《酶促反应动力学》ppt.ppt

酶促反应动力学 酶反应动力学 是研究反应速度规律以及各种因素对酶反应速度影响的科学 研究酶反应速度的规律和各种因素对酶反应影响的科学 已经知道酶反应动力学 比化学反应动力学复杂得多 其复杂性可以从酶的反应体系看出 绪论酶反应动力学体系 一 最简单的均相反应系统 1 零级反应 零级反应的特点 1 反应速度与反应物浓度 A 无关 2 A 与t为线性函数关系 3 k1的单位为 浓度 mol L或mmol L 时间 s或min V A 2 一级反应 一级反应的特点 1 反应速度与反应物浓度 A 呈正比 2 A 与t为半对数函数关系 3 k1的单位为 s 1或min 1 V A 二 均相可逆反应系统 三 均相双分子不可逆反应系统 如 B A B B 0 上式可简化为一级反应方程 二级反应的特点 1 反应速度与 A 和 B 有关 2 A 与t为半对数函数关系 3 k1的单位为 1 s mol L或min mmol L V A 四 均相双分子可逆反应系统 Keq为无因次常数 五 对于反应系统 按合成方向 此处Keq为结合常数 其因此为浓度 1 解离常数有浓度因次 六 均相连续反应系统 1 如果第一个反应为零级反应 第二个反应为一级反应 则有 反应开始后 如果k2极大 或者系统中有大量催化第二个反应的催化剂能使k2无限增大 那么中间产物 B 将趋于0 终产物 C 将趋于 C C 与t为线性函数 根据以上两式 应有 为形成的终产物C与原始反应物A变化量之比 称为接近度 越接近1 形成的终产物越能反映原始反应物的变化量 2 如果第一个反应和第二个反应都是一级反应 那么应有 反应开始后 浓度单位 反应时间 A B C C 连续反应系统中成分的浓度变化 假设两个反应都是一级反应 反应开始后 首先是中间产物B的形成 B 迅速升高 达到最大值 而后下降 B 达到最大值时间tB为 终产物C的形成在反应初期有一延迟 tB时后加速 k2愈大 延迟期愈短 k2无限增大 延迟期消失 C 趋近于 C A 的减少与 C 的增加呈对称图形 第一节酶促反应动力学 一 前稳态酶促反应动力学 一 稳态和前稳态酶 E 促单底物反应 反应历程 在最初极短反应时间 t1 内 P 极低 逆反应 E P S 可以忽略不计 因此 ES 酶 底物复合物 生成速度ES分解速度 ES净生成速度 ES生成速度 ES分解速度 t 0 ES 0 P 0 S 最大 ES生成速度最大 0 t1内 S P ES 到t1时 达到恒定 ES生成速度 ES分解速度 ES净生成速度 t1 t2内 S P ES 稳态或恒态 ES生成速度 ES分解速度 ES净生成速度 T2后 ES 二 前稳态动力学与稳态动力学的比较 二 单底物酶促反应稳态动力学 一 米氏方程的推导 二 米氏方程的物理意义1 提供了两个极为重要的酶反应动力学常数Km和可擦他kcat并通过他们表达了酶反应性质 反应条件和酶反应速度之间的关系 Km的物理意义 特定的反应 特定的反应条件下 Km是个特征常数 可部分描述酶反应性质 反应条件对酶反应速度的影响 故可用来鉴别不同的酶 1 Km表示酶与底物的亲和力 Km越大 亲和力越小 反之越大 当v V 2时 Ks S 表明Km相当于反应达到最大速度一半时的底物浓度 或者说 相当于要使反应系统有一半的酶分子参加反应所必须具有的底物浓度 通过Km可判断酶的最适底物 因为最适底物具有最大的V Km 通过Km可了解酶的底物在体内可能具有的浓度水平 一般酶 Km 那么v V S 将失去其生理意义 通过体外测定某些物质对Km的影响 可以推断出该物质可能有的生理效应 如作为抑制剂或活化剂等 三 酶活力单位和比活力一个标准单位 在特定的条件下 25 pH 底物浓度等其他条件均为最适条件 1分钟能转化1微摩尔底物所需的酶量 