生 物 化 學 【第5版】 CH06 酵素

6.1　酵素簡介 6.2　酵素如何作用 6.3　利用酵素動力學認識其機制 6.4　酵素反應的例子 6.5　調節酵素 p.193

6.1 酵素簡介 大部分的酵素為蛋白質所構成 除了少數具有催化能力的 RNA 分子之外，所有的酵素都是蛋白質。 6.1 酵素簡介 大部分的酵素為蛋白質所構成 除了少數具有催化能力的 RNA 分子之外，所有的酵素都是蛋白質。 酵素的催化活性有賴於完整的蛋白質構形。 有些酵素可以不需要其他化學官能基而只依賴其胺基酸殘基便具有活性，其他酵素則需要額外的化學成分協助其催化的功能，此額外的化學成分稱之為輔因子（cofactor），輔因子可以是一個或多個無機金屬離子，例如：Fe 2＋、Mg 2＋、Mn2＋、Zn2＋（表 6-1），或是一個複雜的有機分子、金屬有機複合分子，稱為輔酶（coenzyme）輔酶的功能是作為特定官能基的短暫中繼攜帶者。 p.194

表 6-1 TABLE 1-1 p.194

若一輔酶或金屬離子和酵素緊密地結合，或甚至共價 結合則稱為輔基（prosthetic group）。 一個具有完整催化活性，且與其輔因子或金屬離子結 合在一起的酵素，稱為全酶（holoenzyme）。 若將其輔因子除去，剩下的蛋白質部分稱為酶本體蛋 白（apoenzyme 或 apoprotein）。 最後值得一提的是，有一些酵素蛋白會受到磷酸化、 醣化或是其他共價性修飾的作用。 p.195

酵素依其所催化之化學反應分類 許多酵素的名稱是在催化受質或是描述活性的字眼或 片語後加上「酶(-ase)」作為字尾的方式命名。 其他有些酵素在其特定的催化反應被充分了解之前， 由其發現者依其概括功能而命名。 另外有些命名則是依其來源而命名 p.195

有時候相同的酵素會有兩個以上不同名稱，或者兩種 不同的酵素卻有相同的名稱。 因為有這種模稜兩可的情形，再加上新發現的酵素數 目愈來愈多，生化學者依照國際的協議，採納了一套 將酵素命名及分類的系統。 例如：催化下列反應的酵素正式系統名稱為 ATP：葡 萄糖磷酸轉移酶（glucose phosphotransferase），其催 化下列反應： p.195

表 6-3 TABLE 1-1 p.196

總結 6.1 生命是依賴功能強大且具有特異性的催化劑—酵素。幾 乎所有的生物化學反應都需要某種酵素的催化作用。 除了一些具有催化作用的 RNA 外，所有已知的酵素均 為蛋白質。許多酵素需要非蛋白質的輔酶或輔因子協助 才具催化作用。 酵素依照其催化的反應類型作分類。所有酵素都有正式 的 E.C. 分類碼和命名，且大部分酵素都有俗名。 p.196

6.2 酵素如何作用 酵素影響反應速率，而不影響反應平衡 6.2 酵素如何作用 酵素催化化學反應的特色是反應發生的位置是位於酵 素分子本身的某一袋狀凹陷範圍中，此位置稱為活性 部位（active site）（圖 6-1）。 可以結合在活性部位且可被酵素進行催化反應的分子 稱作受質（substrate）。 酵素影響反應速率，而不影響反應平衡 一個簡單的酵素催化反應可由下式表示 p.196

圖 6 - 1 圖6-1　受質與酵素在活性部位結合。圖中所示的酵素為胰凝乳蛋白酶，紅色結構表示與其結合的受質（PDB ID7GCH）。酵素表面以紅色標示的區域為活性部位中關鍵的胺基酸殘基。 p.196

