生化工程-第二章酶促反应动力学.ppt

第二章均相酶催化反应动力学Lysozyme生化工程生化工程Biochemical Engineering2 脂肪酶催化酯化反应:生物柴油 油料 甘油 脂肪酸实实 例例 高果糖浆:-淀粉酶 糖化酶 葡萄糖异构酶 淀粉浆液 糊精 葡萄糖 果 糖甲醇 NaOH生物柴油3化学反应的基础知识化学反应的基础知识反应进行的方向反应进行的方向反应进行的可能性反应进行的可能性反应进行的限度反应进行的限度反应进行的速率反应进行的速率反应机制反应机制化学热力学化学动力学4反应速率及其测定反应速率及其测定反应速率：单位时间内反反应速率：单位时间内反应物或生成物浓度的改变。应物或生成物浓度的改变。设瞬时设瞬时dt内反应物浓度的内反应物浓度的很小的改变为很小的改变为dS，则：，则：若用单位时间内生成物浓若用单位时间内生成物浓度的增加来表示，则：度的增加来表示，则：tPtv5反应分子数反应分子数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。：是在反应中真正相互作用的分子的数目。如：如：A PA P属于单分子反应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：根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是：双如：双如：A AB CB CD D属于双分子反应属于双分子反应其反应速率方程可表示为：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，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。即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。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。实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。6反应级数又如某一反应：又如某一反应：A+B C+DA+B C+D式中式中k k为反应速率常数为反应速率常数根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反根据实验结果，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。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，那么这个反应为率方程式表示，那么这个反应为一级反应一级反应。符合双分子反应的表达式，为符合双分子反应的表达式，为二级反应二级反应。7把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做把反应速率与反应物浓度无关的反应叫做零级反应零级反应零级反应零级反应。v v=k k AA0 0反应分子数和反应级数对简单的基元反应来说是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：一致的，但对某些反应来说是不一致的。例如：Sucrose+H2O Glucose+Frucose是双分子反应，但却符合一级反应方程式。是双分子反应，但却符合一级反应方程式。Sucrase因为蔗糖的稀水溶液中，因为蔗糖的稀水溶液中，水的浓度比蔗糖浓度大得多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。率只决定于蔗糖的浓度。v=k S8酶促反应动力学基础反应速率酶促反应动力学基础反应速率零级反应零级反应一级反应一级反应A B积分后得：积分后得：这儿：这儿：k是反应速率常数，是反应速率常数，C是积分常数是积分常数若反应开始若反应开始(t=0)时时,A=A0,则则C=lnA0,最后得到最后得到:A=A0e-ktkAtA0一级反应一级反应9二级反应二级反应A+B Ckk指反应的速率常数。指反应的速率常数。反应速率与反应物的性质和浓度、反应速率与反应物的性质和浓度、温度、压力、催化剂及溶剂性质温度、压力、催化剂及溶剂性质有关有关10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，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。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。关，而与反应体系的温度、反应物及产物浓度有关。