能变化等热学特性的研究，揭示反应的热学特性对于深入理解酶催化反应的机理、优化反应条件、解释反应失效等方面都具有重要意义。
酶促反应动力学资料
值.
②. 判断酶的专一性或最适底物（天然底物）
同一个酶催化不同底物时
Km最小的底物称该酶的最适底物或天然底物
蔗糖酶既可催化蔗糖水解(Km=28mmol/L),
也可催化棉子糖水解(Km=350mmol/L),蔗糖为天然底物。
1903年Henri用蔗糖酶水解蔗糖实验
一 级 反 应
V Vmax
[S]
当底物浓度较低时：
反应速度与底物浓度成正比关系； 反应为一级反应。
混合级反应
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。
零级反应
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
酶促反应动力学
概念
研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加
以定量的阐述。 影响因素包括有
底物浓度：米氏方程 酶浓度：Vmax=K3 [E]
Ｖ＝
Vmax[S]
Km + [S]
抑制剂：可逆抑制剂和不可逆抑制剂
激活剂： pH：最适PH 温度：最适温度
一. 化学动力学
（一）、反应速度及其测定：
（2）. Vmax与K3（Kcat）的意义
Vmax（不是酶的特征常数） maximum velocity
① 定义:是酶完全被底物饱和时的反应速度,与酶浓度成正比. ② 意义:Vmax=K3 [E] （k3是一级反应速率常数）
如果酶的总浓度已知,可从Vmax计算 酶的转换数即动力
酶催化反应的动力学和热力学模型
酶催化反应的动力学和热力学模型酶催化反应是生命体系中关键的一环，它在细胞代谢、信号传导、免疫反应等生命活动中发挥着至关重要的作用。
酶催化反应的动力学和热力学模型则是研究这些反应本质和控制机制的关键工具。
本文将介绍酶催化反应的动力学和热力学背景，探讨几种常见的酶催化反应模型，并简述大分子反应的特点及控制机制。
一、酶催化反应的动力学和热力学背景酶催化反应是指在生物体内，酶作为催化剂促进化学反应的进行。
酶能够显著降低反应所需的能垒，从而提高反应速率。
这是因为酶与底物之间形成的酶底物复合物能够在化学反应中提供一个更加稳定的、能量较低的过渡态，从而降低反应所需的能量和活化能。
在酶催化反应中，反应速率是非常重要的一个参数。
反应速率和底物浓度、酶浓度、反应温度等因素相关，因此需要建立反应速率的动力学模型。
此外，酶催化反应的热力学特性也是研究的关键点之一，热力学模型的建立可以帮助我们理解反应的驱动力和热力学限制。
二、几种常见的酶催化反应模型1. 米高斯-明茨动力学模型米高斯-明茨动力学模型是最早提出的酶动力学模型之一。
这个模型假设底物结合酶的速率比化学反应速率快很多，因此酶底物复合物的形成是反应速率的控制步骤。
当底物浓度很低时，酶活性不会受到抑制。
但是随着底物浓度的增加，酶活性会逐渐达到饱和，反应速率也会趋于常数。
2. 酶抑制模型酶抑制模型是一种描述酶和抑制剂之间互作关系的动力学模型。
抑制剂可以直接地或者通过结合酶活性部位抑制酶的活性。
在酶活性被抑制的情况下，反应速率呈现非线性关系，其动力学方程可以写成一个双曲线形式。
3. 酶电化学模型酶电化学模型结合了动力学和电化学的理论，描述酶催化反应的电化学过程和催化剂对电极反应动力学的影响。
这种模型在电化学和生物传感领域有着广泛的应用。
三、大分子反应的特点及控制机制除了小分子酶催化反应，大分子反应也是生物体系中一种重要的反应类型。
大分子反应包括蛋白质合成和降解、DNA复制和修复等过程。
酶催化反应动力学
酶催化反应动力学一、引言酶是生物体内自然存在的一类生物催化剂，其作用是加速生物体内的化学反应。
酶的催化效率比非酶催化的反应高出成千上万倍，甚至数十百万倍。
