第五节 酶反应动力学和抑制作用
一、米-曼氏模式
米-曼氏模式（Mchaelis-Menton model）使用如下的酶催化概念：
这里的速率常数（rate constants）k1、k2和k3是描述与催化过程的每一步相联系的反应速率。酶（E）与它的底物（S）结合形成酶-底物复合物（ES）。ES复合物能重新解离形成E+S，或能继续进行化学反应形成E和产物P。假设：酶与产物（E+P）的逆向反应形成ES复合物的速率并不明显。对许多酶的性质的观察得知，在低的底物浓度［S］下，起始速率（V0）直接与［S］成正比，而在高底物浓度［S］下，速率趋向于最大值，此时反应速率与［S］无关［图1-10（a）］。此最大速率（maximum velocity）称为Vmax（μmol/min）。
图1-10 底物浓度［S］和起始反应速率（V0）之间的关系
米-曼氏推导的公式描述出实验观察的结果。米-曼氏公式如下：
此公式描述的双曲线形式，由实验数据在图1-10（a）中表明。Michaelis和Menton在推导此公式时，规定一新的常数即Km，称为米氏常数（其单位为物质的量浓度，用mol/L表示）：
Km是ES复合酶的稳定性的量度，等于复合物的分解速率的总和，它大于生成速率。对许多酶而言，k2比k3大得多。在这些情况下Km变为酶对它的底物的亲和力（affinity）的量度。因为它的值分别依赖于ES生成和解离的k1和k2的相关值。高的Km表示弱的底物结合（k2大大超过k1），低的Km表示强底物结合（k1大大超过k2）。Km值可由实验取得，根据这一事实，即Km值等于当反应速率达到最大值Vmax一半时的底物浓度。
二、Lineweaver-Burk作图
因为Vmax是在极大的底物浓度下获得的，它不可能从双曲线图测得［Km也是如此，见图1-10（a）］，但是Vmax和Km可用实验求得，即在不同底物浓度下测定V0值，然后即可根据1/V0对1/［S］的双对数（double reciprocal）或Lineweaver-Burk制图［图1-10（b）］。此种作图是从米-曼公式衍生得出的：
由此公式得出一条直线，在Y轴上截距等于1/Vmax，X轴上截距等于-1/Km。直线的斜率等于Km/Vmax［图1-10（b）］。Lineweaver-Burk图也是测定抑制剂如何与酶结合的有用方法（见下文）。
虽然米-曼氏模式对许多酶提供了很好的实验数据模式，但还有少数酶与米-曼氏的动力学不相符合。这些酶如天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase），称为变构酶（allosteric enzyme）。
三、酶的抑制作用
许多类型的分子有可能干扰个别酶的活性。任何分子直接作用于酶使它的催化速率降低即称为抑制剂（inhibitor）。某些酶的抑制剂是正常细胞代谢物，它抑制某一特殊酶，作为代谢途径中正常调控的一部分。其他抑制剂可以是外源物质，如药物式毒物。这里，酶的抑制效应既可以有治疗作用，或者是另一种极端，是致命的。酶的抑制作用具有两种主要类型：不可逆的（irreversible）或可逆的（reversible）。可逆的抑制作用本身又可再分为竞争性的和非竞争性的抑制作用。从酶中去除抑制剂能够制止可逆抑制作用，例如使用透析，但这是有限度的，对不可逆抑制作用则是不可行的。
1.不可逆抑制作用
抑制剂不可逆地与酶结合，它通常是与靠近活性部位的氨基酸残基形成共价键，永久地使酶失活。敏感的氨基酸残基包括Ser和Cys残基，具有相应的活性的—OH和—SH基团。化合物二异丙基氟磷酸（DIPF）是神经毒气的组分，在乙酰胆碱酯酶的活性部位与Ser残基作用，不可逆地抑制酶，阻滞神经冲动的传导［图1-11（a）］。碘代乙酰胺修饰Cys残基，因此，确定酶活性所必需的Cys残基是一个或多个作为判断的工具［图1-11（b）］。抗生素青霉素不可逆地抑制糖肽转肽酶（glycopeptide transpeptidase），它与细菌细胞壁上的酶活性部位的Ser残基结合，形成交联结构。
图1-11 二异丙基氟磷酸（DIPF）（a）和碘代乙酰胺（b）的结构和作用机制
2.可逆的竞争性抑制
典型的竞争性抑制剂与酶的正常底物有近似的结构，因此，它与底物分子竞争地结合到活性部位［图1-12（a）］。酶既可以结合底物分子也可以结合抑制剂分子，但不能两者同时结合［图1-12（b）］。竞争性抑制剂可逆地结合到活性部位，在高底物浓度下竞争性抑制剂的作用被压倒，因为充分的高底物浓度可以成功地将结合到活性部位的抑制剂分子竞争地排出。因此，酶的Vmax没有变化，但在竞争性抑制剂的存在下，酶对其底物的表观亲和力降低，因此Km增加。
图1-12 竞争性抑制作用的特性
（a）结合到活性部位上的竞争性抑制剂与底物的竞争；（b）酶既能结合底物又能结合竞争性抑制剂，但不能两者同时结合；（c）Lineweaver-Burk图表示竞争性抑制剂对Km和Vmax的效应
琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase）的竞争性抑制作用是个好例子。该酶以琥珀酸（succinate）为底物，它可被丙二酸（malonate）竞争性地抑制，后者与琥珀酸的区别是只有一个而不是两个亚甲基（图1-13）。许多药物是模拟目标酶底物的结构，因此作为酶的竞争性抑制剂而起作用。竞争性抑制作用可用Lineweaver-Burk图加以识别，把抑制剂的浓度固定，测定不同底物浓度下的V0。在Lineweaver-Burk图上，竞争性抑制剂增加直线的斜率，改变X轴上的截距（因为Km增高），但Y轴的截距不变（因为Vmax维持不变）［图1-12（c）］。
图1-13 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用
3.可逆的非竞争性抑制
非竞争性抑制剂不与活性部位结合，而是可逆地结合到其他的位点上［图1-14（a）］，它使酶总的三维形状改变，导致催化活性降低。因为抑制剂结合到底物的不同部位，酶可以结合抑制剂、底物或抑制剂加底物二者一起［图1-14（b）］。
图1-14 非竞争性抑制作用的特性
（a）非竞争性抑制剂结合的位点与活性部位截然不同；（b）酶既能结合底物又能结合非竞争性抑制剂或者两者均能结合；（c）Lineweaver-Burk图表示非竞争性抑制剂对Km和Vmax的效应E—酶；ES—酶-底物复合物；ESI—酶-底物-抑制剂复合物；EI—酶-抑制剂复合物；P—产物
非竞争性抑制剂的效应不能由增高底物浓度而克服，所以Vmax降低。在非竞争性抑制作用中，酶对底物的亲和力不变，因此Km保持一致。非竞争性抑制作用的实例是抑胃酶肽［又名胃（蛋白）酶抑制剂，pepstatin］对肾素（又名血管紧张肽原酶，renin）的作用。
非竞争性抑制作用在Lineweaver-Burk图上能识别，因为它提高实验的直线斜率，改变在Y轴上的截距（因为Vmax降低），而X轴上的截距不变（因Km维持不变）［图1-14（c）］。