酶的比活力 specificactivity 每毫克蛋白所含的酶单位数 用U mg蛋白表示 四 酶的转换数1 分子活性定义 在最适条件下 每摩尔酶每分钟所转变的底物摩尔数 即每摩尔酶的酶单位数 2 对于寡聚酶 在最适条件下 每摩尔活性亚基或催化中心每分钟所转变的底物摩尔数 3 用min 1表示 4 kcat Vmax Et 五 米氏方程对酶反应速度和底物浓度间关系的描述 零级反应 混合级反应 一级反应 1 酶反应的反应速度和底物浓度直接相关 2 底物浓度决定着酶系统的反应级别 3 衡量这种关系的尺度是Km 米氏方程概括的这些规律和绝大多数实验结果一致 但少数情况下产生异常 例如 1 v对1 S 作图时 一般应该得到线性图形 但有时也会产生偏差 原因可能为 A 可能是由于高底物浓度引起的抑制 B 可能是由于高底物浓度引起的活化 C 和 D 可能是由于分析操作上的误差 在实际工作中 反应系统使用适当的底物浓度非常重要 用动力学方法进行酶活性测定 或进行底物以外其他因素测定时 为避免同时夹杂其他因素的影响 最好使用足够高的底物浓度 使反应呈零级反应状态 进行底物本身的测定时 应使反应速度直接比利于底物浓度 即使系统处于一级反应状态 六 米氏方程其他表达形式及作图法1 此表达式对应的图形为v S 作图 Km V 2 很难准确地画出矩形双曲线 很难画出渐近线 误差不易察觉 2 该式对应的图形为1 v 1 S 作图 称为Lineweaver Burk作图或双倒数作图 点分布不均匀 集中于1 v轴 不过 此缺点可通过适当选择 S 克服 误差放大 在低 S 时 v很小 本身就容易产生误差 而化成1 v与1 S 后 误差显著放大 3 相应的作图为 S v S 称为Hanes作图 优点 点分布均匀 缺点 由于取 1 v 使误差放大 但比较一致 一般认为适用于常数测定 4 对应图形为v v S 称为Eadie Hofstee作图 缺点是分布不均 但无误差放大 可信度高 更大的优点是各种因素的影响可在影响上表现出来 故现在很受人们重视 5 此式可以v log S 作图 但通常少用 只有当 S 变化很大 v变化较小时 这种方法才有优点 6 可用 2 3 t log S 0 S S 0 S t作图 但这一方法仅仅用于不能测定初速度的情况 应用作图法测定动力学常数时应注意的两个问题 1 最好使用接近Km的 S 否则不能得到准确结果 因为 用Lineweaver Burk作图时 如果 S Km 曲线基本水平 斜率近于0 如果 S Km 还是 S Km 曲线接近水平 S Km 曲线极陡 2 某些文献在作图时采用mmol L 或mol L 10n表示底物或产物的浓度 这种表示方法可作两种理解 表示坐标轴的坐标要升高10n倍 mM 或M 10n表示坐标单位 这两种理解使浓度相差了102n倍 因此为了避免混乱 在作图时建议使用 mol L mmol L或mol L表示浓度 七 米氏方程的适用范围 1 多中间步骤在推导米氏方程时是以下式为出发点 但实际反应可能是多中间步骤 例如 多中间步骤推导得到的动力学方程类似原始米氏方程 差别仅在于 中间步骤越多 Km和kcat是由更多环节的反应速度常数组成的更复杂的复合函数 而事实上 一般测得的Km和V本身也可能就是由多个中间步骤提供的复合函数 2 某些较复杂的反应历程 1 某些蛋白酶催化的反应取这一方式 其动力学关系仍是 2 溶菌酶催化的反应可能取这种机制 其动力学关系仍可用米氏方程描写 但 3 稳态前稳态前动力学方程 稳态前动力学方程和米氏方程相比 1 多了 1 expk1 t Km S 一项 2 随着t增大 1 expk1 t Km S 可以削去 稳态前方程可还原为米氏方程 反应转入稳态 稳态前动力学方程也可改写成 如将图6 6中d P dt