1、 化學反應的兩個基本問題：化學反應的兩個基本問題： 反應進行的方向、可能性和限度反應進行的方向、可能性和限度 反應進行的速率和反應機制反應進行的速率和反應機制一、化學動力學基礎一、化學動力學基礎化學熱力學化學熱力學化學動力學化學動力學（一）（一）反應速率反應速率及其測定及其測定 以單位時間內反應物或生成物以單位時間內反應物或生成物 濃度的改變來表示。濃度的改變來表示。（二）反應分子數和反應級數（二）反應分子數和反應級數1.反應分子數：反應分子數：反應中真正相互作用的分子的數目反應中真正相互作用的分子的數目 單分子反應：單分子反應：A P 雙分子反應：雙分子反應：A+B P+Q 單分子反應單分子

2、反應 v = kc 雙分子反應雙分子反應 v = kc1c2 c 、c1、c2 ：反應物濃度（反應物濃度（mol/l） k：比例常數比例常數/反應速率常數反應速率常數2.反應級數反應級數 能以能以v = kc表示，為一級反應；表示，為一級反應； 能以能以v = kc1c2表示，則為二級反應；表示，則為二級反應； v 與反應物濃度無關，則為零級反應。與反應物濃度無關，則為零級反應。雙分子反應、一級反應雙分子反應、一級反應（三）各級反應的特征（三）各級反應的特征 1.一級反應：一級反應： 反應速率與反應物濃度的一次方成正比。反應速率與反應物濃度的一次方成正比。 v = kc C0C0/20tPCt

3、反應物的消耗反應物的消耗產物的增加產物的增加半衰期半衰期t1/2：有一半反應物轉化為產物所需的時間有一半反應物轉化為產物所需的時間lnC0lnC0/20tCtk當當t=t時時，c c= =1/2c c0 0, ,則則t0.693k,即半衰期與反應即半衰期與反應物的初濃度無關。物的初濃度無關。2.二級反應：二級反應： v = k（a- x）（）（b x） a 、b：反應物反應物A、B的初濃度的初濃度 x：t時已發生反應的物質濃度時已發生反應的物質濃度 （a- x）、（）、（b x）：）： t時后時后A、B的濃度的濃度3.零級反應零級反應： v = k一級反應：半衰期與反應物的初濃度無關一級反應：

4、半衰期與反應物的初濃度無關二級反應：半衰期與反應物的初濃度成反比二級反應：半衰期與反應物的初濃度成反比零級反應：半衰期與反應物的初濃度成正比零級反應：半衰期與反應物的初濃度成正比 單底物、單產物反應；單底物、單產物反應； 酶促反應速度一般在規定的反應條件下，酶促反應速度一般在規定的反應條件下，用單位時間內底物的消耗量和產物的生用單位時間內底物的消耗量和產物的生成量來表示；成量來表示； 反應速度取其初速度，即底物的消耗量反應速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在很小（一般在5 5以內）時的反應速度；以內）時的反應速度； 底物濃度遠遠大于酶濃度。底物濃度遠遠大于酶濃度。（S E）研究前提研究前

5、提二、底物濃度對酶反應速率的影響二、底物濃度對酶反應速率的影響初速度初速度 酶促反應速度逐漸降低酶促反應速度逐漸降低 酶促反應的時間進展曲線酶促反應的時間進展曲線v 在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應速在其他因素不變的情況下，底物濃度對反應速度的影響呈度的影響呈矩形雙曲線關系。矩形雙曲線關系。當底物濃度較低時當底物濃度較低時反應速度與底物濃度成正比；反反應速度與底物濃度成正比；反應為一級反應。應為一級反應。隨著底物濃度的增高隨著底物濃度的增高反應速度不再成正比例加速；反應反應速度不再成正比例加速；反應為混合級反應。為混合級反應。當底物濃度高達一定程度當底物濃度高達一定程度反應速度不再增加，

6、達最大速度；反應速度不再增加，達最大速度；反應為零級反應反應為零級反應E + S ES P + E（一）中間絡合物學說（一）中間絡合物學說 k4三個假設：三個假設：（1）E與與S形成形成ES復合物的反應是快速平衡反應，而復合物的反應是快速平衡反應，而 ES分解為分解為E及及P的反應為慢反應，反應速度取決于的反應為慢反應，反應速度取決于慢反應即慢反應即 Vk3ES。（2）S的總濃度遠遠大于的總濃度遠遠大于E的總濃度，因此在反應的初的總濃度，因此在反應的初始階段，始階段，S的濃度可認為不變即的濃度可認為不變即SSt。 （3）P0 忽略忽略 這步反應這步反應 ESE + Pk4E + S ESE +

