酶促反應動力學

kinetics of enzyme-catalyzed reactions,酶反應動力學主要研究酶催化的反應速度以及影響反應速度的各種因素。在探討各種因素對酶促反應速度的影響時，通常測定其初始速度來代表酶促反應速度，即底物轉化量<5%時的反應速度。 酶促反應動力學是研究酶促反應速率及其影響因素的科學。這些因素包括酶濃度、底物濃度、pH 值、溫度、激活劑和抑制劑等。在實際生產中要充分發揮酶的催化作用，以較低的成本生產出較高質量的產品，就必須準確把握酶促反應的條件。

基本介紹

• 中文名：酶促反應動力學
• 外文名：kinetics of enzyme-catalyzed reactions
• 研究方向：酶催化的反應速度  
• 影響因素：酶濃度、底物濃度、pH 值等
• 所屬領域：分子科學、生物學
• 反應特性：高效性,高特異性,高不穩定性

底物濃度對反應速度的影響

⑴底物對酶促反應的飽和現象：由實驗觀察到，在酶濃度不變時，不同的底物濃度與反應速度的關係為一矩形雙曲線，即當底物濃度較低時，反應速度的增加與底物濃度的增加成正比（一級反應）；此後，隨底物濃度的增加，反應速度的增加量逐漸減少（混合級反應）；最後，當底物濃度增加到一定量時，反應速度達到一最大值，不再隨底物濃度的增加而增加（零級反應）。

⑵米氏方程及米氏常數：根據上述實驗結果，Michaelis & Menten 於1913年推導出了上述矩形雙曲線的數學表達式，即米氏方程： ν= Vmax[S]/(Km+[S])。其中，Vmax為最大反應速度，Km為米氏常數。

⑶Km和Vmax的意義：

①當ν=Vmax/2時，Km=[S]。因此，Km等於酶促反應速度達最大值一半時的底物濃度。

②當k-1>>k+2時，Km=k-1/k+1=Ks。因此，Km可以反映酶與底物親和力的大小，即Km值越小，則酶與底物的親和力越大；反之，則越小。

③Km可用於判斷反應級數：當[S]<0.01Km時，ν=（Vmax/Km）[S]，反應為一級反應，即反應速度與底物濃度成正比；當[S]>100Km時，ν=Vmax，反應為零級反應，即反應速度與底物濃度無關；當0.01Km<[S]<100Km時，反應處於零級反應和一級反應之間，為混合級反應。

④Km是酶的特徵性常數：在一定條件下，某種酶的Km值是恆定的，因而可以通過測定不同酶（特別是一組同工酶）的Km值，來判斷是否為不同的酶。

⑤Km可用來判斷酶的最適底物：當酶有幾種不同的底物存在時，Km值最小者，為該酶的最適底物。

⑥Km可用來確定酶活性測定時所需的底物濃度：當[S]=10Km時，ν=91%Vmax，為最合適的測定酶活性所需的底物濃度。

⑦Vmax可用於酶的轉換數的計算：當酶的總濃度和最大速度已知時，可計算出酶的轉換數，即單位時間內每個酶分子催化底物轉變為產物的分子數。

⑷Km和Vmax的測定：主要採用Lineweaver-Burk雙倒數作圖法和Hanes作圖法。

酶濃度對反應速度的影響

當反應系統中底物的濃度足夠大時，酶促反應速度與酶濃度成正比，即ν=k[E]。

溫度對反應速度的影響

一般來說，酶促反應速度隨溫度的增高而加快，但當溫度增加達到某一點後，由於酶蛋白的熱變性作用，反應速度迅速下降。酶促反應速度隨溫度升高而達到一最大值時的溫度就稱為酶的最適溫度。酶的最適溫度與實驗條件有關，因而它不是酶的特徵性常數。低溫時由於活化分子數目減少，反應速度降低，但溫度升高后，酶活性又可恢復。

pH對反應速度的影響

觀察pH對酶促反應速度的影響，通常為一鐘形曲線，即pH過高或過低均可導致酶催化活性的下降。酶催化活性最高時溶液的pH值就稱為酶的最適pH。人體內大多數酶的最適pH在6.5～8.0之間。酶的最適pH不是酶的特徵性常數。

抑制劑對反應速度的影響

凡是能降低酶促反應速度，但不引起酶分子變性失活的物質統稱為酶的抑制劑。按照抑制劑的抑制作用，可將其分為不可逆抑制作用和可逆抑制作用兩大類。

⑴不可逆抑制作用：

抑制劑與酶分子的必需基團共價結合引起酶活性的抑制，且不能採用透析等簡單方法使酶活性恢復的抑制作用就是不可逆抑制作用。如果以ν～[E]作圖，就可得到一組斜率相同的平行線，隨抑制劑濃度的增加而平行向右移動。酶的不可逆抑制作用包括專一性抑制（如有機磷農藥對膽鹼酯酶的抑制）和非專一性抑制（如路易斯氣對巰基酶的抑制）兩種。

⑵可逆抑制作用：

抑制劑以非共價鍵與酶分子可逆性結合造成酶活性的抑制，且可採用透析等簡單方法去除抑制劑而使酶活性完全恢復的抑制作用就是可逆抑制作用。如果以ν～[E]作圖，可得到一組隨抑制劑濃度增加而斜率降低的直線。可逆抑制作用包括競爭性、反競爭性和非競爭性抑制幾種類型。

① 競爭性抑制：抑制劑與底物競爭與酶的同一活性中心結合，從而干擾了酶與底物的結合，使酶的催化活性降低，這種作用就稱為競爭性抑制作用。其特點為：a.競爭性抑制劑往往是酶的底物類似物或反應產物；b.抑制劑與酶的結合部位與底物與酶的結合部位相同；c.抑制劑濃度越大，則抑制作用越大；但增加底物濃度可使抑制程度減小；d.動力學參數：Km值增大，Vm值不變。典型的例子是丙二酸對琥珀酸脫氫酶（底物為琥珀酸）的競爭性抑制和磺胺類藥物（對氨基苯磺醯胺）對二氫葉酸合成酶（底物為對氨基苯甲酸）的競爭性抑制。

② 反競爭性抑制：抑制劑不能與游離酶結合，但可與ES複合物結合併阻止產物生成，使酶的催化活性降低，稱酶的反競爭性抑制。其特點為：a.抑制劑與底物可同時與酶的不同部位結合；b.必須有底物存在，抑制劑才能對酶產生抑制作用；c.動力學參數：Km減小，Vm降低。

③ 非競爭性抑制：抑制劑既可以與游離酶結合，也可以與ES複合物結合，使酶的催化活性降低，稱為非競爭性抑制。其特點為：a.底物和抑制劑分別獨立地與酶的不同部位相結合；b.抑制劑對酶與底物的結合無影響，故底物濃度的改變對抑制程度無影響；c.動力學參數：Km值不變，Vm值降低。

激活劑對反應速度的影響

能夠促使酶促反應速度加快的物質稱為酶的激活劑。酶的激活劑大多數是金屬離子，如K+、Mg2+、Mn2+等，唾液澱粉酶的激活劑為Cl-。