酶動力學

酶動力學（Enzyme kinetics），又被稱為酶催化動力學、酶反應動力學或酵素動力學，是研究酶催化的化學反應速率的學科。酶動力學對於某一特定酶的研究，可以提供許多重要資訊。如該種酶的催化機理、在代謝途徑中的作用、其在細胞中的活性如何被調控以及相關藥物和毒藥如何抑制其活性。

當酶結合多個底物，如二氫葉酸還原酶（右圖所示）時，酶動力學也可以顯示這些底物結合的順序和釋放產物的順序。

了解酶的結構有助於解釋動力學數據。例如，結構可以揭示催化過程中底物和產物的結合方式；反應過程中發生的變化；甚至特定胺基酸殘基在反應機制中的作用。有些酶在反應過程中會發生顯著的形狀變化；在這種情況下，測定酶在結合和未結合不發生酶促反應的底物類似物時的結構很有幫助。

並非所有生物催化劑都是蛋白質酶：基於RNA的催化劑，例如核酶和核糖體，對許多細胞功能至關重要，例如RNA剪接和翻譯。核酶和酶的主要區別在於，RNA催化劑由核苷酸組成，而酶由胺基酸組成。核酶催化的反應種類也相對有限，儘管它們的反應機制和動力學可以用相同的方法進行分析和分類。

## 一般原理

酶催化的反應與非酶催化的反應使用完全相同的反應物，並產生完全相同的產物。與其他催化劑一樣，酶不會改變底物和產物之間的平衡位置。然而，與非酶催化的化學反應不同，酶催化的反應表現出飽和動力學。在給定的酶濃度和相對較低的底物濃度下，反應速率隨底物濃度線性增加；酶分子可以自由地催化反應，底物濃度的增加意味著酶和底物分子相互接觸的速率增加。然而，在相對較高的底物濃度下，反應速率漸近地接近理論最大值；酶的活性位點幾乎全部被底物占據，導致飽和，反應速率由酶的固有周轉率決定。介於這兩種極限情況之間的底物濃度用KM表示。因此，KM 是反應速率為最大速率一半時的底物濃度。

酶動力學的兩個重要特性是酶與底物飽和的難易程度以及其能達到的最大反應速率。了解這些特性可以提示酶在細胞內可能發揮的功能，並揭示酶如何響應細胞環境的變化。

## 單底物反應

具有單底物機制的酶包括異構酶（如磷酸丙糖異構酶或二磷酸甘油酸變位酶）、分子內裂解酶（如腺苷酸環化酶）以及錘頭狀核酶（一種RNA裂解酶）。然而，有些僅具有單一底物的酶並不屬於此類機制。過氧化氫酶就是一個例子，該酶與第一個過氧化氫分子反應，自身被氧化，然後被第二個底物分子還原。儘管只涉及一個底物，但由於存在修飾的酶中間體，過氧化氫酶的機制實際上是桌球機制，這種機制將在下文「多底物反應」部分進行討論。

### 米夏埃利斯-門滕動力學

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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）。
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由於酶促反應具有飽和性，其催化速率與底物濃度的增加並非線性關係。如果在一定底物濃度範圍（記為S）內測量反應的初始速率，則初始反應速率（$v_0$）會隨著S的增加而增加。然而，隨著S的進一步升高，酶會被底物飽和，初始速率達到Vmax，即酶的最大反應速率。

## 多底物反應

多底物反應遵循複雜的速率方程，這些方程描述了底物如何結合以及結合的順序。如果保持底物 A 的濃度恆定而改變底物 B 的濃度，則這些反應的分析會簡單得多。在這種情況下，酶的行為與單底物酶類似，v與S的關係圖可以給出底物 B 的表觀KM和Vmax常數。如果在不同的固定底物 A 濃度下進行一系列測量，這些數據可用於確定反應機制。對於一種以兩種底物 A 和 B 為底物並將它們轉化為兩種產物P和Q的酶，存在兩種類型的機制：三元複合物機制和取代酶機制。