这种高效的催化作用使得酶在生物体内的生命活动中扮演着不可或缺的角色。
酶催化反应动力学是研究酶催化反应速率以及影响反应速率的各种因素的科学。
它是生物化学反应工程、生物制药工程、生物农业工程、生物材料工程等学科的基础，也是生物医学、生物工程、生物安全等领域的热点研究课题。
二、酶催化反应动力学的基础概念1、酶催化反应速率：指单位时间内，单位体积中底物的消耗速率或产物的生成速率。
2、米氏方程：Michaelis-Menten方程是描述酶催化反应速率与底物浓度关系的经典方程，它揭示了酶的催化效率与底物浓度的关系。
3、酶的活性中心：酶分子中与底物结合并发生催化反应的部位，通常由多种氨基酸残基组成。
4、底物结合与释放：酶与底物的结合和释放是酶催化反应的重要环节，其速率受底物浓度、竞争性抑制剂、温度、pH等多种因素的影响。
三、影响酶催化反应速率的因素1、底物浓度：底物浓度是影响酶催化反应速率的主要因素之一。
在底物浓度较低时，反应速率随底物浓度的增加而线性增加；当底物浓度达到一定值时，反应速率达到最大值，此时即使再增加底物浓度，反应速率也不会再增加。
2、温度：温度对酶催化反应速率的影响较大。
在一定范围内，随着温度的升高，酶的活性增强，反应速率增大；但当温度超过一定范围后，高温会导致酶失活，反应速率反而下降。
3、pH：pH对酶催化反应速率的影响也较大。
每种酶都有其最适pH 值，在此pH值下，酶的活性最强，反应速率最大。
当pH值偏离最适范围时，酶的活性降低，反应速率下降。
4、抑制剂：抑制剂是能够降低酶催化反应速率的物质。
竞争性抑制剂通过与底物竞争结合酶的活性中心来降低反应速率；非竞争性抑制剂通过与酶活性中心外的位点结合来降低反应速率；反竞争性抑制剂通过与底物-酶复合物结合来降低反应速率。
生物反应工程与设备(绪论,第一章)to st
C S0 CS
第一章 酶催化反应动力学
作业题
某均相酶催化反应，米氏常数为0.05mol/L 当底物初始浓度为10-6mol/L，反应进行 2min后有4％的底物转化为产物 求当反应进行3min时，产物浓度是多少？
三、动力学参数的求解
1 Km 1 1 L-B法： rS rmax C S rmax
生物反应工程与设备
王炳武
生命科学与技术学院
Office: 科技大厦西408
生物反应工程的定义
以生物反应动力学为基础，进行生物 反应过程的开发、设计、放大、优化 操作与控制的学科
生物反应工程的研究内容
反应过程动力学来自生物反应器
微观动力学（本征 动力学）
分子水平 细胞水平 颗粒水平 反应器水平
BSTR、CSTR、CPFR 间歇操作、连续操作、补料操作 机械搅拌式反应器、气升式反应器
学习本课程的目的
解释现象 实际应用
成绩评定
相对百分制 平时成绩30％（考勤、课堂提问、作业） 期末考试占70％
第一章 (均相)酶催化反应动力学
什么是均相酶催化反应？
酶分子和反应物系(底物分子、产物 分子等)处于同一相－－液相中的反 应
动力学方程式与参数
动力学特点
动力学参数的求解
1 K mI 1 1 rSI rmax CS rmax
动力学参数的求解（续）
二、非竞争性抑制
特点 反应机理
动力学方程式
动力学特点
动力学参数的求解
Km 1 1 1 rSI rI ,max CS rI ,max
三、反竞争性抑制
生物反应工程-绪论本科
包括两个层次
ִ本征动力学（微观动力学） ִ反应器动力学（宏观动力学）
传递因素
22
生物反应过程动力学的几个方面
均相酶催化反应动力学：分子水平描述动力学， 由反应机理建立模型方程，模型参数具有明确的 物理意义。
23
细胞反应动力学
结构模型：考虑胞内组成变化和代谢网络，反映 胞内部分本质和机理。 黑箱模型：完全经验模型，不考虑过程机理，模 型不具有明确的物理意义。 非结构模型：理论定量与经验公式结合，状态变 量与模型参数有限，模型参数具有明确的物理意 义。
