购买
下载掌阅APP,畅读海量书库
立即打开
畅读海量书库
扫码下载掌阅APP

第四节

影响酶促反应速度的因素

酶最重要的特征是具有高效催化的能力,因而,酶促反应速度就代表了酶的活性。酶促反应速度可以用单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示。酶蛋白的空间构象可受很多因素影响而改变,酶活性也随之改变。在研究某一因素对酶促反应速度的影响时,必须使酶反应体系中其他因素保持不变,并以反应的初速度来表示酶促反应速度。因为只有初速度才与酶浓度成正比,而且受产物及其他因素的影响也最小。了解影响酶促反应速度的因素及其影响,有利于阐明酶的结构和功能的关系;有利于优化酶促反应的条件,以最大限度发挥酶的催化效率;有利于了解酶在代谢中的作用和某些药物的作用机理,对于疾病的诊断和治疗都有指导意义。

☆考点提示

影响酶活性的因素有哪些?是如何影响的?

一、底物浓度对酶促反应速度的影响

在酶的浓度不变的情况下,底物浓度对酶促反应速度的影响呈矩形双曲线(图4-7)。

图4-7 底物浓度对反应初速度的影响

在底物浓度很低时,反应速度随底物浓度的增加而急骤加快,两者呈正比关系,表现为一级反应。随着底物浓度的升高,反应速度不再呈正比例加快,反应的加速度不断下降。如果继续加大底物浓度,反应速度不再增加,表现为0级反应。此时,无论底物浓度增加多大,反应速度也不再增加,说明酶已被底物所饱和。所有的酶都有饱和现象,只是达到饱和时所需底物浓度各不相同而已。解释酶促反应中底物浓度和反应速度关系的最合理学说是中间产物学说。

(一)米曼氏方程式

Michaelis和Menten在前人工作的基础上,经过大量的实验,提出了反应速度和底物浓度关系的数学方程式,即著名的米-曼氏方程(简称米氏方程):

V max 指该酶促反应的最大速度,[ S ]为底物浓度, K m 是米氏常数, V 是在某一底物浓度时相应的反应速度。当底物浓度很低时,[ S ]< K m ,反应速度与底物浓度呈正比。当底物浓度很高时,[ S ]> K m ,反应速度达最大速度,底物浓度再增高也不影响反应速度。

(二)米氏常数的意义

1. K m 值等于酶反应速度为最大速度一半时对应的底物浓度。

当反应速度为最大速度一半时( V =1 / 2 V max ),米氏方程可变换如下:

进一步整理可得到: K m =[ S ]

2. K m 值是酶的特征性常数,它的单位是mol/L。 K m 值只与酶的性质、底物和酶促反应条件(如温度、pH值、有无抑制剂等)有关,与酶的浓度无关。酶的种类不同, K m 值不同,同一种酶与不同底物作用时, K m 值也不同。各种酶的 K m 值范围很广,大致在10 -7 ~10 -1 mol/L之间。同一种酶如果有几种底物,就有几个 K m 值,其中 K m 值最小的底物为该酶的最适底物或天然底物。

3.表示酶和底物亲和力的大小 K m 值大,需要很高的底物浓度才能达到最大反应速度的一半,即酶与底物的亲和力小;反之, K m 值愈小,酶与底物亲和力愈大,不需要很高的底物浓度,便可达到最大反应速度的一半。

4.判断正逆两向反应的催化效率 催化可逆反应的酶,对正逆两向底物的 K m 值往往不同,测定这些 K m 值的差异以及细胞内正逆两向底物的浓度,可以大致推测该酶催化正逆两向反应的效率,这对了解酶在细胞内的主要催化方向及生理功能有重要意义。

5.已知某个酶的 K m 值,可计算出在某一底物浓度时,其反应速度相当于 V max 的百分率。例如:当[ S ]=3 K m 时,代入米氏方程得:

必须指出米氏方程只适用于较为简单的单底物酶反应过程,对于比较复杂的酶促反应过程,如多酶体系、多底物、多产物、多中间物等,还不能全面地借此概括和说明,必须借助于复杂的计算过程。

二、酶浓度对酶促反应速度的影响

在底物浓度足够大的前提下,酶浓度与反应速度成正比。因为酶浓度越大,活性中心数量就越多,可结合的底物就越多,反应速度可呈正比增加(图4-8)。

图4-8 酶浓度对反应初速度的影响

三、pH值对酶促反应速度的影响

酶反应体系的pH值可影响酶分子中功能基团的解离度(特别是活性中心中必需基团的解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态),也可影响底物和辅酶的解离程度,从而影响酶与底物的结合。另外,过高或过低的pH值会改变酶活性中心的构象,甚至导致酶变性失活。只有在特定的pH值条件下,酶、底物和辅酶的解离情况最适宜于它们互相结合,并发生催化作用。使酶促反应速度达最大值时的pH值,称为酶的最适pH值。偏离最适pH值越远,酶活性越小,过酸或过碱可使酶变性失活。最适pH值和酶的p I值不一定相同。典型的最适pH曲线是钟罩形曲线(图4-9A),但也有一些例外(图4-9B)。