要了解催化反應，我們必須先了解反應平衡和反應速 率兩者間的重要差異。 催化劑的功能在於增加反應速率，催化劑並不會影響 反應的平衡。 正反應或逆反應的起始點稱作基態（ground state）， 此狀態所含的自由能代表在特定環境條件下，受質（ S）或產物分子（P）所含之自由能平均值。 p.197

圖 6 - 2 圖6-2　化學反應座標圖解。此圖標示出在反應系統中，受質轉變為產物（S → P）反應過程中自由能的轉變情形。此圖示描述了整個反應過程中自由能的變化，而水平軸（反應座標）代表受質轉換形成產物過程中連續發生的化學變化（例如：鍵結的裂解或形成）。在 S → P 及 P → S 反應時所需的活化能 ΔG‡ 也標示出來。 ΔG’° 是 S → P 反應方向整體過程的標準自由能變化。 p.197

受質和產物之間的平衡狀態反映出兩者在基態時自由 能的差異。 ■重要慣例：為了描述反應中自由能的改變，化學家定 義出一組標準環境條件，此反應系統中自由能的改變 以 ΔG’° 來表示，稱為標準自由能變化（standard free- energy change）。由於生物化學反應系統中氫離子（ H+）的濃度通常遠低於 1M，於是生物化學家把在 pH 7.0 時所進行的化學反應的標準自由能變化定義為生 化標準自由能變化（biochemical standard free-energy change； ΔG’°）。 受質和產物之間的平衡狀態反映出兩者在基態時自由 能的差異。 p.197

即使反應的平衡傾向產物生成，並不代表 S → P的反 應速率就能進行到可以偵測得到的程度。 分子在能量丘頂端時，稱為過渡狀態（transition state ）。 由基態到過渡狀態之間的能量差稱作活化能（ activation energy；ΔG‡ ）。 反應速率的快慢則由活化能的高低決定：活化能愈高 ，反應速率愈慢。 p.197

圖 6 - 3 圖6-3　以反應座標圖比較有無酵素催化反應之差異。當反應為 S → P 時，中間物 ES 和 EP 是處於酵素催化反應過程中自由能的谷底。 ΔG‡ uncat 與 ΔG‡ cat 各代表無催化和有催化的整體過程的活化能。當有酵素催化時，反應的活化能較低。 p.198

任何反應都可能包含數個短暫存在的化學物質之形成及崩解的步驟，這些分子物質稱為反應中間物（reaction intermediates）。 酵素的功能在於加速受質與產物間的轉換速率。在反應進行的過程中酵素不會耗盡，也不會影響反應的平衡。然而，有適當的酵素存在時，反應速率會增加，使得反應較快速達到平衡狀態。 任何反應都可能包含數個短暫存在的化學物質之形成及崩解的步驟，這些分子物質稱為反應中間物（reaction intermediates）。 p.198

當一個反應過程包含數個不同的反應步驟時，整體的 反應速率取決於具有最高活化能的反應步驟，稱為速 率決定步驟（rate-limiting step） 當活化能的障礙增加時，分子的反應速率便會降低。 如果沒有這層能量障礙，許多複雜的大分子便可輕易 地自發轉換成簡單的小分子形態，細胞內高度複雜的 結構及代謝過程便無法存在。 p.198

反應速率與平衡具有精確的動力學定義 受質和產物間的平衡狀態 S P 可用平衡常數（ equilibrium constant；Keq），或簡單用 K 來表示。 根據動力學，K’eq 和ΔG’°間的關係可由下式表示： 此處要強調的重點是反應常數和全程反應的標準自由 能變化有直接的關係（表 6-4）。 p.198

表 6-4 TABLE 1-1 p.199

酵素的催化力與專一性的原理 酵素是非常不平凡的催化劑。經由酵素催化所增加的 反應速率可高達 10 的 5 到 17 次方（表 6-5）。 酵素更具有極高的專一性，用以確實的區分受質與構 造十分相似的物質。究竟酵素是如何對反應速率有這 麼大且具高度選擇的提升作用呢？將特定化學反應的 活化能大幅降低所需的能量又從何而來？ 這個問題的答案可分為兩個不一樣，但又互相牽連的 兩個部分來做討論。 p.199