平衡常数平衡常数(K)的计算：的计算：例：例：A+3B2C+D11酶的基本概念酶的基本概念酶有很强的专一性酶有很强的专一性较高的催化效率较高的催化效率反应条件温和反应条件温和酶易失活酶易失活l酶可加快反应速率l降低反应的活化能(Ea)l不能改变反应的平衡常数Kl不能改变反应的自由能变化(G)12酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素影响酶促反应的主要因素浓度因素浓度因素（酶浓度，底物浓度，产物浓度等）（酶浓度，底物浓度，产物浓度等）外部因素（温度，压力，外部因素（温度，压力，pH，溶液的介电常数，溶液的介电常数，离子强度等）离子强度等）内部因素（效应物，酶的结构）内部因素（效应物，酶的结构）13酶与底物的作用机理酶与底物的作用机理Lock and Key Model14Induced-Fit Model 手与手套的关手与手套的关系系.当底物接近酶当底物接近酶的活性中心并的活性中心并与之结合时，与之结合时，酶的构象能发酶的构象能发生改变，更适生改变，更适合于底物的结合于底物的结合。合。15酶反应动力学酶反应动力学的两点基本假设：反应物在容器中混合良好 反应速率采用初始速率16k+1k-1ESESE单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学k+2快速平衡学说的几点假设条件：快速平衡学说的几点假设条件：1.酶和底物生成复合物酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完，酶催化反应是经中间复合物完成的。成的。2.底物浓度底物浓度S远大于酶的浓度远大于酶的浓度E，因此，因此ES的形成不会降低的形成不会降低底物浓度底物浓度S，底物浓度以初始浓度计算。，底物浓度以初始浓度计算。3.不考虑不考虑P+EES这个可逆反应的存在。这个可逆反应的存在。4.ES在反应开始后与在反应开始后与E及及S迅速达到动态平衡。迅速达到动态平衡。P17k+1k-1ESESEk+2快速平衡学说快速平衡学说由假设由假设3可得到产物的合成速率为：可得到产物的合成速率为：对于单底物的酶促反应对于单底物的酶促反应:(2)(1)P由假设由假设4可得到：可得到：18对于酶复合物对于酶复合物ES的的解离平衡过程解离平衡过程来说，来说，其其解离常数解离常数可以表示为可以表示为,ESE+Sk-1k+1(4)反应体系中反应体系中酶量守恒酶量守恒：(3)由前面的公式由前面的公式(1)得：得：代入公式代入公式(3),变换后得：变换后得：即即,代入公式代入公式(2)得到得到(5)19代入式代入式(5)得：得：(6)式中：式中：Vp,max:最大反应速率最大反应速率 如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。KS:解离常数解离常数，饱和常数，饱和常数 低低KS值意味着酶与底物结合力值意味着酶与底物结合力很强很强，(看看看看KS的公式就知道了的公式就知道了)。当反应初始时刻，底物当反应初始时刻，底物SE,几乎所有的酶都与底物结合成几乎所有的酶都与底物结合成复合物复合物ES，因此，因此E0ES,反应速率最大，此时产物的最大反应速率最大，此时产物的最大合成速率为：合成速率为：20k+1k-1ESESEk+2稳态学说稳态学说P稳态学说的几点假设条件：稳态学说的几点假设条件：1.酶和底物生成复合物酶和底物生成复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完，酶催化反应是经中间复合物完成的。成的。2.底物浓度底物浓度S远大于酶的浓度远大于酶的浓度E，因此，因此ES的形成不会降低的形成不会降低底物浓度底物浓度S，底物浓度以初始浓度计算。，底物浓度以初始浓度计算。3.在反应的初始阶段，产物浓度很低，在反应的初始阶段，产物浓度很低，P+EES这个可逆反这个可逆反应的速率极小，可以忽略不计。应的速率极小，可以忽略不计。4.ES的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化。化。21Experimental data demonstrated the concentration profiles.当反应系统中当反应系统中 ES的生成速率与分解速率相等时，的生成速率与分解速率相等时，ES浓度浓度保持不变的状态称为稳态。保持不变的状态称为稳态。22由于由于SE0,所以所以SES,S-ESSk+1k-1ESESEk+2P根据稳态假说，根据稳态假说，(7)(3)(8)23(Km米氏常数米氏常数)(9)(10)式中：式中：Michaelis-Menten 24k+1k-1k+2m25快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致快速平衡学说与稳态学说在动力学方程形式上是一致的，但的，但Km和和KS表示的意义是不同的。表示的意义是不同的。当当k+2k-1时，时，Km=KS这意味着生成产物的速率远远这意味着生成产物的速率远远慢于慢于ES复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是复合物解离的速率。