酶的特性及酶催化反应动力学-食品生物技术

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：酶的专一性主要取决于酶的活性中心的构象和性质，其专一性可分为结构专一性和立体异构专一性。这也是酶区别于一般催化剂的一个重要特征。同时酶也常因温度、pH的轻微改变或抑制剂的存在而使其活性发生改变。（二）酶催化反应动力学1.单底物酶反应动力学底物浓度的改变对酶促反应速率影响比较复杂。当cI增加，或KI减小，都将使KmI值增大，使酶与底物的结合能力下降，活性复合物减少，因而使底物反应速率下降。

（一）酶的催化特性

酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的特征外，还有以下几点特性：

1.催化效率高

酶催化反应速率比无机催化剂或有机催化剂高107～1013倍。例如，过氧化氢分解反应中，若用铁离子作为催化剂，反应速率为6×10-4mol/s；20℃下脲酶水解脲的速率比微酸水溶液中的反应速率大1018倍，可见酶作为一种生物催化剂催化效率极高。

2.具有高度专一性

酶对底物及催化反应有严格的选择性，一种酶仅能于一种物质或一种结构相似的物质，发生一定的化学反应，而对其他物质不具有活性，这种对底物的选择性称为酶的专一性。酶的专一性主要取决于酶的活性中心的构象和性质，其专一性可分为结构专一性和立体异构专一性。

在结构专一性中，有的酶只作用于一定的键，对键两端的基团没有一定的要求，这种专一性称为“键专一性”；有的酶对底物要求较高，不仅要求一定的化学键，而且对键的一端的基团也有一定的要求，这种专一性称为“基团专一性”。

立体异构专一性可分为旋光异构专一和几何异构专一。前者对于底物的旋光性质要求严格，后者则对底物的顺反异构有高度专一性。

3.酶的催化活性可被调节控制

酶作为细胞蛋白质的组成成分，随生长发育不断地进行自我更新和组分变化，其催化活性极易受到环境的影响而发生变化，因此通过多种形式对酶活性进行调节和控制，使极其复杂的代谢活动有条不紊地进行。这也是酶区别于一般催化剂的一个重要特征。

4.酶易失活

酶的本质是蛋白质，由生物细胞产生，它对环境的变化非常敏感，高温、强酸、强碱、重金属等都是引起蛋白质变性的条件，都能使酶丧失活性。同时酶也常因温度、pH的轻微改变或抑制剂的存在而使其活性发生改变。

（二）酶催化反应动力学

1.单底物酶反应动力学

底物浓度的改变对酶促反应速率影响比较复杂。图5-2为单底物酶促反应中初速率对初底物浓度在固定酶浓度下的曲线。

可以看到，当底物浓度较低时，反应速率与底物浓度呈现正比关系，酶促反应具有一级反应特征；随着底物浓度的增加，反应速率不再按正比升高，在这一段中反应表现为混合级反应；底物浓度继续增加，反应表现为零级反应，酶促反应速率不再上升，趋向极限。

图5-2　单底物酶促反应中初速率对初底物浓度在固定酶浓度下的曲线

2.抑制作用动力学(www.chuimin.cn)

简单的单底物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。此类反应有酶催化的水解反应和异构化反应。

有些酶的催化反应，由于底物浓度过高，反应速率反而会下降，此种效应称为底物的抑制作用。更为重要的是，在酶催化反应中，由于某些外源化合物的存在而使反应速率下降，这种物质称为抑制剂。抑制作用分为可逆抑制与不可逆抑制两大类。如果某种抑制用诸如透析等物理方法去掉抑制剂而恢复酶的活性，则此类抑制称为可逆抑制，此时酶与抑制剂的结合存在着解离平衡的关系。如果抑制剂与酶的基团成共价结合，则此时不能用物理方法去掉抑制剂，此类抑制可使酶永久性地失活。

根据产生抑制的机制不同，可逆抑制又分为竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合型抑制。

（1）竞争性抑制动力学　若在反应体系中有与底物结构相类似的物质，该物质也能在酶的活性部位上结合，从而阻碍了酶与底物的结合，使酶催化底物的反应速率下降。这种抑制称为竞争性抑制，该物质称为竞争性抑制剂。其主要特点是，抑制剂与底物竞争酶的活性部位，当抑制剂与酶的活性部位结合之后，底物就不能再与酶结合，反之亦然。竞争性抑制的机制为

竞争性抑制动力学的主要特点是米氏常数的改变。当cI增加，或KI减小，都将使KmI值增大，使酶与底物的结合能力下降，活性复合物减少，因而使底物反应速率下降。无抑制与竞争性抑制的反应速率与底物浓度的关系曲线见图5-3。

（2）非竞争性抑制动力学　若抑制剂可以在酶的活性部位以外与酶相结合，并且这种结合与底物的结合没有竞争关系，这种抑制称为非竞争性抑制。此时抑制剂既可与游离的酶相结合，也可以与复合物[ES]相结合，生成了底物—酶—抑制剂的复合物[SEI]。绝大多数的情况是复合物[SEI]为无催化活性的端点复合物，不能分解为产物，即使增大底物的浓度也不能解除抑制剂的影响。还有一种是三元复合物[SEI]也能分解为产物，但对酶的催化反应速率仍然产生了抑制作用。非竞争性抑制的机制为

图5-3　竞争性抑制的vSI与cS关系

这表明对非竞争性抑制，由于抑制剂的作用使最大反应速率降低了1+cI/KI，并且cI增加、KI减小都使其抑制程度增加，此时vSI对cS的关系见图5-4。

图5-4　非竞争性抑制的vSI与cS关系

非竞争性抑制与竞争性抑制的主要不同点是：对竞争性抑制，随着底物浓度的增大，抑制剂的影响可减弱；而对非竞争性抑制，即使增大底物浓度也不能减弱抑制剂的影响。从这个意义上讲，竞争性抑制作用是可逆的，非竞争性抑制作用是不可逆的。

（3）反竞争性抑制动力学　反竞争性抑制的特点是抑制剂不能直接与游离酶相结合，而只能与复合物[ES]相结合生成[SEl]复合物。反竞争性抑制的机制为

根据上述定义式，可以推出

得到如图5-5所示曲线。

图5-5　反竞争性抑制的vSI与cS关系

（4）底物的抑制动力学　有些酶反应，在底物浓度增加时，反应速率反而会下降，这种由底物浓度增大而引起反应速率下降的作用称为底物抑制作用。反应机制为

（5）各种抑制的比较　这里主要对竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制3种有代表性的抑制动力学特点进行比较。表5-1列出了上述三种抑制时的动力学参数的表示。

表5-1　有抑制时酶催化反应的动力学参数