C的直线部分推到X轴可测得 称为 诱导 时间 一般为10 3s左右 在各项常数的计算中 通常用于稳态测定法的时间极限为10s左右 对于稳态前速度和常数的测定需要快速留管法 它的时间极限是t1 2 10 7s 或驰豫时间法 它的间歇极限t1 2 10 3s 4 反应全过程和逆反应 当产物不产生抑制 逆反应不进行 反应全过程仅由底物浓度的降低决定时 米氏方程的积分式可用来描述反应全过程 当反应进行到一定时间后 随着产物的积累 逆反应不可忽视 其总动力学方程为 5 高底物浓度抑制与活化 高底物浓度引起抑制 V只有理论意义 仅能通过1 v 1 S 图形的线性线段的延伸线与纵轴的交点才能获得 K s Ks 如r K s Ks 则实际的最大速度此时的底物浓度为 底物浓度很高时 上式变为 在酯酶 脲酶 二胺氧化酶等酶反应中都可观察到这种动力学 高底物浓度引起活化 KSa K s时 1 v 1 S 图形有线性关系 测得的K m Km 1 KSa K s K s是表观Km Km的增大是因为形成了无效的ES部分 6 双底物反应 根据反应过程中是否形成三元络合物 连续机制 乒乓机制 随机机制 有序机制 b 有序BiBiNAD P 脱氢酶 a 有序UniBi 磷酸酯酶 酯酶 c 随机BiBi 己糖激酶 丙酮酸激酶 d 乒乓BiBi 抗坏血酸氧化酶 连续机制反应速度方程 乒乓机制反应速度方程 K m1 0 式中Km1和Km2分别为另一种底物大大过量条件下 v V 2时 底物S1和S2的浓度 即S1和S2的米氏常数 K m为ES1S2的解离常数 当S2一定时 以上两式可表达成米氏方程的形式 V 和K m与V和Km1不同 它们随S2的浓度而变化 但当 S2 Km2时 V 和K m与V和Km1接近 双底物反应中一种底物大大超过其Km时 其反应可转变为拟单底物反应 反应速度可用米氏方程描述 对于连续机制来说 随着 S2 的增大 各直线的截距与斜率都降低 而乒乓机制的各直线却是一组平行线 其斜率与 S2 无关 7 高酶浓度在推导米氏方程中必须假定 底物浓度大大高于酶浓度 因此 在酶与底物混合后 酶 底物络合物能迅速达到稳态平衡 这种假定在体外很容易得到满足 但体内就不同 许多酶和它们的底物在细胞中浓度往往接近于Km的水平 对于这种高酶浓度的反应系统 米氏方程已经不完全适用 Cha Cha方程 八 酶浓度对酶促反应速度的影响当 S Km时 v达到V v E 呈线性关系 即酶速度与反应速度成正比关系 这种线性关系的两个保证条件 必须是初速度 必须用高底物浓度 S 100Km 九 温度对酶促反应初速度的影响1 酶反应的最适温度 反应速度达到最大值时的温度 动物酶 37 50 植物酶 45 60 微生物酶差别较大 温度对酶的影响 提高温度可以增加反应速度 提高温度会使酶蛋白逐步变性而失活 最适温度是酶的特征常数 2 温度对酶稳定性的影响酶的温度温度不是固定不变的常数 可随作用时间等条件改变而变化 测定酶的稳定温度的方法 先让等量的酶溶液分布在不同温度下分别保温一定时间 然后迅速冷却 测酶活 十 pH对酶反应初速度的影响1 酶反应的最适pH 酶表现最大反应速度的某一pH范围 酶的最适pH是酶的特征常数 但不是固定不变的常数 2 pH对酶活力的影响 pH直接影响了酶活性中心的必需基团的解离状态 pH影响了ES中间复合物的解离状态 pH影响了底物的解离状态 酶分子表面上其他可解离基团的解离状态随pH的改变而变化 可能影响了酶分子呈现活性所需的构象 过高或过低的pH可以引起酶蛋白的变性失活 3 pH对酶稳定性的影响把等量酶分别放到一系列不同pH的缓冲液中 在一定温度下处理一段时间 然后再回到最适pH 测反应初速度 即酶活 十一 激活剂和抑制剂对酶促反应初速度的影响激活剂 Activator 凡是能提高酶活性的物质1 