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酶动力学

/enzyme kinetics/
条目作者冯雁

冯雁

最后更新 2023-08-03
浏览 222
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研究酶结合底物能力和催化反应速率的科学。

英文名称
enzyme kinetics
所属学科
生物学

通过酶促反应分析法(enzyme assay)来获得用于酶动力学分析的反应速率数据,研究酶催化剂参与的生物反应过程中酶反应速率及影响酶反应速率的各种因素。能提出底物到产物之间可能的历程与机理,获取反应速率和影响此速率的诸因素,以满足酶反应过程开发和生物反应器设计的需要。影响酶反应速率的因素有酶浓度、底物浓度、温度、pH值、抑制剂、激活剂等。在研究某一因素对酶促反应速率的影响时,应该维持反应中其他因素不变,而只改变要研究的因素。

在酶的浓度不变的情况下,底物浓度对反应速率影响的作用呈现矩形双曲线(rectangular hyperbola,图1)。

图1 底物浓度对反应初速率的影响图1 底物浓度对反应初速率的影响

当底物浓度很低时,反应速率随底物浓度的增加而急骤加快,两者呈正比例关系,表现为一级反应;随着底物浓度的升高,反应速率不再呈正比例加快,反应速率增加的幅度不断下降,表现为混合级反应;如果继续加大底物浓度,反应速率不再增加,表现为零级反应。此时,无论底物浓度增加多大,反应速率也不再增加,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率关系的合理学说是中间产物学说。

在一定的温度和pH值条件下,当底物浓度大大超过酶的浓度时,酶的浓度与反应速率呈正比例关系(图2)。

图2 酶浓度对反应初速率的影响(底物足量条件下)图2 酶浓度对反应初速率的影响(底物足量条件下)

大部分酶活性受其环境pH的影响,在一定pH值下,酶促反应具有最大速率,高于或低于此值,反应速率下降,通常称此pH值为酶促反应的最适pH(optimum pH,图3)。和酶的最稳定pH不一定相同,和体内环境的pH也未必相同。

图3 pH-酶活性关系图图3 pH-酶活性关系图

化学反应的速率随温度增高而加快。但酶是蛋白质,可随温度的升高而变性。在温度较低时,前一影响较大,反应速率随温度升高而加快;但温度超过一定数值后,酶受热变性的因素占优势,反应速率反而随温度上升而减缓,形成倒“V”形或倒“U”形曲线。在此曲线顶点所代表的温度,反应速率最大,称为酶的最适温度(optimum temperature,图4)。

图4 温度与酶反应速率的关系图图4 温度与酶反应速率的关系图

凡能使酶活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称作酶的抑制剂(inhibitor)。使酶变性失活(称为酶的钝化)的因素如强酸、强碱等,不属于抑制剂。通常抑制作用分为不可逆性抑制和可逆性抑制两类,抑制剂大致可分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制3类。

酶激活剂(activator)是指一些物质可以改变一个无活性酶前体(酶原),使之成为有活性的酶,或加快某种酶促反应的速率产生酶激活作用。其中大部分是离子或简单的有机化合物。激活剂按分子大小可分为3类:①无机离子。例如钾离子(K+)、镁离子(Mg2+)、钙离子(Ca2+)等金属离子, 溴离子(Br-)、氯离子(Cl-)等阴离子及氢离子等。②有机分子。例如谷胱甘肽,乙二胺四乙酸(EDTA)等。③蛋白质等生物大分子。例如对酶原激活生成酶。

  • 王镜岩.生物化学.3版.北京:高等教育出版社,2002.
  • 郭勇.酶工程.北京:科学出版社,2004.
  • 徐凤彩.酶工程.北京:中国农业出版社,2001.

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