青霉素工业化生产了替代低效的 实验室生产方法，以满足军用需 求及少量的民用需求。
15
青霉素工业化发酵 － 生物化学工程诞生
时间： 世纪 世纪40－ 年代 时间：20世纪 －60年代 大规模液体发酵罐 搅拌装置（搅拌桨、轴封） 搅拌装置（搅拌桨、轴封） 通气装置（空气过滤、分散器） 通气装置（空气过滤、分散器） 灭菌装置（管路、阀门、罐内） 灭菌装置（管路、阀门、罐内） 无菌状态（接种、采样、隔离） 无菌状态（接种、采样、隔离） 控制装置（温度、 、溶氧、消泡） 控制装置（温度、pH、溶氧、消泡） 流加装置（ 流加装置（碱、葡萄糖、前体） 葡萄糖、前体） 目前规模： 目前规模：百吨至千吨级发酵罐
19
0.3 生物反应工程的重点内容
酶反应动力学 细胞反应动力学 固定化催化剂反应动力学 反应器操作动力学 生物反应器操作 选择与设计反应器 生物反应器传递与混合 生物反应器放大
20
建立反应动力学
生物反应工程
需要的前提知识
生物工艺学
化工原理
物理化学(化学反应动力学)
高等数学(微积分)
4.3酶促反应动力学
反应速率的测定：反应速率与时间的关系反应级数：一级反应一级反应的反应物消耗和产物形成与时间的关系曲线C [P]ln ———(a-x)(b-x)——a-x x 二级反应或与时间的关系二级反应(b-x)a-x k零级反应k零级反应x 与时间关系E + SE -S E -SE -P E -P E + P一级反应零级反应混合级反应底物浓度对酶催化反应初速率的影响VVmax[S]当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反VVmax[S]随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反当底物浓度高达一定程度[S]V Vmaxk1中间产物v[s]米氏方程曲线K m 值的推导K m 值mol/L V max V[S]K m V max /2k1K m的意义（1）（2）K m的意义（3）（4）（5）Vm 的意义-1/Km1/VmaxV maxK m [S]1[S]V mVK mV max1底物数酶分类催化反应酶种类占总酶百分率E + S1+ S2→ ES1S2→ EP1P2→ E + P1 + P2氨基酸的氨基转移反应当[S]>>[E]时，V max = k3[E]酶浓度对反应速度的影响在最适温度下，温度升高，活化分子增多，酶活性提高。
在最适温度上，温度升高，酶活性降低。
Vt/℃最适温度激活剂激活剂小结。
第一章酶促反应动力学
动力学方程
KS 与 K m
31
快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致 的，但Km和KS表示的意义是不同的。 当k+2<<k-1时，Km=KS。这意味着生成产物的速率远远
慢于[ES]复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是
正确的。
32
米氏方程的动力学特征
反应速率与酶和底物浓度的关系
反应速率与酶浓度成正比(底物过量)
d[P ] vP k 2 [ES ] dt
(2)
24
反应体系中酶量守恒： 由前面的公式(1)得： 代入公式(3),变换后得：
[E 0 ] [E ] [ES ]
k-1 [ES ] [E ] k1 [S ]
[ES ] [E 0 ][S ] [S ]
(3)
k1 k1
对于酶复合物ES的解离平衡过程
底物浓度对反应速率的影响：
非线性。底物浓度较低，反应速率随底物浓度
提高而增加；底物浓度较高，反应速率随底物浓度
的提高而趋于稳定。
33
底物浓度与反应速率的关系
0.24
vS (mmol/L/h)
0.18 0.12 1 vS,mV m 2 0.06 0.00 0.0
vS,max m V
反应速率
Km
0.4 S (mmol/L)
3
