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第五章酶催化动力学基础
引言
酶催化动力学主要是研究各种因素对酶促反应速度的影响、酶促反应的规律及反应历程。影响酶促反应速度的因素包括[S]、[E]、[P]、[I]、[A]、pH和温度等。本章重点讨论[S]对酶促反应速度的影响,并且介绍一些基本概念,和简单体系的动力学方程的推导。
反应级数和速度常数
反应级数
化学反应的级数就是动力学方程中影响反应速度的各反应物浓度项上的指数之和。
零级反应
反应速度与底物的浓度无关,称为零级反应。当[S]大大高于[E]时,可认为是零级反应。
(), ()。
积分()式得, ()。
也即,故[P]与t成正比,k0为该零级反应的速度常数,它表明单位时间底物的减少量或产物的生成量,因次为“C·t-1”。
零级反应的半寿期(即一半底物转化成产物所需的时间)可以由代入式()求得
, , ()。
与[S]0成正比,与k0成反比。
一级反应
反应速度与底物浓度成正比(单底物反应),称为一级反应。当[E] 〉〉[S]时为一级反应。
(), ()。
式中k1为一级反应速度常数。将式()积分得
, , 。
即()。
将t对作图可得一直线,斜率为, k1的因次为“t-1”。
将代入式()可以得出
, ()。
在一级反应中,与k1成反比,而与底物浓度无关。
二级反应
反应速度与两个反应物的浓度成正比,称为二级反应,这种反应可以是两个相同的反应物反应生成产物(2S → P),也可以是两个不同的反应物反应生成产物(A+B → P)。
先看第一种情况(2S → P):
(), ()。
式中k2为二级反应速度常数。将()积分得
, ,
()。
t对作图可得一直线,斜率k2,截距。K2的因次为“C-1·t-1”。
将代入()可求出
, , ()。
与k2及[S]0都成反比。零级反应中[S]0越大,也越大;二级反应中[S]0越大,反而越小;一级反应与[S]0无关。
再看第二种情况(A+B → P):
,如果[A] = [B],则与第一种情况的全部推导和结果相同。
如果两个反应物中,[SA]比[SB]大得多,即[SA] 〉〉[SB],反应中[SA]下降的相对值很小,可以认为保持恒定,此时反应速度只与[SB]成正比,其动力学方程式与一级反应的相同,其反应的速度常数用kobs表示,称为表观反应速度常数。
这种反应表面看起来是一级反应,但实际上是二级反应,故称为假一级反应,kobs在这里也是假一级反应速度常数。
当[SA] 〉〉[SB]时,有
,式中()。
在恒定[SB]和不同的[SA]时测定反应速度,得出不同[SA]时的kobs,再按()作图,斜率即为k2。
如果[SA]和[SB]相差不大,情况比较复杂,这里不作讨论。
酶催化反应动力学方程
反应初速度的测定
在研究酶反应动力学时,一是改变各种因素(如[S]、[I]、pH等),二就是测酶反应速度。随着酶反应的进行,底物浓度逐渐下降,产物逐渐积累,酶反应速度也会逐渐变小。为了排除底物和产物浓度变化对酶反应速度的影响,人们采用酶反应的初速度作为衡量的指标。
从理论上来说,作出反应时间对反应物变化量的曲线,从近0处作曲线的切线,则切线的斜率代表初速度。但实际上切线无法作准确。
实际使用的初速度测定方法有以下几种:
高底物浓度测定法
高底物浓度测定法即零级反应近似法。它采用[S]>10Km的条件,在中,Km可以忽略不计,V≈Vm,即与零级反应近似,V为一恒定值,此法必须在无高底物浓度抑制时才适用,为了避免产物抑制,应在反应的初期测定。
低底物浓度测定法
低底物浓度测定法即一级反应近似法。它采用[S]<Km的条件,在中,分母中的[S]可以忽略不计,,在不同[S]时测定V,以V对[S]作图,直线部分的斜率为。在直线部分,[S]乘以得V。
使用不同酶量的测定法
在加不同酶量的情况下测反应速度,作出产物生成量对反应时间的图,然后以酶量对反应速度作图,此反应速度为反应了不同时间的速度平均值,以不同的反应时间分别作曲线,在直线范围的酶量和反应时间对应的反应速度可看作初速度。
[E]对反应速度的影响
在[S]过量的情况下,V对[E]成正比;而在[E]一定时,[S]与V成双曲线关系。
若酶催化单底物反应机理为E+S E+P,则V = k [E][S],也就是V与[E]及[S]都成正比,但实际情况不