无机离子阳离子 H 和各种金属离子 如 K Na Ca2 Mg2 Zn2 阴离子 Cl Br I CN NO 等 阴离子对酶的激活随pH的变化而变化 无机离子对酶活性的影响规律 与浓度有关 呈双曲线关系 在一起的两种离子对酶活性有拮抗作用 Mg提高ATP酶活性 Ca则降低 有时金属离子之间可以相互替代 一种无机离子 对一种酶是激活 对另一种酶可能是抑制 2 小分子有机化合物还原剂能使巯基酶分子内的二硫键还原成SH基 从而提高酶活性 如还原型谷胱甘肽等 金属熬合剂能去除酶分子中的重金属离子 从而解除重金属离子对酶活性的抑制 如EDTA 3 蛋白质大分子 某些蛋白酶能使无活性的酶原变成有活性的酶 如 胰蛋白酶可水解无活性的胰凝乳蛋白酶原成有活性的胰凝乳蛋白酶 激活剂对酶的激活作用的类型 必须型 使无活性的酶变成有活性的酶 非必须型 使低活性的酶变成高活性的酶 三 双底物酶促反应稳态动力学 一 按底物数分类的酶促反应 二 双底物酶促反应机制的类型1 有序机制 指底物A和B与酶的结合有严格的顺序 必须是先A后B 产物从酶分子上释放 也有严格的顺序 必须先P后Q 反应步骤 反应机理 A和B两个底物结合在酶分子的不同位点上 当酶和底物A结合后 改变了酶分子构象 使原来隐藏在酶分子内部的底物B的结合部位暴露出来 底物B才与酶结合 2 随机序列机制 指底物A B与酶结合的顺序是随机的 无严格的先后之分 产物的释放也是随机的 反应机理 酶分子与两个底物A和B的两个结合位点都处于暴露状态 两者与底物的结合 既互不依赖 也互不干扰 ABPQEEAEQEB EAB EPQ EPEBAQP 3 乒乓机制 特点 1 不形成三元络合物 底物不同时与酶结合 2 在全部底物与酶结合前 已经有一种放出来 由于底物 产物一进一出 所以像打乒乓一样 叫乒乓机制 APBQE EA EP F EB EQ E 第二节酶的抑制剂及其作用 一 概述1 研究酶的抑制剂及其抑制作用的意义理论上 有助于阐明酶活性中心结构 催化机理 代谢途径以及代谢调节 有助于阐明药物和毒物的作用机理 实践上 有助于药物设计和新药开发 2 抑制程度的表示方式抑制程度 酶受到抑制后活性降低的程度 相对活力分数 残余活力分数 a a v1 v0 v1 加入抑制剂后的反应速度 v0 无抑制剂时的反应速度 相对活力百分数 残余活力百分数 a a v1 v0 100 抑制分数 抑制率 i i 1 a 1 v1 v0 抑制百分数 i i 1 a 100 1 v1 v0 100 3 抑制作用的分类 不可逆抑制作用 抑制剂与酶分子中的必需基团以共价键结合 引起酶活性丧失 用透析等物理方法不能除去抑制剂 因而不能使酶复活 不可逆抑制的动力学特征 抑制程度比例于共价键形成的速度 并随抑制剂与酶的接触时间而逐渐增大 最终抑制水平仅由抑制剂与酶的相对量决定 与抑制剂浓度无关 可逆抑制作用 抑制剂与酶分子必需基团以非共价键结合 引起酶活力降低或丧失 用透析等物理方法能除去抑制剂而使酶活力恢复 根据抑制剂与酶的结合方式 可逆抑制分为 同位抑制作用 抑制剂与酶活性中心相结合 阻断酶分子的结合基团或催化基团 或者与ES复合物结合 阻止底物形成产物 此类抑制剂在酶分子的结合部位基本上与底物相同或相近 故称为同位抑制剂 别位抑制作用 抑制剂和酶活性中心以外的部位结合 通过酶分子构象的改变 影响底物与酶的结合 进而影响催化效率 由于抑制剂和底物结合在酶的不同部位上 故称为别位抑制剂 根据抑制剂与底物的竞争关系 可逆抑制分为 竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用 非竞争性抑制作用 混合型抑制作用 二 可逆抑制作用 一 竞争性抑制作用1 含义 抑制剂 I 和底物 S 对酶分子 E 的结合有竞争作用 