均相酶催化反应的主要特征
• 不存在相间的物质 • 分子水平上的反应， 传递，不用考虑传 质过程的影响 是本征动力学
4
酶催化动力学的研究历史
• 1903年，Henri提出酶与底物作用的中间
复合物学说。
• 1913年，Michaelis和Menten提出了酶催 化反应动力学基本模型---米氏方程。 • 1925年，Briggs和Haldane对米氏方程做 了修正，提出稳态学说。
酶催化反应动力学分析
酶催化反应动力学分析酶是生物体内最常见的催化剂，能够加速化学反应的速率，使化学反应在生命体内发生。
酶结构复杂，需要在特定的温度、pH值和离子浓度等条件下才能发挥最佳催化作用。
酶催化反应动力学分析是研究酶催化反应特性和机理的重要手段。
本文将对酶催化反应动力学分析进行探讨。
一、酶催化反应动力学酶催化反应动力学是研究酶催化反应速率的学科，主要关注酶催化反应的速率常数。
速率常数即反应速度与物质浓度之间的关系。
酶催化反应基本上遵循米氏动力学（Michaelis-Menten，简称M-M）方程。
M-M方程是描述酶催化反应速率的一种数学表达式。
其中，Vmax表示酶反应速率的最大值，Km表示酶与底物结合能力的常数。
酶对底物的亲和力越强，则Km值越小，酶在底物浓度足够大的条件下，其反应速率趋向于最大值Vmax。
当底物浓度为Km时，反应速率的一半为Vmax/2。
公式：V=Vmax*[S]/(Km+[S])其中，V表示反应速率，[S]表示底物浓度。
二、酶催化反应动力学分析过程1.测定酶反应速率酶催化反应速率可以通过测定产生的产物量或消耗的底物量来反应。
通常需要对底物和产物的浓度进行测定分析。
比如，在酶催化下，葡萄糖可以被转化为葡萄糖酸，可以通过测定葡萄糖和葡萄糖酸的浓度来反应酶的催化速率。
2.绘制酶反应速率曲线在实验中，通常会对不同底物浓度下的反应速率进行测定，并将反应速率与底物浓度绘制成曲线。
根据M-M方程，当底物浓度充分大时，反应速率趋向于最大值Vmax。
曲线的最大值即为酶反应速率的最大值Vmax，曲线的一半处即为酶的底物浓度Km。
3.计算酶催化常数通过实验测定的结果，可以计算出酶的催化常数。
其中，Km越小，表示酶与底物结合的亲和力越强，反应速率越快；Vmax则表示酶催化反应的最大速率，与酶的浓度和酶的催化效率有关。
三、酶催化反应动力学分析在生物学中的应用酶催化反应动力学分析是生物学领域中的重要研究方法之一。
酶催化反应机理的研究可以帮助我们理解生物反应的基本特性，例如代谢反应和细胞信号转导等。
酶催化反应动力学
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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图解法
E-H法
积分法
最小二乘法
1、L－B作图法
2、E－H作图法
3、H－W作图法
4、E-C-B作图法
第三节 有抑制的酶催化反应动力学
酶的抑制作用
不可逆抑制 可逆抑制
竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制
一、竞争性抑制
动力学方程式与参数
rmax C S rmax C S rSI CI K mI C S K m (1 ) CS KI
动力学方程式
n S
rmax C rS n K H CS
参数的求取
第五节 反应条件对酶催化 反应速率的影响
一、pH的影响
反应机理式
二、温度的影响
Arrhenius方程
r k 2 C[ ES ]
k 2 Ea A exp( ) RT
三、酶的失活动力学
贮存稳定性 反应稳定性
1、贮存稳定性
一步失活模型
ED
kr
kd
CE0 C Et {k r k d exp[ (k d k r ) t ]} kd kr
不可逆失活
C Et C E 0 exp( k d t )
半衰期