第一部分牽涉到酵素催化時所發生的共價鍵重組。 第二部分的解釋，則是與酵素和受質間的非共價交互 作用有關。酵素降低反應活化能所需的能量，大部分 是源自於酵素與受質間所發生的微弱且非共價性的交 互作用。 經由酵素-受質相互作用所產生的能量稱為結合能（ binding energy；ΔGB） 此能量的重要性不只在於穩定酵素與受質間的結合， 更重要的是結合能是供給酵素用來降低反應所需的活 化能之主要的自由能來源。 p.200

表 6-4 TABLE 1-1 p.199

有兩個基本且互相關聯的原理，可大致解釋酵素如何 利用非共價結合能： 1.酵素的大部分催化能力最終是源自於酵素與受質間所 形成的許多微弱鍵結和交互作用時所釋放的自由能。 這些能量不僅提供酵素催化力，同時亦提供酵素催化 的專一性。 2.這些微弱的交互作用在催化反應的過渡狀態時達到最 巔峰；酵素的活性部位和過渡狀態的受質分子，而非 受質本身，可以互補結合（complementary），經由此 過渡狀態使受質在酵素的催化作用下轉換形成產物。 p.200

想像一個類似磁鐵棒斷裂的反應。非催化性的反應如 圖 6-5a 所示。 酵素與受質間的微弱交互作用在過渡狀態時 在 1894 年 Emil Fischer 研究酵素催化受質反應的 特異性時，提出酵素在結構上會與其受質互補結合， 如同鑰匙與鎖可以相互配對（圖6-4） 想像一個類似磁鐵棒斷裂的反應。非催化性的反應如 圖 6-5a 所示。 p.200

圖 6 - 4 圖6-4　受質與酵素結合部位的形狀互補的情形。圖中酵素為二氫葉酸還原酶（dihydrofolate reductase）和其受質 NADP+（紅色）之非結合態（上），與結合態（下），以及另一已結合的受質四氫葉酸（黃色）（PDB ID 1RA2）。NADP+ 會結合至與其形狀和帶電性互補的袋狀凹槽中，此圖為 Emil Fischer 的「鑰匙與鎖」理論所描述的酵素作用。事實上，蛋白質與其配位基（ligand）或受質間缺少完美的互補，如同第 5 章所示。 p.200

圖 6 – 5(a) 圖6-5　假想一個折棒酵素（stickase）催化金屬棒之斷裂。(a) 折斷棒子之前一定要先將棒子彎曲（即過渡狀態）。在這兩個折棒酵素的例子中，酵素與受質（棒子）藉由磁力輕微地結合。 p.201

圖 6 – 5(b) 圖6-5　假想一個折棒酵素（stickase）催化金屬棒之斷裂。 (b) 折棒酵素具有磁作用力的袋狀結構與棒子（受質）結構互補，使此受質形成穩定狀態，故棒子與折棒酵素間的磁力反而阻礙了棒子被彎折。 p.201

圖 6 – 5(c) p.201

圖6-5　假想一個折棒酵素（stickase）催化金屬棒之斷裂。 (c) 酵素的袋狀結構與反應過渡狀態互補，使棒子變得不穩定，因而有利於催化反應。磁性交互作用的結合能補償了彎曲棒子所需增加的自由能。反應座標圖（右邊）表示酵素與受質互補或與過渡狀態互補有不同的結果EP 複合體省略不計）。GM 則表示未催化與受催化反應過渡狀態能量之間的差異，這是棒子與折棒酵素之間磁作用力所造成的。當酵素與受質互補時(b)，ES 複合體較為穩定且具有比基態（棒子單獨存在時）更低的自由能，結果反而造成反應的活化能增加。 p.201

