现代酶工程 4 酶的催化作用

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1、第四章酶的催化作用酶催化反应动力学的内容和意义酶催化反应动力学研究的是酶催化反应速度问题，即研究各种因素对酶催化反应速度的影响，并据此推断从反应物到产物之间可能进行的历程，在酶学研究和酶工程中具有十分重要的理论意义和广泛的实践意义。酶催化反应动力学作为阐明酶催化反应机理的重要手段而得到了发展，它通过研究影响反应速率的各种因素，通过对各基元反应过程进行静态与动态的分析，从而获得反应机理的有关信息。酶催化反应——单底物酶催化反应和多底物酶催化反应之分。——简单的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，也称单底物酶反应动力学，它是酶反应动力学的基础，属

2、于此类反应的有酶催化的水解反应和异构反应。催化动力学研究的简单历史——自19世纪末开始就有很多研究者致力与酶催化反应动力学的研究，并希望用合适的数学模型来描述酶催化反应的进程。——1902年Henri和Brown分别提出了酶催化反应中有酶-底物络合物的生成，并推导了简单的数学方程式，其中V.Henri首先进行了转化酶、苦杏仁酶和β-淀粉酶等三种酶的催化反应实验，推测了其反应机理，并导出了动力学方程式，但遗憾的是从现在的观点来看，他的实验不够正确。——1913年Michaelis和Menten用简单的平衡或准平衡概念推导了单底物酶催化反应动力学方程，应用了所谓“快速

3、平衡”解析方法对该速率方程进行了详细的研究，发表了著名的米氏方程，即现在应用的Michaelis-Menten方程，常简称为M-M方程。1925年Briggs和Haldane在酶催化动力学中引入了拟稳态的概念，对M-M方程的推导方法进行了修正。此后的单底物酶催化反应动力学研究大多都基于Michaelis-Menten或Briggs-Haldane方程。从60年代初开始，人们已经开始尝试用平衡态或稳态概念来解释双底物甚至是三底物的酶催化反应，并建立了变构酶催化反应动力学模型。许多学者对酶催化反应动力学进行了多方面的探索，使酶催化反应动力学的研究有了很大的进展。对于从

4、事酶应用的工程技术人员，除了需要了解酶催化的反应机理外，更应着重研究酶的总反应速率，能定量解析影响总反应速率的各种因素，建立可靠的总反应速率方程氏，进而用于计算反应时间、最佳反应条件，以设计出合理的反应器。酶催化反应的基本特征酶是生物为提高其生化反应效率而产生的生物催化剂，其化学本质为蛋白质，少数酶同时含有少量的糖和脂肪。在生物体内，所有的反应均在酶的催化作用下完成，几乎所有生物的生理现象都与酶的作用紧密联系。目前已知的酶多达2200种以上。作为生物催化剂的酶，它既有一般催化剂的共性，又应具有生物催化剂的特性。1酶的催化共性——酶参与生物化学反应，能降低反应的活

5、化能，加快反应的速率；——不改变反应的方向和平衡关系，即不能改变反应的平衡常数，而只能加快反应达到平衡的速率；——酶在反应过程中，其立体结构和离子价态可以发生某种变化，但在反应结束时，一般酶本身不消耗，并恢复到原来状态。例如，过氧化氢的分解，在无催化剂存在时，该分解反应的活化能为75.31kJ/mol，在用过氧化氢酶催化时，该分解反应的活化能仅为8.37kJ/mol。2酶的催化特性(1)有较高的催化效率。酶的催化效率主要有以下几种表示方法：——酶的分子活力。在最适宜的条件下，每1mol酶在单位时间内所能催化底物的最大量（mol）。——酶的催化中心活力。在单

6、位时间内，每一个酶的催化中心所催化底物的量（mol）。——酶活力或比活力。在特定的条件下，每min能催化1μmol底物转化为产物时所需要的酶量，称为一个酶单位，或称为国际单位，用U表示。酶活力还可用比活力表示，比活力指每1mg酶所具有的酶单位数，用U/mg表示。1972年国际酶学委员会（EnzymeCommission,EC）提出，酶活力一律用katal为单位，记为kat，在特定条件下，每秒钟能催化1mol底物转化的酶量定义为1kat。而比活力则为每1kg酶所具有的数，即kat/kg。酶的催化活性中心又称为酶的转换数明显看出，酶的转换数大大高于化学催化剂，尤其在生

7、理温度下更为明显。催化剂反应转换数mol/（中心点•s）温度/℃酶催化剂菠萝蛋白酶木瓜蛋白酶胰蛋白酶碳酸酐酶肽的水解肽的水解肽的水解羰基化合物的可逆反应4×10-3~5×10-18×10-2~1×1013×10-3~1×1028×10-1~6×1050~370~370~370~37化学催化剂硅胶-氧化铝硅胶-氧化铝二氧化钒二氧化钒异丙基苯裂解异丙基苯裂解环己烷脱氢环己烷脱氢3×10-82×1047×10-111×1022542025350(2)有很强的专一性——酶催化反应又很高的选择性，一种酶仅能作用于一种物质或一类结构相似的物质进行某一种反应，这种特性称为酶的专

8、一性或选择