生物化学思维导图——9.酶促反应动力学

快下载收藏！第3版王镜岩生物化学思维导图所有章节已完结，均为本人考研时所做，适用于生物、食品等方向考研生，同适用于各位生化期末考生！

酶促反应动力学

• 化学动力学基础
  • 酶促反应动力学是研究酶促反应的速率以及影响此速率的各种因素的科学；在研究酶的结构与功能的关系以及酶的作用机制时，需要动力学提供实验证据
  • 反应速率及其测定
    • 反应速率：单位时间内反应物或生成物的浓度的改变来表示 v=dc/dt
  • 反应分子数
    • 反应中真正相互作用的分子的数目
    • 分类
      • 单分子反应
        • 仅有一个反应分子参加的反应
        • v=-dc/dt=-kc（k：反应速率常数）
        • 例子
          • 放射性元素的蜕变、有机反应中的分子重排以及同分异构体的相互转变等
      • 双分子反应
        • 有两个反应物分子参加的反应
        • v=-dc/dt=-kc1c2
        • 例子
          • 乙酸的酯化反应，H2和I2的化合反应等
  • 反应级数（常用）
    • 根据实验结果，整个化学反应速率服从那种分子反应速率方程式，则为几级反应；简单反应中与与反应分子数一致
    • 分类
      • 零级反应
        • 反应速率与反应物浓度无关的反应
        • 特征
          • 斜率等于速率常数k，单位mol/(L·s)
          • t1/2=a/2k；半衰期和初浓度成正比
      • 一级反应
        • 总反应速率与浓度的关系能以单分子反应的速率方程式来表示，即反应速率只与反应物浓度的一次方成正比
        • 特征
          • t1/2（半衰期）≈0.693/k；速率常数k与半衰期成反比，半衰期与反应物的初浓度无关
      • 二级反应（最常见）
        • 总反应速率与浓度的关系能以双分子反应的速率方程式来表示，即反应速率与反应物浓度的二次方（或两种物质的乘积）成正比
        • 特征
          • p354 图9-4 斜率等于速率常数k，单位L/(mol·s)运用于k值的计算与是否为二级反应的判断
          • t1/2=1/ka；半衰期和初浓度成反比
    • 例子
      • 蔗糖的酶促水解反应（假单分子反应）
        • 双分子反应，一级反应（蔗糖稀水溶液中，水浓度极大，损失的浓度可以忽略不计，故为一级反应）
        • 大多数水解反应为假单分子反应
      • 复杂反应
        • 由一连串简单反应所组成，确认反应级数比较复杂，且不一定为整数；反应级数等于反应速率方程式中各个反应物浓度指数的总和，有时和分子数一样
• 底物浓度对酶反应速率的影响
  • 中间络合物学说
    • 定义：酶催化某一化学反应时，酶首先和底物结合生成中间复合物ES，然后生成产物p并释放出酶E
    • 酶促反应反应速率对底物浓度作图9-6（p355）一级反应——混合级反应——零级反应
    • 实验证据p356
  • 酶促反应动力学方程式
    • 米氏方程式的推导
      • 稳态理论：k1+k4=k2+k3，即络合物ES的浓度保持不变的反应状态
      • 早期米氏常数：v=Vmax•[s]/Ks+[s]；Ks=k2/k1 (Ks为ES解离常数)
      • 根据稳态理论推出的动力学方程式——米氏方程 v=Vmax•[s]/Km+[s]
      • 稳态下：Km=(k2+k3)/k1；[ES]=[E][S]/Km+[S]
      • 根据米氏方程曲线：v=1/2Vmax时，[S]=Km 单位mol/L
      • 当[S]<<Km时，反应速率与底物浓度成正比，不能正确测定酶活力当[S]>>Km时，反应速率达到最大，酶全被底物饱和，反应速率与底物浓度无关，可正确测酶活力
    • 动力学参数的意义
      • 米氏常数Km的意义
        • Km是酶的特性常数，Km的大小只与酶的性质有关，与酶浓度无关
          • Km值随测定的底物、反应的温度、PH及离子强度而改变
          • 大多数酶的Km值介于 10-6～10-1 mol/L；p359 表9-1
        • Km值可以判断酶的专一性和天然底物
          • 天然底物：一种酶作用几种底物就有几个Km值，Km值最小的底物为最适底物（天然底物）
          • 专一性：Km值随不同底物而异的现象可以判断专一性，并有助于研究酶的活性部位
        • k3<<k2时，Km=k2/k1，即Km=Ks，则1/Km=1/Ks，1/Km可用于表示酶和底物的亲和力大小
        • 已知某个酶的Km时，可计算出在某一底物浓度时，其反应速率相当于Vmax的百分率
        • 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，正逆两向底物的Km往往是不同的
        • 当一系列不同的酶催化一个代谢过程的连锁反应时，如能确定各种酶的Km值及相应底物的浓度，通过米氏方程即可寻找到代谢中的限速步骤
        • 生物体内的代谢往往是多酶体系，同一种底物能被几种酶作用，底物浓度较低时会因此产生了选择性，选择Km值最小的酶
          • 丙酮酸浓度较低时选择乳酸脱氢酶途径
      • Vmax和k3（kcat）的意义
        • kcat越大，酶的催化效率越大（kcat/TN见第8章）
      • kcat/Km的意义