不利的（正的）活化能ΔG‡ 與有利的（負的）結合 ΔGB的總和，得到一較低的淨反應活化能（圖 6-6） 。 酵素催化反應的重要原理是：酵素與受質間許多微弱 的交互作用提供了酵素催化反應重要的驅動力量。 p.201

圖 6 - 6 圖6-6　結合能在催化反應中的角色。為了要降低一個反應的活化能，該反應系統需要得到相當於 ΔG‡ 被降低的能量。大部分這樣的能量是在過渡狀態由受質與酵素間形成的微弱非共價鍵結所提供的結合能（ ΔGB ）而來的。 ΔGB 的角色就相當於圖 6-5 中的 ΔGM 。 p.202

結合能除了提供催化作用的能量外，同樣地亦賦予酵 素特異性（specificity），得以區分出特定受質與競爭 分子的差別。 結合能有助於反應的特異性與催化力 結合能除了提供催化作用的能量外，同樣地亦賦予酵 素特異性（specificity），得以區分出特定受質與競爭 分子的差別。 構成活化能（ΔG‡），也就是反應需要克服的障礙，相關的主要物理及熱力學因子，包括： (1)分子在溶液中的熵（活動自由度），這熵會使分子互相反應的機會下降。 (2)大部分的生物分子被水包覆著，以增加其在水溶液中的穩定性； (3)受質在許多反應中，需要發生變形扭曲； (4)酵素上的官能基需做適當的空間排列。這些障礙均可利用結合能來克服。 p.202

第二，酵素與受質間微弱鍵結的形成亦導致受質的去 溶劑化（desolvation）。 這些障礙均可利用結合能來克服。第一，即將進行反 應的兩個受質間相對運動會受到很大的限制，即熵還 原（entropy reduction），這是受質與酵素結合可 得到明顯有利的因素。 第二，酵素與受質間微弱鍵結的形成亦導致受質的去 溶劑化（desolvation）。 最後，在酵素與受質結合時產生許多的微弱交互作用 ，使得酵素本身通常會有構形上的改變，此現象稱為 誘導配合（induced fit）， p.203

圖 6 - 7 p.203

圖6-6　藉由熵還原增加反應速率。 圖示為脂類與羧基反應產生酸酐（脫水酸）。在此每個例子當中的 R 基均相同。(a)在這雙分子的反應當中，二級反應常數 k 的單位為 M-１s-１。(b) 當兩個反應官能基同在單一分子上而較無法自由移動時，反應會快很多。而這單一分子反應之常數 k 的單位為s-1。將 (b) 與 (a) 的反應常數相除，則發現反應速的增加倍率約 105 M〔因為我們是比較單分子與雙分子反應，所以其增強倍率的單位為莫耳濃度 (M)〕。換句話說，假如 (b) 的反應物濃度為 1M 時，反應基的表現好像是濃度為 105 M 一樣。注意即使 (b) 的反應物有三個鍵是可自由轉動（如曲形箭頭所指），但是 (b) 的熵仍比 (a) 還原很多。假如把 (b) 可轉動的鍵箝制變成 (c) 的樣子，熵值還原更多，反應速率比起 (a) 則會增加至 108 M。 p.203

總結 6.2 酵素是很有效率的催化劑，通常可使反應速率加快 105 至 1017 倍。 形成酵素受質複合體（ES）是酵素催化反應的特徵。 而受質結合在酵素之類似口袋狀的結構中，又稱為活 性部位。 酵素和一些催化劑的功能一樣在於降低活化能ΔG‡  ，使反應速率加快。但反應的平衡不受酵素影響。 p.205

