第三節　影響酶促反應速度的因素

影響酶促反應速度的因素包括底物濃度、酶濃度、溫度、pH、激活劑和抑制劑等。研究各種因素對酶促反應速度的影響不僅可以提供有關酶促反應的有關信息，還可作為選擇酶作用的最佳條件、某些藥物設計、代謝性疾病防治的理論依據，因此具有重要的理論和實踐意義。

在探討某種因素對酶促反應速度的影響時，其他因素保持穩定。

一、底物濃度的影響

在酶濃度及其他因素不變的情況下，酶促反應速度（V）與底物濃度（[S]）的變化作圖，呈矩形雙曲線關系（圖4-10）。

在酶濃度恒定情況下，酶促反應的速度主要取決于底物的濃度。當底物濃度很低時，游離的酶多，故隨著[S]增高，酶與底物結合產生的中間復合物（ES）量也隨之增高，反應速度V隨[S]增高而呈直線上升，兩者呈正比關系；隨著底物濃度的進一步提高，反應速度增加的幅度逐漸下降；繼續加大底物濃度，反應速度不再增加而達到極限最大值，此時酶已經被底物飽和形成中間復合物，反應速度達到最大值，稱最大反應速度（V_max）。

（一）米氏方程式

1913年Leonor Michaelis和Maud L．Menten提出反應速度與底物濃度關系的數學方程式，即米-曼氏方程（Michaelis equation）：

式中，V為在不同底物濃度時的反應速度；[S]為底物濃度；V_max為最大反應速度（maximum velocity）；K_m為米氏常數（Michaelis constant）。當底物濃度很低（[S]＜＜K_m）時，反應速度與底物濃度成正比；當底物濃度很高（[S]>>K_m）時，V≌V_max，反應速度達到最大速度，再增加底物濃度不影響反應速度。

（二）K_m和V_max的意義

1. K_m的意義

（1）當反應速度為最大速度的一半時（V＝1/2V_max），根據米氏方程整理得：K_m＝[S]。由此可見，K_m值等于酶促反應速度為最大速度一半時的底物濃度，單位：mol/L或mmol/L。

（2）K_m是酶的特征性常數，其大小只與酶的結構、底物、反應環境有關，與酶濃度（[E]）無關。大多數酶的K_m值在10^－6～10^－2mol/L。

（3）在一定條件下，K_m可表示酶和底物的親和力。K_m值越大，酶和底物親和力越小；K_m值越小，酶和底物親和力越大。

2. V_max的意義

V_max是酶完全被底物飽和時的反應速度，與酶濃度成正比。V_max不是酶的特征性常數。

二、酶濃度的影響

在底物濃度足夠大的情況下（[S]>>[E]），酶促反應速度與酶濃度的變化成正比（圖4-11）。

三、溫度的影響

隨著溫度的升高，一般化學反應的速度加快，但酶是蛋白質，蛋白質對溫度的變化極為敏感，因此溫度對于酶促反應速度有雙重影響（圖4-12）：提高溫度，一方面加快酶促反應速度；另一方面也加速了酶的變性。當溫度在較低范圍內，隨著溫度的升高，酶的活性也增加，化學反應速度加快；但溫度升高到50℃以上時，酶的活性開始降低；繼續升高溫度達60℃以上時，絕大多數酶已經變性；在80℃時絕大多數酶的變性已經不可逆轉。酶促反應速度最大時的環境溫度稱為酶促反應的最適溫度（optimum T）。哺乳動物體內酶的最適溫度為35～40℃。

酶的最適溫度不是酶的特征性常數，它與反應進行的時間及環境條件有關。酶在短時間內可耐受較高的溫度，即反應時間短最適溫度較高，反之，延長反應時間，最適溫度降低。低溫可使酶活性降低，但一般不會使酶失活。當溫度回升后，酶活性也恢復。臨床上利用酶的這種性質，采用低溫麻醉，以減慢組織細胞代謝速度，提高機體對氧和營養物質缺乏的耐受性。實驗室利用低溫保存菌種、酶制劑；生化實驗中測定酶活性時，需要嚴格控制反應液的溫度等都基于這一原理。

