酶动力学

酶动力学（Enzyme kinetics），又被称为酶催化动力学、酶反应动力学或酵素动力学，是研究酶催化的化学反应速率的学科。酶动力学对于某一特定酶的研究，可以提供许多重要信息。如该种酶的催化机理、在代谢途径中的作用、其在细胞中的活性如何被调控以及相关药物和毒药如何抑制其活性。

当酶结合多个底物，如二氢叶酸还原酶（右图所示）时，酶动力学也可以显示这些底物结合的顺序和释放产物的顺序。

了解酶的结构有助于解释动力学数据。例如，结构可以揭示催化过程中底物和产物的结合方式；反应过程中发生的变化；甚至特定氨基酸残基在反应机制中的作用。有些酶在反应过程中会发生显著的形状变化；在这种情况下，测定酶在结合和未结合不发生酶促反应的底物类似物时的结构很有帮助。

并非所有生物催化剂都是蛋白质酶：基于RNA的催化剂，例如核酶和核糖体，对许多细胞功能至关重要，例如RNA剪接和翻译。核酶和酶的主要区别在于，RNA催化剂由核苷酸组成，而酶由氨基酸组成。核酶催化的反应种类也相对有限，尽管它们的反应机制和动力学可以用相同的方法进行分析和分类。

## 一般原理

<image>

酶催化的反应与非酶催化的反应使用完全相同的反应物，并产生完全相同的产物。与其他催化剂一样，酶不会改变底物和产物之间的平衡位置。然而，与非酶催化的化学反应不同，酶催化的反应表现出饱和动力学。在给定的酶浓度和相对较低的底物浓度下，反应速率随底物浓度线性增加；酶分子可以自由地催化反应，底物浓度的增加意味着酶和底物分子相互接触的速率增加。然而，在相对较高的底物浓度下，反应速率渐近地接近理论最大值；酶的活性位点几乎全部被底物占据，导致饱和，反应速率由酶的固有周转率决定。介于这两种极限情况之间的底物浓度用KM表示。因此，KM 是反应速率为最大速率一半时的底物浓度。

酶动力学的两个重要特性是酶与底物饱和的难易程度以及其能达到的最大反应速率。了解这些特性可以提示酶在细胞内可能发挥的功能，并揭示酶如何响应细胞环境的变化。

## 单底物反应

具有单底物机制的酶包括异构酶（如磷酸丙糖异构酶或二磷酸甘油酸变位酶）、分子内裂解酶（如腺苷酸环化酶）以及锤头状核酶（一种RNA裂解酶）。然而，有些仅具有单一底物的酶并不属于此类机制。过氧化氢酶就是一个例子，该酶与第一个过氧化氢分子反应，自身被氧化，然后被第二个底物分子还原。尽管只涉及一个底物，但由于存在修饰的酶中间体，过氧化氢酶的机制实际上是乒乓机制，这种机制将在下文“多底物反应”部分进行讨论。

### 米夏埃利斯-门滕动力学

```
一种化学反应机制，其中酶催化或非酶催化均可发生。[[酶]]（E）与[[底物]]（S）结合生成[[产物 (化学)|产物]]（P）。
```

由于酶促反应具有饱和性，其催化速率与底物浓度的增加并非线性关系。如果在一定底物浓度范围（记为S）内测量反应的初始速率，则初始反应速率（$v_0$）会随着S的增加而增加。然而，随着S的进一步升高，酶会被底物饱和，初始速率达到Vmax，即酶的最大反应速率。

## 多底物反应

多底物反应遵循复杂的速率方程，这些方程描述了底物如何结合以及结合的顺序。如果保持底物 A 的浓度恒定而改变底物 B 的浓度，则这些反应的分析会简单得多。在这种情况下，酶的行为与单底物酶类似，v与S的关系图可以给出底物 B 的表观KM和Vmax常数。如果在不同的固定底物 A 浓度下进行一系列测量，这些数据可用于确定反应机制。对于一种以两种底物 A 和 B 为底物并将它们转化为两种产物P和Q的酶，存在两种类型的机制：三元复合物机制和取代酶机制。

三元复合物机制

<image>

在这些酶中，两种底物同时与酶结合，形成EAB三元复合物。结合顺序可以是随机的（随机机制），也可以是底物必须按特定顺序结合（有序机制）。当将具有三元复合物机制的酶的v×S曲线（固定A，变化B）绘制在Lineweaver-Burk图中时，生成的曲线会相交。

具有三元复合物机制的酶包括谷胱甘肽S-转移酶，二氢叶酸还原酶和DNA聚合酶。

取代酶（“乒乓”）机制

酶促反应的乒乓机制。中间体包含底物A和B或产物P和Q。

具有取代酶机制的酶可以以两种状态存在：酶E和化学修饰形式的酶E*；这种修饰后的酶被称为中间体。在这种机制中，底物A结合，通过将化学基团转移到活性位点等方式将酶转化为E*，然后被释放。只有在第一个底物被释放后，底物B才能结合并与修饰后的酶反应，从而再生出未修饰的酶E。当将具有取代酶机制的酶的一系列v-S曲线（固定A，改变B）绘制在Lineweaver-Burk图中时，会得到一组平行线。这被称为次级图。