t1
2
ln 2 kd
2、反应稳定性
反应机理
E S [ ES ] E P
动力学特点
动力学参数的求解
动力学参数的求解（续）
二、非竞争性抑制
k2 E S [ ES ] E P k1 k1
[ EI ] E I
k3 k3
k4 [ SEI ] [ ES ] I k4
k5 [ SEI ] [ EI ] S k5
k 1
k 2
rmax rP ( )C S ( )C P Km KP r CS CP 1 Km KP
二、双底物酶反应动力学
顺序机制 乒乓机制 随机机制
随机机制
rmax rS K3 K4 K1 1 (1 ) C S1 C S 2 C S1
三、变构酶催化反应动力学
S [ ES ] [ SES ]
k3
k 3
动力学方程式
rmax CS C K m CS KS
2 S
rSS
底物抑制反应的优化
C Sopt K m K S
第四节 复杂的酶催化反应动力学
一、可逆酶催化反应动力学
反应机理
E S [ ES ] E P
k 1 k 2
生物反应工程
第一章 酶催化反应动力学
（6学时）
什么是均相酶催化反应？
酶分子和反应物系(底物分子、产物 分子等)处于同一相－－液相中的反 应
均相酶催化反应的主要特征
不存在相间的物质 传递，不用考虑传 质过程的影响
分子水平上的反应， 是本征动力学
酶催化动力学的研究历史
1897年，Buchner 1903年，Henri提出酶与底物作用的中间复合 物学说。 1913年，Michaelis和Menten提出了酶催化 反应动力学基本模型---米氏方程。 1925年，Briggs和Haldane对米氏方程做了 修正，提出稳态学说。
酶的活性部位
非必需基团 必需基团 活性部位（活性中心）
接触基团 结合基团（结合中心） 催化基团（催化中心） 辅助基团
酶的专一性机制
钥匙与锁学说 诱导契合学说
酶的高效性机制
广义的酸碱催化 共价催化 邻近效应和定向效应 扭曲变形和构象变化 多元催化和协同效应
活性中间复合物的浓度不随时间变化 酶的总量保持不变
k 2 C E0 C S rp ,max CS rp k 1 k 2 K C m S CS k 1
二、米氏方程的动力学特征
米氏常数 最大反应速率
一级反应 零级反应
三、动力学参数的求解
L-B法
动力学方程式
rSI k 2 C[ ES ] rmax C S CI (1 )( K m C S ) KI rI ,max C S K m CS
动力学特点
动力学参数的求解
动力学参数的求解（续）
CI 1 KI 1 1 CI rmax rmax rmax K I
k 2 k 1 k 1
kd
kd
D
DS
第六节 酶的界面催化反应动力学
特点
反应体系为多相体Biblioteka ； 反应发生在液固或者液液界面上；
1.6.1 液固界面反应动力学
1.6.2 液液界面反应动力学
完毕！
1 rI ,max
三、反竞争性抑制
动力学方程式
rSI k 2C[ ES ] rI ,max CS K
' mI
CS
rI ,max K
' mI
rmax Km
动力学特点
动力学参数的求解
动力学参数的比较
四、底物抑制
E S [ ES ] E P
k 1 k 1 k 2
第一节 酶催化反应概论
酶和一般催化剂的共性
能够改变化学反应的速度，但是不改变化学反 应平衡。 酶本身在反应前后不发生变化。 降低反应的活化能，加速反应的进行。
酶作为生物催化剂的特性
高效性 专一性 易变性失活：强酸、强碱、高温等 反应条件温和：一般在pH5～8水溶液中进行， 反应温度范围为20～40C。
第二节 简单的酶催化反应动力学
一、米氏方程的建立
反应速率的定义 速率控制步骤
1、快速平衡假设
限速步骤 快速平衡 酶的总量保持不变
动力学方程
rP k2CE0 CS K S CS rP ,max CS K S CS
2、“拟稳态”假设
活性中间复合物浓度的时间变化曲线