3.5　酶催化动力学

3.5.1　米氏方程

在酶催化过程中，反应物分子需要克服一定的能阈才能达到活化状态，再形成产物。酶的作用在于与底物形成中间过渡态产物，大大降低反应过程中所需要的活化能，同样多的能量可使更多分子发生反应，反应速率得到成百万倍的提高。

1913年L.Michaelis和M.L.Menten将化学反应过渡态理论运用于酶催化反应动力学中，提出了著名的米氏方程（Michaelis-Menten equation），数学表示式如下：

式中，v表示酶促反应速率；vmax表示最大反应速率；[S]为底物浓度；Km为米氏常数（Michaelis constant）。

上述方程式定量地描述了酶促反应的速率与底物浓度之间的关系。

Michaelis和Menten用下式描述了典型的酶催化单底物反应时的动力学特征：

式中，k1、k2和k3分别表示形成酶-底物中间过渡态产物的反应速率常数、分解速率常数和形成产物的反应速率常数。

假设反应初期的产物分解忽略不计，那么当反应达到动态平衡时，[ES]基本恒定，即ES生成速率是其分解速率和产物生成速率之和，可以表示为：

k1[S]（[E0]-[ES]）=k2[ES]+k3[ES]　　（3.1）

式中，[E0]为酶的初始浓度，也是酶的总浓度。

整理方程式得：

[S]（[E0]-[ES]）/[ES]=（k2+k3）/k1　　（3.2）

令：（k2+k3）/k1=Km　　（3.3）

Km为米氏常数，代入式（3.2）得：

[ES]=[S][E0]/（Km+[S]）　　（3.4）

酶促反应速率（v）可用产物的生成速率（v3）表达，即：

v=v3=k3[ES]　　（3.5）

将式（3.4）代入式（3.5），得：

v=k3[S][E0]/（Km+[S]）=k3[E0]×[S]/（Km+[S]）　　（3.6）

当所有酶都与底物结合时，[ES]=[E0]，最大反应速率（vmax）可表示为：

vmax=k3[ES]=k3[E0]　　（3.7）

整理式（3.6）和式（3.7），得到米氏方程：

上述米氏方程（M-M方程）中Km的单位与浓度单位一致，如mol/L。米氏常数Km是酶的特征参数，对不同底物有其特定的Km值（表3.5）。

通过米氏方程既可以计算已知底物浓度下的反应速率，也可以计算达到一定反应速率时对应的底物浓度。当酶促反应的反应速率（v）是最大反应速率（vmax）一半时，米氏方程可表示为：

此时，Km=[S]，即米氏常数（Km）是酶促反应速率达到最大反应速率一半时的底物浓度（图3.20）。式（3.3）中Km是反应速率常数k1、k2和k3的函数，k1、k2和k3由酶促反应性质和反应条件决定，所以Km是在一定反应条件（温度、pH）下，某一特定反应（固定底物）的特征常数。Km与酶的性质有关，与酶的浓度无关。

米氏常数Km可以反映酶与底物的亲和程度。Km越大，达到最大反应速率一半时所需要的底物浓度越高，说明酶与底物的亲和力越小；反之，Km越小，酶与底物的亲和力越大。所以通过测定各种底物的Km，可以用来鉴定酶的最适底物，Km最小的底物就是该酶的最适底物。如表3.5中蔗糖酶可以催化分解2种底物：蔗糖和棉子糖，蔗糖的Km值（2.8×10-2mol/L）小于棉子糖的Km值（35.0×10-2mol/L），故蔗糖为蔗糖酶的最适底物。通常情况，酶也是根据最适底物命名的。

对于遵循米氏方程动力学规律的酶，其Km可以通过实验测定。将米氏方程两边同时取倒数（双倒数），得到如下方程：

以1/v作为Y轴，1/[S]作为X轴作图，可以得到图3.21所示的一条直线，X轴的截距为-1/Km，Y轴的截距为1/vmax，斜率为Km/vmax，由此可以求得Km和vmax。这种方法是1924年Lineweaver和Burk提出的，故叫做Lineweaver-Burk作图法。

