生物化學(xué)與分子生物學(xué):第五節(jié)　酶促反應(yīng)的動力學(xué)

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酶促反應(yīng)動力學(xué)(kineticsof enzyme-catalyzed reactions)是研究酶促反應(yīng)速度及其影響因素的科學(xué)。這些因素主要包括酶的濃度、底物的濃度、pH、溫度、抑制劑和激活劑等。在研究某一因素對酶促反應(yīng)速度的影響時，應(yīng)該維持反應(yīng)中其它因素不變，而只改變要研究的因素。但必須注意，酶促反應(yīng)動力學(xué)中所指明的速度是反應(yīng)的初速度，因?yàn)榇藭r反應(yīng)速度與酶的濃度呈正比關(guān)系，這樣避免了反應(yīng)產(chǎn)物以及其他因素的影響。

酶促反應(yīng)動力學(xué)的研究有助于闡明酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，也可為酶作用機(jī)理的研究提供數(shù)據(jù)；有助于尋找最有利的反應(yīng)條件，以最大限度地發(fā)揮酶催化反應(yīng)的高效率；有助于了解酶在代謝中的作用或某些藥物作用的機(jī)理等，因此對它的研究具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

一、酶濃度對反應(yīng)速度的影響

在一定的溫度和pH條件下，當(dāng)?shù)孜餄舛却蟠蟪^酶的濃度時，酶的濃度與反應(yīng)速度呈正比關(guān)系(圖2-7)。

二、底物濃度對反應(yīng)速度的影響

在酶的濃度不變的情況下，底物濃度對反應(yīng)速度影響的作用呈現(xiàn)矩形雙曲線(rectangular hyperbola)(圖2-8)。


圖2-7 酶濃度對反應(yīng)初速度的影響	圖2-8 底物濃度對反應(yīng)初速度的影響

在底物濃度很低時，反應(yīng)速度隨底物濃度的增加而急驟加快，兩者呈正比關(guān)系，表現(xiàn)為一級反應(yīng)。隨著底物濃度的升高，反應(yīng)速度不再呈正比例加快，反應(yīng)速度增加的幅度不斷下降。如果繼續(xù)加大底物濃度，反應(yīng)速度不再增加，表現(xiàn)為0級反應(yīng)。此時，無論底物濃度增加多大，反應(yīng)速度也不再增加，說明酶已被底物所飽和。所有的酶都有飽和現(xiàn)象，只是達(dá)到飽和時所需底物濃度各不相同而已。

(一)米曼氏方程式

解釋酶促反應(yīng)中底物濃度和反應(yīng)速度關(guān)系的最合理學(xué)說是中間產(chǎn)物學(xué)說。酶首先與底物結(jié)合生成酶椀孜鋦春銜?中間產(chǎn)物)，此復(fù)合物再分解為產(chǎn)物和游離的酶。

Michaelis和Menten在前人工作的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，1913年前后提出了反應(yīng)速度和底物濃度關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，即著名的米椔戲匠淌?michaelismenten equation)．

V=Vmax[S]/Km+[Sf1411.cn/shiti/]

Vmax指該酶促反應(yīng)的最大速度，[S]為底物濃度，Km是米氏常數(shù)，V是在某一底物濃度時相應(yīng)的反應(yīng)速度。當(dāng)?shù)孜餄舛群艿蜁r，[S]《Km,則V≌Vmax/Km[S]，反應(yīng)速度與底物濃度呈正比。當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r，[S]》Km，此時V≌Vmax，反應(yīng)速度達(dá)最大速度，底物濃度再增高也不影響反應(yīng)速度(圖2-9)。

圖2-9 酶與不同濃度的底物相互作用模式

(二)米－曼氏方程式的推導(dǎo)

米－曼氏方程式提出后又經(jīng)riggs和Haldane的充實(shí)和發(fā)展，經(jīng)補(bǔ)充和發(fā)展的米－曼氏方程工推導(dǎo)如下：

(1)