这对于许多酶反应也是正确的。正确的。Mixed order with respect to S26反应速率、底物浓度与时间的关系反应速率、底物浓度与时间的关系S,E27底物浓度与反应速率的关系底物浓度与反应速率的关系底物浓度反应速率Vm28反应速率、底物浓度与时间的关系反应速率、底物浓度与时间的关系反应速率、底物浓度与时间的关系反应速率、底物浓度与时间的关系反应速率反应速率反应时间反应时间底物浓度底物浓度反应时间反应时间29米氏常数米氏常数米氏常数米氏常数KKmm的意义的意义的意义的意义Km值代表反应速率达到值代表反应速率达到Vmax/2时的底物浓度。时的底物浓度。Km是酶的一个特性常数，是酶的一个特性常数，Km的大小的大小只与酶的性质有关只与酶的性质有关，而与酶，而与酶浓度无关。但底物种类、反应温度、浓度无关。但底物种类、反应温度、pH和离子强度等因素会影和离子强度等因素会影响响Km值。因此可以用值。因此可以用Km值来鉴别酶。值来鉴别酶。Km值可以判断值可以判断酶的专一性酶的专一性和天然底物。和天然底物。当当k+21 indicates positive cooperativity.（13.2）By rearranging,we have,Hill 方程实例：实例：血红蛋白血红蛋白 2.5362Plots on Allosteric Enzymes双曲线S形曲线6364影响酶催化反应速率的因素影响酶催化反应速率的因素影响酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响到影响酶催化反应速率的因素有很多，它们会影响到酶的结构或化学状态。酶的结构或化学状态。pH温度温度 表面张力表面张力化学试剂化学试剂(醇醇,脲和过氧化物脲和过氧化物)辐射辐射(光光,微波微波,离子化离子化,g g 射线等射线等)65pH对酶促反应的影响对酶促反应的影响I.一些酶的活性中心存在一些酶的活性中心存在离子基团离子基团，因此，因此Variation of pHII.另一方面，底物分子中包含另一方面，底物分子中包含离子基团离子基团，反应体系的，反应体系的pH也也有可能会影响到底物与酶结合的有可能会影响到底物与酶结合的亲和力亲和力。Ionic formModifies Reaction rateChanges Enzyme activityInfluences 66For CASE I(Ionic Enzyme):The reaction scheme is as follow:Where the meanings of the denotations are:lEH:active formlE-,EH2+:inactive formlE-:deprotonation formlEH2+:protonation form67With similar analysis and derivations as before,we can get,where68 考虑到酶发挥最佳的活力状态是考虑到酶发挥最佳的活力状态是EH，最佳，最佳pH应该是唯一应该是唯一的，而在最佳的，而在最佳pH时，时，EH的浓度应该达到最大的浓度应该达到最大。为什么为什么酶反应的最佳酶反应的最佳pH会是在会是在pK1和和pK2之间之间?因此，我们现在只要考察酶与质子因此，我们现在只要考察酶与质子H+的相互作用。的相互作用。根据根据解离常数解离常数的定义和酶的质量守恒可得：的定义和酶的质量守恒可得：69消除消除 E-和和 EH2+项，可得到：项，可得到：令令 得到得到,即即,70For CASE II(Ionic Substrate)The reaction scheme is as follow:Similarly,we can get,where SH+ES+H+ESH+KmE+HP+k2K171一般来说中，酶促反应的最佳一般来说中，酶促反应的最佳pHpH还是很难预测的，还是很难预测的，通常需要通过通常需要通过实验实验来确定。来确定。pH-activity profiles of two enzymes.(A)胃蛋白酶胃蛋白酶;(B)延胡索酸酶延胡索酸酶(以苹果酸为底物时以苹果酸为底物时)72温度对酶促反应的影响温度对酶促反应的影响 在较低的温度范围内，在较低的温度范围内，酶催化反应速率会随着温度酶催化反应速率会随着温度的升高而加快，超过某一温的升高而加快，超过某一温度，即酶被加热到度，即酶被加热到生理允许生理允许温度温度以上时，酶的反应速率以上时，酶的反应速率反而随着温度的升高而下降。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，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。同时也加快了酶的热失活速率。731.温度激活作用温度激活作用(上升区上升区).