總結 6.2 (續) 主要用來增加催化速率的能量是來自於酵素和受質間 的微弱交互作用（氫鍵、疏水作用力、離子作用力） 。酵素活性部位的結構使某些上述微弱的作用力只會 在過渡狀態時形成，因此穩定了反應過渡狀態。因為 酵素需要與受質作多重交互作用的緣故，所以酵素需 要較大的架構。結合能（ΔGB）可以降低受質的熵值 ，或可使得酵素的構形改變（誘導配合）。結合能也 決定了酵素對受質的特異性。 額外的催化反應機制包括一般酸-鹼催化、共價催化 、金屬離子催化。催化作用經常涉及酵素和受質間的 過渡共價交互作用，或官能基的轉移，因此提供了一 條新的、活化能較低的反應路徑。 p.205

6.3 利用酵素動力學認識其機制 受質濃度影響酵素催化反應速率 6.3 利用酵素動力學認識其機制 然而，研究酵素催化反應機制最傳統又最重要的方法 ，就是測定反應速率，以及反應條件的改變如何影響 反應速率，該研究方式就是所謂的酵素動力學（ enzyme kinetics）。 受質濃度影響酵素催化反應速率 影響酵素催化反應速率最主要的因子是受質的濃度， 即 [S]。 p.205

初始速度（initial rate），〔或是初始速率（ initialvelocity）〕，以 V0 表示（圖 6-10）。 假設反應的啟始步驟是酵素先與受質形成 ES 複合體，此一反應速率相對較快的可逆反應： 在較為緩慢的第二個反應步驟中 ES 複合體分解產生游離的酵素以及產物（P）： p.206

圖 6 - 10 圖6-10　酵素催化反應之初始速率。 一個假想的酵素，催化反應 ，當這酵素的濃度足以催化得到以最大反應速度Vmax1 μM/min。Michaelis 常數，Km（在文中已解釋）是0.5 μM。圖中各曲線為受質濃度低於、等於及高於 Km 時的反應曲線。當受質逐漸轉化為產物後，酵素催化反應的速率會下降。在每條曲線在時間等於零的位置 t＝0 所作出的切線斜率即定義為各反應中之初始速率 V0。 p.206

圖 6 –1 1 圖6-11　受質濃度對於酵素催化反應之初始速率的影響。圖中的最大反應速率 Vmax 是由圖的曲線推斷而來的，因為 V0可以逼近但絕不會等於 Vmax。當 V0 為最大速率的一半時，受質濃度等於 Km，又稱為 Michaelis 常數。在此實驗中，酵素的濃度極低，所以 [S] >> [E]，即使是在 [S] 濃度低或相對較低亦是一樣。圖中所註明的單位則是一般酵素催化反應代表性的單位，只是用來協助闡述 V0 及 [S] 所代表的意義（注意上圖是直角正雙曲線的一部分，及一條 Vmax 漸近線。如果曲線延伸至低於 [S]=0 的情況下，則該曲線會在[S]=－Km 的位置近一垂直漸近線）。 p.206

這反應很快地就達到穩態（steady state）。此時 [ES] （以及其他的中間物的濃度）在這段時期內大約是恆 定的。 當酵素與極超量的受質混合時，在一開始的極短時間 內，ES 複合體的濃度逐漸增加，這段初始的反應期 間稱為前穩態（pre-steady state）。 這反應很快地就達到穩態（steady state）。此時 [ES] （以及其他的中間物的濃度）在這段時期內大約是恆 定的。 而依這種方式所測出的反應初始速率的分析稱為穩態 動力學（steady-state kinetics）。 p.207

Michaelis 和 Menten 推導出方程式的基本假設是：ES 複合體分解成為產物以及游離酵素 E 的反應是反應決定步驟。公式如下： 受質濃度和反應速率的關係可以用量化表示 Michaelis 和 Menten 推導出方程式的基本假設是：ES 複合體分解成為產物以及游離酵素 E 的反應是反應決定步驟。公式如下： 全程的反應方程式可簡化成： V0 是取決於 ES 分解成產物的速率，而此反應速率則取決於複合體濃度 [ES]： p.207

