【正文】 第四章 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 第一節(jié) 酶催化反應(yīng)的基本特征 ?酶是生物提高其生化反應(yīng)效率而產(chǎn)生的生物催化劑，其化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。 ?在生物體內(nèi)，所有的反應(yīng)均在酶的催化作用下完成，幾乎所有生物的生理現(xiàn)象都與酶的作用緊密聯(lián)系。 ?生物酶分為六大類：氧化還原酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶、合成酶。 一、酶的催化共性 酶參與生物化學(xué)反應(yīng)，它能降低反應(yīng)的活化能（分子參與化學(xué)反應(yīng)時(shí)所需要的最低能量），加快生化反應(yīng)的速率，但它不改變反應(yīng)的方向和平衡關(guān)系，即它不能改變反應(yīng)的平衡常數(shù)，而只能加快反應(yīng)達(dá)到平衡的速率；酶在反應(yīng)過程中，其主體結(jié)構(gòu)和離子價(jià)態(tài)可以發(fā)生某種變化，但在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，一般酶本身不消耗，并恢復(fù)到原來狀態(tài)。 二、酶的催化特性 （ 1） 較高的催化效率 （ 2） 很強(qiáng)的專一性 （ 3） 具有溫和的反應(yīng)條件 （ 4） 易變性與失活 較高的催化效率 酶活力表示方法 1 酶的分子活力：在最適宜條件下，每 1mol酶在單位時(shí)間內(nèi)所能催化底物的最大量（ mol） 2 酶的催化中心活力：在單位時(shí)間內(nèi)，每一個(gè)酶的催化中心所催化底物的量（ mol） 3 酶活力：在特定條件下，每 1min能催化 1 mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物時(shí)所需要的酶量，稱為一個(gè)酶單位，或稱為國(guó)際單位，用 U表示。酶活力還可用比活力表示。比活力系指每1mg酶所具有的酶單位數(shù)，用 U/mg表示。 ? 酶催化反應(yīng)和化學(xué)催化反應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)大小的比較 催化劑 反應(yīng) 轉(zhuǎn)換數(shù) mol/（ 中心點(diǎn) S） 溫度 ℃ 酶催化劑 菠蘿蛋白酶 木瓜蛋白酶 胰蛋白酶 碳酸肝酶 肽的水解 肽的水解 肽的水解 羰基化合物的可逆反應(yīng) 4 103~5 101 8 102~1 10 3 103~1 102 8 101~6 105 0~37 0~37 0~37 0~37 化學(xué)催化劑 硅膠－氧化鋁 硅膠－氧化鋁 二氧化釩 二氧化釩 異丙基苯裂解 異丙基苯裂解 環(huán)己烷脫氫 環(huán)己烷脫氫 3 108 2 104 7 1011 1 102 25 420 25 350 很強(qiáng)的專一性 ?酶催化反應(yīng)有很高的選擇性，一種酶僅能作用于一種物質(zhì)或一類結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)進(jìn)行某一種反應(yīng)，這種特性稱為酶的專一性或選擇性。 絕對(duì)專一性 ： 一種酶只能催化一種化合物進(jìn) 行一種反應(yīng) 相對(duì)專一性：一種酶能夠催化一類具有相同 化學(xué)鍵或基團(tuán)的物質(zhì)進(jìn)行某種類型的反應(yīng) 反應(yīng)專一性：一種酶只能催化某化合物在熱 力學(xué)上可能進(jìn)行的許多反應(yīng)中的一種反應(yīng) 底物專一性 ： 一種酶只能催化一種底物 立體專一性：一種酶只能作用于所有立體異 構(gòu)體中的一種 具有溫和的反應(yīng)條件 ?酶催化反應(yīng)溫度一般在生理溫度25~37℃ 的范圍，僅有少數(shù)酶反應(yīng)可在較高溫度下進(jìn)行。同時(shí)，酶催化反應(yīng)一般是在接近中性的 pH值條件下進(jìn)行。 易變性與失活 ?酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因而具有蛋白質(zhì)的所有性質(zhì)。其中，容易變性的性質(zhì)，使得酶在應(yīng)用時(shí)，常因變性而使活力下降，甚至完全失去活力，即失活。酶的變性多數(shù)為不可逆。 第二節(jié) 簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) ?簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是指由一種反應(yīng)物 (底物 )參與的不可逆反應(yīng) 。 屬于此類反應(yīng)的有酶催化的水解反應(yīng)和異構(gòu)化反應(yīng) 。 這種簡(jiǎn)單的單底物酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué) ，是酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ) 。 一、 MichaelisMenten 方程 方程推導(dǎo)三點(diǎn)假設(shè) (平衡假設(shè) )： ① 與底物濃度 [S]相比 ， 酶的濃度 [E]是很小的 ， 因而可忽略由于生成中間復(fù)合物 [ES]而消耗的底物 。 ② 不考慮這個(gè)逆反應(yīng)的存在 。 若要忽略該反應(yīng)的存在 ， 則必須是產(chǎn)物 P為零 ， 換言之 ， 該方程適用于反應(yīng)的初始狀態(tài) 。 ③ 認(rèn)為基元反應(yīng)的反應(yīng)速率最慢 ， 為該反應(yīng)速率的控制步驟 ， 而這一反應(yīng)速率最快 ， 并很快達(dá)到平衡狀態(tài) 。 ?