互相排斥 2 竞争性抑制动力学特征 在I存在时 Km增大 Km Km 但Vm不变 直线斜率增大 各条直线相交于纵轴上 表观米氏常数 Km 随 I 增大而增大 随抑制常数 Ki 增大而减小 抑制程度随 I 增大而增大 随 S 增大而减小 高 S 可以减轻 甚至消除I对E的抑制 3 竞争性抑制的机理竞争性抑制剂 由于在结构上与底物非常相似 能结合到酶分子的活性中心上 从而阻止底物与酶活性中心的结合 故两者有相互排斥作用 4 竞争性抑制作用的应用 药物设计5 过渡态类似物对酶的竞争性抑制作用过渡态类似物与S 过渡体结构类似 但很稳定 对酶的亲和力大大超过底物对酶的亲和力 因此是酶的很强的竞争性抑制剂 二 反竞争性抑制作用1 含义 抑制剂只能与ES复合物结合成ESI三元复合物 E和S结合会促进I与E的结合 但ESI不能释放出产物 2 反竞争抑制动力学特征 有I时 Km和Vm随 I 的增加而减少 但直线斜率 Km Vm 保持不变 各条直线平行 抑制程度随 S 和 I 增大而增大 增加 S 不能减轻或消除抑制 反而增加抑制程度 这与竞争性抑制恰好相反 三 非竞争性抑制1 含义 I和S都可结合到E和ES上 但产生的ESI复合物是无催化活性的 Ki K i 即I实际上不改变E对S的亲和力 Ks K s 即S也不改变E对I的亲和力 2 非竞争性抑制动力学特征 有I时 Vm随 I 增大而减少 但Km不变 直线的斜率和纵轴截距随 I 增大而增大 抑制程度随 I 增大而增大 与 S 无关 增加 S 不能消除I对E的抑制 3 非竞争性抑制的机制非竞争抑制剂I不是结合在酶活性中心的底物结合位点上 而是结合到其他的必需基团 如催化基团 上 因此抑制剂并不降低E对S的亲和力 但却能阻止酶的催化作用 降低Vm 四 混合型抑制作用Ks K s 此不同于非竞争性抑制 KiK i时 属于非竞争性抑制与反竞争性抑制之间的类型 Ki K i时 则 1 I Ki 1 I K i K m Km 故直线交于横轴以上 2 动力学特点 当I存在时 Vm随 I 增大而减少 当Ki K i时 Km随 I 增大而减少 当KiK i时 抑制程度随 S 增大而增大 当KiK i为非竞争与反竞争性混合抑制 Ki K i为非竞争与竞争性混合抑制 五 其他类型的可逆抑制作用1 部分抑制2 底物抑制3 产物抑制 三 不可逆抑制作用 概念 这类抑制剂与酶分子上的某些必需基团以牢固的共价键结合 使酶失活 不能用透析等物理方法除去抑制剂 而使酶复活 特点 抑制程度比例于共价键形成的速度 一 专一性不可逆抑制作用1 Ks型不可逆抑制剂 具有和底物类似的结构 还带有一个活泼的化学基团 能修饰酶分子中的必需基团 2 Kcat型不可逆抑制剂 本身也是底物 还具有一种潜伏性的反应基团 这种基团可因酶的催化而暴露或活化 作用于酶的活性中心或辅基 二 非专一性不可逆抑制作用与酶分子中一类或几类基团反应 第三节酶的作用机理 一 活性部位1 活性部位 酶分子中能直接结合底物 并催化底物发生反应的部位 2 结合位点 与底物直接结合 并负责酶的专一性 3 催化位点 酶分子上直接催化底物发生反应的部位 二 酶作用专一性机理1 酶作用专一性 酶对底物和所催化的反应的选择性 2 酶作用专一性机理结合专一性 底物专一性 取决于酶的活性中心 主要取决于结合位点 的空间结构 催化专一性 反应专一性 取决于酶催化位点的结构 三 酶的高效催化机理1 过渡态中间物和活化自由能 2 降低活化自由能的几个因素 邻近效应和定向效应邻近效应 底物分子从稀溶液中密集到酶分子活性中心后 酶分子活性中心能使底物分子彼此靠近 大大提高了底物在活性中心部位的有效浓度 因而提高了反应速度 定向效应 酶分子活性中心的催化基团与底物分子的反应基团之间能正确的定向排布 从而大大降低活化自由能 提高反应速度 