7、 P（二）酶促反應的動力學方程式（二）酶促反應的動力學方程式1、米氏方程的推導、米氏方程的推導v1913年年Michaelis和和Menten提出反應速度與底提出反應速度與底物濃度關系的數學方程式，即米曼氏方程物濃度關系的數學方程式，即米曼氏方程式，簡稱米氏方程式，簡稱米氏方程(Michaelis equation)。S：底物濃度：底物濃度V：不同：不同S時的反應速度時的反應速度Vmax：最大反應速度：最大反應速度(maximum velocity) m：米氏常數：米氏常數(Michaelis constant) VmaxS Km + S 穩態時穩態時ES濃度不變濃度不變 反應速度反應速度 V

8、=k3ES ES的生成速度的生成速度=消耗速度消耗速度 k1ES=k2ES + k3ES E的質量平衡方程的質量平衡方程 E=Et - ESE + S ES P + E()()()穩態時穩態時ES濃度不變濃度不變反應速度反應速度 V=k3ES ES的生成速度的生成速度=消耗速度消耗速度 k1ES=k2ES + k3ESE的質量平衡方程的質量平衡方程 E=Et - ESE + S ES P + EV= V VSKm + S V V=Vmax=k3ESmax=k3EtKm= k2 + k3 k1 a.當當S很小時很小時V=V VS/Km 反應反應V= V VSKm + Sb.當當S很大時很大時V=

9、V VS/S=V V 0 級反應級反應混合混合級級Km=?Km = SV= V VSKm + S若若 VV/2V2V SKm + S1Km + S = 2S2 2、動力學參數的意義、動力學參數的意義（1）米氏常數）米氏常數Km的意義的意義KmS Km值等于酶促反應速度為最大反應速度一半值等于酶促反應速度為最大反應速度一半時的底物濃度，單位是時的底物濃度，單位是mol/L。2Km + S Vmax VmaxS Km是酶的特性常數：是酶的特性常數： 與與pH 、溫度、離子強度、酶及底物種類有關，與酶濃度無、溫度、離子強度、酶及底物種類有關，與酶濃度無關，可以鑒定酶。關，可以鑒定酶。酶酶底物底物Km

10、(mmol/L)Km(mmol/L)脲酶脲酶尿素尿素25溶菌酶溶菌酶6-N-乙酰葡萄糖乙酰葡萄糖胺胺0.006葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸脫氫酶脫氫酶6-磷酸磷酸-葡萄糖葡萄糖0.058胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶苯甲苯甲酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺2.5甲甲酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺12.0乙乙酰酪氨酰胺酰酪氨酰胺32.0可以判斷酶的專一性和天然底物可以判斷酶的專一性和天然底物Km值最小的底物值最小的底物最適底物最適底物/天然底物天然底物1/Km近似表示酶對底物的親和力：近似表示酶對底物的親和力：1/Km越越大大、親和力越、親和力越大大Km= k2 + k3 k1Kmk2（分離能力）（分離能力）/k1（親合能力

11、）（親合能力）E + S ES P + EKm越越小小，親和力越，親和力越強。強。SS很小時，反應速度就能達到很大。很小時，反應速度就能達到很大。性能優，代謝中這類酶更為重要性能優，代謝中這類酶更為重要k2k3時時 Km可幫助判斷某代謝反應的方向和途徑可幫助判斷某代謝反應的方向和途徑催化可逆反應的酶對正催化可逆反應的酶對正/逆兩向底物逆兩向底物Km不同不同 Km較小者為主要底物較小者為主要底物根據根據Km：判斷某判斷某s時時v與與Vmax的關系的關系判斷抑制劑的類型判斷抑制劑的類型乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶（1.710-5）丙酮酸脫氫酶丙酮酸脫氫酶（1.310-3）丙酮酸脫羧酶丙酮酸脫羧酶（1.01

