单位文秘网 2021-07-09 08:10:14 点击: 次
摘要:在生物化学第三章“酶和维生素”的教学过程中,酶动力学是学生最难学也是教师比较难讲解的一节内容。教师在教学过程中采用突出重点推导米氏方程和利用比较分析方法讲解抑制剂与酶结合抑制酶促反应速度内容,使学生由单纯地记忆结果到理解透彻后轻松牢固掌握知识点,提高了教学效果和同学们的学习兴趣。
关键词:酶和维生素;米氏方程;教学效果
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)32-0045-03
一、酶动力学教学改革内容
现在大学二年级的本科生生物化学教学分三个层次,45学时(酶6学时),72学时(酶7学时),96学时(酶9学时)。第三章酶和维生素内容分七节,第一节:酶的分子结构与功能。第二节:酶的命名与分类。第三节:酶促反应的特点与机制。第四节:酶动力学。第五节:酶活性调节。第六节:酶与生物医学的关系。第七节:维生素与辅酶。对45学时(酶6学时),72学时(酶7学时)的班级,目前我们的酶章节教学是七节内容是平均分配时间,简化教学难点,只要求学生记住最后的米氏方程结果,其推导和分析均不予讲解。竞争性抑制,非竞争性抑制和反竞争性抑制的km,Vmax值的变化,学生理解和记忆困难。教学效果不理想[1]。基于以上现实,我们在酶教学章节中做如下改革:第一节:酶的分子结构与功能。第二节:酶的命名与分类。第三节:酶促反应的特点与机制。第六节:酶与生物医学的关系。安排2学时进行讲解,因为此四节内容多为酶的基本介绍性内容,本科二年级的学生都有相当的自学能力,加上大量的知识点高中都已经学习过,所以平均分配时间讲解此部分内容无疑是浪费时间,学生学习很枯燥,学习兴趣减低。对于第七节维生素与辅酶的学习,此内容和以后各个章节紧密联系,如维生素PP在生物氧化呼吸链的学习中提及,NAD+受氢还原成NADH后讲氢和电子交给呼吸链,经传递最后与O2结合生成水,并伴随ATP生成。维生素B6在氨基酸代谢转氨基反应中涉及。生物素在脂肪酸合成反应中提及。所以,其余安排的4学时或者5学时重点分析讲解酶动力学内容。包括推导米氏方程;竞争性抑制,非竞争性抑制和反竞争性抑制三大内容的比较和分析:它们是抑制剂与酶的结合状况;关于Km,Vmax值的变化规律;双倒数作图斜率,纵轴和横轴截距改变。此项教学改革收到了明显的教学效果[2],学生感觉到学习很有乐趣。
二、变死记硬背米氏方程结果为具体的理解和详尽的推导过程
在平时的教学中,关于米氏方程,我们只要求学生记住V=Vmaxs[s]/(Km+[s]),至于这个方程是如何得来的,对学生不做要求。当然由于学生对此方程不理解,只是暂时的识记,隔不了几天就会忘记。所以,只有让学生深刻地理解并推导米氏方程后,牢固的记住米氏方程并轻松的将米氏方程运用到后续的学习中。
米-曼氏方程式推导基于两个假设:第一是E(酶)与S(底物)形成ES复合物(酶-底物复合物)的反应是快速平衡反应,而ES分解为E及P(产物)的反应为慢反应,反应速率取决于慢反应即V=kE[S](K为反应速度常数)。第二是底物的总浓度远远大于酶的总浓度,因此在反应的初始阶段,底物的浓度可认为不变。中间产物学说是米氏方程的推导关键。E+Sk-1←→k1ES→k2E+P (1)。根据一般化学反应规律,酶促反应速度取决于和反应速度常数K,即v=k2×[ES] (2)。据质量作用定律,中间产物ES生成速度为k1×([E]-[ES])×[S],中间产物ES的分解速度为k-1×[ES]+k2×[ES]。当反应相对于ES复合物达到稳态时,ES生成速度等于ES的分解速度,即k1×([E]-[ES])×[S]=k-1×[ES]+k2×[ES] (3),整理得:(k-1+k2)/k1={([E]-[ES])×[S]}/[ES] (4)。此时令Km=(k-1+k2)/k1,并代入方程(4)得:
[ES]=([E]×[S])/(km+[s]) (5)。
将(5)代入(2)得:V=(k2×[E]×[S])/(Km+[S]) (6)。当底物浓度很高时,酶被底物饱和,相当于所有酶都与底物结合,即[ES]等于酶的总浓度[E],则反应达到最大速度,故最大反应速度为Vmax=k2[ES]=k2×[E] (7)。将(7)代入(6)得:V=Vmax[s]/(Km+[s])。从以上细致的分析和详尽的推导,米氏方程变成轻松记忆的内容。当V=Vmax/2时,代入米氏方程得:Km=[S]。关于Km值,我们可以归纳总结以下几点:第一是Km值是当反应速度为Vmax/2时的底物浓度[S],并且Km单位是mol/l。第二是Km值反应了酶和底物亲和力,Km越小,和酶和底物亲和力越高;反之,Km越大,和酶和底物亲和力越低。第三是Km是酶对底物的特征常数,主要取决于酶和底物的结构,与酶和底物的浓度无关。但Km可以受到环境因素,如温度,pH值和离子强度的影响。第五是相同的底物,不同的酶可能有不同的Km;同样,相同的酶,不同的底物也可能有不同的Km值。
三、不可逆性抑制和可逆性抑制的比较