對(duì)酶催化反應(yīng)過程的機(jī)理，得到大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持的是活性中間復(fù)合物學(xué)說，該學(xué)說認(rèn)為酶催化反應(yīng)至少包括兩步，首先是底物 S和酶 E相結(jié)合形成中間復(fù)合物 [ES]， 然后該復(fù)合物分解成產(chǎn)物 P， 并釋放出酶 E。 例如：酶反應(yīng) 其反應(yīng)機(jī)理可表示為 PS E? ??k +1k 1E+S ESk +2 P + E?根據(jù)化學(xué)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)速率通常以單位時(shí)間、單位反應(yīng)體系中某一組分的變量來表示。對(duì)均相酶的催化反應(yīng)，單位反應(yīng)體系常用單位體積表示。 反應(yīng)的速率可表示為 rs： 底物 S的消耗速率 （ mol/L﹒ s） rp： 產(chǎn)物 P生成速率 （ mol/L﹒ s） v： 反應(yīng)體系的體積 （ L） ns、 np： 底物 S和產(chǎn)物 P的質(zhì)量 （ mol） t： 時(shí)間 （ s） dtdnvrs??? 1sdtdnvrpp ?? 1 ?根據(jù)質(zhì)量作用定律， P的生成速率可表示為 ： 速率控制步驟在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中是一個(gè)重要的概念。在一個(gè)多步驟的反應(yīng)體系中，其中反應(yīng)速率最慢的一步稱為速率的控制步驟，并且控制步驟的速率決定了該反應(yīng)的速率。 ? ?ESkr p 2???根據(jù)上述假定（ 3），可列出 K S 為解離常數(shù)（ mol/l） 反應(yīng)體系中酶的總濃度 為 ? ? ? ? ? ?ESKSEK 11 ?? ???? ? ? ?? ? ? ?? ?SESKSESKKE S?????11? ? ? ? ? ?ESEE ??0? ?0E? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ???????? ????? SKESESSESKE SS 10? ? ? ? ? ?? ?SKSSEES??? 0 代入 得米氏方程或稱 M— M方程 rp,max： P的最大生成速率 [E0]： 酶的總濃度，亦為酶的初始濃度 ? ?ESkr p 2??? ? ? ?? ?? ?? ?SkSrSkSEkrspsp ??????? ? m a x,02? G． E． Briggs和 J． B． Haldane對(duì)上述第三點(diǎn)假設(shè)進(jìn)行修正，提出了 “ 擬穩(wěn)態(tài) ” 假設(shè) 。 認(rèn)為由于反應(yīng)體系中底物濃度要比酶的濃度高得多，中間復(fù)合物分解時(shí)所得到的酶又立即與底物相結(jié)合，從而使反應(yīng)體系中復(fù)合物的濃度維持不變，即中間復(fù)合物的濃度不再隨時(shí)間而變化。 消去 得 km： 米氏常數(shù) (mol/l) ? ? 0??dtESd? ? ? ? ? ? ? ? 0211 ?????? ??? ESkkSEk? ?ES? ? ? ?? ?? ?? ?SkSrSkkkSEkrmpp ???????????? m a x,12102km與 ks的關(guān)系為 由兩種推導(dǎo)方法所得速率方程式形式基本相同 ，不同的是 ks值代表反應(yīng)的平衡常數(shù) ， 而 km值稱為米氏常數(shù) ， 它代表動(dòng)態(tài)的平衡常數(shù) ， 表示實(shí)際的恒態(tài)時(shí)的濃率關(guān)系 。 當(dāng) 時(shí) ， km值才接近于 ks 12????kkkksm2?k 1?kkm是酶的特征性常數(shù)，測(cè)定 km值具有重要的意義。 km值代表反應(yīng)速率為最大反應(yīng)速率一半時(shí)的基質(zhì)濃度，其單位為濃度單位。 km值是酶的一個(gè)很基本的特性常數(shù) ， 它和酶的濃度無關(guān) ， 但和溫度 、 pH等因素有關(guān) 。 根據(jù) km值可以推斷酶和底物的親和力 。 如果酶的專一性不高 ， 可催化幾種底物發(fā)生反應(yīng)時(shí) ， km值最小的就表示酶與這一底物的親和力最大 ， 反之 ， 則最小 。 根據(jù) km值 ， 可以估計(jì)胞內(nèi)基質(zhì)濃度 ， 如 時(shí) ， 。 那么只要稍微改變基質(zhì)濃度 ， 的變化就很大 ， 即反應(yīng)速率對(duì)基質(zhì)濃度改變的敏感性很大 ， 如果 或 時(shí) ，基質(zhì)濃度相差 1000倍 ， 但反應(yīng)速率只增加一倍 ， 即在生理上保持 是沒有意義的 。 ? ?胞內(nèi)Smk ? ?mpp kSrr ??m a x,pr? ? mkS ? ? ? mkS 1 0 0 0???S mk 另一個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)為最大反應(yīng)速率，根據(jù)定義，它表示當(dāng)全部的酶都是復(fù)合物狀態(tài)時(shí)的反應(yīng)速率。k+2表示單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)酶分子所能催化底物發(fā)生反應(yīng)的分子數(shù)。因此它表示了酶催化反應(yīng)能力的大小，不同的酶催化反應(yīng)，其值不同。 ps rr ?m a xm a x,m a x, rrr ps ??從 ~[S]圖的關(guān)系曲線可以看出 ， 該曲線表示了三個(gè)不同的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)的區(qū)域 。 當(dāng) ， 即底物濃度比 km值小很多時(shí) ， 該曲線近似為一條直線 ， 這表示反應(yīng)速率與底物濃度近似正比關(guān)系 ， 此時(shí)酶催化反應(yīng)可近似看作一級(jí)反應(yīng) 。 式中 為總反應(yīng)的一級(jí)反應(yīng)常數(shù) 。 sr??S