【正文】 第四章 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容和意義 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究的是酶催化反應(yīng)速度問題，即研究各種因素對(duì)酶催化反應(yīng)速度的影響，并據(jù)此推斷從反應(yīng)物到產(chǎn)物之間可能進(jìn)行的歷程，在酶學(xué)研究和酶工程中具有十分重要的理論意義和廣泛的實(shí)踐意義。 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)作為闡明酶催化反應(yīng)機(jī)理的重要手段而得到了發(fā)展，它通過研究影響反應(yīng)速率的各種因素，通過對(duì)各基元反應(yīng)過程進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的分析，從而獲得反應(yīng)機(jī)理的有關(guān)信息。 酶催化反應(yīng) —— 單底物酶催化反應(yīng)和多底物酶催化反應(yīng)之分。 —— 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)，也稱單底物酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，它是酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)，屬于此類反應(yīng)的有酶催化的水解反應(yīng)和異構(gòu)反應(yīng)。 催化動(dòng)力學(xué)研究的簡(jiǎn)單歷史 —— 自 19世紀(jì)末開始就有很多研究者致力與酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，并希望用合適的數(shù)學(xué)模型來描述酶催化反應(yīng)的進(jìn)程。 —— 1902年 Henri和 Brown分別提出了酶催化反應(yīng)中有酶 底物絡(luò)合物的生成，并推導(dǎo)了簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方程式，其中 轉(zhuǎn)化酶、苦杏仁酶和 β 淀粉酶等三種酶的催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，推測(cè)了其反應(yīng)機(jī)理，并導(dǎo)出了動(dòng)力學(xué)方程式， 但遺憾的是從現(xiàn)在的觀點(diǎn)來看，他的實(shí)驗(yàn)不夠正確。 —— 1913年 Michaelis和 Menten用簡(jiǎn)單的平衡或準(zhǔn)平衡概念推導(dǎo)了單底物酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，應(yīng)用了所謂“快速平衡”解析方法對(duì)該速率方程進(jìn)行了詳細(xì)的研究，發(fā)表了著名的米氏方程，即現(xiàn)在應(yīng)用的MichaelisMenten方程，常簡(jiǎn)稱為MM方程。 1925年 Briggs和 Haldane在酶催化動(dòng)力學(xué)中引入了穩(wěn)態(tài)的概念，對(duì) MM方程的推導(dǎo)方法進(jìn)行了修正。此后的單底物酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究大多都基于 Henri和 MichaelisMenten或BriggsHaldane方程。 從 60年代初開始，人們已經(jīng)開始嘗試用平衡態(tài)或穩(wěn)態(tài)概念來解釋雙底物甚至是三底物的酶催化反應(yīng)，并建立了變構(gòu)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。 許多學(xué)者對(duì)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了多方面的探索，使酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究有了很大的進(jìn)展。 對(duì)于從事酶應(yīng)用的工程技術(shù)人員，除了需要了解酶催化的反應(yīng)機(jī)理外，更應(yīng)著重研究酶的總反應(yīng)速率，能定量解析影響總反應(yīng)速率的各種因素，建立可靠的總反應(yīng)速率方程氏，進(jìn)而用于計(jì)算反應(yīng)時(shí)間、最佳反應(yīng)條件，以設(shè)計(jì)出合理的反應(yīng)器。 酶催化反應(yīng)的基本特征 酶是生物為提高其生化反應(yīng)效率而產(chǎn)生的生物催化劑，其化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì)，少數(shù)酶同時(shí)含有少量的糖和脂肪。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。 目前已知的酶多達(dá) 2200種以上。作為生物催化劑的酶，它既有一般催化劑的共性，又應(yīng)具有生物催化劑的特性。 1 酶的催化共性 —— 酶參與生物化學(xué)反應(yīng)，能降低反應(yīng)的活 化能，加快反應(yīng)的速率； —— 不改變反應(yīng)的方向和平衡關(guān)系，即不能 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，其立體結(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)。 例如，過氧化氫的分解，在無催化劑存在時(shí)，該分解反應(yīng)的活化能為 ，在用過氧化氫酶催化時(shí)，該分解反應(yīng)的活化能僅為 。 2 酶的催化特性 (1)有較高的催化效率。酶的催化效率主要有以下幾種表示方法： —— 酶的分子活力。 在最適宜的條件下，每1mol酶在單位時(shí)間內(nèi)所能催化底物的最大量（ mol）。 —— 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）。 —— 酶活力或比活力 。在特定的條件下，每min能催化 1μmol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，比活力指每1mg酶所具有的酶單位數(shù)，用 U/mg表示。 1972年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)（ Enzyme Commission, EC）提出，酶活力一律用 katal為單位，記為 kat，在特定條件下，每秒鐘能催化 1mol底物轉(zhuǎn)化的酶量定義為 1kat。而比活力則為每 1kg酶所具有的數(shù)，即kat/kg。 酶的催化活性中心又稱為酶的轉(zhuǎn)換數(shù) 明顯看出，酶的轉(zhuǎn)換數(shù)大大高于化學(xué)催化劑，尤其在生理溫度下更為明顯。 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 碳酸酐酶 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 8 102~1 101 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 (2)有很強(qiáng)的專一性 —— 酶催化反應(yīng)又很高的選擇性，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。 —— 酶的專一性是酶作為催化劑最重要的特性，也是酶催化反應(yīng)過程優(yōu)于一般化學(xué)反應(yīng)過程的最重要的理由之一。 酶的專一性 —— 絕對(duì)專一性 —— 相對(duì)專一性 —— 酶的反應(yīng)專一性 絕對(duì)專一性 —— 一種酶若只能催化一種化合物進(jìn)行一種反應(yīng)，這種專一性稱為絕對(duì)專一性。 —— 例如脲酶只能催化尿素水解生成二氧化碳和水。 相對(duì)專一性 —— 若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)，稱之為相對(duì)專一性。 —— 如脂肪酶可以催化所有酯類化合物水解。 酶的反應(yīng)專一性 —— 若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)，這種專一性稱為酶的反應(yīng)專一性，具有不同反應(yīng)專一性的酶只各自催化不同的反應(yīng)。 —— 例如，對(duì)同一反應(yīng)物葡萄糖，以葡糖氧化酶為催化劑可得葡糖酸；以葡糖異構(gòu)酶為催化劑可得果糖；以己糖激酶為催化劑可的葡糖 6磷酸。 一種酶只能催化一種底物，則稱為酶的底物專一性。一種酶只能作用于所有立體異構(gòu)體中的一種，則稱為立體專一性。此外，還有官能團(tuán)專一性、序列專一性等。 利用酶催化的這種高度的多種專一性，有可能制備出化學(xué)催化反應(yīng)所不能得到的化合物，這也有利于提高產(chǎn)物的分離純度。 (3)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。 (4)酶易失活與變性 —— 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。引起變性的原因有物理因素及化學(xué)因素。 —— 物理因素包括熱、紫外線、射線、聲波等； —— 化學(xué)因素包括酸、堿、表面