第四节 酶促反应的动力学
酶促反应的动力学是研究酶促反应的速度以及影响速度的各种因素的科学。动力学研究既可以为酶的机理研究提供实验证据，又可以指导酶在生产中的应用，最大限度地发挥酶的催化作用。
一、米氏方程
1.米氏方程的推导
米氏学说是1913年Michaelis和Menton建立的，认为反应分为两步，先生成酶-底物复合物（中间产物），再分解形成产物，释放出游离酶。经过Briggs和Haldane的补充与发展，得到了现在的米氏方程。
Ｓ＋Ｅ＝ＳＥ＝Ｐ＋Ｅ
对于上面的反应，首先有三点假设：第一，底物大过量，即[S]》[E]。第二，在反应初期，产物浓度极小，忽略逆反应即k-2=0；第三，稳态假设，即随着反应的进行，复合物的形成速度逐渐降低，分解加快，在某一时刻达到平衡，复合物的浓度为常数，这种状态称为“稳态”。体系达到稳态后，底物的消耗和产物的生成速度都是常数，且相等。经测定，酶加入体系后，在几毫秒之内即可达到稳态，所以我们测定的初速度通常是稳态速度。在产物积累较多之前，体系一直保持稳态，所以反应速度
v=k2[ES]。根据稳态假设，有k1[E][S]=(k-1+k2)[ES]，即[ES]=k1[E][S]/(k-1+k2)。定义(k-1+k2)/k1=Km，因为[E]= [E]0-[ES]，故[ES]= [E]0[S]/(Km+[S])。代入速度方程，得到v= k2[E]0[S]/(Km+[S])。因为当[ES]=[E]0时速度最大，所以Vm=k2[E]0。代入，得到下列米氏方程：
v=Vm×[S]/(Km+[S])
2.米氏常数的意义
米氏常数的物理意义是反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。其酶学意义在于，它是酶的特征常数，只与酶的性质有关，与酶浓度无关。不同的酶其Km不同，同种酶对不同底物也不同。在k2极小时1/Km可近似表示酶与底物的亲和力，1/Km越大，亲和力越大。在酶的多种底物中，Km最小的底物叫做该酶的天然底物。
3.米氏常数的测定
从酶的v-[s]图上可以得到Vm，再从1/2Vm处读出[s]，即为Km。但实际上只能无限接近Vm，却无法达到。为得到准确的米氏常数，可以把米氏方程加以变形，使它相当于线性方程，通过作图得到准确的米氏常数。
双倒数作图法 将方程改写为
1/v=Km/Vm×1/[S]+1/Vm
实验时在不同的底物浓度测定初速度，以1/v对1/[S]作图，直线外推与横轴相交，横轴截踞为-1/Km，纵轴截踞为1/Vm。此法称为Lineweaver-Burk作图法，应用最广，但实验点常集中在左端，作图不易准确。
Eadie-Hofstee法 将方程改写为
v=-Km×v/[S]+Vm
以v对v/[S]作图，直线斜率为-Km。
4.其他动力学参数
Kcat/Km称为酶的专一性常数，它不受非生产性结合与中间产物积累的影响，可以表示酶对相互竞争的几种底物的专一性。生理条件下许多反应的底物浓度是很低的。在底物浓度很低时，v=（Kcat/Km）[E][S]，即Kcat/Km是表观二级速度常数。因为Kcat /Km=k3k1/（k2+k3），所以它小于k1，即小于酶和底物复合物生成的速度常数。它不是真实的微观速度常数，只有当反应的限速步骤是酶与底物的相互碰撞时，它才是真实的微观速度常数。扩散限制决定了速度常数的上限是108-109mol-1s-1，碳酸酐酶、磷酸丙糖异构酶、乙酰胆碱酯酶等都接近这一极限，说明他们的进化已经很完善。
反应级数：对于xA+yB=p的反应，其速度v=k[A]a[B]b，对底物A是a级，对底物B是b级，整个反应的级数是a+b级。反应分子数是指在最慢的一步反应中，参加的最低分子数目。它是指反应机制，必须是整数；而反应级数是通过实验测得的，可以是小数。根据米氏方程，当底物浓度远大于米氏常数时，v=Vm，是零级反应；反之，v=（Vm/Km）[s]，是一级反应。而中间部分则是混合级反应。
