第四节 影响酶促反应速度的因素

酶促反应动力学是研究酶促反应速度及其影响因素的作用规律。影响酶促反应的因素有酶浓度、底物浓度、温度、pH、激活剂和抑制剂等。在研究某一因素对酶促反应速度的影响时，必须保持酶促反应系统中其他因素不变，并严格保持反应处于初速度。所谓初速度是反应开始时的速度，此时，产物浓度很低，不会由于产物堆积而导致酶促逆向反应的产生。由于反应时间短，反应系统的其他条件如底物浓度、pH等不会有明显的改变，在这种条件下，酶促反应速度才与所研究的因素有关。若将产物生成量对反应时间作图，可得到一条酶促反应的时间进程曲线（图4－5）。

图4－5　酶促反应的时间进程曲线

酶所催化的反应称酶促反应。酶加速化学反应的催化能力称酶活性。用酶促反应速度来反映酶活性。酶促反应速度常用在规定的反应条件下，以单位时间内底物的消耗量或产物的生成量来表示。为便于比较各种酶的活性，1976年国际生化学会酶学委员会规定：在特定的条件下，1min内使底物转变1μmol（10^-6mol）的酶量为一个国际单位。1979年该学会又推荐以催量（katal）代替国际单位表示酶的活性。1催量表示的意义是：在特定的测量系统中，酶催化底物1s能转变1mol底物的酶量。1国际单位＝16.67×10^-9催量。

一、pH值对酶促反应速度的影响

酶是蛋白质，有许多极性基团，在不同的pH值条件下，这些基团的电离状态不同。只有当酶蛋白处于一定的电离状态，酶才能与底物结合。许多底物或辅酶也具有离子特性，随环境pH值的改变也会表现出不同的电离状态，同样影响与酶的结合。当酶活性中心、底物、辅酶（或辅基）的可电离基团呈现酶与底物结合并催化底物发生变化的最佳电离状态时，酶促反应速度最快。pH值过高或过低，都可使酶变性失活，因此溶液pH值对酶促反应速度的影响很大（图4－6）。酶促反应速度最大时的环境pH值值称为酶促反应的最适pH值。不同的酶的最适pH值不相同，一般酶的最适pH值在4～8之间。但也有例外，如胃蛋白酶最适pH值为1.8，胰蛋白酶最适pH为值7.7，肝脏精氨酸酶最适pH值为9.8（表4－3）。

图4－6　pH值对几种酶促活性的影响

最适pH值不是酶的特征性常数，它受缓冲液的种类与浓度、底物浓度、酶的纯度等因素影响而有所变化。

表4－3　一些酶的最适pH值

二、温度对酶促反应速度的影响

酶促反应在一定范围内（0～40℃）随温度的升高而加快。但酶是蛋白质，故温度继续升高，酶逐渐变性失活，80℃以上时大多数酶已不可逆变性。温度低时，反应速度随温度升高而加快，当温度超过一定数值时，反应速度反而随温度上升而减慢，形成倒V形曲线（图4－7）。酶促反应最快时的环境温度称为酶促反应的最适温度。对大多数酶来说，最适温度较接近于细胞所处的环境温度。酶的最适温度不是酶的特征性常数，反应时间延长，最适温度降低，反之最适温度升高。

图4－7　温度对酶促反应速度的影响

低温不会使酶变性失活，只是酶活性随温度下降而降低，复温后酶又恢复其活性。利用此原理，可低温保存菌种及生物制剂。心脏手术时的低温麻醉及抢救重症流行性脑脊髓膜炎病人时用的亚冬眠疗法及物理降温，均是利用酶活性随温度下降而降低这一性质，以减慢细胞代谢速度，提高机体对氧及营养物质缺乏的耐受性，有利于手术治疗和度过疾病的极期，为康复争得时间。

议一议：

举例说明温度对酶促反应速度的影响。

三、底物浓度对酶促反应速度的影响

在反应体系中不含抑制剂，酶浓度恒定，且浓度足够大时，底物浓度对反应速度的影响呈现为矩形双曲线（图4－8）。

图4－8　底物浓度对酶促反应速度的影响

图4－8说明在底物浓度［S］很低时，反应速度随底物浓度的增加而迅速增加，两者呈正比关系。但进一步增加底物浓度时，反应速度的增加逐渐减慢，两者不成正比。若底物浓度已很高时再增加底物浓度，反应速度不再增加，趋向于达到反应速度的极限值即最大反应速度（v_max）。

米－曼（Michaelis－Menten）根据中间产物学说进行数学推导，得出了v与［S］关系的公式，即著名的米－曼方程式，式中K_m称为米氏常数。

Km是酶学研究中一个重要常数，其意义有以下几个方面：

1.K_m值等于酶促反应速度为最大速度一半时的底物浓度，设v＝1/2v_m，代入米氏方程，则

2.K_m值可以近似地表示酶与底物的亲和力。K_m值愈大，表示酶与底物的亲和力愈小；K_m值愈小，酶与底物的亲和力愈大。酶与底物的亲和力大，即K_m值小，表示不需要很高底物浓度，便可达到最大速度的一半。

3.K_m是酶的特征性常数，不同酶的米氏常数不同。K_m值一般只与酶的结构和其催化的底物有关，而与酶的浓度无关。各种同工酶K_m值也不同，如有来源不同的两种酶，其催化作用相同，若K_m值相同，则为同一种酶；若K_m值不同，则为同工酶。大多数酶的K_m值在10^－7～10^－6mol/L之间。

4.判断哪些底物是酶的天然底物或最适底物。如果一种酶同时有几种底物，那么酶催化每一种底物都有一个特定的K_m值，其中K_m值最小者与酶的亲和力最大，此底物一般为酶的最适底物。

