数,即 Kat/Kg 酶的催化中心活力又常称为酶的转换数,如表4-1列出了酶催化和化学催化 反应的转换数大小的比较。结果看出,酶的转换数大大高于化学催化剂,尤其在 生理温度下更为明显。 表4-1酶催化反应和化学催化反应的转换数大小的比较 转换数mol(中 催化剂 反应 温度℃ 心点·S) 酶催化剂 菠萝蛋白酶 肽的水解 4×10-3~5×10-1 0~37 木瓜蛋白酶 肽的水解 8×10-2~1×10 胰蛋白酶 肽的水解 3×10-3~1×102 碳酸肝酶羰基化合物的可逆8×101-6×105 0~37 反应 化学催化剂 硅胶一氧化铝异丙基苯裂解 3×10 硅胶一氧化铝异丙基苯裂解 2×104 420 二氧化钒 环己烷脱氢 7×10-1l 二氧化钒 环己烷脱氢 l×102 350 根据实验测定,大部分酶的分子活力为103,最高可达106以上。可以认为
26 数，即 Kat/Kg。 酶的催化中心活力又常称为酶的转换数，如表 4-1 列出了酶催化和化学催化 反应的转换数大小的比较。结果看出，酶的转换数大大高于化学催化剂，尤其在 生理温度下更为明显。 表 4-1 酶催化反应和化学催化反应的转换数大小的比较 根据实验测定，大部分酶的分子活力为 103，最高可达 106 以上。可以认为， 催化剂 反应 转换数 mol/（中 心点·S） 温度℃ 酶催化剂 菠萝蛋白酶 木瓜蛋白酶 胰蛋白酶 碳酸肝酶 肽的水解 肽的水解 肽的水解 羰基化合物的可逆 反应 4×10-3~5×10-1 8×10-2~1×10 3×10-3~1×102 8×10-1~6×105 0~37 0~37 0~37 0~37 化学催化剂 硅胶－氧化铝 硅胶－氧化铝 二氧化钒 二氧化钒 异丙基苯裂解 异丙基苯裂解 环己烷脱氢 环己烷脱氢 3×10-8 2×104 7×10-11 1×102 25 420 25 350
酶在常温、常压和中性条件下作为反应的催化剂,具有很高的催化效率,即有很 高的催化活性。 (2)很强的专一性 酶催化反应有很髙的选择性,一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的 物质进行某一种反应,这种特性称为酶的专一性或选择性。酶的专一性是酶作为 催化剂最重要的特性,也是酶催化反应过程优于一般化学反应过程的最重要的理 由之 一种酶若只能催化一种化合物进行一种反应,这种专一性称为绝对专一性 如脲酶只能催化尿素水解生成CO2和HO。若一种酶能够催化一类具有相同化 学键或基团的物质进行某种类型的反应,这种专一性称为相对专一性,如脂肪酶 可以催化所有酯类化合物水解。若一种酶只能催化某化合物在热力学上可能进行 的许多反应中的一种反应,这种专一性称为酶的反应专一性,具有不同反应专 性的酶只各自催化不同的反应。如,对同一反应物葡萄糖,以葡萄糖氧化酶为催 化剂可得葡萄糖酸;以葡萄糖异构酶为催化剂可得果糖;以己糖激酶为催化剂可 得葡萄糖-6-磷酸。绝大多数的酶都具有反应专一性。一种酶只能催化一种底物, 则称为酶的底物专一性;一种酶只能作用于所有立体异构体中的一种,则称为立 体专一性。此外,还有官能团专一性、序列专一性等。利用酶催化的这种高度的 多种专一性,有可能制备出化学催化反应所不能得到的化合物,这也有利于提高 产物的分离纯度 (3)具有温和的反应条件 酶催化反应温度一般在生理温度25~37℃的范围,仅有少数酶反应可在较高 温度下进行。同时,酶催化反应一般是在接近中性的pH值条件下进行 (4)易变性与失活 酶的化学本质是蛋白质,因而具有蛋白质的所有性质。其中,容易变性的性 质,使得酶在应用时,常因变性而使活力下降,甚至完全失去活力,即失活。酶 的变性多数为不可逆。引起变性的原因有物理因素及化学因素。物理因素包括热、 紫外线、ⅹ射线、声波等。化学因素包括酸、碱、表面活性剂、重金属盐等化学 药品的影响。因而产生了诸如热变性、酸碱变性、氧化变性等。 此外,酶作为催化剂还存在着酶的提取工艺繁琐,成本昂贵,以及目前大多
27 酶在常温、常压和中性条件下作为反应的催化剂，具有很高的催化效率，即有很 高的催化活性。 （2）很强的专一性： 酶催化反应有很高的选择性，一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的 物质进行某一种反应，这种特性称为酶的专一性或选择性。酶的专一性是酶作为 催化剂最重要的特性，也是酶催化反应过程优于一般化学反应过程的最重要的理 由之一。 一种酶若只能催化一种化合物进行一种反应，这种专一性称为绝对专一性， 如脲酶只能催化尿素水解生成 CO2 和 H2O。若一种酶能够催化一类具有相同化 学键或基团的物质进行某种类型的反应，这种专一性称为相对专一性，如脂肪酶 可以催化所有酯类化合物水解。