三元複合物機制

在這些酶中，兩種底物同時與酶結合，形成EAB三元複合物。結合順序可以是隨機的（隨機機制），也可以是底物必須按特定順序結合（有序機制）。當將具有三元複合物機制的酶的v×S曲線（固定A，變化B）繪製在Lineweaver-Burk圖中時，生成的曲線會相交。

具有三元複合物機制的酶包括穀胱甘肽S-轉移酶，二氫葉酸還原酶和DNA聚合酶。

取代酶（「桌球」）機制

酶促反應的桌球機制。中間體包含底物A和B或產物P和Q。

具有取代酶機制的酶可以以兩種狀態存在：酶E和化學修飾形式的酶E*；這種修飾後的酶被稱為中間體。在這種機制中，底物A結合，通過將化學基團轉移到活性位點等方式將酶轉化為E*，然後被釋放。只有在第一個底物被釋放後，底物B才能結合併與修飾後的酶反應，從而再生出未修飾的酶E。當將具有取代酶機制的酶的一系列v-S曲線（固定A，改變B）繪製在Lineweaver-Burk圖中時，會得到一組平行線。這被稱為次級圖。

具有取代酶機制的酶包括一些氧化還原酶，例如過氧化物酶，轉移酶，例如醯基神經氨酸胞苷醯轉移酶以及絲氨酸蛋白酶，例如胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶。絲氨酸蛋白酶是一個非常常見且多樣化的酶家族，包括消化酶（胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和彈性蛋白酶）、血液凝固級聯反應中的幾種酶以及許多其他酶。在這些絲氨酸蛋白酶中，E*中間體是一種醯基酶，由活性位點絲氨酸殘基攻擊蛋白質底物中的肽鍵形成。

## 非米氏動力學

許多不同的酶系統遵循非米氏方程的行為。例如，自催化酶、協同酶和變構酶、界面酶和細胞內酶、連續酶等的動力學行為就屬於此類。一些酶的v-S曲線呈S形，這通常表明底物與活性位點的結合存在協同性。這意味著一個底物分子的結合會影響後續底物分子的結合。這種行為在具有多個相互作用的活性位點的多聚體酶中最常見。

## 化學機理

一個很重要的目的測量酶動力學是確定化學機制的一種酶反應，即該序列的化學步驟變換到底物產品。

## 酶抑制和活化

酶抑制劑是減少或消除酶活性的分子，而酶活化劑是增加酶的催化速率的分子。這些相互作用可以是可逆的（即取消該抑制劑恢復酶活性）或不可逆的（即抑制劑永久地失活酶）。

## 歷史

1902年，維克多·亨利（Victor Henri）提出了對酶動力學進行定量的理論，但是由於忽略了溶液中氫離子濃度的影響，他的實驗結果無法驗證這一理論。在1909年，瑟倫·索倫森（Peter Lauritz Sørensen）提出了對數的pH值並引入「緩衝」這一概念後。

德國化學家萊昂諾爾·米夏埃利斯（Leonor Michaelis）和莫德·門滕博士（Maud Leonora Menten）（當時她是Michaelis實驗室的一名博士後研究員）重複了亨利的實驗，實驗結果肯定了Henri所提出的方程。這一方程被稱為Henri-Michaelis-Menten kinetics或Michaelis-Menten kinetics，中文對應名稱為米-門二氏動力學。這一工作被喬治·愛德華·布里格斯（G. E. Briggs）和約翰·伯頓·桑德森·霍爾丹（J. B. S. Haldane）所進一步發展，此二人所提出的動力學方程至今仍得到廣泛使用。

亨利-米夏埃利斯-門滕方法的主要貢獻在於將酶促反應分為兩個階段。在第一階段，底物可逆地與酶結合，形成酶-底物複合物。這有時被稱為米氏複合物。然後，酶催化反應中的化學步驟並釋放產物。許多酶的動力學可以用簡單的米氏-門滕模型充分描述，但所有酶都存在模型中未考慮的蛋白質動力學，這些運動可能對整體反應動力學產生顯著影響。可以通過引入幾個相互連接的、速率波動的米氏-門滕途徑來模擬這種情況，這是對基本米氏-門滕機制的數學擴展。

## 進階閱讀

- 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

## 外部連結

- 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