两种效应可以变分子间反应成分子内反应 应变效应酶与底物相结合时 底物使酶分子发生有利于催化的变化 同时酶也使底物分子发生了扭曲变形 使其几何和静电结构更接近过渡态 酸碱催化狭义酸碱催化 H 和OH 对反应物的催化作用 狭义酸碱催化剂是酸 H 和碱 OH 广义酸碱催化 广义酸碱催化剂是质子供体和质子受体 质子供体向反应物提供质子 质子受体从反应物接受质子 从而加速催化反应的作用 共价催化酶与底物以共价键结合成共价中间物 并迅速转变成活化能大大降低的过渡态 从而大大提高反应速度 a 亲核催化由亲核催化剂提供电子对 与反应物通过共价键结合成中间物的作用 亲核催化剂 化合物中的未成键电子对或基团 b 亲电子催化由亲电子催化剂从底物分子中接受一对电子 并与该底物以共价键结合成不稳定的共价中间物的作用 第四节酶的调节机制 生理条件下酶的调节 酶活性的调节 酶浓度的调节 一 酶的别构效应和别构酶 一 基本概念别构效应 AllostericEffect 调节物与酶分子的调节中心结合后 引起酶分子构象发生变化 从而改变催化中心对底物的亲和力的作用 别构酶 AllostericEnzyme 具有别构效应的酶 调节物 效应物 能使别构酶产生别构效应的物质 同促效应 同源效应 调节物就是底物产生的别构效应 异促效应 异源效应 调节物不是底物产生的别构效应 二 别构酶的基本特征1 异促别构酶的结构特征 酶分子上有催化中心 活性中心 和调节中心 变构中心 别构部位 催化中心结合并催化底物 调节中心结合调节物 调节催化中心的酶活性 催化中心和调节中心可以位于同一或不同的亚基上 含有催化中心的亚基称为催化亚基 含有调节中心的亚基成为调节亚基 2 同促别构酶的结构特征 酶分子中每个亚基含有一个活性中心 没有专门的调节中心 活性中心也是调节中心 活性中心之间存在变构效应 底物就是调节物 协同效应 先与酶活性中心结合的底物分子 对后继底物分子和其他活性中心的结合产生的影响 能提高酶对后继底物分子亲和力的效应 称为正协同效应 相应的效应物称为正效应物 反之 则为负协同效应 负效应物 三 别构酶的动力学特征S形曲线 第一个底物分子与酶分子中的一个亚基的活性中心结合后 引起酶分子构象改变 从而提高了相邻亚基的活性中心对后继底物分子的亲和力 表观双曲线 第一个底物分子与酶分子中一个亚基的活性中心结合后 使酶分子构象改变 从而降低了相邻亚基的活性中心对后继底物分子的亲和力 四 别构酶活性调节机理1 MWC模式 别构酶是寡聚酶 由多个对称排布的亚基组成 每个亚基对特定的配体都有一个相同的结合位点 亚基有两种不同的构象状态 R态 Relaxedstate 和T态 Tensedstate R态结合底物和别构激活剂 T态结合别构抑制剂 酶分子中所有的亚基都处于相同的构象状态 T或R 当酶分子由一种构象转变成另一种构象时 其分子对称性不变 T态和R态处于动态平衡中 2 KNF模型 别构酶是寡聚酶 由多个对称排布的亚基组成 亚基有两种不同的构象状态 R态 Relaxedstate 和T态 Tensedstate T态和R态可以共存于一个寡聚体中 当底物与效应剂与酶分子中一个亚基结合时 可引起此亚基的构象变化 这种变化可以作用于相邻的亚基 使其发生同样的构象变化 如此顺序递变 直至酶分子中所有的亚基都发生同样的构象变化 一个亚基与底物或效应物结合后 可以使相邻亚基对后继底物分子的亲和力提高或降低 KNF模型和MWC模型的区别 1 无底物或效应物时 酶分子中亚基只存在一种构象状态 T态 2 酶分子中的全部亚基是逐个从T态转变成R态的 故可存在T R两态共存的中间体 3 底物之间可以是正协同效应 也可以使负协同效应 取决于已结合底物的亚基对相邻亚基的影响 小结 酶促反应动力学酶的抑制剂及其作用酶的作用机理酶的调节机理