若一种酶只能催化某化合物在热力学上可能进行 的许多反应中的一种反应，这种专一性称为酶的反应专一性，具有不同反应专一 性的酶只各自催化不同的反应。如，对同一反应物葡萄糖，以葡萄糖氧化酶为催 化剂可得葡萄糖酸；以葡萄糖异构酶为催化剂可得果糖；以己糖激酶为催化剂可 得葡萄糖-6-磷酸。绝大多数的酶都具有反应专一性。一种酶只能催化一种底物， 则称为酶的底物专一性；一种酶只能作用于所有立体异构体中的一种，则称为立 体专一性。此外，还有官能团专一性、序列专一性等。利用酶催化的这种高度的 多种专一性，有可能制备出化学催化反应所不能得到的化合物，这也有利于提高 产物的分离纯度。 （3）具有温和的反应条件 酶催化反应温度一般在生理温度 25~37℃的范围，仅有少数酶反应可在较高 温度下进行。同时，酶催化反应一般是在接近中性的 pH 值条件下进行。 （4）易变性与失活 酶的化学本质是蛋白质，因而具有蛋白质的所有性质。其中，容易变性的性 质，使得酶在应用时，常因变性而使活力下降，甚至完全失去活力，即失活。酶 的变性多数为不可逆。引起变性的原因有物理因素及化学因素。物理因素包括热、 紫外线、x 射线、声波等。化学因素包括酸、碱、表面活性剂、重金属盐等化学 药品的影响。因而产生了诸如热变性、酸碱变性、氧化变性等。 此外，酶作为催化剂还存在着酶的提取工艺繁琐，成本昂贵，以及目前大多
数酶催化反应还只能在水溶液中进行的不足。 第二节简单的酶催化反应动力学 简单的酶催化反应动力学是指由一种反应物底物)参与的不可逆反应。属于 此类反应的有酶催化的水解反应和异构化反应。这种简单的单底物酶反应动力 学,是酶反应动力学的基础 Michaelis-Menten方程 对酶催化反应过程的机理,得到大量实验结果支持的是活性中间复合物学 说,该学说认为酶催化反应至少包括两步,首先是底物S和酶E相结合形成中 间复合物[ES],然后该复合物分解成产物P,并释放出酶E。 例如:酶反应S-E 其反应机理可表示为 ES P +E E:游离酶 ES:酶底物复合物 S:底物 P:产物, K+1,K-1,K+2:反应速率常数。 根据化学动力学,反应速率通常以单位时间、单位反应体系中某一组分的变 量来表示。对均相酶的催化反应,单位反应体系常用单位体积表示。因此,上述 反应的速率可表示为 ins rs:底物S的消耗速率(molL.s) rp:产物P生成速率(moL.s) v:反应体系的体积(L) ns、np:底物S和产物P的质量(mol) t:时间(s)
28 数酶催化反应还只能在水溶液中进行的不足。 第二节 简单的酶催化反应动力学 简单的酶催化反应动力学是指由一种反应物(底物)参与的不可逆反应。属于 此类反应的有酶催化的水解反应和异构化反应。这种简单的单底物酶反应动力 学，是酶反应动力学的基础。 一． Michaelis-Menten 方程 对酶催化反应过程的机理，得到大量实验结果支持的是活性中间复合物学 说，该学说认为酶催化反应至少包括两步，首先是底物 S 和酶 E 相结合形成中 间复合物[ES]，然后该复合物分解成产物 P，并释放出酶 E。 例如：酶反应 S P ⎯E→ 其反应机理可表示为 k+1 k-1 S + E ES k+2 P + E E：游离酶 ES：酶底物复合物 S：底物 P：产物， K+1，K-1，K+2 ：反应速率常数。 根据化学动力学，反应速率通常以单位时间、单位反应体系中某一组分的变 量来表示。对均相酶的催化反应，单位反应体系常用单位体积表示。因此，上述 反应的速率可表示为 dt dn v r s = − 1 s dt dn v r p p = 1 rs：底物 S 的消耗速率（mol/L﹒s） rp：产物 P 生成速率（mol/L﹒s） v：反应体系的体积（L） ns、np：底物 S 和产物 P 的质量（mol） t：时间（s）
对于底物S,随着反应的进行,其量由于消耗而减少,即时间导数<0, dt 因此用S来计算反应速率时,需加一负号,以使反应速率恒为正值。而P产物 相反,当>0,不需加负号。根据质量作用定律,P的生成速率可表示为 ES]为中间复合物ES的浓度 ES]为一难测定的未知量,因而不能用它来表示最终的速率方程 L Michaelis和 ML Menten在推导该方程时,曾提出下述假设 (1)与底物浓度S]相比,酶的浓度巴很小,因而可忽略由于生成中间复合物 ES而消耗的底物 (2)不考虑P+E→ES这个逆反应的存在。若要忽略该反应的存在,则必须是 产物P为零,换言之,该方程适用于反应的初始状态。 (3)认为基元反应ES→E+P的反应速率最慢,为该反应速率的控制步骤,而 S+E◇ES这一反应速率最快,并很快达到平衡状态。因此上述假设又称为“平 衡假设” 速率控制步骤在反应动力学中是一个重要的概念。在一个多步骤的反应体系 中,其中反应速率最快的一步称为速率的控制步骤,并且控制步骤的速率决定了 该反应的速率。 根据上述假定(3),可列出 K EIs=K_ES 会冒…冒 Ks为解离常数(mol) 反应体系中酶的总浓度[E0]为 K