二、多底物反应的机制
许多酶催化的反应比较复杂，包含一种以上底物，它们的反应按分子数分为几类，单分子称为uni，双分子称为bi，三分子为ter，四分子为quad。较为常见的是双底物双产物反应，称为bi－bi反应：
A+B→P+Q
目前认为大部分双底物反应可能有三种反应机理：
1.依次反应机理
需要NAD+或NADP+的脱氢酶的反应就属于这种类型。辅酶作为底物A先与酶生成EA，再与底物B生成三元复合物EAB，脱氢后生成产物P，最后放出还原型辅酶NADH或NADPH。
2.随机机理
底物的加入和产物的放出都是随机的，无固定顺序。如糖原磷酸化的反应。
3.乒乓机制
转氨酶是典型的乒乓机制，酶首先与底物A（氨基酸）作用，产生中间产物EA，底物中的氨基转移到辅酶，使辅酶中的磷酸吡哆醛变成磷酸吡哆胺，即EA转变为FP，然后放出产物P（α－酮酸），得到酶F，再与底物B（另一个酮酸）作用，放出产物Q（相应的氨基酸）和酶E。由乙酰辅酶A、ATP和HCO3-三个底物生成丙酰辅酶A的反应也属于乒乓机制。
三、影响反应速度的因素
（一）pH的影响 大部分酶的活力受pH值的影响，在一定的pH值活力最高，称最适pH。一般酶的最适pH在6－8，少数酶需偏酸或碱性条件。如胃蛋白酶最适pH在1.5，而肝精氨酸酶在9.7。
pH影响酶的构象，也影响与催化有关基团的解离状况及底物分子的解离状态。最适pH有时因底物种类、浓度及缓冲溶液成分不同而变化，不是完全不变的。
大部分酶的pH-酶活曲线是钟形曲线，但也有少数酶只有钟形的一半，甚至是直线。如木瓜蛋白酶底物的电荷变化对催化没有影响，在pH4-10之间是一条直线。
（二）温度的影响 酶活随温度变化的曲线是钟形曲线，有一个最高点，即最适温度。温血动物的酶最适温度是35－40度，植物酶在40－50度。这是温度升高时化学反应加速（每升温10℃反应速度加快1－2倍）与酶失活综合平衡的结果。一般酶在60度以上变性，少数酶可耐高温，如牛胰核糖核酸酶加热到100度仍不失活。干燥的酶耐受高温，而液态酶失活快。
最适温度也不是固定值，它受反应时间影响，酶可在短时间内耐受较高温度，时间延长则最适温度降低。
热失活的活化能一般为50-100Kcal/mol，比一般反应的活化能高10倍，在30℃以下是稳定的。
（三）激活剂的影响 凡是能提高酶活性的物质都称为激活剂。大部分激活剂是离子或简单有机化合物。按照分子大小，可分为三类：
1.无机离子 可分为金属离子、氢离子和阴离子三种。起激活剂作用的金属离子有钾、钠、钙、镁、锌、铁等，原子序数在11－55之间，其中镁是多种激酶及合成酶的激活剂。阴离子的激活作用一般不明显，较突出的是动物唾液中的α淀粉酶受氯离子激活，溴的激活作用稍弱。
激活剂的作用有选择性，对另一种酶可能起抑制作用。有些离子还有拮抗作用，如钠抑制钾的激活作用，钙抑制镁。有些金属离子可互相替代，如激酶的镁离子可用锰取代。激活剂的浓度也有影响，浓度过高可能起抑制作用。如对于NADP+合成酶，镁离子浓度在5－10×10-3M时起激活作用，在30×10-3M时酶活下降。
2.中等大小有机分子 某些还原剂如半胱氨酸、还原型谷胱甘肽、氰化物等，能激活某些酶，打开分子中的二硫键，提高酶活，如木瓜蛋白酶、D-甘油醛-3-磷酸脱氢酶等。另一种是EDTA，可螯合金属，解除重金属对酶的抑制作用。
3.蛋白质类 指可对某些无活性的酶原起作用的酶。
（四）抑制剂（inhibitor）的作用
使酶活力下降，但不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用。能引起抑制作用的物质叫做酶的抑制剂。抑制剂与酶分子上的某些必需基团反应，引起酶活力下降，甚至丧失，但并不使酶变性。研究抑制作用有助于对酶的作用机理、生物代谢途径、药物作用机制的了解。抑制作用根据可逆性可分为两类：可逆抑制与不可逆抑制。
