第三节酶促反应动力学_生物化学（第4版）（全国高等学历继续教育“十三五”（临床专科)规划教材）-QQ阅读历史男生网

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第三节　酶促反应动力学

酶促反应动力学（kinetics of enzyme-catalyzed reaction）是研究酶促反应速率及其影响因素的科学。有许多因素影响酶促反应速率，主要包括底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂和抑制剂等。研究酶促反应动力学具有重要的理论和实践意义。

一、底物浓度对酶促反应速率的影响

在酶浓度及其他因素不变的情况下，酶促反应速率对底物浓度作图呈矩形双曲线（图3-5）。当底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而升高，反应呈一级反应；随着底物浓度的不断增加，反应速度增加的幅度不断变缓，呈现混合级反应；再随着底物的不断增加，以至于所有酶的活性中心均被底物饱和，反应速度不再增加，达到最大反应速度，表现为零级反应（图3-5）。

图3-5　底物浓度对酶促反应速率的影响

（一）米-曼方程

解释酶促反应速率与底物浓度之间的变化关系的最合理的学说是中间产物学说。酶（E）首先与底物（S）结合生成酶-底物中间复合物（ES），然后ES分解为产物（P）并游离出酶。

1913年Leonor Michaelis和Maud Menten提出了酶促反应速率和底物浓度关系的数学表达式，即著名的米-曼方程，简称米氏方程。

式中 V _max为最大反应速度，[S]为底物浓度， K _m为米氏常数， V是在不同[S]时的反应速度。由米氏方程可知：①当底物浓度很低（[S]＜＜ K _m）时，反应速率与底物浓度呈正比

，反应呈一级反应；②当底物浓度很高（[S]＞＞ K _m）时，反应速率达到最大反应速率（ V≌ V _max），反应呈零级反应。

（二） K _m和 V _max的意义

1. K _m值等于酶促反应速率为最大速率一半时的底物浓度

当 V等于 V _max的一半时，米氏方程可表示

，整理得 K _m=[S]。

2. K _m值是酶的特征性常数

K _m值大小与酶的结构、底物和反应条件（如温度、pH、离子强度）有关，而与酶的浓度无关。

3. K _m值在一定条件下可表示酶对底物的亲和力

K _m值愈小，反映酶和底物的亲和力愈大，因为达到酶半饱和（ V _max/2）所需要的底物浓度愈低。这表示不需要很高的底物浓度便可容易地达到最大反应速率。而 K _m值愈大，反映酶和底物的亲和力愈小，因为达到酶半饱和（ V _max/2）所需要的底物浓度愈高。

4. V _max是酶完全被底物饱和时的反应速率

当所有酶均被底物结合形成ES时，反应速率达到最大，即 V _max。

问题与思考

乙醇在体内脱氢产生的乙醛进一步经乙醛脱氢酶代谢。在乙醇敏感人群中，由于乙醛脱氢酶个别氨基酸的改变，酶对底物NAD ⁺的 K _m增加，乙醛不能有效分解，造成乙醛体内聚集，表现为血管扩张、面色发红和心跳加速等现象。

思考：酶 K _m改变如何影响体内物质的代谢。

二、酶浓度对酶促反应速率的影响

在酶促反应体系中，当[S]远远大于[E]时，酶促反应速率与酶浓度变化呈正比关系（图3-6）。

三、温度对酶促反应速率的影响

温度对酶促反应速率的影响具有双重性（图3-7）。一方面在较低温度范围内，随着反应体系温度升高，底物分子的热运动加快，分子碰撞机会增加，酶的活性逐步增加，酶促反应速率逐渐加快，直至到最大反应速率。温度每升高10℃，反应速率可增加1～2倍。另一方面温度过高会使酶变性而失活，酶促反应速率下降。大多数酶当温度升高到60℃，开始变性；80℃时，大多数酶的变性已不可逆。

图3-6　酶浓度对反应速率的影响

图3-7　温度对酶活性的影响

通常将酶促反应速率最快时反应体系的温度称为酶的最适温度（optimum temperature）。人体内多数酶的最适温度在35～40℃之间。能在较高温度生存的生物，细胞内酶的最适温度亦较高，如一种来源于栖热水生菌的耐热 TaqDNA聚合酶，其最适温度为72℃，已作为工具酶用于分子生物学实验中。

酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应时间有关。酶可以在短时间内耐受较高的温度；相反，延长反应时间，酶的最适温度降低。低温使酶活性下降，随着温度的回升酶活性逐渐恢复。医学上的低温麻醉和低温保存酶和菌种就是利用了酶的这一特性。

理论与实践

温度对酶活性影响在医学上的应用

温度对酶活性有双重影响，酶在低温下活性降低，但是不发生变性，随着温度的回升，酶的活性逐步恢复。医学上采用低温麻醉和抢救危重患者采用的亚冬眠疗法和物理降温，都是依据酶活性随温度的下降而降低的性质。低温状态下，机体组织细胞的酶活性很低，机体代谢速率减慢，组织细胞耗氧量减少，机体对氧及营养物质缺乏的耐受性升高，对机体起保护作用，有利于手术治疗和患者度过疾病的危重期。实验室低温保存酶和菌种等生物制品也是利用酶的这一机制。而高温时，酶蛋白可发生变性，酶活性降低或丧失，不可逆，临床上利用高温灭菌消毒就是基于这一理论。

四、pH对酶促反应速率的影响

酶活性中心的一些必需基团需要在一定的pH条件下保持特定的解离状态才能具有酶的活性。此外，底物与辅助因子也可因酶促反应体系的pH的改变影响其解离状态。只有当酶活性中心的必需基团、辅酶和底物的解离状态最适合它们之间相互结合而形成酶-底物中间复合物时，酶才体现出最大的催化活性，使酶促反应速率达到最大。

酶催化活性最大时反应体系的pH称为酶的最适pH（optimum pH）。不同的酶，其最适pH也不同（图3-8）。除胃蛋白酶（最适pH约为1.8），肝精氨酸酶（最适pH约为9.8）等极少数酶外，生物体内多数酶的最适pH接近中性。

酶的最适pH不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液的种类与浓度、酶的纯度等因素的影响。反应体系的pH高于或低于最适pH时，酶的活性都会降低，远离最适pH时还可导致酶变性而失活。因此，在测定酶的活性时，应选择适宜的缓冲液以保持酶的活性。

图3-8　pH对某些酶活性的影响

五、激活剂对酶促反应速率的影响

使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂（activator）。激活剂包括无机离子和小分子有机化合物，如 Mg ²⁺、K ⁺、Mn ²⁺、Cl ^-及胆汁酸盐等。

大多数金属离子对酶促反应是必需的，如缺乏则酶没有活性，这类激活剂称为酶的必需激活剂，如Mg ²⁺是多种激酶的必需激活剂。有些激活剂不存在时，酶仍有一定的活性，但催化效率较低，加入激活剂后，酶的活性显著提高，这类激活剂称为酶的非必需激活剂，如Cl ^-是唾液淀粉酶的非必需激活剂，胆汁酸盐是胰脂肪酶的非必需激活剂。

六、抑制剂对酶促反应速率的影响

在酶促反应中，凡能选择性地使酶活性降低或丧失而不引起酶变性的物质统称为酶的抑制剂（inhibitor，I）。抑制剂可与酶活性中心内或活性中心外的必需基团结合，从而影响酶的催化活性。而加热、强酸、强碱等理化因素导致酶变性的不属于抑制作用范畴。

根据抑制剂与酶结合的紧密程度和抑制作用效果不同，酶的抑制作用可分为不可逆性抑制作用（irreversible inhibition）和可逆性抑制作用（reversible inhibition）两类。

（一）不可逆性抑制作用

不可逆性抑制剂和酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活。此类抑制剂不能用透析或超滤等方法除去，但可用某些药物解除，使酶恢复活性。

一些基团特异性抑制剂只能与酶活性中心内的必需基团进行专一的共价结合，从而抑制酶活性。如有机磷农药（敌百虫、敌敌畏、农药1059等）能专一性地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基的羟基（—OH）结合，使酶失活，从而使乙酰胆碱不能及时降解而堆积，引起胆碱能神经的毒性兴奋状态。

解磷定（PAM）可以解除有机磷化合物对羟基酶的抑制作用，因此临床上常用此药治疗有机磷农药中毒。

问题与思考

有人误服农药“1059”，之后自觉头晕，乏力，四肢颤抖并伴有恶心、呕吐。家人紧急送医，经查瞳孔缩小，对光反射迟钝，血清胆碱酯酶活性降低，初步诊断为有机磷中毒。

思考：根据病人出现异常症状和检查结果，如何建立有效的急诊处理方案。

半胱氨酸残基的巯基（-SH）是许多酶的必需基团。低浓度的重金属离子（Hg ²⁺、Ag ⁺、Pb ²⁺等）和含As ³⁺化合物可与酶分子的巯基（-SH）结合，使酶失活。例如路易斯气（一种化学毒气），能不可逆地抑制体内巯基酶的活性。

