酶動力學的快速入門

2013年6月12日出版

酶作為生物催化劑，將目標底物轉化為產物。酶動力學是轉化的速率。通過了解一種酶的行為是如何受到影響的，你就能弄清楚它在生理上是如何發揮作用的，在疾病中是如何失效的。

現在情況變得複雜了……

什麼影響酶的動力學?

首先，大多數酶都是嚴格調控的:它們在需要時才會被激活或合成。此外，許多酶需要小分子輔助因子來進行部分反應。這些輔助因子可以是金屬，如鋅或鐵，或有機輔酶(如NADPH)。

反應速率也取決於環境。酶的作用處於最佳狀態pH值；當環境pH值不同時，酶失去結構穩定性，反應速率降低。酶也有最佳溫度，當溫度升高到50°C時，酶的反應速率會加快，但在55-60°C時，酶的變性會突然下降。例外的是嗜熱細菌中的酶，它們在較高的溫度下發揮最大作用。

酶的動力學也可以通過抑製劑來控製。抑製劑通過阻斷酶和底物之間的相互作用或改變底物的轉化速率來降低活性。許多農藥(如毒死蜱)和藥物(如ACE抑製劑)是特異性酶抑製劑。

為了確定動力學，我們分析一種酶的活性——隨著時間的推移它管理的反應的數量。在設定了時間長度和酶和底物的數量之後，就可以通過測量不同時間的產物外觀(或底物消失)來確定反應速度——反應速率。通過繪製乘積的量與時間的關係，我們可以從曲線的線性部分確定速度。

真的這麼簡單嗎?也許-如果你足夠幸運地研究一種經典的Michaelis-Menten酶!Michaelis-Menten理論描述了一個涉及一個底物(S)、酶(E)、中間酶-底物複合物(ES)、產物(P)和再生酶的反應。這假設當酶與底物結合時，它要麼解離成不變的底物和酶，要麼不可逆地轉化為產物。

第二步的速率(k₂)是酶從酶底物轉化為產物的周轉過程。我們得到米切裏斯常數K_米，從影響酶-底物複合物的反應的比例:其形成(k₁)，解離(k_－1)，以及向產品(k₂)．較低的K_米值表示酶對底物具有較高的親和力。

最終，米氏門騰酶的速度取決於它的K_米，底物濃度，最大可能速度(V_米)，當底物遠遠多於酶時，就會發生這種情況。這意味著當底物濃度等於K_米，酶的速度是V的一半_米．

如果抑製劑的作用是不可逆的，它通常通過共價修飾酶來破壞酶轉化底物的能力。隨著時間的推移，不可逆抑製劑的作用將在反應速度下降中觀察到。

然而，如果抑製劑是可逆的，你可以測量它對V的影響_米和K_米．這些效果取決於抑製劑是否競爭性地阻斷酶的活性位點(V_米保持不變，K_米增加)，非競爭性結合在活性位點外(V_米減少,K_米保持不變)，或非競爭性地結合到酶-底物複合體(V_米和K_米減少)。

不是所有的酶都遵循米歇裏斯-門騰動力學。如果產物轉化為底物，抑製其自身的形成，或者酶的行為取決於底物的濃度呢?

例如，至少有兩個底物位點的變構酶不遵循Michaelis-Menten。當第一種底物與酶結合時，它通常通過構象變化改變酶與第二種酶的親和力。要了解更多關於變構動力學的知識，我建議你看看下麵的參考資料。

解釋酶動力學的方程都很好，但你需要得到這些數字來填充變量。有幾種不同的測量蛋白質結合和分離的技術可以應用於酶動力學。

以下是一對夫婦的簡要介紹:

FRET是一種用於研究某些類型酶的相互作用的敏感技術，例如水解酶，如蛋白酶。在FRET中，相互作用的蛋白質被熒光供體和受體分子標記。當兩個結合分子緊密相對時，供體標簽將能量轉移到受體分子，導致受體分子發出熒光。你可以測量供體和受體的絕對熒光水平，以量化動力學參數。

如果你想要一個不需要標記蛋白質的高定量分析，那麼轉向SPR分析。一個SPR檢測使用光學測量來量化分子之間的結合相互作用。一個分子被綁定到一個專門的傳感器芯片上，而另一個分子流經傳感器表麵。分子之間的相互作用導致通過傳感器的光的折射率發生變化。

這隻是對酶動力學這個複雜世界的一個快速入門。雖然它可能不適合心髒虛弱的人，動力學是迷人的!

阿特金斯WM。Michaelis-Menten動力學和Briggs-Haldane動力學。http://depts.washington.edu/wmatkins/kinetics/michaelis-menten.html．
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寫的梅根·卡特賴特