第十章 酶催化反应动力学
第10章 酶促反应动力学
用这些数据求丝氨酸脱水酶的表观米氏常数。 解：1、v对[S]作图法:
v
丙 酮 0.3 酸
Vm
0.2 Vm 2 0.1
Vmax=0.36 1/2Vmax=0.18 Km=3.210-7
M/20min
0
1
2
3
4
5
6
7
8 10-6 [S]
解2、1/v 对1/[S]作图法：
[S]
0.20 0.40 0.85 1.25 1.70 2.00 8.00
说：当酶催化反应时，酶首先与底物结合，生成酶-底物复合物，
然后生成产物，并释放出酶。
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
[S] 1000km 100km 10km 4km 3km v 0.999V 0.99V 0.91V 0.8V 0.75V
1km
0.10km
0.5V
0.091V
（5）判断反应方向或趋势：催化正逆反应的酶，其正逆 两向的反应的Km不同。如果正逆反应的底物浓度相当，则
反应趋向于Km小方向进行。
4、Vmax
磺胺药物的抑菌作用
增效联磺（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。
（四）一些重要的抑制剂
• 1、不可逆抑制剂
①有机磷化合物：与酶活性直接有关的丝氨酸羟基共价结合，从而抑制
酶催化反应动力学
适pH.
在不同pH条件下进行某种酶促化学反应， 然后将所测得的酶促反应速度相对于pH 来作图，即可得到钟罩形曲线。
图 pH对酶活力的影响
• 各种酶在一定条件下都有其特定的最适pH， 因此最适pH是酶的特性之一。 • 但是酶的最适pH并不是一个常数，它受诸 如底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度等 众多因素的影响，因此只有在一定条件下 最适pH才有意义。
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)。
• 在一定条件下每种酶都 有其催化反应的最适温 度。 图 温度对酶促反应速度的影响
• 如，蛋白酶只能催化蛋白质的水解，酯酶只催化 酯类的水解，而淀粉酶只能催化淀粉的水解。若 用一般催化剂，对作用物的要求就不那么严格， 以上三类物质都可以在酸或碱的催化下水解。
绝对专一性
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 + H2O 脲酶 + H2O 脲酶 2NH3 + CO2
酶催化反应动力学
1. 酶催化作用特性
酶和一般催化剂的共性
• 用量少而催化效率高；在反应中其本身不被消耗， 极少量就可大大加速化学反应的进行。
• 它能够改变化学反应的速度，但不能改变化学反 应平衡。缩短平衡到达的时间，而不改变反应的 平衡点。它对化学反应正逆两个方向的催化作用 是相同的。
• 酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活 化能，从而加速反应的进行。
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
• 在一定条件下每种酶都
有其催化反应的最适温
度。
图 温度对酶促反应速度的影响
• 最适温度不是酶的特征物理常数，相反它常常受 到其他各种条件如底物种类、作用时间、pH和离 子强度等因素影响。如最适温度随酶促反应进行 时间的长短而改变，这是因为温度使酶蛋白发生 变性效应是随时间而逐步累加的。
• 一般而言，酶促反应进行时间长时酶的最适温度 低，酶促反应进行时间短则最适温度高，所以只 有在规定的酶促反应时间内才可确定酶的最适温 度。
在不同pH条件下进行某种酶促化学反应， 然后将所测得的酶促反应速度相对于pH 来作图，即可得到钟罩形曲线。
图 pH对酶活力的影响
• 各种酶在一定条件下都有其特定的最适pH， 因此最适pH是酶的特性之一。
• 但是酶的最适pH并不是一个常数，它受诸 如底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度等 众多因素的影响，因此只有在一定条件下 最适pH才有意义。