以這些條件為基礎，再利用以下步驟，我們可以用幾 個容易測量的變數將 V0 表達出來。 步驟1：ES 複合體形成與分解速率分別由反應常數 k1（ 形成）及 k－1＋k2（分解）所控制的反應步驟來決定，相 關方程式如下： 步驟2：穩態假說（steady-state assumption）。 p.207

步驟3：經過一系列的代數運算之後，可由 6-14 式解出 [ES]。首先將方程式左邊乘出來，右邊簡化，可得： 上式中 (k－1＋k2)/k1 定義為米氏常數（Michaelis constant；Km）。將 Km 代入 6-18 式後，則簡化為： p.208

步驟4： 以上的方程式稱為 Michaelis-Menten 方程式（Michaelis-Menten equation），也稱速率方程式（rate equation），適用於單一受質之酵素催化反應。 p.208

圖 6 –1 2 p.208

圖6-12　初始速率與受質濃度的關係。在此圖中標示出動力學參數，此參數決定此圖在高或低 [S] 時的極限值。當[S] 很低時，Km>>[S]，[S] 在 Michaelis-Menten 方程式中（6-9 式）之分母變得相對很小，可以忽略。此時方程式經過簡化以後成為 V0 = Vmax[S]/Km，且 V0 與 [S] 成線性關係。當 [S] 很高時，[S]>>Km，Km 在 Michaelis-Menten 方程式中的分母就變得不重要，所以方程式可以簡化成 V0 = Vmax，此結果跟我們在觀察高 [S] 的情況下所觀察到飽和的現象是一致的。因此 Michaelis-Menten 方程式和我們所觀察到 V0與 [S] 的關係相符，且曲線的形狀在低 [S] 的部位，由 Vmax/Km 值決定，高 [S] 的部位由 Vmax 值決定。 p.208

有一通則是：對所有遵循 Michaelis-Menten 動力學的 酵素而言，當 V0 = 1/2Vmax 時，Km=[S]（6-23 式） 動力學參數可用來比較不同酵素的活性 凡酵素其 V0 及 [S] 呈現雙曲線關係者，就稱其遵循 Michaelis-Menten 動力學(Michaelis-Menten kinetics) 有一通則是：對所有遵循 Michaelis-Menten 動力學的 酵素而言，當 V0 = 1/2Vmax 時，Km=[S]（6-23 式） 詮釋 Vmax 以及 Km Interpreting Vmax and Km，有一個更 方便的方法是利用雙倒數繪圖(doublereciprocal plot） 的方式推算 Km。 p.209

BOX 6-1 Michaelis-Menten 方程式的轉換型式：雙倒數繪圖 再將方程式右方的分子分開： 再簡化成： 此形式的 Michaelis-Menten方程式稱為ineweaver-Burk 方程式（Lineweaver-Burkequation）。 p.209

BOX 6-1(續) p.209

不同酵素之 Km 可能有很大差異，即使是同樣酵素因使用不同受質亦會有很大差異。Km 實際的意義，應該取決於每個反應機制當中，反應步驟的數目與各步驟的相對速率而定。 當 k2 為速率決定步驟，k2<<k－1且 Km 趨近於k1/k1，Km 就等於 ES 複合體的解離常數（dissociation constant；Kd）。 p.210

表 6 – 6 p.210

Vmax 的值亦是因酵素不同而有很大差異。 因此為速率常數 kcat 作一通用的定義，即為酵素催化反應在受質濃度飽和狀態時的反應決定速率。 常數 kcat 是一級反應速率常數，是單位時間的倒數，其又稱為轉換數（turnover number）。 p.210

表 6 – 7 p.210

利用 kcat 和 Km 這兩個參數，我們可以判斷酵素動力 的效率，但如果缺一參數則不足以作判斷。 比較催化的機制和效率 利用 kcat 和 Km 這兩個參數，我們可以判斷酵素動力 的效率，但如果缺一參數則不足以作判斷。 要比較不同酵素的催化效率，或是相同酵素轉換不同 受質的效率，最佳的方法是比較兩個反應的 kcat/Km 比值。此參數稱為專一性常數（specificity constant），其為 E+S 轉變成 E+P 的速率常數。當 [S]<<Km 時，6-26 式可以簡化成為： p.211