12、0-3）丙酮酸丙酮酸乳酸乳酸乙酰乙酰CoA乙醛乙醛丙酮酸濃度較低時：丙酮酸濃度較低時：代謝哪條途徑決定于代謝哪條途徑決定于Km最小的酶最小的酶一底物多酶反應一底物多酶反應（2）Vmax和和k3（kcat)的意義的意義一定酶濃度下，酶對特定底物的一定酶濃度下，酶對特定底物的Vmax也是一也是一個常數。個常數。S很大時，很大時， Vmax k3E 。k3表示當酶被底物飽和時，每秒鐘每個酶分子表示當酶被底物飽和時，每秒鐘每個酶分子轉換底物的分子數，轉換底物的分子數，又稱為轉換數、催化常數又稱為轉換數、催化常數kcat kcat越大，酶的催化效率越高越大，酶的催化效率越高（3） kcat/km的意義：

13、的意義：V= V VmaxSKm + SVmax=kcatEt V=kcatEtSKm + S當S Km時，EEt是是E和和S反應形成產物的表觀二級速率常數。反應形成產物的表觀二級速率常數。 其大小可用于比較酶的催化效率。其大小可用于比較酶的催化效率。kcat/km k3k1k2+k3 kcat/km的上限為的上限為k1,即生成即生成ES的速率，即酶的速率，即酶的催化效率不超過的催化效率不超過E和和S形成形成ES的結合速率的結合速率kcat/kmkcat/km的大小可以比較不同酶或同一種酶的大小可以比較不同酶或同一種酶催化不同底物的催化效率。催化不同底物的催化效率。（1）Lineweaver-

14、Burk雙倒數作圖法雙倒數作圖法3 3、 KmKm與與V V的求取的求取蔗糖酶米氏常數（蔗糖酶米氏常數（Km）的測定）的測定1. 配配12支蔗糖底物溶液，濃度分別為支蔗糖底物溶液，濃度分別為0、0.005、0.00625、0.0075、0.00875、0.010、0.0125、0.015、0.02、0.025、0.0375、0.050M，在，在35水水浴保溫；浴保溫；2. 加入加入3U/ml已在已在35 水浴保溫的酶溶液，準確作用水浴保溫的酶溶液，準確作用5分鐘，終止反應；分鐘，終止反應；3. 各吸取各吸取0.5ml反應液與反應液與3，5-二硝基水楊酸，沸水浴二硝基水楊酸，沸水浴5分鐘，冷卻后

15、在分鐘，冷卻后在540nm測定吸光度測定吸光度OD值；值；4. 作圖作圖 （2）Eadie-Hofstee作圖法作圖法v=Vmax-KmvS v VSVmax斜率斜率Km （3）Hanes-Woolf作圖法作圖法 Sv =SVmax +KmVmax 斜率斜率= 1/Vm-KmVmax=v+vS Km vVmaxS3Km2KmKm（4）Eisenthal和和Cornish-Bowden線性作圖法線性作圖法（三）多底物的酶促反應動力學（三）多底物的酶促反應動力學 分為單底物、雙底物和三底物反應分為單底物、雙底物和三底物反應1.酶促反應按底物分子數分類：酶促反應按底物分子數分類：有序反應（有序反應（

16、ordered reactions）領先底物領先底物釋放釋放釋放釋放A和和Q競爭地與自由酶結合競爭地與自由酶結合（1 1）序列反應或單置換反應）序列反應或單置換反應2.多底物反應按動力學機制分類：多底物反應按動力學機制分類：隨機反應（隨機反應（random reactions）如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反應如肌酸激酶使肌酸磷酸化的反應 A AE PE P E E Q EQ EB B A和和Q競爭自由酶競爭自由酶E形式形式 B和和P競爭修飾酶形式競爭修飾酶形式E A和和Q不同不同E結合結合 B和和P也不與也不與E結合。結合。(2)乒乓反應或雙置換反應乒乓反應或雙置換反應3.3.雙底物反應的動力學方

17、程雙底物反應的動力學方程（1）序列機制序列機制的底物動力學方程及動力學圖的底物動力學方程及動力學圖 在在B的濃度達到飽和時的濃度達到飽和時A的米氏常數的米氏常數 在在A的濃度達到飽和時的濃度達到飽和時B的米氏常數的米氏常數 底物底物A與酶結合的解離常數與酶結合的解離常數 底物底物A、B都達到飽和時最大反應速率都達到飽和時最大反應速率（2）乒乓機制乒乓機制的底物動力學方程及動力學圖的底物動力學方程及動力學圖 在在B的濃度達到飽和時的濃度達到飽和時A的米氏常數的米氏常數 在在A的濃度達到飽和時的濃度達到飽和時B的米氏常數的米氏常數 底物底物A、B都達到飽和時最大反應速率都達到飽和時最大反應速率 三