• 如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原 激活及激素控制等。
• 某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关。
2. 酶促反应动力学
研究各种因素对酶促反应速度的影响， 对阐明酶作用的机理和建立酶的定量方法都 是重要的。
影响因素包括有 酶浓度、底物浓度、pH、温度、 抑制剂、激活剂等。
研究某一因素对酶反应速度的影响时，必须使 酶反应体系中的其他因素维持不变，而单独变动 所要研究的因素。
• 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。
酶工程第10章固定化酶催化的动力学特征)
一些酶在溶液中和固定化后的米氏常数值
酶
底物
固定化试剂
肌酸激酶 乳酸脱氢酶 α－糜蛋白酶 无花果蛋白酶 胰蛋白酶
ATP NADH N-乙酰酪氨酸乙酯 N-苯酰精氨酸乙酯 苯酰精氨酰胺
无（溶液酶） 对氨苯基纤维素
当 Da <<1时，酶催化的最大反应速度要大大 慢于底物的传质速率，此时该反应过程由反应动 力学控制；当 Da>>1时，底物的传质速率大大慢 于酶催化的最大反应速度，此时该反应过程由传 质扩散控制。
外扩散限制效应
（2）作图法求[S]i值和Vi值
根据 Vm[S]i
Km [S]i
kLa ([S]0
[S ]0
[S]0 [S]0
外扩散限制效应
引入 [S] [S]i ， K K m ，并定义 Da Vm ，
[S ]0
[S ]0
k L a [S ]0
[S ]i
Vm [S]0 1 [S]i
kLa [S]0 K m [S]i
[S ]0
[S]0 [S]0
Da [S] 1 [S] K [S]
Viห้องสมุดไป่ตู้
Vm [S ]0 Km [S]0
V0
在这种情况下，酶反应速度不受传质速率的 影响，为该酶的本征反应速度，或称在此条件下 可能达到的最大反应速度，用V0表示。
外扩散限制效应
当外扩散传质速率很慢，而酶表面上的反应 速度很快，此时传质速率成为限制步骤。固定化 酶外表面上的底物浓度趋于零，有
Vi k L a[S ]0 Vd max
kLa ([S]0
[S]i )
酶催化反应机理与动力学分析
酶催化反应机理与动力学分析酶是一种生物催化剂，其存在速度远快于非酶催化的化学反应，而且能够高度选择性地催化特定反应。
酶催化反应机理和动力学分析是当前生物技术与医药学领域的热门研究方向之一。
一、酶催化反应机理酶催化反应的机理可以分为两个阶段：反应前期和反应后期。
反应前期包括酶与底物结合、酶底物复合物的构成、酶底物复合物向过渡态的转化等，在此期间，酶的底物亲和力是至关重要的。
底物在进入酶分子内部前，需要先经过酶的活性位点，同时酶通过某些氨基酸残基与底物形成的亚结构使得中间产物更有利于进一步反应。
反应后期是逐步分离酶与产物、催化过程的结束。
在酶催化反应过程中，有关酶和底物结合的问题是最基本的。
酶和底物的结合解决了基本的反应前期问题。
酶的活性结构上的微细构造可以使酶和底物发生拟吸附，从而加速活性物质的靶向作用，而底物分子的局部作用，也可以促使中间产物更趋于产生。
化学反应的速度还会受到其他条件的影响。
二、酶催化反应动力学酶催化反应的动力学是对反应速率的研究。
酶催化反应速度受到各种因素的影响，包括温度、pH值、底物浓度和酶浓度等。
底物浓度是影响酶催化动力学的关键因素。
在低浓度条件下，酶过程的速率与底物浓度的关系呈指数关系；而在高浓度条件下，速率与底物浓度的关系则将趋于平稳。
反应的速率也跟温度有着密切的关系。
在常温下，酶美中心的活性结构是在水分子中拥有最佳亲和力的，因此当温度过低时，酶的活性会下降。
同时，过高的温度则会造成酶分子氨基酸残基的变性而导致酶失去催化活性。
除了温度和底物浓度外，pH值也会直接影响到酶催化反应的速率。
不同酶的最适pH值范围不相同，某些酶在低pH值下尤其活跃。
三、总结酶催化反应机理和动力学分析是当今生物技术和医药学领域的热门研究方向之一。
酶催化的反应机理研究对于揭示生物化学过程奠定了基础；而酶催化反应动力学则为生命科学研究提供基本方法和技术工具，同时也为药物研发和生物工程开发提供了指引。