要注意的是，不同的kcat 和 Km 值的組合，同樣可以 達成兩者最佳的比值。 由此擴散效應所帶來的限制大約為 108 到 109 M-1s-1 ，而有許多酵素的 kcat/Km 都很接近這個範圍（表 6- 8）。換句話說，這些酵素可以說擁有完美的催化能 力。 要注意的是，不同的kcat 和 Km 值的組合，同樣可以 達成兩者最佳的比值。 p.211

表 6 – 8 p.211

範例 6-1 測定 Km p.211

範例 6-1（續） p.211

範例 6-1 (續) p.212

範例 6-2 測定 [S] p.212

穩態動力學最主要的兩個實驗參數為 kcat與 kcat/Km。 前穩態動力學可以提供特定反應步驟的證據 穩態動力學最主要的兩個實驗參數為 kcat與 kcat/Km。 這兩個參數會因為 pH 值及溫度的改變而改變，並可 以從這些變化取得關於反應步驟的其他資訊。 對一個酵素催化反應的完整敘述，需要能直接測量反 應中每個步驟的反應速率。 p.213

可逆的抑制 Reversible Inhibition 酵素受可逆及不可逆抑制作用 可逆的抑制 Reversible Inhibition 競爭性抑制劑（competitive inhibitor）與受質競 爭酵素的活性部位。 當競爭性抑制劑存在時，Michaelis-Menten 方程式 （6-9 式）會變成： 其中 p.213

BOX 6-2 以動力學測定抑制機制 p.214

圖 6 – 15(a) 圖6-15 三種可逆的抑制作用。(a) 競爭性抑制劑與酵素的活性部位結合；KI 為抑制劑與酵素 E 結合之平衡常數。 p.215

圖 6 – 15(b) 圖6-15　三種可逆的抑制作用。(b)非競爭性抑制劑的結合位置不在活性部位，並且只與 ES 複合體結合。KI 是抑制劑與 E 結合的平衡常數；KI’是抑制劑與 ES 結合的平衡常數。 p.215

圖 6 – 15(c) 圖6-15 三種可逆的抑制作用。(c) 混合性抑制劑的結合位置也不在 活性部位，但是可以與 E 或與 ES 結合。 p.215

不同於競爭性抑制劑，非競爭性抑制劑（uncompetitive inhibitor）的結合位置不在受質活性部位，而且只與 ES 複合體結合（與競爭性抑制劑不同）。在非競爭性抑制劑的存在下，Michaelis-Menten 方程式會變成： p.215

有一種實際實驗極少發生的特殊情況是當α＝α’ 時，傳統上稱為非競爭性抑制（noncompetitive inhibition） 混合性抑制劑（mixed inhibitor）也是與酵素結合在受質活性部位以外的地方。不過它會與酵素或是酵素受質複合體兩者皆結合。速率方程式如下： 有一種實際實驗極少發生的特殊情況是當α＝α’ 時，傳統上稱為非競爭性抑制（noncompetitive inhibition） p.215

表觀 Km 就是等於 [S]，在此 [S] 濃度下，V0 為表觀 Vmax 的一半，或是 V0= Vmax/2α’（通式）。這種情況發生在當 [S] = αKm/α’時。因此，表觀 Km =αKm/α’而這個通式在 α 或 α’等於 1.0 的時候會變成更為簡化。 不可逆性抑制劑（irreversible inhibitors）會共價鍵結或破壞酵素上重要的酵素活性官能基，或與酵素形成一個特別穩定的非共價聯結。 p.216

圖 6 – 16 圖6-16 不可逆的抑制。胰凝乳蛋白酶與 diisopropylfluorophosphate（ DIFP）反應，修飾了 Ser195 後，造成不可逆的方式抑制酵素活性。由這反應可以證明 Ser195 是胰凝乳蛋白酶活性部位中重要的絲胺酸。 p.216