不可逆性抑制和可逆性抑制的关键点就是抑制剂和酶的结合关系,抑制剂与酶活性中心的必需基团共价结合,结合牢固,用超滤和透析的方法不能去除抑制剂。而酶与抑制剂以非共价键与酶或者酶-底物复合物的特定区域可逆结合成复合物,用超滤和透析的方法能去除抑制剂,并使活性逐步恢复,此种作用称为酶的可逆性抑制。为了加深学生对不可逆性抑制的印象,举例如日常生活中有机磷农药中毒,就是有机磷与人体内的羟基酶共价结合并使酶失去相应的功能,而解磷定解毒是解磷定与有机磷农药共价结合并替换出羟基酶。重金属离子和砷化合物与人体内还原性的巯基共价结合,巯基酶成氧化状态并失去功能,而二巯基丙醇替换巯基并使之成还原态,发挥解毒功能。此两例子加深了同学们对不可逆性抑制的理解。
四、竞争性抑制,非竞争性抑制和反竞争性抑制内容的比较和分析。抑制剂与酶的结合状况。关于Km,Vmax,双倒数作图斜率,纵轴和横轴截距比较
1.竞争性抑制其关键点是抑制剂与底物结构相似,和底物竞争性的结合酶的活性中心。酶促反应速度与底物浓度变化的力学关系为:V=(Vmax[S])/{Km(1+[I]/Ki)+[S]},其双倒数方程式为:1/V=(Km/Vmax)×{1+[I]/Ki}×(1/[S])+1/Vmax。以1/[S]为x轴,以1/V为y轴双倒数作图(图一)。由图一分析可以得到如下结论:1:当反应中添加竞争性抑制剂时,Km值变小,Vmax不变。因为y轴上的截距1/Vmax为定值,而x轴截距-1/Km的绝对值变小,所以Km值变大。对于Km值变大也可以这样理解,因为抑制剂与底物结构相似,竞争结合酶的活性中心,而Km值是酶的特征性常数,Km小,证明酶与底物的亲和力大,因为抑制剂阻碍了底物与酶的结合,酶与底物的亲和力变小,所以推论出当反应中添加竞争性抑制剂时,Km值变大。2:双倒数作图斜率增大,纵轴截距不变,横轴截距变小,直线之间相交于纵轴。
2.非竞争性抑制其关键点是抑制剂与底物结构不相似,和底物没有竞争性关系,所以命名为非竞争性抑制。非竞争性抑制剂可以与单纯的酶结合,同时也与酶底物复合物结合,并且非竞争性抑制与酶的结合部位不是酶的活性中心,而是酶的活性中心外的必需基团。酶促反应速度与底物浓度变化的力学关系为:V=(Vmax[S])/{(1+[I]/Ki)×(Km+[S])},其双倒数方程式为:1/V=(Km/Vmax)×(1+[I]/Ki)×(1/[S])+(1/Vmax)×(1+[I]/Ki)。以1/[S]为x轴,以1/V为y轴双倒数作图(图二)。假设1/V=0时,由其双倒数方程式计算得到1/[S]=-1/Km,也就是说x轴上的截距是定值-1/Km。由图二分析可以得到如下结论:1:当反应中添加非竞争性抑制剂时,Km值不变,Vmax变小。因为x轴上的截距-1/Km为定值,而Y轴截距1/V变大,所以Vmax变小。2:双倒数作图斜率增大,纵轴截距增大,横轴截距不变,直线之间相交于横轴。
3.反竞争性抑制剂的特点是只能与酶底物复合物的特定空间部位结合,既不是酶与底物结合的活性中心,也不是活性中心外的必需基团,而是与酶底物复合物的特定空间部位结合。从而抑制生成物的生成。酶促反应速度与底物浓度变化的力学关系为:V=(Vmax[S])/{Km+((1+[I]/Ki)×[S])},其双倒数方程式为:1/V=(Km/Vmax)×(1/[S])+(1/Vmax)×(1+[I]/Ki)。以1/[S]为x轴,以1/V为y轴双倒数作图(图三),从图三中分析,当加入反竞争性抑制剂时,是两条平行的直线,它们之间没有交点。由图三分析可以得到如下结论:1:当反应中添加反竞争性抑制剂时,Km值变小,Vmax变小。2:双倒数作图斜率不变,纵轴截距和横轴截距均增大,直线之间平行。
五、课程内容改革的意义和效果
通过以上教学改革,将酶与维生素章节学时重点分配在酶动力学,并重点详细分析讲解米氏方程的推导。同时,将竞争性抑制,非竞争性抑制和反竞争性抑制学习内容进行比较,从抑制剂与酶如何结合,动力学参数Km,Vmax的变化和双倒数作图其斜率,纵轴和横轴截距变化和直线之间的关系对比,深入透测的讲解知识点,收到了良好的教学效果,并提高了同学们的学习兴趣[3]。
参考文献:
[1]余果宇,冯维杨,李树德.提高生物化学与分子生物学教学质量的思考[J].山西医科大学学报:基础医学教育版,2011,13(2):136-138.
[2]刘乃国,单长民,马朋,等.细胞生物学多元化教学改革的探索[J].山西医科大学学报:基础医学教育版,2011,13(5):430-431.
[3]樊继山,刘丹宁,杨朝辉,等.生物化学课堂教学的几点体会[J].山西医科大学学报:基础医学教育版,2009,11(2):167-169.
基金项目:本项目得到中国教育部博士点新教师基金(项目编号:20125503120015)资助;重庆医科大学基础研究启动资金资助项目(0800280031)
通讯作者:汪长东。
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