29 对于底物 S，随着反应的进行，其量由于消耗而减少，即时间导数 dt dns ﹤0， 因此用 S 来计算反应速率时，需加一负号，以使反应速率恒为正值。而 P 产物 相反， dt dnp ﹥0，不需加负号。根据质量作用定律，P 的生成速率可表示为： rp k ES = +2 [ES]为中间复合物 ES 的浓度 [ES]为 一难 测定的 未知 量， 因而 不能 用它来 表示 最终 的速 率方 程。 L.Michaelis 和 M.L.Menten 在推导该方程时，曾提出下述假设： （1）与底物浓度[S]相比，酶的浓度 [E]很小，因而可忽略由于生成中间复合物 ES 而消耗的底物。 （2）不考虑 P+ E → ES 这个逆反应的存在。若要忽略该反应的存在，则必须是 产物 P 为零，换言之，该方程适用于反应的初始状态。 （3）认为基元反应 ES → E + P 的反应速率最慢，为该反应速率的控制步骤，而 S + E ES 这一反应速率最快，并很快达到平衡状态。因此上述假设又称为“平 衡假设” 。 速率控制步骤在反应动力学中是一个重要的概念。在一个多步骤的反应体系 中，其中反应速率最快的一步称为速率的控制步骤，并且控制步骤的速率决定了 该反应的速率。 根据上述假定（3），可列出 K E S K ES +1 = −1 S ES K S ES K K E = S = + − 1 1 K S 为解离常数（mol/l） 反应体系中酶的总浓度 E0 为 E = E+ ES 0 = + = + S K ES ES S ES E K S 0 S 1
[ESI=Eo][S] S+K 代入=k,E kx[Eo][s]/p.m.[S] ……(1) k Tp.max:P的最大生成速率 Eo:酶的总浓度,亦为酶的初始浓度 上式即为米氏方程或称M-M方程。 G.E. Briggs和J.B. Haldane对上述第三点假设进行修正,提出了“拟 稳态”假设。他们认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多,中间复合 物分解时所得到的酶又立即与底物相结合,从而使反应体系中复合物的浓度维持 不变,即中间复合物的浓度不再随时间而变化,“拟稳态”假设是从反应机理推 导动力学方程的又一重要假设。 dE dt k[E][S]-(+k2)[ES=0 消去[ES]得 k2[E]S]rm·S km:米氏常数(mol) km与ks的关系为 k =k 从式(1)和式(2)可见,由两种推导方法所得速率方程式形式基本相同, 不同的是ks值代表反应的平衡常数,而km值称为米氏常数,它代表动态的平衡 常数,表示实际的恒态时的浓率关系 当k,2<k1时,km值才接近于ks km是酶的特征性常数,测定km值具有重要的意义。km值代表反应速率为最 大反应速率一半时的基质浓度,其单位为浓度单位
30 S KS E S ES + = 0 代入 r k ES p = +2 k S r S k S k E S r s p s p + = + = +2 0 ,max ………………（1） rp,max：P 的最大生成速率 [E0]：酶的总浓度，亦为酶的初始浓度 上式即为米氏方程或称 M—M 方程。 G．E．Briggs 和 J．B．Haldane 对上述第三点假设进行修正，提出了“拟 稳态”假设。他们认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合 物分解时所得到的酶又立即与底物相结合，从而使反应体系中复合物的浓度维持 不变，即中间复合物的浓度不再随时间而变化，“拟稳态”假设是从反应机理推 导动力学方程的又一重要假设。 = 0 dt d ES k+1 ES−(k−1 + k+2 )ES = 0 消去 ES 得 k S r S S k k k k E S r m p p + = + + = + − + + ,max 1 1 2 2 0 ………………（2） km：米氏常数(mol/l) km 与 ks 的关系为 1 2 + + = + k k k k m s 从式（1）和式（2）可见，由两种推导方法所得速率方程式形式基本相同， 不同的是 ks 值代表反应的平衡常数，而 km 值称为米氏常数，它代表动态的平衡 常数，表示实际的恒态时的浓率关系。 当 +2 k << +1 k 时，km 值才接近于 ks km 是酶的特征性常数，测定 km 值具有重要的意义。km 值代表反应速率为最 大反应速率一半时的基质浓度，其单位为浓度单位