四、pH的影響

酶對pH的影響極為敏感，每種酶只能在一定pH范圍內有活性，在不使酶變性的pH條件下，反應的速度對pH作圖，可得到一鐘形曲線（圖4-13），從曲線可以看出，在某一pH下，反應速度可達到最大，這一pH稱為酶的最適pH（optimum pH）。偏離最適pH，酶的活性即受抑制；pH過高或過低都會導致酶變性失活。人體內多數酶的最適pH接近中性，多在6.5～8。也有少數酶例外，如胃蛋白酶的最適pH約為1.8，胰蛋白酶的最適pH為7.8，肝精氨酸酶最適pH為9.8。

最適pH不是酶的特征性常數，其受酶的來源、底物濃度、緩沖溶液、作用時間及溫度等因素的影響。pH主要通過影響酶分子上極性基團的解離、底物與輔酶的解離，而影響酶的活性。酶分子的極性基團在不同pH條件下解離狀態不同，所帶電荷的種類和數量也不相同，酶活性中心的某些必需基團僅在某一解離狀態才最容易同底物結合或具有最大的催化作用；許多具有可解離基團的底物與輔酶的解離狀態也受pH改變的影響，從而影響它們對酶的親和力。此外，酶活性中心的空間構象也受pH的影響，從而影響酶的活性。

★ 考點提示：底物濃度、酶濃度、溫度、pH對酶促反應速度的影響；K_m的意義

五、激活劑的影響

能使酶從無活性變為有活性或使酶從低活性變為高活性的物質稱作酶的激活劑（activator）。大多數金屬離子激活劑對酶促反應是不可缺少的，這類激活劑稱為必需激活劑（essential activator）。例如，Mg^2＋是多種激酶和合成酶的激活劑。缺乏必需激活劑則酶無活力。有些激活劑不存在時，酶仍有一定的催化活性，這類激活劑稱為非必需激活劑（non-essential activator）。缺乏非必需激活劑時，酶有活力但活力較低，如Cl^－是唾液淀粉酶的非必需激活劑。

六、抑制劑的影響

凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白變性的物質稱為酶的抑制劑（inhibitor，I）。抑制劑多與酶的活性中心內或活性中心外必需基團相結合，從而抑制酶的催化活性。酶抑制與酶失活是兩個不同的概念，抑制劑雖然可使酶失活，但并不明顯改變酶的結構，即酶尚未變性，去除抑制劑后酶活性可恢復。根據抑制劑與酶結合緊密程度的不同，酶的抑制作用分為不可逆性抑制和可逆性抑制。

（一）不可逆性抑制作用

有些抑制劑能與酶活性中心的必需基團以共價鍵相結合，使酶失活，不能用透析、超濾等方法去除抑制劑，這種抑制作用稱為不可逆性抑制作用（irreversible inhibition）。通過化學等方法可解除抑制作用，抑制程度取決于抑制劑濃度及酶與抑制劑的接觸時間。

有機磷農藥1605、敵百蟲、敵敵畏等特異性抑制與神經傳導有關的膽堿酯酶的活性，通過與該酶活性中心絲氨酸殘基的羥基（—OH）共價結合，形成磷酰化膽堿酯酶，使膽堿酯酶活性受到抑制。機體正常情況下神經興奮時，神經末梢釋放的乙酰膽堿發揮作用后，被膽堿酯酶水解為乙酸和膽堿。有機磷農藥中毒后膽堿酯酶被抑制，神經末梢分泌的乙酰膽堿不能被及時分解而積聚，引起膽堿能神經的毒性興奮狀態。臨床上用解磷定和氯磷定治療有機磷農藥中毒。解磷定和氯磷定可將有機磷化合物從酶分子上取代下來，解除其對膽堿酯酶的抑制作用。

砷化合物（如路易士氣）、重金屬鹽類（Ag^＋、Hg^2＋、Pb^2＋）等，可與巰基酶的活性巰基（—SH）進行共價結合而導致酶失活。這種類型的巰基酶中毒可通過加入過量的巰基化合物解除抑制，使酶恢復活性，如解毒劑二巰基丙醇（british anti-lewisite，BAL）、二巰基丙磺酸鈉、半胱氨酸、還原型谷胱甘肽等常被稱為巰基酶保護劑，可被用作砷、重金屬等中毒的解毒劑（圖4-14）。