1.不可逆抑制(irreversible inhibition) 此类抑制剂通常以共价键与酶结合，不能用透析、超滤等方法除去。按抑制剂的选择性，又可分为专一性与非专一性不可逆抑制剂。前者只能与活性部位的基团反应，后者可与多种基团反应。如对活性部位基团的亲和力比对其他基团大三个数量级，即为专一性抑制剂。有时因作用对象及条件不同，某些非专一性抑制剂会转化，产生专一性抑制作用。常用来判断专一性的方法有：有底物保护现象、有化学计量关系，且作用后酶完全失活、与失活的酶不反应。
常见的不可逆抑制剂有：
²有机磷化合物 可与酶中与酶活直接相关的丝氨酸上的羟基牢固结合，从而抑制某些蛋白酶及酯酶，是专一性抑制剂。此类化合物强烈抑制胆碱酯酶，使乙酰胆碱堆积，引起一系列神经中毒症状，又称为神经毒剂。二战中使用过的DFP及有机磷杀虫剂都属于此类。当有大量底物存在时，底物先与酶的活性部位结合，抑制作用就会减弱，称为底物保护作用。有机磷与酶结合后虽不解离，但有时可用肟化物（含-CH=NOH基）或羟肟酸把酶上的磷酸根除去，使酶恢复活性。临床上用的解磷定(PAM)就是此类化合物。
²有机砷、汞化合物 与巯基作用，抑制含巯基的酶。如对氯汞苯甲酸，可用过量巯基化合物如半胱氨酸或还原型谷胱甘肽解除。砷化物可破坏硫辛酸辅酶，从而抑制丙酮酸氧化酶系统。路易斯毒气(CHCl=CHAsCl2)能抑制几乎所有的巯基酶。砷化物的毒性不能用单巯基化合物解除，可用过量双巯基化合物解除，如二巯基丙醇等。它是临床上重要的砷化物及重金属中毒的解毒剂。
²氰化物 与含铁卟啉的酶（如细胞色素氧化酶）中的Fe2+结合，使酶失活而抑制细胞呼吸。
²重金属 银、铜、铅、汞等盐类能使大多数酶失活，可用螯合剂如EDTA解除。可能是与酶分子中的巯基发生反应，或置换酶中的金属离子。
²烷化剂 主要是含卤素的化合物，如碘乙酸、碘乙酰胺、卤乙酰苯等，是一种非专一性抑制剂，可以烷化巯基，使酶失活。常用于鉴定酶中巯基。
²自杀底物 以潜伏状态存在，与某些酶的活性中心结合后被激活，产生抑制作用。此类抑制剂有高度专一性，只有遇到靶子酶时才转变。也称为Kcat型专一性不可逆抑制剂。另一类专一性不可逆抑制剂称为Ks型，是底物类似物，如TPCK等。
2.可逆抑制 与酶的结合是可逆的，可用透析法除去抑制剂，恢复酶活。根据抑制剂与底物的关系，可逆抑制可分为三种：
（1）竞争性抑制 抑制剂结构与底物类似，与酶形成可逆的EI复合物但不能分解成产物P。抑制剂与底物竞争活性中心，从而阻止底物与酶的结合。可通过提高底物浓度减弱这种抑制。最典型的例子是丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。竞争性抑制剂使Km增大，Km'=Km×（1+I/Ki），Vm不变。
竞争性抑制最常见，磺胺类药物就是竞争性抑制剂，如对氨基苯磺胺。它与对氨基苯甲酸相似，可抑制细菌二氢叶酸合成酶，从而抑制细菌生长繁殖。人体可利用食物中的叶酸，而细菌不能利用外源的叶酸，所以对此类药物敏感。抗菌增效剂TMP可增强磺胺的药效，因为其结构与二氢叶酸类似，可抑制细菌二氢叶酸还原酶，但很少抑制人体二氢叶酸还原酶。它与磺胺配合使用，可使细菌的四氢叶酸合成受到双重阻碍，严重影响细菌的核酸及蛋白质合成。
植物中的某些生物碱如毒扁豆碱是胆碱酯酶的竞争性抑制剂，含季铵基团，与乙酰胆碱类似，能抑制胆碱酯酶活力。
（2）非竞争性抑制 酶可以同时与底物和抑制剂结合，两者没有竞争。但形成的中间物ESI不能分解成产物，因此酶活降低。非竞争抑制剂与酶活性中心以外的基团结合，大部分与巯基结合，破坏酶的构象，如一些含金属离子（铜、汞、银等）的化合物。亮氨酸是精氨酸酶的非竞争抑制剂，EDTA络合金属引起的抑制也是非竞争抑制，如对需要镁离子的己糖激酶的抑制。非竞争性抑制使Km不变，Vm变小。
（3）反竞争性抑制 酶与底物结合后才能与抑制剂结合，复合物不能生成产物。反竞争性抑制剂使Km和Vm都变小。
