酶与酶促反应- 酶的分子结构与功能 - 酶的工作原理 - 酶促反应动力学 - 酶的调节 - 酶的分类与命名 - 酶在医学中的应用
酶促反应动力学(kinetics of enzyme-catalyzed reactions)是研究酶促反应速率以及各种因素对酶促反应速率影响机制的科学。酶促反应速率可受多种因素的影响，如酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂及激活剂等。研究酶促反应动力学具有重要的理论和实践意义。

底物浓度对酶促反应速率的影响呈矩形双曲线

在酶浓度和其他反应条件不变的情况下，反应速率(v)对底物浓度[S]作图呈矩形双曲线。当[S]很低时，v随[S]的增加而升高，呈一级反应；随着[S]的不断增加，v上升的幅度不断变缓，呈现出一级反应与零级反应的混合级反应；再随着[S]的不断增加，以至于所有酶的活性中心均被底物所饱和，v便不再增加，此时v达最大反应速率(maximum velocity, V_max) , 此时的反应可视为零级反应。

米-曼方程揭示单底物反应的动力学特性

1902年，Victor Henri提出了酶-底物中间复合物学说，认为首先是酶(E)与底物(S)生成酶底物中间复合物(ES),然后ES分解生成产物(P)和游离的酶。
${\ce {E + S <=>[k_1][k_2] ES ->[k_3] E +P}}$ （式1）

式中k₁、k₂和k₃分别为各向反应的速率常数。

1913年， Michaelis L 和 Menten M 根据酶－[S]的矩形双曲线加以数学处理，得出单底物v与[S]的数学关系式，即著名的米-曼方程，简称米氏方程(Michaelis equation) 。

$v={\tfrac {V_{max}[S]}{K_{m}+[S]}}$ (式2)

式2中K_m为米氏常数(Michaelis constant), V_max为最大反应速率。当[S]远远小于K_m时，式2分母中的[S]可以忽略不计，米氏方程可以简化为 $v={\tfrac {V_{max}}{K_{m}}}[S]$ ，此时v与[S]成正比关系，反应呈一级反应。当[S]远远大于K_m时，方程中的K_m可以忽略不计，此时 v=V_max，反应呈零级反应。

米氏方程的推导基于这样的假设（或前提）：

反应是单底物反应；
测定的反应速率为初速率（即指反应刚刚开始，各种影响因素尚未发挥作用时的酶促反应速率）；
当[S]远远大于[E]时，在初速率范围内，底物的消耗很少(<5%)，可以忽略不计。

米氏方程的推导如下：

根据式1,ES的生成速率＝k₁([E_t] -[ES]) [S] , ES的分解速率=k₂[ES]+k₃[ES]。式中[E_t]表示酶的总浓度，[E_t]-[ES]表示游离酶的浓度[E]。

当反应系统处于稳态时，ES的生成速率=ES的分解速率，即：

k₁([E_t] -[ES]) [S] = k₂ [ES] +k₃[ES](式3)

对式3整理得：

${\tfrac {([E_{t}]-[ES])[S]}{[ES]}}={\tfrac {k_{2}+k_{3}}{k_{1}}}$ (式4)

令 $K_{m}={\tfrac {k_{2}+k_{3}}{k_{1}}}$ （式5）

将式5代入式4并整理得：

$[ES]={\tfrac {[E_{t}][S]}{k_{m}+[S]}}$ （式6）

由于在初速率范围内，反应体系中剩余的底物浓度(>95%)远超过生成的产物浓度。因此，逆反应可不予考虑，整个反应的速率与 ES的浓度成正比，即：

v=k₃[ES](式7)

将式6代入式7得：

$v={\tfrac {k_{3}[E_{t}][S]}{k_{m}+[S]}}$ (式8)

当所有得酶均形成ES时（即[ES]=[E_t]），反应速率达到最大，即

V_max=k₃[E_t](式9)

将式9代入式8即得米氏方程：

$v={\tfrac {V_{max}[S]}{K_{m}+[S]}}$

K_m与V_max是重要的酶促反应动力学参数

K_m值等于酶促反应速率为最大反应速率一半时的底物浓度

当v等于V_max的一半时，米氏方程可变换为：

${\tfrac {V_{max}}{2}}={\tfrac {V_{max}[S]}{K_{m}+[S]}}$

经整理得K_m=[S]。

K_m值是酶的特征性常数

K_m值的大小并非固定不变，它与酶的结构、底物结构、反应环境的pH、温度和离子强度有关，而与酶浓度无关。各种酶的K_m值是不同的，酶的K_m值多在 10^-6 ~10^-2mol/L 的范围。