式中K1、K2、K3、K4分別為各向反應(yīng)的速度常數(shù)。

從式(1)中知，ES的生成途徑來自E+S和E+P，但其中E+P生成ES的速度極小(尤其在起始階段，P的生成很少)，可以忽略不計(jì)，又因?yàn)榈孜餄舛却蟠蟪^酶的濃度，[S]》[E]，中間產(chǎn)物ES中的S濃度可以忽略不計(jì)，因此，ES的生成速度為：

d[ES]	＝	K1([Et]-[ES])·[S]	(2)
dt

其中［Et］-［ES］為游離酶的濃度，ES的分解速度為：

-	[ES]	=	K2[ES]+K3[ES]=(K2+K3)[ES]	(3)
dt

當(dāng)反應(yīng)體系處于穩(wěn)態(tài)時，ES生成和分解的速度相等，即

K1(［Et］-［ES］)·[S]=(K2+K3)［ES］

K2+K3	=	[Et]-[ES]	·[S]
K1	[ES]

令K2+K3／K1=Km　則　Km=［Et］-［ES］／［ES］·[S]

［ES］=[Et][S]/Km+[S]　　　 (4)

由于反應(yīng)速度取決于產(chǎn)物P的生成量，故

V=K3［ES　　　 (5)

在酶促反應(yīng)達(dá)最大速度時，所有的酶分子都已與底物結(jié)合形成中間產(chǎn)物，此時

［Et］=［ES］　　　 (6)

那么　Vmax=K3［Et］　　　 (7)

在(4)式兩邊乘以K3得：

K3·［ES］=K3·［Et］[S]／Km+[S]　以(5)和(7)式代入，即：

V=Vmax[S]／Km+[S]

(三)米氏常數(shù)的意義

當(dāng)反應(yīng)速度為最大速度一半時，米氏方程可以變換如下：

½Vmax=Vmax[S]／Km+[S]

進(jìn)一步整理可得到：

Km=[S]

可知，Km值等于酶反應(yīng)速度為最大速度一半時的底物濃度。

因?yàn)镵m=K2+K3／K1，當(dāng)K2》K3，即ES解離成E和S的速度大大超過分離成E和P的速度時，K3可以忽略不計(jì)，此時Km值近似于ES解離常數(shù)KS，此時Km值可用來表示酶對底物的親和力。

Km=K2/K1=[E][S]/［ES］=KS

Km值愈大，酶與底物的親和力愈��；Km值愈小，酶與底物親和力愈大。酶與底物親和力大，表示不需要很高的底物濃度，便可容易地達(dá)到最大反應(yīng)速度。但是KS值并非在所有酶促反應(yīng)中都遠(yuǎn)小于K2，所以Ks值(又稱酶促反應(yīng)的底物常數(shù))和Km值的涵義不同，不能互相代替使用。

Km值是酶的特征性常數(shù)，只與酶的性質(zhì)，酶所催化的底物和酶促反應(yīng)條件(如溫度、pH、有無抑制劑等)有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)。酶的種類不同，Km值不同，同一種酶與不同底物作用時，Km值也不同。各種酶的Km值范圍很廣，大致在10-1～10-6M之間。

當(dāng)K3不遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于K2和K1時，Km表示整個反應(yīng)的化學(xué)平衡的常數(shù)。

如果Km值已知，任何底物濃度時酶的飽和度(形成中間產(chǎn)物的酶占總酶的比例，saturation fraction fEs)fEs便可計(jì)算出來。

fES=［ES］／［Et］=K3［ES］／K3［Et］＝V／Vmax=[S]／Km+[S]

(四)Km和Vmax的求法

如圖2?所示，底物濃度曲線是矩形雙曲線。

從圖中很難精確地測出Km和Vmax。為此人們將米氏方程進(jìn)行種種變換，將曲線作圖轉(zhuǎn)變成直線作圖。

1.雙倒數(shù)作圖(doublereciprocal plot or LineweaverBurk plot)

將米氏方程兩邊取倒數(shù)，可轉(zhuǎn)化為下列形式：

1／V=Km／Vmax·1／[S]+1／Vmax

從圖2-10可知，1/V對1/[S]的作圖得一直線，其斜率是Km/V，在縱軸上的截距為1/Vmax,橫軸上的截距為-1/Km。此作圖除用來求Km和Vmax值外，在研究酶的抑制作用方面還有重要價值。

圖2-10 雙倒數(shù)作圖法

圖2-11 v對v/[s]作圖法

2.V對V〖〗[S][SX)]法(EadieHofstee plot)

將米氏方程經(jīng)移項(xiàng)整理后可寫成

VKm+V[S]=Vm[S]

V[S]=Vm[S]-VKm

故V=Vm-KmV／[S]

