酶动力学

研究酶结合底物能力和催化反应速率的科学

酶动力学是研究酶结合底物能力和催化反应速率的科学。研究者通过酶反应分析法（enzyme assay）来获得用于酶动力学分析的反应速率数据。

基本介绍

研究酶催化剂参与的生物反应过程中，酶反应速率及影响酶反应速率的各种因素。它能提出底物到产物之间可能历程与机理，获取反应速率和影响此速率的诸因素，例如温度、pH、反应物系的浓度以及有关抑制剂等的关系，以满足酶反应过程开发和生物反应器设计的需要。

底物浓度的影响　长期以来，人们已经知道许多化学反应的速率随着反应物浓度的增加而增加。对于一个单底物不可逆的酶反应，当底物浓度增加时，酶反应的速率不断增大并接近一个最大值（见图）。L.米歇利斯和L.M.门腾（1913）基于酶被底物饱和的现象，提出“中间产物”学说：即酶（E）与底物（S）结合形成一个不稳定的中间产物或络合物（ES），然后生成产物（P）和游离酶E，并推导出反应速率与底物浓度的关系式(2),即米氏方程式。它是研究影响反应速率各种因素的基本动力学的方程式，式中r为反应速率，亦即酶活力,以单位时间内底物被分解的量来表示，r=-dS/dt；S表示底物浓度;rmax为最大反应速率；Km为米氏常数，Km=（k2+k3）/k1,其数值等于当酶反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度。Km是酶的一个特征性常数，当速率常数 K2比 K3大很多时,Km就接近络合物（ES）的解离常数。因此，Km是酶与底物亲和力的量度:Km值高表示E与S的亲和力弱;Km值低时表示亲和力强。

在米氏方程中，有两个基本常数Km和rmax，除从图中直接读出近似值外，一般常用双倒数法来求其精确值。此法是将式(2)的两边取倒数，以1/r与1/S来作图，可求出rmax和Km值。

酶的抑制作用　酶的抑制作用是由于某些物质与酶相互作用后导致酶反应速率的下降。引起抑制作用的物质称抑制剂。抑制作用有可逆与不可逆的。可逆抑制又有竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制之分。常用反应式(4)和式(5)来表示可能发生的相互作用。

E+IE=I　(4)

ES+I=ESI　(5)

此外I为抑制剂；EI为酶-抑制剂络合物；ESI为酶-抑制剂-底物络合物。抑制剂可以按式(4)和式(5)所示的相互作用，降低式(1)的反应速率。

①竞争性抑制作用　抑制剂与底物结构相似，与底物对酶分子上相同的活性部位发生竞争性结合，生成络合物,如式(4)所示。竞争性抑制可用增加酶反应中底物浓度而逆转以解除抑制作用。如果抑制剂是产物时，则称竞争性产物抑制,反应过程中常采取增加底物浓度,或不断将产物分离出去，降低产物浓度，提高反应速率。

②非竞争性抑制作用　是由于一种抑制剂既与酶也与酶-底物络合物相互作用引起的结果。如式（4）和式(5)所示,这类抑制作用不能用提高底物浓度来消除。如果抑制剂是产物时，则称为非竞争性产物抑制，在所有范围的底物浓度下，产生的抑制作用是一致的。凡是有产物抑制的酶反应常优先采用连续管式或分批釜式反应器。

③反竞争性抑制作用　如式 (5)所示，抑制剂只与酶-底物络合物相互作用。在低底物浓度下,其抑制作用比在高底物浓度下所产生的效应（对照百分率）要小。在不少酶反应过程中，底物也是抑制剂，底物抑制的酶反应常采用连续釜式反应器生产，它比分批式反应器有利。

以上三种可逆抑制酶反应的修正米氏方程式（见表），有一般表达式和典型表达式。前者用K抑制常数；后者用K,KP分别为底物和产物抑制常数;I表示抑制剂的浓度;P表示产物浓度。

酶动力学

温度的影响酶对温度极为敏感,绝大多数酶在60℃以上即变性、失活。在低温时酶反应进行缓慢；当温度逐渐升高时，反应速率也逐渐升高；到最高峰时，温度如继续升高反应速率很快降低。

一种酶在一定条件下，只能在某一温度时才表现出最大活力，这个温度就是这种酶反应的最适温度。各种酶都有它的最适温度。最适温度的出现，是由于温度对酶的反应有双重影响的结果。一方面同一般化学反应一样，随着温度升高酶催化的反应速率也加快；另一方面是由于酶是蛋白质，随着温度升高会加速酶蛋白的变性，使酶的活性丧失。

pH的影响　反应介质的氢离子浓度也相当大地影响酶的活力。酶常常在某一pH范围内才表现出最大活力，这种表现出酶最大活力时的pH，就是酶的最适pH。在最适pH范围内，酶反应速率最大，否则酶反应速率就降低。

pH对酶反应速率的影响，一方面是由于酶本身是蛋白质，过酸或过碱易使酶变性失活；另一方面主要是影响了酶分子的活性中心上有关基团的解离或底物的解离，影响酶与底物的结合，从而影响酶的活力。不同酶的最适pH可分布在很广的范围内,从大约pH为2的蛋白酶到大约pH为10的精氨酸酶。某些酶可以跨越几个pH单位的广阔的最适pH范围，而其他一些酶则有非常窄的最适pH。与最适温度一样，一种酶的最适pH可以随所用的底物及其他实验条件而变化。

米氏方程

米氏方程是基于质量作用定律而确立的，而该定律则基于自由扩散和热动力学驱动的碰撞这些假定。然而，由于酶/底物/产物的高浓度和相分离或者一维/二维分子运动，许多生化或细胞进程明显偏离质量作用定律的假定。在这些情况下，可以应用分形米氏方程。

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