K_m在一定条件下可表示酶对底物的亲和力

米氏常数(K_m)是单底物反应中 3 个速率常数的综合，即 $K_{m}={\tfrac {k_{2}+k_{3}}{k_{1}}}$ 。已知，k₃为限速步骤的速率常数。当k₃远远小于k₂时，K_m≈k₂/k₁，即相当于ES 分解为E+S 的解离常数(dissociation constant, K_s)。此时，K_m代表酶对底物的亲和力。K_m越大，表示酶对底物的亲和力越小；K_m越小，酶对底物的亲和力越大。但并非所有的酶促反应都是k₃远远小于k₂ ，有时甚至k₃远远大于k₂ ，这时的K_m就不能表示酶对底物的亲和力。

V_max是酶被底物完全饱和时的反应速率

当所有的酶均与底物形成 ES 时（即 [ES] = [E_t]) ，反应速率达到最大，即 V_max =k₃[E_t]。

酶的转换数

当酶被底物完全饱和时(V_max ),单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变成产物的分子数称为酶的转换数(turnover number) , 即 k₃为酶的转换数，单位是 s^-1酶的转换数可用来表示酶的催化效率。如果酶的总浓度([E_t]) 已知，便可从 V_max 计算酶的转换数。例如， 10^-6mol/L 的碳酸酐酶溶液在一秒钟内催化生成 0. 6mol/L H₂CO₃ , 则酶的转换数 k₃为：

$k_{3}={\tfrac {V_{max}}{[E_{t}]}}={\tfrac {0.6mol/(L\cdot s)}{10^{-6}mol/L}}=6\times 10^{5}/s$

对于生理性底物来说，大多数酶的转换数在 1~10⁴/s 之间。

K_m和V_max常通过林-贝作图法求取

酶促反应的 v 对[S] 作图为矩形双曲线，从此曲线上很难准确地求得反应的K_m和 V_max。于是，人们对米氏方程进行种种变换，采用直线作图法准确求得K_m和 V_max，其中以林－贝 (Lineweaver-Burk) 作图法最为常用。

林－贝作图法又称双倒数作图法。即将米氏方程的两边同时取倒数，并加以整理得一线性方程，即林－贝方程：

${\tfrac {1}{v}}={\tfrac {K_{m}}{V_{max}}}\cdot {\tfrac {1}{[S]}}+{\tfrac {1}{V_{max}}}$

以1/v对1/[S]作图，纵轴上的截距为1/V_max，横轴上的截距为-1/K_m。

底物足够时酶浓度对酶促反应速率的影响呈直线关系

当[S] 远远大于[E]时，反应中[S] 浓度的变化量可以忽略不计。此时，随着酶浓度的增加，酶促反应速率增大，两者呈现正比关系。

温度对酶促反应速率的影响具有双重性

酶促反应时，随着反应体系温度的升高，底物分子的热运动加快，增加分子碰撞的机会，提高酶促反应速率；但当温度升高达到一定临界值时，温度的升高可使酶变性，使酶促反应速率下降。大多数酶在60℃时开始变性，80℃时多数酶的变性已不可逆。酶促反应速率达最大时的反应系统的温度称为酶的最适温度(optimum temperature)。反应系统的温低于最适温度时，温度每升高10℃反应速率可增加1.7～2.5倍。当反应温度高于最适温度时，反应速率则因酶变性失活而降低。
酶的最适温度不是酶的特征性常数，它与反应时间有关。酶在低温下活性降低，随着温度的回升酶活性逐渐恢复。医学上用低温保存酶和菌种等生物制品就是利用了酶的这一特性。临床上采用低温麻醉时，机体组织细胞中的酶在低温下活性降低，物质代谢速率减慢，组织细胞耗氧量减少，对缺氧的耐受性升高，对机体具有保护作用。
哺乳类动物组织中酶的最适温度多在35～40℃之间。能在较高温度生存的生物，细胞内酶的最适反应温度亦较高。1969年从美国黄石国家森林公园火山温泉中分离得到一种能在70～75℃环境中生长的栖热水生菌(Thermusaquaticus），从该菌的YTl株中提取到的Taq DNA聚合酶，其最适温度为72℃，95℃时该酶的半寿期长达40分钟。此酶作为工具酶已被应用于DNA的体外扩增。