★ 考點提示：不可逆性抑制作用的概念；有機磷農藥中毒、重金屬中毒的機制

（二）可逆性抑制作用

抑制劑以非共價鍵與酶和（或）酶-底物復合物可逆性結合，使酶活性降低或失活，可以通過透析或超濾方法除去，使酶恢復活性，這種抑制作用稱為可逆性抑制作用（reversible inhibition）。可逆性抑制作用主要有競爭性抑制、非競爭性抑制和反競爭性抑制三種類型。

1．競爭性抑制作用

競爭性抑制劑與酶的底物結構相似，可與底物競爭酶活性中心的同一結合部位，阻礙酶與底物結合成中間復合物，使反應速度下降，這種抑制作用稱為競爭性抑制作用（competitive inhibition）。這種抑制作用的程度取決于抑制劑和底物的相對濃度及二者對酶的相對親和力，增加底物的濃度，可降低甚至解除抑制劑的抑制作用。如丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制作用即競爭性抑制，增大底物琥珀酸（丁二酸）的濃度，可減弱此抑制作用。競爭性抑制作用模式為：

磺胺類藥物就是根據競爭性抑制作用的原理設計產生的。對磺胺類藥物敏感的細菌在生長繁殖時，不能直接利用環境中的葉酸，必須在細菌體內二氫葉酸合成酶的催化下，以對氨基苯甲酸（para-aminobenzoic acid，PABA）、二氫蝶呤和谷氨酸為底物合成二氫葉酸，進一步還原生成四氫葉酸，四氫葉酸是核苷酸合成中必需的輔酶。磺胺類藥物的化學結構與對氨基苯甲酸相似，是二氫葉酸合成酶的競爭性抑制劑，可抑制細菌二氫葉酸的合成，進而造成細菌的核苷酸與核酸合成受阻而影響其生長繁殖，從而達到抑菌作用（圖4-15）。人類能直接利用食物中的葉酸，因此不受磺胺類藥物的影響。根據競爭性抑制的特點，服用磺胺類藥物時必須保證血液中藥物的高濃度，以確保其發揮有效的競爭性抑菌作用。

許多抗代謝物類藥物都是通過酶的競爭性抑制發揮作用的。如甲氨蝶呤（MTX）、氟尿嘧啶（5-FU）、巰嘌呤（6-MP）等都是酶的競爭性抑制劑，分別通過抑制四氫葉酸、脫氧胸苷酸和嘌呤核苷酸的合成，而抑制腫瘤細胞的生長。

★ 考點提示：競爭性抑制作用的概念、特點及應用

2．非競爭性抑制作用

非競爭性抑制劑與酶活性中心外的必需基團結合，不影響酶與底物的結合，而酶與底物的結合也不影響酶與抑制劑的結合。底物和抑制劑之間無競爭關系，但酶-底物-抑制劑形成的三元復合物（ESI）不能進一步釋放出產物而使酶的催化活性降低，這種抑制作用稱為非競爭性抑制作用（non-competitive inhibition）。非競爭性抑制劑作用于酶活性中心外的部位，其抑制作用取決于抑制劑的濃度，不能通過增大底物濃度的方法減弱抑制。如亮氨酸對精氨酸酶的抑制、哇巴因對細胞膜Na^＋，K^＋-ATP酶的抑制都屬于非競爭性抑制。其作用模式為：

3．反競爭性抑制作用

反競爭性抑制劑也是作用于酶活性中心外的部位，但其不與游離的酶結合，僅與酶-底物復合物（ES）可逆結合，使中間產物的量下降，導致酶促反應的速度降低，這種抑制作用稱為反競爭性抑制（uncompetitive inhibition）。這種抑制作用由于IES的生成，使ES的量減少，進而促進底物與酶的結合。其作用模式為：

★ 考點提示：非競爭性抑制與反競爭性抑制的概念、特點