最适pH值不是酶的特征性常数,它受底物浓度、缓冲液的种类和浓度以及酶的纯度等因素的影响。不同的酶其分子组成中功能基团的种类、数量及比例不同,受pH值的影响不一样,因而具有不同的最适pH值。如胃蛋白酶的最适pH值约为1.8,血浆中大多数酶的最适pH值为7.35~7.45。因此,在有酶参与的化学反应中,要选择适当的缓冲液,控制酶的最适pH值,以保持酶的最佳活性。

图4-9 pH值对酶促反应速度的影响

四、温度对酶促反应速度的影响

酶促反应的速度随温度增高而加快。但酶是蛋白质,可随温度的升高而变性。在温度较低时,反应速度随温度升高而加快。一般温度每升高10℃,反应速度大约增加一倍。但温度超过一定数值后,酶受热变性的因素占优势,反应速度反而随温度上升而减缓,形成类似抛物线形曲线。在此曲线顶点时的反应速度最大,称为酶的最适温度(图4-10)。

图4-10 温度对唾液淀粉酶活性影响

从动物组织提取的酶,其最适温度多在35℃~40℃之间。人体内多数酶的最适温度为37℃±。温度升高到60℃以上时,大多数酶开始变性,80℃以上,多数酶的变性不可逆。低温一般不破坏酶的空间结构,温度回升后,酶又恢复活性。

酶的最适温度不是酶的特征性常数,这是因为它与反应所需时间有关,不是一个固定的值。酶可以在短时间内耐受较高的温度,相反,延长反应时间,最适温度便降低。在生化检验中,可以通过一定范围内提高温度而缩短反应时间。

知识链接

温度在医学中的应用

临床上低温麻醉就是利用酶在低温下化学速度慢这一性质以减慢组织细胞代谢速度,提高机体对氧和营养物质缺乏的耐受,延长组织细胞的生命,有利于进行手术治疗。高温高压蒸汽灭菌是临床最常用及最有效的灭菌方法,低温则常用于保存酶制剂。在生化检验中,可以通过一定范围内提高温度而缩短反应时间。

五、抑制剂对酶促反应速度的影响

凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂(Inhibitor,I)。抑制剂多与酶的活性中心内、外必需基团结合,从而抑制酶的催化活性,通常对酶有选择性。除去抑制剂后酶的活性可以恢复。使酶变性失活的因素如强酸、强碱、高温等,其作用对酶没有选择性,不属于抑制剂。根据抑制剂与酶结合的紧密程度不同,把酶的抑制作用分为不可逆性抑制和可逆性抑制两类。

(一)不可逆性抑制

指抑制剂以共价键方式与酶的必需基团结合而使酶活性丧失,结合部位常位于酶的活性中心。不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。用特殊的化学方法才有可能解除抑制。酶的不可逆抑制通常对人体是有毒的。

有机磷杀虫剂(敌百虫、敌敌畏、1059等)能特异地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基上的羟基共价结合,使其磷酰化而抑制酶的活性,所以此类抑制剂被称为专一性抑制剂。当胆碱酯酶被有机磷杀虫剂抑制后,胆碱能神经末梢分泌的乙酰胆碱不能及时分解,堆积的乙酰胆碱会导致机体胆碱能神经过度兴奋的症状,即有机磷农药中毒。这种只与活性中心必需基团结合的抑制剂常被称为专一性抑制剂。解磷定(PAM)等药物可与有机磷杀虫剂结合,使酶和有机磷杀虫剂分离而复活。

某些重金属(Pb 2+ 、Ag 2+ 、Hg 2+ 等)及As 3+ 可与酶分子的巯基共价结合,使酶失去活性。这些抑制剂所结合的疏基不局限于活性中心的必需基团,所以此类抑制剂被称为非专一性抑制剂。化学毒气路易氏气是一种含砷的化合物,它能抑制体内的巯基酶而使人蓄中毒。用二巯基丙醇或二巯基丁二酸钠等含巯基的化合物可使酶复活。

(二)可逆性抑制

指抑制剂与酶以非共价键结合,引起酶活性的降低或丧失,因结合比较疏松,能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶活性恢复。常见的可逆性抑制有以下三类。

1.竞争性抑制 指抑制剂的构象与底物的构象相似,因而可以竞争同一个酶的活性中心,使底物与酶结合的几率下降,ES生成减少,从而使酶促反应速度降低。如图4-10所示,I和S对游离E的结合有竞争作用,互相排斥,已结合底物的ES复合体,不能再结合I。同样已结合抑制剂的EI复合体,不能再结合S。在竞争性抑制反应体系中,不可能生成EIS三元复合物。同时,这种抑制作用又是可逆的:增加底物的浓度,平衡会向解除抑制的方向移动;增加抑制剂的浓度,平衡会向增强抑制的方向移动(图4-11)。因此,抑制作用大小取决于抑制剂与底物的相对亲和力及与底物浓度的相对比例,加大底物浓度,可使抑制作用减弱。