        • kcat/Km的大小，可以比较不同酶或同一种酶催化不同底物的催化效率
        • 生理条件下，大多数酶并不被底物饱和，体内[S]/Km的比值通常介于0.01到1之间
        • kcat/Km是E和[S]反应的表观二级速率常数/专一性常数；当[S]<<Km时，酶反应速率取决于kcat/Km的值和[S]；p361 公式
    • 作图法测定Km和Vmax值
      • 为得到准确的Km与Vmax值，可把米氏方程的形式加以变换，使它成为直线方程，而后图解法测出Km和Vmax
      • 作图法类型
        • Lineweaver-Burk双倒数作图法
          • 以1/v～1/[S]作图，得一直线；横轴截距=-1/Km，纵轴截距为1/Vmax
          • 缺点：实验点过分集中在直线的左下方，，而低浓度的实验点又因为倒数后误差较大，偏离直线较远
        • Eadie-Hofstee作图法
          • 以v～v/[S]作图，得一直线；纵轴截距为Vmax，斜率为-Km
        • Hanes-Woolf作图法
          • [S]/v～[S]作图，得一直线，横轴截距为-Km，斜率为1/Vmax
        • Eisenthal和Cornish-Bowden直接线性作图法
          • 一簇直线的交点（Km，Vmax）
  • 多底物的酶促反应动力学
    • 酶促反应按底物分子数的分类
      • 单底物
        • 单底物
          • 异构酶
        • 单向单底物
          • 裂合酶
        • 假单底物
          • 水解酶
      • 双底物
        • 氧化还原酶
        • 转移酶
      • 三底物
        • 连接酶（底物中包括ATP）
    • 多底物反应按动力学机制分类
      • 序列反应/单-置换反应
        • 底物的结合和产物的释放有一定的顺序，产物不能在底物完全结合前释放；产生2个二元复合物和2个三元复合物
        • 分类
          • 有序反应Ordered Bi Bi
            • 领先底物A先与酶结合，后结合底物B；释放B的产物P，后释放A的产物Q A与Q相互竞争与自由酶E结合，但AB不竞争
            • 例子
              • NAD+与NADP+的脱氢酶
                • 乙醇脱氢酶（NAD+式领先底物）
          • 随机反应Random Bi Bi
            • 限速步骤为反应AEB====QEP；A、B与E的结合与Q、P从QEP的释放均无先后顺序
            • 例子
              • 肌酸激酶使肌酸磷酸化
      • 乒乓反应/双-置换反应
        • 酶E同A的反应产物P在第二个底物B反应前释放出来，这一过程使酶E转变成修饰酶E’，然后再同底物B反应生成第二个产物Q和E；不产生三元复合物，产生4个二元复合物
        • AQ竞争自由酶形式E，BP竞争修饰酶形式E’；AQ不与E’结合，BP不与E结合
        • 例子
          • 氨基转移酶（催化从氨基酸转移氨基到酮酸，产生一种新的氨基酸和酮酸）
            • 天冬氨酸转移酶
              • 谷氨酸+草酰乙酸————->天冬氨酸+ α-酮戊二酸
    • 双底物反应的动力学方程式
      • 乒乓机制 p366 9-28公式及双倒数作图法
        • 得到两组平行直线图
      • 序列机制 p367 9-30公式及双倒数作图法
        • 直线相交于横坐标的负侧，可在横坐标以上或以下（即二、三象限），或坐标轴上
          • 交于横坐标以上，说明A的表观Km随B增高而减小
          • 交于横坐标上，A、B的浓度大小彼此互不影响各自的Km
          • 交于横坐标以下，说明A的表观Km随B增高而增高
• 酶的抑制作用
  • 抑制作用
    • 由于酶的必需基团化学性质的改变，但酶未变性，而引起酶活力的降低或丧失
      • 区别于失活作用
  • 抑制程度的表示方法
    • 相对活力分数a=vi/v0
    • 相对活力百分数a%
    • 抑制分数i=1-a
    • 抑制百分数i%
  • 抑制作用的类型
    • 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的丧失，不能用透析、超滤等物理方法（可用化学方法）除去抑制剂而使酶复活；意义等同于酶等修饰抑制
    • 可逆的抑制作用
      • 抑制剂与酶以非共价键结合而引起的酶活力降低或丧失，能用物理方法除去抑制剂使酶复活
      • 分类
        • 竞争性抑制（常见）
          • 大多数竞争性抑制剂的结构与底物结构相似，因此能与酶的活性部位结合，与酶形成EI复合物，但EI不能分解成产物P，酶反应速率下降
          • 抑制程度取决于底物及抑制剂的相对浓度，这种抑制作用可以通过增加底物浓度而解除
          • 例子
            • 丙二酸（抑制剂）与戊二酸（底物）与琥珀酸脱氢酶的结合
        • 非竞争性抑制
          • 底物与抑制剂同时与酶结合，且无先后顺序，形成ESI，二者无竞争关系；中间三元复合物不能进一步分解为产物，因此酶活力降低
          • 例子
            • 亮氨酸（抑制剂）对精氨酸酶