酶催化反应速率常数中的酶催化反应速率常数中的k2与温度的关系符合与温度的关系符合Arrhenius方程方程:即即,式中式中 E 活性酶的浓度活性酶的浓度;Ea 是反应活化能是反应活化能(kcal/mol).R 是气体常数是气体常数 T 是绝对温度，是绝对温度，A是前因子是前因子742.热失活作用热失活作用(下降区下降区).(酶的热变性作用酶的热变性作用)酶的热变性失活符合一级反应动力学方程：酶的热变性失活符合一级反应动力学方程：式中式中 E0 酶的初始浓度酶的初始浓度;kd 变性常数变性常数.积分得到积分得到,此外此外,式中式中 Ed is the denaturation energy(kcal/mol).75例例例例2-12-1：将底物和酶加入到分批式反应器中：将底物和酶加入到分批式反应器中：将底物和酶加入到分批式反应器中：将底物和酶加入到分批式反应器中,底物初始浓度为底物初始浓度为底物初始浓度为底物初始浓度为2mmol/L,2mmol/L,经反应经反应经反应经反应,转化率为转化率为转化率为转化率为90%,90%,求反应所需的时间和求反应所需的时间和求反应所需的时间和求反应所需的时间和t t.已知已知已知已知反应速率方程为反应速率方程为反应速率方程为反应速率方程为:解：在分批式反应器中解：在分批式反应器中 即：即：积分得到：积分得到：转化率为转化率为90%，即，即(S0-S)/S0=0.9,S=0.276例例例例2-22-2：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图：假设某酶有两个活性中心，它的反应机制可用下图表示，试根据快速平衡假设，求其速率方程式表示，试根据快速平衡假设，求其速率方程式表示，试根据快速平衡假设，求其速率方程式表示，试根据快速平衡假设，求其速率方程式E+SES +SE+PESSKmKSIES+Pk+2k+2解：根据解离平衡过程可得解：根据解离平衡过程可得 根据酶的质量守恒可得根据酶的质量守恒可得 将上面两式变换后可得将上面两式变换后可得 77变换方程可以得到以下两式：变换方程可以得到以下两式：当反应速率达到最大时，当反应速率达到最大时，所有的酶都以复合物的形式存在，所有的酶都以复合物的形式存在，则则 E0=ES+ESS,Vmax=k+2(ES+ESS)=k+2E078例例例例2-32-3：某酶催化反应，其：某酶催化反应，其：某酶催化反应，其：某酶催化反应，其K Kmm=0.01 mol/L,=0.01 mol/L,现测得该反应进现测得该反应进现测得该反应进现测得该反应进行到行到行到行到10 min10 min时，底物浓度为时，底物浓度为时，底物浓度为时，底物浓度为3.4103.410-5-5,已知已知已知已知SS0 0=3.410=3.410-4-4mol/L.mol/L.假定该反应可用假定该反应可用假定该反应可用假定该反应可用M-MM-M方程表示。试求：方程表示。试求：方程表示。试求：方程表示。试求：(1)(1)最大反应速率是多少最大反应速率是多少最大反应速率是多少最大反应速率是多少?(2)(2)反应反应反应反应20min20min后，底物浓度为多少？后，底物浓度为多少？后，底物浓度为多少？后，底物浓度为多少？解：已知米氏方程解：已知米氏方程及题中条件知及题中条件知S0Km则米氏方程可表示为则米氏方程可表示为10 min时时,S=3.410-5,代入上式可得：代入上式可得：Vmax=(0.01ln10)/10=0.0023 mol L-1 min-1当当t=20 min,lnS=lnS0-Vmaxt/Km =ln(3.4X10-4)-0.0023X20/0.01 S20min=3.42X10-6 mol/L79I.Random sequential mechanisms 随机机制随机机制底物Two-Substrate Reactions8081Figure.Fixed substrate concentration dependence for enzymes displaying randomsequential mechanisms:(a)Dependence of V max on A;(b)dependence of K on A;(c)dependence of V max on B;(d)dependence of K on B82II.Ordered sequential mechanisms 顺序机制顺序机制8384III.ping-pong mechanisms底物底物A和和B始终不同时与酶结合。始终不同时与酶结合。8586Figure 7.3.Fixed substrate concentration dependence for enzymes displaying ping-pong mechanisms:(a)Dependence of V max on B;(b)dependence of K on B;(c)dependence of V max on A;(d)dependence of K on A.87Differentiation Between Mechanisms