图4-11 竞争性抑制

很多药物都是酶的竞争性抑制剂。例如磺胺药与对氨基苯甲酸具有类似的结构,而对氨基苯甲酸、二氢蝶呤及谷氨酸是某些细菌合成二氢叶酸的原料,后者可被继续还原为四氢叶酸(FH 4 )。FH 4 是一碳单位转移酶的辅酶,与嘌呤与嘧啶的合成密切相关(详见蛋白质代谢及核酸代谢章)。由于磺胺药是二氢叶酸合成酶的竞争性抑制剂,进而减少菌体内四氢叶酸的合成,使核酸合成障碍,抑制细菌的生长、繁殖。抗菌增效剂——甲氧苄氨嘧啶(TMP)能特异地抑制细菌的二氢叶酸还原为四氢叶酸,故能增强磺胺药的抑菌作用。根据竞争性抑制的特点,服用磺胺类药物时,必须达到血液中药物的有效浓度,因此可采取“首剂加倍”的方法,迅速发挥有效的抑菌作用。人类可以直接利用食物中的叶酸,故核酸合成不受磺胺药的干扰(但长期使用该类药物仍会导致人体叶酸来源的缺乏)。许多抗代谢物和抗癌药物几乎都是竞争性抑制剂。

竞争性抑制典型的例子还有丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制。丙二酸的结构与该酶的底物琥珀酸(丁二酸)非常相似,丙二酸与酶的亲和力远远超过琥珀酸与酶的亲和力。当丙二酸与琥珀酸的浓度比为1∶50时,琥珀酸脱氢酶的活性被抑制50%,当琥珀酸浓度不变时增加丙二酸浓度,抑制作用增强;当丙二酸浓度不变,增加琥珀酸浓度,则抑制减弱。

在酶浓度不变的条件下,假设底物浓度足够大时,底物可结合到全部酶的活性中心,因此竞争性抑制时 V max 不变。当抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心时,酶与底物的亲和力减小,故 K m 值增大。

竞争性抑制的特点:①竞争性抑制剂往往是酶的底物类似物或反应产物;②抑制剂与酶的结合部位与底物与酶的结合部位相同;③抑制剂浓度越大,则抑制作用越大,但增加底物浓度可使抑制程度减小;④动力学参数: K m 值增大, V max 值不变。

2.非竞争性抑制 抑制剂的结构和底物不相似,不与底物竞争酶的活性中心,而是与活性中心外的必需基团结合,从而抑制酶活性。如图4-12所示,抑制剂I和底物S与酶E的结合完全互不相关,既不排斥,也不促进结合,I可以和E结合生成EI,也可以和ES复合物结合生成ESI。S和E结合成ES后,仍可与I结合生成ESI。但一旦形成ESI复合物,不能进一步将底物释放形成产物,故酶促反应速度降低。EIS复合物被形象地称为“死端”。

图4-12 非竞争性抑制

由于I是与E活性中心以外的必需基团结合,这种结合并不影响底物和酶的结合,故 K m 值不变。而由于“EIS”死端的生成,使有效酶浓度减少,故 V max 下降。在酶浓度不变的条件下,其抑制强弱只取决于抑制剂浓度的大小,增加底物浓度不能改变抑制剂对酶的抑制程度。

非竞争性抑制的特点:①非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似;②底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部位相结合;③抑制剂对酶与底物的结合无影响,故底物浓度的改变对抑制程度无影响;④动力学参数: K m 值不变, V max 值降低。

3.反竞争性抑制 反竞争性抑制剂的结构和底物不相似,且不与酶直接结合,而是当底物与酶形成ES后再与ES结合,生成ESI复合物,此时的ESI同样不能将底物释放形成产物,也形成所谓“死端”产生抑制(图4-13)。因此,该反应体系中的有效酶浓度下降, V max 下降;而当I与ES结合后,又会使更多的S加速向ESI趋近,故S与E的亲和力增加, K m 值减小。

图4-13 反竞争性抑制

反竞争性抑制的特点:①反竞争性抑制剂的化学结构不一定与底物的分子结构类似;②抑制剂与底物可同时与酶的不同部位结合;③必须有底物存在,抑制剂才能对酶产生抑制作用,抑制程度随底物浓度的增加而增加;④动力学参数: K m 减小, V max 降低。

三种可逆性抑制作用的特点总结于下表(表4-1):

表4-1 三种可逆性抑制作用的特点

六、激活剂对酶促反应速度的影响

使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质,都称为酶的激活剂(Activator)。根据酶对激活剂的依赖程度,可将激活剂分为必需激活剂与非必需激活剂。必需激活剂对酶促反应是不可少的,否则酶促反应不能进行。必需激活剂大多为金属离子,如Mg 2+ 、K + 、Na + 、Mn 2+ 等。非必需激活剂可使酶活性增加,但没有时酶活性仍然存在。如Cl - 能增强唾液淀粉酶的活性,胆汁酸盐能增强胰淀粉酶的活性等。 oNnLMqpkLvIGcLu0JfaMwMi/theUjnVs2iAia+5C5T3X+FBhf1HKECSURnhaZMXi

点击中间区域
呼出菜单
上一章
目录
下一章
×