以V為縱坐標(biāo)對V／[S]橫坐標(biāo)作圖，所得直線，其縱軸的截距為Vmax，斜率為Km(圖2-11)。

必須指出米氏方程只適用于較為簡單的酶作用過程，對于比較復(fù)雜的酶促反應(yīng)過程，如多酶體系、多底物、多產(chǎn)物、多中間物等，還不能全面地籍此概括和說明，必須借助于復(fù)雜的計(jì)算過程。

三、pH對反應(yīng)速度的影響

酶反應(yīng)介質(zhì)的pH可影響酶分子，特別是活性中心上必需基團(tuán)的解離程度和催化基團(tuán)中質(zhì)子供體或質(zhì)子受體所需的離子化狀態(tài)，也可影響底物和輔酶的解離程度，從而影響酶與底物的結(jié)合。只有在特定的pH條件下，酶、底物和輔酶的解離情況，最適宜于它們互相結(jié)合，并發(fā)生催化作用，使酶促反應(yīng)速度達(dá)最大值，這種pH值稱為酶的最適pH(optimum pH)。它和酶的最穩(wěn)定pH不一定相同，和體內(nèi)環(huán)境的pH也未必相同。

圖2-12 胃蛋白酶和葡萄糖-6-磷酸酶的pH活性曲線

動物體內(nèi)多數(shù)酶的最適pH值接近中性，但也有例外，如胃蛋白酶的最適pH約1.8，肝精氨酸酶最適pH約為9.8(見表2-2)。

表2-2 一些酶的最適pH

酶	最適pH	酶	最適pH	酶	最適pH
胃蛋白酶	1.8	過氧化氫酶	7.6	延胡索酸酶	7.8
胰蛋白酶	7.7	精氨酸酶	9.8	核糖核酸酶	7.8

最適pH不是酶的特征性常數(shù)，它受底物濃度、緩沖液的種類和濃度以及酶的純度等因素的影響。

溶液的pH值高于和低于最適pH時都會使酶的活性降低，遠(yuǎn)離最適pH值時甚至導(dǎo)致酶的變性失活。測定酶的活性時，應(yīng)選用適宜的緩沖液，以保持酶活性的相對恒定。

四、溫度對反應(yīng)速度的影響

化學(xué)反應(yīng)的速度隨溫度增高而加快。但酶是蛋白質(zhì)，可隨溫度的升高而變性。在溫度較低時，前一影響較大，反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，一般地說，溫度每升高10℃，反應(yīng)速度大約增加一倍。但溫度超過一定數(shù)值后，酶受熱變性的因素占優(yōu)勢，反應(yīng)速度反而隨溫度上升而減緩，形成倒V形或倒U形曲線。在此曲線頂點(diǎn)所代表的溫度，反應(yīng)速度最大，稱為酶的最適溫度(optimum temperature)(圖2-13)。

圖2-13 溫度對唾液淀粉酶活性影響

從動物組織提取的酶，其最適溫度多在35℃～40℃之間，溫度升高到60℃以上時，大多數(shù)酶開始變性，80℃以上，多數(shù)酶的變性不可逆。酶的活性雖然隨溫度的下降而降低，但低溫一般不破壞酶。溫度回升后，酶又恢復(fù)活性。臨床上低溫麻醉就是利用酶的這一性質(zhì)以減慢組織細(xì)胞代謝速度，提高機(jī)體對氧和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的耐受體，有利于進(jìn)行手術(shù)治療。

酶的最適溫度不是酶的特征性常數(shù)，這是因?yàn)樗c反應(yīng)所需時間有關(guān)，不是一個固定的值。酶可以在短時間內(nèi)耐受較高的溫度，相反，延長反應(yīng)時間，最適溫度便降低。

五、抑制劑對反應(yīng)速度的影響

凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白變性的物質(zhì)稱做酶的抑制劑(inhibitor)。使酶變性失活(稱為酶的鈍化)的因素如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等，不屬于抑制劑。通常抑制作用分為可逆性抑制和不可逆性抑制兩類。

(一)不可逆性抑制作用(irreversibleinhibitionf1411.cn/zhicheng/)

不可逆性抑制作用的抑制劑，通常以共價鍵方式與酶的必需基團(tuán)進(jìn)行不可逆結(jié)合而使酶喪失活性，按其作用特點(diǎn)，又有專一性及非專一性之分。

