酶快速反应动力学(第一章)

从二十世纪60年代起，测量快速反应的技术发展很快，性能越来越好的 测量快速反应的装置（如，停流分光光度计等）被不断推出，这给研究 酶反应的瞬变动力学提供了很大的方便。
第一节 研究酶反应的历史
一. Henri 的工作
Henri 在1902年发表了一篇论文。他首次引入了一个十分重要的概 念，既酶与底物符合物的概念，并把它用到速度方程的推导中。随后， 他讨论和阐述了重要的酶反应的动力学特征，涉及到三种酶反应： 1. 蔗糖转化酶(Invertase) 催化蔗糖的转化； 2. 淀粉酶(Amylase)催化糊精的水解； 3. 苦杏仁酶(Emulsin)催化水杨苷的水解。 对实验结果归纳成如下几个要点： 1. 当底物浓度低时，酶催化的水解速度随底物浓度的增加而增加；
(1.1.3)
ES
(1.1.4)
ES
k+2
E+P
如果考虑产物与酶结合生成EP，那么要把下述平衡包括到上述每 一个机制中去， k+3 (1.1.5) E+P E+P k-3 在上述两种机制中，ES符合物的形成是共同的， 然而所起的作用 却是完全不同的。在机制 I 中，产物的形成是通过一个双分子过程（1. 1.2式），即酶与底物的碰撞。在此种情况下，ES符合物是无意义的， 它通过减少E浓度而降低产物的形成速度。另一方面，在机制 II中， ES 是至关重要的符合物，经过一个单分子过程（1.1.4式），ES复合物形成 产物。 下面要推导出能同时满足上述两种机制的速度方程。当考虑EP复 合物的形成时，酶以三种形式存在： E, ES 和 EP。 因此，酶的总浓度为 e0 = [E]0 = [E] + [ES] + [EP] (1.1.6) 假定在酶反应中，下述平衡迅速建立起来
当底物浓度高时， 水解速度保持恒定。 2. 反应速度与酶浓度成正比； 3. 产物的加入引起反应速度的减少，在低底物浓度时，减少尤明 显。 上述实验结果可以用下面两种反应机制解释, 机制 I: k+1 (1.1.1) ES E+S
k-1
E+S
机制 II:
' k+1
E+P
(1.1.2)
E+S
k+1 k-1
二. Michaelis and Menten 的工作
1913年Michaelis and Menten 重新做了蔗糖反应转化酶催化的蔗 糖水解反应的实验。他们改进了实验条件，克服了Henri实验的缺点，采 取了如下的措施： 1. 控制水溶液的pH，使用了pH4.5的醋酸buffer; 2. 考虑了产物的变旋影响，使用NaOH终止反应，加速产物的变旋作 用。 典型的实验曲线如Fig.1.1.1所示， Fig.1.1.1蔗糖反应转化酶催化的蔗 糖水解反应的时间过程
(1.1.11)
对于机制 II， 产物以单分子过程形成(1.1.4式) ，产物的生成速度 为：
dx/dt = k+2 [ES] k+2 m e 0 (a-x) = 1+m(a-x)+nx
(1.1.12)
(1.1.11)和(1.1.12)式仅差一个常数。 为简化起见，只考虑反应的初相，可忽略产物的形成，因而 [P]=x 可以略去。 在t=0时，初始速度为 ，初始底物浓度为s0，ES解离常数为Ks=1/m,
me0 (a-x) [ES]= 1+m(a-x)+nx
(1.1.10)
利用1.1.9和1.源自文库.10式，产物P生成的速度方程可以推倒如下， 对于机制 I, P通过一个双分子过程形成，产物的生成速度为(下面式子 应为k’+1) '
dx/dt= k-1 [E][S] ' e0 (a-x) k-1 = 1+m(a-x)+nx
E+S
k+1 k-1
ES
E+P
k+3 k-3
E+P
应用质量作用定律， 有
[ES] [E] [S]
[EP] [E] [P]
=
[ES]
[E][a-x]
[EP]
=
k+1 k-1
k+3 k-3
m
(1.1.7)
=
[E][x]
=
n
(1.1.8)
其中，m和n 为平衡常数， x为底物在时间t时的浓度，那么， [S]=a-x， 这里a为底物起始浓度。[P]=x, 这是两个可以测量的量。 式1.1.6,1.1.7和1.1.8 组成一个联立方程组， 含有三个未知量。 {E]和[ES]的表达式为， e0 [E]= (1.1.9) 1+m(a-x)+nx
那么，我们可以把(1.1.11)和(1.1.12)式简化成如下形式，
0s 0 0
e 0k
s + sK
= 0υ
(1.1.13)
其中，k0为比例常数，具有sec-1因次。 对机制 I ： k0 = k+1 ' Ks ' 为E和S间双分子反应速度常数； Ks为ES复合物解离常数。 k+1 值得注意的是Henri机制II（1.1.3和1.1.4 式）和速度方程1.1.13式与著名 ' k+1 的Michaelis-Menden 机制和米氏方程相同。Henri是第一个得到为人熟 知的速度方程的人。 Henri 工作的特点： 由不同的反应机制出发得到了形式相同的速度 方程。换句话说，机制 I 和机制 II 不能用这里讨论的动力学方法加以区 别，因为我们无法估计速度方程中经过推导而演绎出的常数。这说明了 动力学方法的固有的限制，尽管两种机制可以借助于不同的动力学技术 加以区别。
第一章 绪论
Introduction to Enzyme Kinetics
酶反应的稳态动力学和瞬变动力学
酶反应动力学是解释酶反应机制具有代表性的方法。酶动力学包括 两个方面，即酶的稳态动力学（Steady-state kinetics）和预稳态动力学 （Pre-steady state kinetics），后者也叫瞬变动力学（Transient kinetics）。 酶的稳态动力学的基本目标是对酶催化的总反应进行测量与分析， 只涉及底物与产物，而不考察酶分子本身。 预稳态动力学可以直接研究总反应中所包含的分步反应。研究者的 兴趣所在是酶分子本身所发生的变化或能够反映这种变化的变化上。 两种动力学方法各有其优缺点。稳态动力学由于所要求酶制剂用量 少，且不需要使用特殊的仪器设备，因而长久以来获得了广泛的应用。 这种方法的缺点在于研究人员所获得的信息是间接的，有时也是不确切 的。预稳态动力学由于测量快速反应，而需要特殊的仪器设备（例如， 停流装置）。它的优点是可以提供用来解释复杂反应机制的信息。应该 指出，两种方法是相辅相成的，对于研究酶反应来说都很重要。