            • 重金属离子如Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+对酶的抑制
        • 反竞争抑制
          • 酶只有与底物结合后，才能与抑制剂结合
          • 常见于多底物反应中
          • 例子
            • L-Phe，L-同型精氨酸等多种氨基酸对碱性磷酸酶等作用
            • 肼类化合物抑制胃蛋白酶
            • 氰化物抑制芳香硫酸酯酶
  • 可逆抑制作用和不可逆抑制作用的鉴别
    • 透析、超滤、凝胶等
    • 动力学方法p370 图9-18-19
      • 测酶活力系统加入一定量抑制剂，以出速率对酶浓度作图
        • 不可逆抑制剂
          • 原点右移
        • 可逆抑制剂
          • 通过原点，斜率低于未加抑制剂的
  • 可逆抑制作用动力学
    • 分类
      • 竞争性抑制p371
        • 根据米氏公式推导的公式9-35；双倒数方程9-36
        • 根据竞争性抑制曲线，Vmax不变，Km变大（Km’表示），且Km’随[I]的增加而增大
        • 双倒数作图直线相交于纵轴
        • 抑制分数与[I]成正比，与[S]成反比
      • 非竞争性抑制p372
        • 根据米氏公式推导后公式9-37；双倒数方程9-38
        • 根据非竞争性抑制曲线，Km不变，Vmax变小，Vmax’随[I]的增大而减小
        • 双倒数作图直线相交于横轴
        • 抑制分数和[I]成正比，与[S]无关
      • 反竞争性抑制p472
        • 根据米氏公式推导后公式9-39；双倒数方程9-40
        • 根据反竞争抑制曲线，Km、Vmax均变小，均随[I]的增加而减小
        • 双倒数作图为一组平行线
        • 抑制分数与[I]、[S]均成正比
    • 总结
      • p373 表9-6
    • Dixon作图法求Ki
  • 一些重要的抑制剂
    • 不可逆抑制剂
      • 非专一性不可逆抑制剂
        • 有机磷化合物
          • 原理：与酶分子的活力部位丝氨酸羟基共价结合，抑制某些蛋白酶及酯酶活力
          • 例子
            • DFP、农药敌敌畏、敌百虫、对硫磷等
            • 强烈抑制胆碱酯酶活力，为神经毒剂
          • 解除抑制
            • 解磷定/氯磷定能使酶复活
        • 有机汞、有机砷化合物
          • 原理：与酶分子中半胱氨酸残基的巯基作用，抑制含巯基的酶
          • 例子
            • 对氯汞苯甲酸PCMB；有机砷化合物路易斯毒气
          • 解除抑制
            • 解毒剂BAL（针对路易斯毒气）
            • 加入过量巯基化合物如半胱氨酸或还原型谷胱甘肽（GSH）而解除
        • 重金属盐
          • 低浓度对酶产生抑制作用，如Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+
          • 解除抑制
            • 金属螯合剂EDTA、半胱氨酸等螯合
        • 烷化基团
          • 原理：所含活泼卤素原子的置换作用
          • 例子：抑制剂如碘一酸、碘乙酰胺、2，4-二硝基氯苯 被作用基团如巯基、氨基、羧基等
        • 氰化物、硫化物、CO
          • 原理：与酶中的金属离子形成较为稳定的络合物
        • 青霉素
          • 原理：与糖肽转肽酶活性部位的丝氨酸羟基共价结合
      • 专一性不可逆抑制剂
        • Ks型
          • 根据底物化学结构设计，具有底物相似结构，带有活泼化学基团能与酶分子中的必需基团发生化学修饰（亲和标记试剂）
          • 例子
            • TLCk（抑制剂）与胰蛋白酶底物（TLME）有相似结构，酶活力100%丧失
        • kcat型
          • 本身也是酶的底物，能与酶发生类似于底物的变化，但有一个潜伏的反应基团；当酶对它进行催化反应时，该基团暴露或活化，作用酶活性部位的必需基团或酶的辅基，使酶失活（自杀性底物）
          • 例子
            • β-卤代-D-Ala（抑制剂）对丙氨酸消旋酶
              • 作用机制p376
    • 可逆抑制剂
      • 抗代谢物/抗代谢类似物
        • 选择性地抑制病菌或癌细胞在代谢过程中的某些酶
        • 例子
          • 5’-氟尿嘧啶、磺胺药等
      • 过渡态底物类似物
• 温度对酶反应的影响
• PH对酶反应的影响
• 激活剂对酶反应的影响
  • 激活剂
    • 能提高酶活性的物质，大多数时无机离子或简单有机化合物
  • 激活剂类型
    • 金属离子
      • K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+等
        • Mg2+是多数激酶及合成酶等激活剂
        • Cl-时唾液淀粉酶等激活剂
    • 无机阴离子
      • Cl-、Br-、I-、CN-、PO43-
    • 小分子有机化合物
      • 半胱氨酸、GSH
  • 激活剂对酶等作用具选择性