四、酶浓度对酶促反应速度的影响

当底物浓度远大于酶浓度时，随着酶浓度（［E］）的增加，酶促反应速度（v）亦增加，呈正比关系（图4－9）。

图4－9　酶浓度对酶促反应速度的影响

五、激活剂对酶促反应速度的影响

凡能提高酶活性的物质称为激活剂（activator）。有些激活剂是酶促反应进行必不可少的条件，其作用类似底物，但不被反应所转变，称必需激活剂，多数为金属离子。还有一些酶促反应，在无激活剂存在时，反应能缓慢进行，当加入激活剂后，反应大大加快，称非必需激活剂。

六、抑制剂对酶促反应速度的影响

凡能使酶活性下降或失活但又不使其变性的物质称为酶的抑制剂（inhibitor）。抑制作用可分为两大类，即可逆性抑制作用（reversible inhibition）与不可逆性抑制作用（irreversible inhibition）。

（一）不可逆性抑制作用

想一想：

有机磷农药中毒的机制是什么？

抑制剂与酶分子的某些基团（主要是必需基团）以共价键方式结合，使酶活性丧失。一般不能用稀释、透析、超滤等简单方法除去抑制剂，这种抑制作用称为不可逆性抑制作用。但这类抑制剂使酶活性受抑制后，用某些药物解毒，可使酶恢复活性。

1.羟基酶的抑制　羟基酶是指以丝氨酸侧链上的羟基（—OH）为必需基团的一类酶。有机磷杀虫剂如二异丙基氟磷酸（diisopropylphosphofluride，DIFP）、敌敌畏、敌百虫、1605等均可特异性地与胆碱酯酶活性中心丝氨酸残基上的羟基共价结合，使酶失活。

有机磷化合物　　　　羟基酶　　失活的酶　　　　酸

胆碱酯酶活性被抑制后，胆碱神经末梢分泌的乙酰胆碱不能及时分解而堆积，导致胆碱神经过度兴奋，表现出一系列中毒症状，这也是有机磷农药杀死昆虫的机制。解磷定等药物置换结合于胆碱酯酶上的磷酰基，从而恢复酶的活性，常用于临床。

2.巯基酶的抑制　巯基酶是指以半胱氨酸残基侧链上的巯基（—SH）为必需基团的一类酶。某些重金属离子如Hg²⁺、Ag⁺、Pb²⁺及As³⁺等可与酶分子的活性巯基进行不可逆的结合，使酶活性受抑制。例如第二次世界大战期间法西斯使用的化学毒气——路易士气（Lewisite）就是一种砷化合物，能抑制体内巯基酶。二巯基丙醇（英国抗路易士气剂british－anti－Lewisite，BAL）或二巯基丁二酸钠等含活泼巯基的化合物能除去酶分子中与巯基结合的化合物，使酶分子上的巯基还原，恢复酶活性。某些重金属盐中毒的解救机制也在于此。

失活的酶　　　　　二巯基丙醇　　　　　巯基酶复活

（二）可逆性抑制作用

抑制剂与酶以非共价键结合，两者结合比较疏松，故用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，这种抑制作用称为可逆性抑制作用。根据抑制剂、底物与酶三者的相互关系，可逆性抑制作用又可分为竞争性抑制作用（competitive inhibition）、非竞争性抑制作用（noncompetitive inhibition）等。

1.竞争性抑制作用　竞争性抑制剂的结构与底物类似，能与底物竞争酶的活性中心，酶与这种抑制剂结合后，不能再与底物结合，这种作用称为竞争性抑制作用。例如丙二酸、苹果酸、草酰乙酸与琥珀酸脱氢酶的底物琥珀酸结构相似，故它们能竞争性地与酶的活性中心结合，一旦结合，则生成抑制剂－酶复合物（EI），就不能生成产物，成为反应的“死端”，从而减少了反应体系中ES的浓度，使酶活性下降。竞争性抑制作用E、S、I及其反应的关系如下：

竞争性抑制作用的显著特点是酶的抑制作用可被高浓度的底物所解除。

说一说：

磺胺类药物的抑菌作用机制。

有些药物属酶的竞争性抑制剂，如磺胺类化合物的抑菌作用就是因为其化学结构与对氨基苯甲酸相似，而对氨基苯甲酸、二氢蝶啶及谷氨酸是某些细菌合成二氢叶酸所必需的原料。二氢叶酸转变成四氢叶酸后是细菌合成核酸必不可少的辅酶。磺胺类化合物与二氢叶酸合成酶相结合后，减少了对氨基苯甲酸与二氢叶酸合成酶的结合量，使四氢叶酸和核酸的合成减少，导致细菌的生长和增殖停止。在实际应用中需维持磺胺类药物在体液中的高浓度才能获得满意疗效。人类能直接利用食物中的叶酸，故人体的核酸代谢不易受影响。

2.非竞争性抑制作用　非竞争性抑制剂也能与酶可逆地结合，但结合的部位不在酶的活性中心，而在活性中心以外的区域。故酶与抑制剂结合后，还可与S结合形成EIS，但这种结合并无催化活性。由于抑制剂不与底物竞争酶的活性中心，故把这种抑制称为非竞争性抑制作用。非竞争性抑制作用E、S、I及其反应的关系如下：

想一想：

竞争性抑制作用与非竞争性抑制作用各有何特点？

非竞争性抑制作用的特点是不能用增加底物浓度的方法解除抑制剂对酶的抑制作用。

哇巴因（ouabain）是细胞膜上Na⁺，K⁺－ATP酶的强烈抑制剂，这可能与其利尿作用和强心作用有关，其作用就是一种非竞争性抑制作用。