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。
酶工程 第十章 酶的催化特性与反应动力学 2013-2
½Vmax 分数级反应 一级反应 [S]<<K
零级反应 [S]>>K
K
[S]
当v = ½Vmax时，K=[S]，即米氏常数，记做Km
35/138
3. 稳态学说
中间复合物假说
假定[ES]处于稳态中，即形成速率等于分解速率： k1[E][S]=k-1[ES]+k2[ES] k1[E][S] [ES]= k-1+k2 酶以ES形式存在的比例: [S] k-1+k2 +[S] k1
41/138
（4）直接线性作图法：
Vmax
Vmax (Vmax, Km)
v1
v2 [S]2 -[S]1 -[S]3
Km
42/138
（5）常用动力学数据处理方法的比较 Lineweaver-Burk法最常用，优点是v和[S]在不同轴上 ，但误差分布不均衡 直接线性作图法优点是v 和[S]直接表现在图线上，具有 统计合理性，可采用Vmax和Km的中位数。采用非线性回 归进行拟合，可得到最优Vmax和Km的值。
15/138
4. 酶专一性的确定
（1）选择底物，测定最适温度、pH等条件 （2）确定米氏常数Km和最大反应速度Vmax （3）选用结构类似物确定专一性 （4）相对专一性的酶确定几个底物的Km、Vmax （5）确定是否有立体异构专一性
16/138
（二）酶催化作用的效率高
转换数（每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数）一般 103 min-1，β-半乳糖苷酶的转换数为12.5×103min-1， 碳酸酐酶的转换数达到3.6×107min-1 。 酶的催化作用可使反应速度提高107～1013倍 例如：H2O2的分解反应
H2O2 → H2O +
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可逆抑制
可用诸如透析等物理方法把抑制剂去掉而恢复酶的活性，酶与抑制剂的结合 存在着解离平衡的关系。
不可逆抑制
抑制剂与酶的基因成共价结合，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。
根据产生抑制的机理不同，可逆抑制分为:
稳态学说：Brigges-Haldane方程
S E k1 ES k2 P E
S Et ES
k1
ES
[ES]生成速度：
v1 k1 Et ES S ，[ES]分解速度：
v2 k1ES k2ES
当酶反应体系处于恒态时：
v1 v2
即： k1Et ES S k1ES k2ES
Et
S ES ES
S
k1 k1
k2
令： k1 k2 Km k1
则： KmES ESS Et S
经整理得：
ES
Et S Km S (1)
由于酶促反应速度由[ES]决定，即
v k2ES
，所以
ES v (2)
k2
将（2）代入（1）得：
v
k2
Et S Km S
v
k2Et S Km S
（3）Km 值是酶的特征性常数，只与酶的性质，酶所催化的底物和酶促反应条件(如温度、pH、 有无抑制剂等)有关，与酶的浓度无关。酶的种类不同，Km值不同，同一种酶与不同底物作 用时，Km 值也不同。
7.3 有抑制的酶催化反应动力学
在酶催化反应中，由于某些外源化合物的存在而使反应速率下降，这种物质称 为抑制剂。
❖ 相对专一性：一种酶能够催化一类具有相同化学键或基团的 物质进行某种类型的反应
❖ 反应专一性：一种酶只能催化某化合物在热力学上可能进行 的许多反应中的一种反应
❖ 底物专一性 ：一种酶只能催化一种底物 ❖ 立体专一性：一种酶只能作用于所有立体异构体中的一种
具有温和的反应条件
❖ 一般在生理温度25~37℃的范围，仅有少数酶 反应可在较高温度下进行。
❖ 竞争性抑制 ❖ 非竞争性抑制 ❖ 反竞争性抑制 ❖ 混合性抑制
1.竞争性抑制(competitive inhibition)
(1)含义和反应式
抑制剂I和底物S结构相似，抑制剂I和底物S对游离酶E的结合有竞争作用，互相排斥，已结合底 物的ES复合体，不能再结合I。
（2）特点：
① 抑制剂I与底物S在化学结构上相似，能与底物S竞争酶E分子活性中心的 结合基团.