範例 6-3　抑制劑對Km的影響 p.216

酵素具有其最適 pH 值（或 pH 值範圍），當達到最佳的 pH 值時，酵素的活性達到最大 一個特別種類的不可逆性抑制劑，稱為自殺性失活劑（suicide inactivators）。這些化合物在與特定酵素的活性部位結合之前，較不具反應性的。自殺性失活劑進行正常催化反應的前幾個化學步驟，但是接下來卻不形成正常的產物，反而轉變為一個非常活躍的化合物，並與酵素產生不可逆的結合。這些化合物也被稱為「以機制為基礎的失活劑（mechanism-based inactivators）」，因為它們藉用正常的催化反應，使酵素失去活性。 pH 值影響酵素的活性 酵素具有其最適 pH 值（或 pH 值範圍），當達到最佳的 pH 值時，酵素的活性達到最大 p.216

圖 6 – 17 p.217

圖6-17　pH 值對於兩個酵素活性影響的剖析圖。這些曲線是在不同 pH 值緩衝液中，測量反應進行的起始速度所繪製而成。因為 pH 值是對數單位，每刻度反映出氫離子濃度有10 倍的改變，因此 V0 的改變也以對數為單位繪製成圖。酵素活性的最佳 pH 值通常接近於該酵素存在生物體時之環境的 pH 值。胃蛋白酶是在胃進行消化作用時，作為水解一些蛋白質胜肽的酵素，其最佳的 pH 值大約在 1.6，而胃液的pH 值在 1 和 2 之間。肝細胞的葡萄糖-6-磷酸酶負責將醣類釋放至血液中，其最佳的 pH 值是 7.8 左右，而肝細胞的細胞質正常 pH 值大約是 7.2。 p.204

總結 6.3 大部分酵素通常都有一些共同的動力學特性。當受質 加入酵素之後，反應會快速地達到穩態，此時 ES 複 合體形成的速率與破壞的速率達到平衡。當受質的濃 度增加時，在固定濃度的酵素之下形成穩態的反應速 率增加，循著正雙曲線，達到其特有的反應最大速率 Vmax，此時所有的酵素都與受質作用形成複合體。 當加入的受質濃度使初始反應速率為Vmax的一半時， 所使用的受質濃度就等於 Michaelis 常數Km，這是 每種酵素在催化某一特定的受質時，都有其特定的Km 值。Michaelis-Menten 方程式是 p.217

總結 6.3 (續) 透過常數Km，得到反應初始速率與[S]和Vmax的關係。 Michaelis-Menten 動力學也稱為穩態動力學。 對不同的酵素而言，Km和Vmax值可能代表不同意義。在飽 和狀態時酵素催化反應的極限速率稱為常數 kcat，也稱為 轉換數；而 kcat/Km 的比值是用來評估催化反應效率的好 方法。Michaelis-Menten 方程式也可應用於雙受質反應 ，包括三元複合體或乒乓（雙取代）路徑。 p.218

每一種酵素的活性都有最佳 pH 值（或 pH 值範圍）。在 此 pH 值範圍內酵素有最佳的活性。 總結 6.3 (續) 酵素的可逆性抑制作用分為競爭性、非競爭性或混合性。 競爭性抑制劑，可逆性地，與受質競爭活性部位，但不會 受酵素轉化。非競爭性抑制劑只與 ES 複合體結合，且結 合的位置與活性部位不同。混合性抑制劑則可與 E 和 ES 結合，也是結合在與活性部位不同的位置上。在不可逆的 抑制中，抑制劑是藉由形成共價鍵結，或很穩定的非共價 作用力，永久地結合在活性部位上。 每一種酵素的活性都有最佳 pH 值（或 pH 值範圍）。在 此 pH 值範圍內酵素有最佳的活性。 p.218