pH通过改变酶分子及底物分子的解离状态影响酶促反应速率

酶分子中的许多极性基团，在不同的pH条件下解离状态不同，酶活性中心的某些必需基团往往仅在某一解离状态时才最容易同底物结合或具有最大的催化活性。许多具有可解离基团的底物和辅酶的荷电状态也受pH改变的影响，从而影响酶对它们的亲和力。此外，pH还可影响酶活性中心的空间构象，从而影响酶的活性。因此，pH的改变对酶的催化作用影响很大。酶催化活性最高时反应体系的pH称为酶促反应的最适pH(optimum pH)。
虽然不同酶的最适pH各不相同，但除少数（如胃蛋白酶的最适pH约为1.8,肝精氨酸酶的最适pH为9.8)外，动物体内多数酶的最适pH接近中性。
酶的最适pH也不是酶的特征性常数，它受底物浓度、缓冲液种类与浓度以及酶的纯度等因素的影响。溶液 pH 高于或低于最适 pH 时，酶活性降低，远离最适 pH 时还会导致酶变性失活。在测定酶活性时，应选用适宜的缓冲液以保持酶活性的相对恒定。

抑制剂可降低酶促反应速率

凡能使酶活性下降而又不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂(inhibitor) 。抑制剂可与酶活性中心或活性中心之外的调节位点结合，从而抑制酶的活性。根据抑制剂和酶结合的紧密程度不同，酶的抑制作用分为不可逆性抑制与可逆性抑制两类。去除可逆性抑制剂，可使酶活性得以恢复。

不可逆性抑制剂与酶共价结合

不可逆性抑制剂和酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活。此类抑制剂不能用透析、超滤等方法予以去除。例如，有机磷农药（敌百虫、敌敌畏、乐果和马拉硫磷等）特异地与胆碱酯酶(choline esterase) 活性中心丝氨酸残基的羟基结合，使胆碱酯酶失活，导致乙酰胆碱堆积，引起胆碱能神经兴奋，病人可出现恶心、呕吐、多汗、肌肉震颤、瞳孔缩小、惊厥等一系列症状。
解救有机磷农药中毒时，可给予乙酰胆碱拮抗剂阿托品和胆碱酯酶复活剂解磷定。
低浓度的重金属离子(Hg²⁺，Ag⁺，Pb²⁺等）及As³⁺等可与巯基酶分子中的巯基结合使酶失活。例如，路易士气（一种化学毒气）能不可逆地抑制体内巯基酶的活性，从而引起神经系统、皮肤、黏膜、毛细血管等病变和代谢功能紊乱。
二巯基丙醇(British anti-lewisite, BAL)可以解除这类抑制剂对巯基酶的抑制。

可逆性抑制剂与酶非共价结合

可逆性抑制剂与酶非共价可逆性结合，使酶活性降低或消失。采用透析、超滤或稀释等物理方法可将抑制剂除去，使酶的活性恢复。可逆性抑制作用遵守米氏方程。

竞争性抑制剂与底物竞争结合酶的活性中心

抑制剂和酶的底物在结构上相似，可与底物竞争结合酶的活性中心，从而阻碍酶与底物形成中间产物，这种抑制作用称为竞争性抑制作用(competitive inhibition) 。

非竞争性抑制剂结合活性中心之外的调节位点

有些抑制剂与酶活性中心外的结合位点相结合，不影响酶与底物的结合，底物也不影响酶与抑制剂的结合。底物和抑制剂之间无竞争关系，但抑制剂-酶-底物复合物(IES)不能进一步释放出产物。这种抑制作用称为非竞争性抑制作用(non-competitive inhibition)。

反竞争性抑制剂的结合位点由底物诱导产生

与非竞争性抑制剂一样，此类抑制剂也是与酶活性中心外的调节位点结合。不同的是，没有底物结合时，游离的酶并不能与抑制剂结合，当底物与酶结合后，酶才能与抑制剂结合。因此，抑制剂仅与酶底物复合物结合，使中间产物ES的量下降。这种抑制作用称为反竞争性抑制作用(uncompetitive inhibition)。

激活剂可提高酶促反应速率

使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂(activator)。激活剂大多为金属离子，如 Mg²⁺ ,K⁺ ,Mn²⁺等；少数为阴离子，如Cl^-。也有许多有机化合物激活剂，如胆汁酸盐。
大多数金属离子激活剂对酶促反应是不可缺少的，否则将测不到酶的活性。这类激活剂称为酶的必需激活剂(essential activator)。必需激活剂参加酶与底物或与酶-底物复合物结合反应，但激活剂本身不转化为产物。例如，已糖激酶催化的反应中，Mg²⁺与底物ATP结合生成Mg²⁺-ATP, 后者作为酶的真正底物参加反应。有些酶即使激活剂不存在时，仍有一定的催化活性，激活剂则可使其活性增加，这类激活剂称为非必需激活剂(non-essential activator)。非必需激活剂通过与酶或底物或酶-底物复合物结合，提高酶的活性。例如，Cl^-是唾液淀粉酶的非必需激活剂。