❖ 在接近中性的pH值条件下进行
易变性与失活
❖ 蛋白酶的化学本质是蛋白质，因而具有蛋白质 的所有性质。
❖ 常因变性而使活力下降，甚至完全失活。 ❖ 酶的变性多数为不可逆。
激活剂和抑制剂
❖ 激活剂：能提高酶活性的物质
1）无机离子：酶的辅因子；桥梁作用 2）中等大小的有机分子：还原剂；EDTA 3）蛋白质性质的大分子：激活酶原
〔E〕〔S〕 ①
〔ES〕
Ki＝
② 〔E〕〔I〕
〔E〕＝〔E〕t－〔ES〕－〔EI〕〔EI③〕
解方程①②③得：
〔ES〕=
〔E〕t
Km
（1 + 〔S〕
1、与底物浓度[S]相比，酶的浓度[E]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、不考虑这个逆反应的存在 3、认为基元反应的反应速率最慢，为该反应速率的控制步骤。 4、在一定时间内虽然[S]和[P]在不断变化，ES复合体也在不断地生成和分解， 但ES的生成速率 与分解速率接近相等，[ES]基本保持不变
❖ 抑制剂：降低酶的催化活性甚至完全失活的物质（ 区别于变性剂）
7.2.1 Michaelis-Menten 方程:快速平衡学说
ES
k1
ES
k-1
k2
EP
k-2
①与底物浓度[S]相比，酶的浓度[E]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不考虑这个逆反应的存在(只适应于反应初期）
第七章 酶的催化特性和反应动力学
7.1 酶的催化特性
能降低反应的活化能，加快生化反应的速率 不改变反应的方向和平衡关系，即不能改变反
应的平衡常数，而只能加快反应达到平衡的速 率
7.1 酶的催化特性
（1）较高的催化效率 （2）很强的专一性 （3）具有温和的反应条件 （4）易变性与失活
很强的专一性
❖ 绝对专一性 ：一种酶只能催化一种化合物进行一种反应
(3)
当[Et]=[ES]时，
v Vm
所以 Vm k2 Et
(4)
将（4）代入（3），则：
v
Vm ax S Km S
7.2.1 Briggs-Haldane 方程:拟稳态学说
1925年Briggs G. E.和Haldane J. B. S.对该模型提出了修正
k1
k2
ES
ES
EP
k-2
k-1
例如，丙二酸、苹果酸及草酰乙酸皆和琥珀酸的结构相似，是琥珀酸脱氢酶的竞争性 抑制剂。
②抑制程度取决于抑制剂与底物的浓度比、 〔ES〕和〔EI〕的相对稳定性；
③加大底物浓度，可使抑制作用减弱甚至消除。
（3）竞争性抑制剂的动力学方程
E+S kE1ki
k2
由米氏方程得：Km＝
KM
反应体系的总酶量为：
Et [ES ] [E]
[ES ]
Et
[E]
Et
KM [ES ] [S]
经整理得：
ES
Et S (1)
KM S
由于酶促反应速度由[ES]决定，即
v k2ES
，所以
ES v (2)
k2
将（2）代入（1）得：
v k2
Et S KM S
v
k2Et S KM S
③认为基元反应的反应速率最慢，为该反应速率的控制步骤, k-1>>k2,也就是 说ES分解生成P的速率不足以破坏E和ES之间的快速平衡
快速平衡学说：米氏方程
S E k1 ES k2 P E
S Et ES
反应快速建立平衡：
k1
ES
k1 k1
KM
[E][S] [ES ]
[ E ][ S ] [ES ]
(3)
当[Et]=[ES]时，
v Vm
所以 Vm k2 Et
(4)
将（4）代入（3），则：
v
Vm ax S Km S
米氏常数的意义
（1）物理意义：Km值等于酶反应速度为最大速度一半时的底物浓度。
（2）Km 值愈大，酶与底物的亲和力愈小；Km值愈小，酶与底物亲和力愈大。酶与底物亲和力 大，表示不需要很高的底物浓度，便可容易地达到最大反应速度。