18、、酶的抑制作用三、酶的抑制作用w失活作用失活作用：使酶：使酶Pr變性而引起酶活力喪失。變性而引起酶活力喪失。w抑制作用抑制作用：使酶活力下降但不引起變性。：使酶活力下降但不引起變性。w抑制劑抑制劑：能引起抑制作用的物質。：能引起抑制作用的物質。（一）抑制程度的表示方法（一）抑制程度的表示方法V0 ：Vi ：不加入抑制劑時的反應速率不加入抑制劑時的反應速率加入抑制劑后的反應速率加入抑制劑后的反應速率以反應速率的變化表示以反應速率的變化表示1.1.相對活力分數（殘余活力分數）相對活力分數（殘余活力分數）a =v iv 0 a%=viv0 100 2.相對活力百分數（殘余活力百分數）相對活力百分數（

19、殘余活力百分數） V0 Vi Vi V03.3.抑制分數抑制分數指被抑制而失去活力的分數指被抑制而失去活力的分數i=1a=1viv0 V0 Vi 4.抑制百分數抑制百分數i=(1a) 100 =（1viv0 ）100 Vi V0 抑抑制制率率 依據依據： 能否用透析、超濾等物理方法能否用透析、超濾等物理方法 除去抑制劑，使酶復活除去抑制劑，使酶復活。不可逆抑制與可逆抑制不可逆抑制與可逆抑制（二）抑制作用的分類（二）抑制作用的分類1 1、不可逆抑制作用、不可逆抑制作用 ： 抑制劑與酶必需基團以牢固的共價鍵相連抑制劑與酶必需基團以牢固的共價鍵相連 很多為劇毒物質很多為劇毒物質 重金屬、有機磷、有機

20、汞、有機砷、重金屬、有機磷、有機汞、有機砷、 氰化物、青霉素、毒鼠強等。氰化物、青霉素、毒鼠強等。不可逆抑制不可逆抑制不可逆抑制劑不可逆抑制劑 非專一性非專一性不可逆抑制劑不可逆抑制劑（作用于一（作用于一/幾類基團）幾類基團） 專一性專一性不可逆抑制劑不可逆抑制劑（作用于某一種酶的（作用于某一種酶的 活性部位基團）活性部位基團）2、不可逆抑制劑、不可逆抑制劑不可逆抑制不可逆抑制 （1） 非專一性不可逆抑制劑非專一性不可逆抑制劑 重金屬離子重金屬離子 Ag+ 、 Cu2+ 、 Hg2+ 、 Pb2+ 、 Fe3+ 高濃度時可使酶蛋白變性失活；高濃度時可使酶蛋白變性失活； 低濃度時對酶活性產生抑制

21、。低濃度時對酶活性產生抑制。 通過加入通過加入EDTA解除解除 H2N-CH-COOH CH2 SH H2N-CH-COOH CH2 S-CH2COOHICH2COOHHI烷化劑烷化劑（多為鹵素化合物）（多為鹵素化合物）+碘乙酸碘乙酸有機磷化合物（敵百蟲、沙林）有機磷化合物（敵百蟲、沙林）膽堿膽堿酯酶酯酶OHPOC2H5OC2H5S有機磷農藥部分+(CH3)3N+CH2CH2OCOCH3(CH3)3N+CH2CH2OH +CH3COOHH2O膽堿乙酰化酶膽堿乙酰化酶膽堿酯酶膽堿酯酶膽堿膽堿乙酰膽堿乙酰膽堿積累導致神經中毒癥狀積累導致神經中毒癥狀如何緊急救治？如何緊急救治？排毒排毒洗胃、喝雞蛋清