1.非專一性不可逆抑制

抑制劑與酶分子中一類或幾類基團(tuán)作用，不論是必需基團(tuán)與否，皆可共價結(jié)合，由于其中必需基團(tuán)也被抑制劑結(jié)合，從而導(dǎo)致酶的失活。某些重金屬(Pb++、Cu++、Hg++)及對氯汞苯甲酸等，能與酶分子的巰基進(jìn)行不可逆適合，許多以巰基作為必需基團(tuán)的酶(通稱巰基酶)，會因此而遭受抑制，屬于此種類型。用二巰基丙醇(british antilewisite,BAL)或二巰基丁二酸鈉等含巰基的化合物可使酶復(fù)活。

2.專一性不可逆抑制

此屬抑制劑專一地作用于酶的活性中心或其必需基團(tuán)，進(jìn)行共價結(jié)合，從而抑制酶的活性。有機(jī)磷殺蟲劑能專一作用于膽堿酯酶活性中心的絲氨酸殘基，使其磷�；豢赡嬉种泼傅幕钚�。當(dāng)膽堿酯酶被有機(jī)磷殺蟲劑抑制后，膽堿能神經(jīng)末稍分泌的乙酰膽堿不能及時分解，過多的乙酰膽堿會導(dǎo)致膽堿能神經(jīng)過度興奮的癥狀。解磷定等藥物可與有機(jī)磷殺蟲劑結(jié)合，使酶和有機(jī)磷殺蟲劑分離而復(fù)活。

(二)可逆性抑制(reversible inhibition)

抑制劑與酶以非共價鍵結(jié)合，在用透析等物理方法除去抑制劑后，酶的活性能恢復(fù)，即抑制劑與酶的結(jié)合是可逆的。這類抑制劑大致可分為以下二類。

1.競爭性抑制(competitive inhibition)

(1)含義和反應(yīng)式

抑制劑I和底物S對游離酶E的結(jié)合有競爭作用，互相排斥，已結(jié)合底物的ES復(fù)合體，不能再結(jié)合I。同樣已結(jié)合抑制劑的EI復(fù)合體，不能再結(jié)合S。

抑制劑I在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與底物S個相似，能與底物S競爭酶E分子活性中心的結(jié)合基團(tuán)，因此，抑制作用大小取決于抑制劑與底物的濃度比，加大底物濃度，可使抑制作用減弱。

例如，丙二酸、蘋果酸及草酰乙酸皆和琥珀酸的結(jié)構(gòu)相似，是琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑。

(2)反應(yīng)速度公式及作圖

按米氏公式推導(dǎo)方法，也可演算出競爭性抑制時，抑制劑、底物和反應(yīng)速度之間的動力學(xué)關(guān)系及其雙倒數(shù)方程式為：

以1V分別為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)作圖，此方程式可繪成競爭性抑制作用的特性曲線(圖2－14)。

圖 2-14　競爭性抑制

有競爭性抑制劑存在的曲線與無抑制劑的曲線相交于縱坐標(biāo)I/Vmax處，但橫坐標(biāo)的截距，因競爭性抑制存在變小，說明該抑制作用，并不影響酶促反應(yīng)的最大速度，而使Km值變大。

很多藥物都是酶的競爭性抑制劑。例如磺胺藥與對氨基苯甲酸具有類似的結(jié)構(gòu)(如圖2-15)，而對氨基苯甲酸、二氫喋呤及谷氨酸是某些細(xì)菌合成二氫葉酸的原料，后者能轉(zhuǎn)變?yōu)樗臍淙~酸，它是細(xì)菌合成核酸不可缺少的輔酶。由于磺胺藥是二氫葉酸合成酶的競爭性抑制劑，進(jìn)而減少菌體內(nèi)四氫葉酸的合成，使核酸合成障礙，導(dǎo)致細(xì)菌死亡�？咕鲂�-甲氧芐氨嘧啶(TMP)能特異地抑制細(xì)菌的二氫葉酸還原為四氫葉酸，故能增強(qiáng)磺胺藥的作用。

圖2-15 磺胺藥物的抑菌作用

2.非競爭性抑制(non-competitive inhibition)

(1)含義和反應(yīng)式

抑制劑I和底物S與酶E的結(jié)合完全互不相關(guān)，既不排斥，也不促進(jìn)結(jié)合，抑制劑I可以和酶E結(jié)合生成EI，也可以和ES復(fù)合物結(jié)合生成ESI。底物S和酶E結(jié)合成ES后，仍可與I結(jié)合生成ESI，但一旦形成ESI復(fù)合物，再不能釋放形成產(chǎn)物P。