3.5.2　酶催化反应的影响因素

酶催化作用受生物体所处的大环境和细胞内小环境双重影响。在酶促反应中，酶的浓度、酶活性、反应温度、pH、底物浓度、抑制剂或激活剂等因素都会影响酶的催化反应速率。

1）酶的浓度

酶促反应中，酶首先要与底物形成ES中间复合体，通常情况是底物浓度过量，这样反应速率就会随着酶的浓度增加而提高。

动物血液中的葡萄糖浓度会随饮食发生波动，相应地参与生物氧化、物质代谢的酶活性也会有所变化。葡萄糖浓度高时，细胞内糖原合成的酶促反应加强；葡萄糖浓度低时，分解糖原的酶促反应就会增强。体内代谢产生的一些化合物还能起到信号分子的作用，调节酶的合成速度和浓度。

2）反应温度

酶促反应受温度影响较大。一定范围内，反应速率随温度的升高而加快，反之温度降低，反应速率减慢。温度升高10℃的反应速率与原来反应速率之比称为温度系数（temperature coefficient），一般酶促反应的温度系数为2。虽然温度升高加快反应速率，但达到一定温度后，反应速率反而会随之下降，原因是高温会使酶的结构发生变化甚至变性，导致酶活性降低或丧失。

大部分酶都有各自的最适温度（optimum temperature），受酶的纯度、不同底物、抑制剂或激活剂等因素影响而有所变化，所以最适温度不是酶的特征物理常数，不同的生物体内酶的最适温度差异较大。如动物体内酶的最适温度一般在35～40℃，植物体内40～50℃，个别耐热细菌内酶的最适温度可达到70℃。在寒冷、火山、温泉等极端环境中生存的微生物已经适应了恶劣环境，其酶的构成和分子结构比较特殊，酶的最适温度即为所处环境温度。通常低温保鲜、低温保存菌种和低温保存作物种子就是利用低温可降低酶活的原理；相反，高温消毒灭菌是利用高温使酶变性，从而破坏酶活。

人体在极端炎热的条件下，产生的热量不能正常释放，体温升高，导致酶的作用受阻，人体不能正常发挥生理功能，神经系统也受到影响，产生昏迷甚至死亡，这种现象就是中暑。而温度过低，如长期泡在冰水中，可能导致体温过低，酶也不能正常发挥作用，人会丧失知觉、失去意识，也能导致死亡。

3）pH

pH影响酶的解离状态，同时也影响酶分子的空间构象。一般情况下，过酸或过碱都会破坏酶的构象，引起酶失活。大多数酶在特定pH值范围内具有最大的催化活性，该pH称为酶的最适pH（optimum pH）。不同的酶具有不同的最适pH，最适pH是酶的特性之一，但不是一个常数。酶的最适pH受底物种类和浓度、溶液浓度等因素影响。大多数酶的最适pH范围在5～8，动物的酶一般在pH6.5～8.0，植物和微生物的酶则在pH4.5～6.5。胃酸中的胃蛋白酶能适应极度的酸性（pH1.5）条件水解蛋白质，肝脏中的精氨酸酶最适pH为9.7，血液中多数酶的最适pH是中性偏碱性。

酶在最适pH时呈解离状态，有利于结合底物并发生催化反应。pH变化会影响酶的解离状况，尤其是活性中心附近氨基酸残基的解离，同时也会影响底物分子的解离状态，导致酶与底物不能很好地形成中间过渡态或中间过渡态不能顺利解离成产物。

4）抑制剂或激活剂

能够引起酶活力降低或丧失的物质被称为酶的抑制剂（inhibitor），而能够提高酶活性，加速酶促反应的物质称为酶的激活剂（activator）。对于酶来说，无论是抑制剂还是激活剂，都具有选择性、相对性。一种物质对某种酶是激活剂，但对另外一种酶却是抑制剂。如Mg2+对脱羧酶、DNA聚合酶、烯醇化酶是激活剂，但对肌球蛋白腺苷三磷酶却是抑制剂。

激活剂能够使已经具有活性的酶继续提高其活性，它不同于酶原激活。酶的激活剂有几种：①K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe2+等金属离子和Cl-、Br-、I-、CN-、等阴离子，如Mg2+是多数激酶和合成酶的激活剂，Zn2+能够激活羧肽酶，Cl-可以激活唾液淀粉酶；②一些小分子有机物也可以作酶的激活剂，如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽、巯基乙醇和维生素C等，可以保护酶中的巯基不被氧化，提高酶活性，含巯基酶有木瓜蛋白酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶等；③金属螯合剂可以去除抑制酶活的重金属离子，也可以看作是酶的激活剂；④有些蛋白激酶可激活一些酶并提高活性，如磷酸化酶b激酶可激活磷酸化酶b，而磷酸化酶b激酶又受到cAMP依赖蛋白激酶的激活。