22、牛奶洗胃、喝雞蛋清牛奶導泄、利尿導泄、利尿 血液透析（清除游離狀態毒物）血液透析（清除游離狀態毒物）解毒藥：解磷定解毒藥：解磷定NCH3CHNOHRO O RO ORO X RO OE P + EOH P + HX有機磷化合物有機磷化合物 羥基酶羥基酶 磷酰化酶磷酰化酶( (失活失活) ) 酸酸RO ORO OE P + -CHNOH磷酰化酶磷酰化酶( (失活失活) )NN+ +CH3 -CHNNN+ +CH3O ORO OR +EOH P解磷定解磷定解毒解毒 - - - - - - 解磷定解磷定(PAM)(PAM)：有機汞、有機砷化合物有機汞、有機砷化合物與酶分子中與酶分子中-SH作用；作用

23、； 可通過加入過量巰基化合物解除。可通過加入過量巰基化合物解除。氰化物、硫化物和氰化物、硫化物和COCO 與酶中金屬離子形成穩定的絡合物與酶中金屬離子形成穩定的絡合物 如氰化物與含鐵卟啉細胞色素氧化酶結合如氰化物與含鐵卟啉細胞色素氧化酶結合青霉素（青霉素（penicillinpenicillin） 與細菌糖肽轉肽酶與細菌糖肽轉肽酶Ser-OHSer-OH活性，活性， 影響細胞壁合成。影響細胞壁合成。（2 2） 專一性不可逆抑制劑專一性不可逆抑制劑 KsKs型型 具有底物類似的結構具有底物類似的結構（設計）（設計） 帶有一活潑基團：與必需基團反應（抑制）帶有一活潑基團：與必需基團反應（抑制） 利

24、用對酶親合性進行修飾利用對酶親合性進行修飾 親合標記試劑（親合標記試劑（affinity labeling affinity labeling reagentreagent）Kcat型型具有底物類似的結構具有底物類似的結構本身是酶的底物本身是酶的底物還有一潛伏的反應基團還有一潛伏的反應基團“自殺性底物自殺性底物” 抑制作用可通過透析等方法除去。抑制作用可通過透析等方法除去。 原因：非共價鍵結合原因：非共價鍵結合可逆抑制可逆抑制競爭性抑制競爭性抑制(competitive inhibition)非競爭性抑制非競爭性抑制(non-competitive I.）反競爭性抑制反競爭性抑制(uncomp

25、etitive I.) 3 3、可逆抑制作用：、可逆抑制作用：（1）競爭性（）競爭性（Competitive)抑制抑制 抑制劑（抑制劑（ inhibitor）【舉例】【舉例】G 丙二酸丙二酸與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶與琥珀酸競爭琥珀酸脫氫酶COOH CH2 CH2COOH COOH COOH CH2 丙二酸丙二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酸脫氫酶琥珀酸脫氫酶FADFADH2延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸競爭性抑制競爭性抑制G 磺胺類藥物的抑菌機制：磺胺類藥物的抑菌機制：與與對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸競爭競爭二氫葉酸合成酶二氫葉酸合成酶二氫蝶呤啶二氫蝶呤啶 對氨基苯甲酸對氨基苯甲酸 谷氨酸谷氨酸二氫葉酸二氫葉酸

26、合成酶合成酶二氫葉酸二氫葉酸COOH H2N SO2NHR H2N 磺磺 胺胺 類類 藥藥 物物利用競爭性抑制是藥物設計主要思路利用競爭性抑制是藥物設計主要思路磺胺類藥磺胺類藥抗菌機理：抗菌機理： （與對氨基苯甲酸（與對氨基苯甲酸是結構類似物）是結構類似物）競爭性抑制細菌葉酸形成，抑制細菌繁殖競爭性抑制細菌葉酸形成，抑制細菌繁殖人通過食物直接補充葉酸，對人無毒害。人通過食物直接補充葉酸，對人無毒害。生物堿麻醉生物堿麻醉競爭性替代競爭性替代生物堿嗎啡、海洛因、可卡因、尼古丁 嗎啡嗎啡 海洛因海洛因麻醉機理源自源自37C37C醫學網醫學網痛覺神痛覺神經信號經信號阿片阿片鴉片類物質鴉片類物質生物堿競爭性替代腦生物堿競爭性替代腦肽肽麻醉致幻麻醉致幻腦肽腦肽(E)(E)控制痛控制痛覺信號的釋放覺信號的釋放抑制物抑制物（2）非競性（）非競性（Non-competitive)抑制抑制無法形成產物wNoncompetitive inhibition（3）反競爭性（）反競爭性（Uncompetitive