具有取代酶机制的酶包括一些氧化还原酶，例如过氧化物酶，转移酶，例如酰基神经氨酸胞苷酰转移酶以及丝氨酸蛋白酶，例如胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶。丝氨酸蛋白酶是一个非常常见且多样化的酶家族，包括消化酶（胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶）、血液凝固级联反应中的几种酶以及许多其他酶。在这些丝氨酸蛋白酶中，E*中间体是一种酰基酶，由活性位点丝氨酸残基攻击蛋白质底物中的肽键形成。

## 非米氏动力学

许多不同的酶系统遵循非米氏方程的行为。例如，自催化酶、协同酶和变构酶、界面酶和细胞内酶、连续酶等的动力学行为就属于此类。一些酶的v-S曲线呈S形，这通常表明底物与活性位点的结合存在协同性。这意味着一个底物分子的结合会影响后续底物分子的结合。这种行为在具有多个相互作用的活性位点的多聚体酶中最常见。

## 化学机理

一个很重要的目的测量酶动力学是确定化学机制的一种酶反应，即该序列的化学步骤变换到底物产品。

## 酶抑制和活化

酶抑制剂是减少或消除酶活性的分子，而酶活化剂是增加酶的催化速率的分子。这些相互作用可以是可逆的（即取消该抑制剂恢复酶活性）或不可逆的（即抑制剂永久地失活酶）。

## 历史

1902年，维克多·亨利（Victor Henri）提出了对酶动力学进行定量的理论，但是由于忽略了溶液中氢离子浓度的影响，他的实验结果无法验证这一理论。在1909年，瑟伦·索伦森（Peter Lauritz Sørensen）提出了对数的pH值并引入“缓冲”这一概念后。

德国化学家莱昂诺尔·米夏埃利斯（Leonor Michaelis）和莫德·门滕博士（Maud Leonora Menten）（当时她是Michaelis实验室的一名博士后研究员）重复了亨利的实验，实验结果肯定了Henri所提出的方程。这一方程被称为Henri-Michaelis-Menten kinetics或Michaelis-Menten kinetics，中文对应名称为米-门二氏动力学。这一工作被乔治·爱德华·布里格斯（G. E. Briggs）和约翰·伯顿·桑德森·霍尔丹（J. B. S. Haldane）所进一步发展，此二人所提出的动力学方程至今仍得到广泛使用。

亨利-米夏埃利斯-门滕方法的主要贡献在于将酶促反应分为两个阶段。在第一阶段，底物可逆地与酶结合，形成酶-底物复合物。这有时被称为米氏复合物。然后，酶催化反应中的化学步骤并释放产物。许多酶的动力学可以用简单的米氏-门滕模型充分描述，但所有酶都存在模型中未考虑的蛋白质动力学，这些运动可能对整体反应动力学产生显著影响。可以通过引入几个相互连接的、速率波动的米氏-门滕途径来模拟这种情况，这是对基本米氏-门滕机制的数学扩展。

## 进阶阅读

- Athel Cornish-Bowden, Fundamentals of Enzyme Kinetics. (3rd edition), Portland Press 2004, ISBN 1-85578-158-1.
- Irwin H. Segel, Enzyme Kinetics : Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady-State Enzyme Systems. Wiley-Interscience; New Ed edition 1993, ISBN 0-471-30309-7.
- Alan Fersht, Structure and Mechanism in Protein Science : A Guide to Enzyme Catalysis and Protein Folding. W. H. Freeman, 1998. ISBN 0-7167-3268-8
- Santiago Schnell, Philip K. Maini, A century of enzyme kinetics: Reliability of the KM and vmax estimates, Comments on Theoretical Biology 8, 169–187, 2004 DOI: 10.1080/08948550390206768
- Chris Walsh, Enzymatic Reaction Mechanisms. W. H. Freeman and Company. 1979. ISBN 0-7167-0070-0
- Nicholas Price, Lewis Stevens, Fundamentals of Enzymology, Oxford University Press, 1999. ISBN 0-19-850229-X
- Tim Bugg, An Introduction to Enzyme and Coenzyme Chemistry Blackwell Publishing, 2004 ISBN 1-4051-1452-5

## 外部链接

- Animation of an enzyme assay — Shows effects of manipulating assay conditions
- MACiE — A database of enzyme reaction mechanisms
- ENZYME — Expasy enzyme nomenclature database
- ExCatDB — A database of enzyme catalytic mechanisms
- BRENDA — Comprehensive enzyme database, giving substrates, inhibitors and reaction diagrams
- SABIO-RK — A database of reaction kinetics
- Joseph Kraut's Research Group, University of California San Diego — Animations of several enzyme reaction mechanisms
- Symbolism and Terminology in Enzyme Kinetics — A comprehensive explanation of concepts and terminology in enzyme kinetics
- An introduction to enzyme kinetics — An accessible set of on-line tutorials on enzyme kinetics
- Enzyme kinetics animated tutorial — An animated tutorial with audio