二巯丙醇（BAL）可以解除这种抑制作用。BAL含有两个-SH，当其在体内达到一定浓度后，可与毒剂结合，恢复巯基酶的活性。

（二）可逆性抑制作用

可逆性抑制剂与酶或酶-底物复合物非共价可逆性结合，使酶活性降低或丧失。采用透析或超滤等方法可将抑制剂除去，使酶活性恢复。可逆性抑制作用分为以下三种。

1.竞争性抑制作用

抑制剂与酶的底物结构相似，可与底物竞争结合酶活性中心，从而阻碍酶与底物结合，这种抑制作用称为竞争性抑制作用（competitive inhibition）。

竞争性抑制作用的特点：①抑制剂在结构上与底物相似，两者竞争同一酶的活性中心，因此抑制剂的存在能降低酶与底物的亲和力，使 K _m增大；②抑制剂与酶的结合是可逆的，竞争性抑制作用的强弱取决于抑制剂与底物之间的相对浓度，抑制剂浓度不变时，可通过增加底物浓度减弱甚至解除抑制剂对酶的抑制作用，此时酶促反应速率仍可达到最大反应速率，因此 V _max不变。

磺胺类药物的抑菌机制就是应用竞争性抑制的原理。磺胺类药物结构与细菌合成二氢叶酸（FH ₂）的底物对氨基苯甲酸类似，竞争性结合FH ₂合成酶活性中心，抑制FH ₂以至于四氢叶酸（FH ₄）的合成，干扰一碳单位代谢，进而干扰核酸的合成，使细菌的生长受到抑制。

抗高血脂药，他汀类药物（阿伐他汀和普伐他汀等）是胆固醇合成关键酶HMG-CoA还原酶天然底物的结构类似物，能有效竞争抑制HMG-CoA还原酶，因此能抑制胆固醇的合成，降低血浆中胆固醇的水平。

另外，许多属于抗代谢物的抗癌药物，如甲氨蝶呤（MTX）、5-氟尿嘧啶（5-FU）、6-巯基嘌呤（6-MP）等均属酶的竞争性抑制剂，可抑制嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸的合成，达到抑制肿瘤生长的目的。

2.非竞争性抑制作用

抑制剂与酶活性中心外的结合位点可逆结合，并不影响底物与酶的结合，与底物无竞争关系，但是生成的酶-底物-抑制剂复合物（ESI）不能进一步释放产物，这种抑制作用称为非竞争性抑制作用（non-competitive inhibition）。

非竞争性抑制作用特点：①抑制剂并不影响底物与酶的结合，酶对底物的亲和力不变，因此 K _m不变；②抑制作用程度取决于抑制剂的浓度，增加底物浓度不能减弱抑制作用，底物及抑制剂结合生成的酶-底物-抑制剂复合物不能释放出产物，等于减少了酶活性部位，使 V _max下降。

毒毛花苷对细胞膜Na ⁺-K ⁺-ATP酶的抑制作用属于非竞争性抑制。

3.反竞争性抑制作用

与非竞争性抑制剂一样，此类抑制剂也是与酶活性中心外的结合位点相结合，但不同的是，抑制剂的结合位点是由底物诱导产生的，即只有底物结合酶活性中心后，抑制剂才能与酶结合。因此抑制剂仅与酶-底物复合物（ES）结合，生成酶-底物-抑制剂复合物（ESI），使ES的量下降；由于该类抑制剂不仅不排斥E和S的结合，反而可增加两者的亲和力，故称为反竞争性抑制作用（uncompetitive inhibition）。

反竞争性抑制作用的特点：①抑制剂只与酶-底物复合物结合，抑制程度取决于抑制剂的浓度和底物的浓度，当反应体系中存在抑制剂时，ES除了转变产物外，还多了一条生成ESI的去路，这使E和S的亲和力增大， K _m减小；②抑制剂与ES结合生成ESI，既减少了从中间产物转化为产物的量，同时也减少了从中间产物解离出游离酶和底物的量，故 V _max降低。