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结构生物化学/酶/Kcat/Km

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kcat,kd 和 KM == kcat,kdKM 是描述遵循米氏动力学的的术语。

  • kcat 是一个常数,描述了酶-底物复合物转化为产物和的周转率。它也是特定底物催化剂的速率。

Kd 是解离常数,它描述了反应中两个反应物的亲和力。以下反应是显示解离常数的例子

                                k1
A + B ↔ AB
k-1

其中 A 和 B 是两个反应物,AB 是形成的复合物,k-1 是逆向速率常数,k1 是正向速率常数。解离常数定义为:kd=k-1/k1
解离常数越小,两个反应物结合越好。由于酶与底物的亲和力决定了形成酶-底物复合物的反应的有利程度,因此在米氏方程中经常研究 kd

  • KM米氏常数,它描述了达到其最大反应速率一半所需的底物量。

从米氏方程推导kM=(k-1+kcat)/k1
由于 KM,也被称为米氏常数,是研究酶与特定底物催化反应能力的重要常数。kM 可以分为两个部分
a.kd
催化动力学的第一步是底物与酶的结合,这也是反应中的速率决定步骤。酶与底物结合越好,kd 越小,因此 kM 越小。
b.kcat
催化动力学的第二步是产物的形成。kcat 越大,反应越有利于产物,kM 越大。
在米氏常数方程中,kd 和 kcat 之间似乎存在矛盾:酶对特定底物越好,kd 越小,kcat 越大。然而,决定催化反应性能的是解离常数 kd,因为反应的第一步——结合是速率决定步骤,形成酶-底物复合物是形成产物的必要步骤,因此 kd 是决定 kM 的主要因素。
它们共同显示了对不同底物的偏好。
kcat/KM 得出测量催化效率的速率常数。这种效率测量有助于确定速率是受产物生成限制还是受环境中底物量的限制。
k-1(底物从酶上解离的速率)远大于k2(底物转化为产物的速率)的情况下,如果效率速率是

  • 高,kcat 远大于 KM,并且复合物将其结合的大部分底物转化为产物。这种转化增加可以通过两种方式之一观察到——要么底物更牢固地结合到上,这是相对较低的 KM 的结果,要么结合的底物中更大比例在解离之前被转化,这是由于周转率 kcat 较大。
  • 低,kcat 远小于 KM,并且复合物将其结合的大部分底物转化为产物。

kcat/KM 测量催化效率,但只有当底物浓度远低于 KM 时才会这样做。查看/底物催化反应方程式,

E+S↔ES->E+P


其中向 ES 方向的速率为 k1,向 E+S 方向的速率为 k-1,向产物形成(E+P)方向的速率为 k2kcat,很明显从


kcat/KM=[kcat/(k-1 + kcat)]k1


即使 kcat 远大于 k-1(正在形成大量产物)并且效率很高,该方程式仍然会受到 k1 的限制,这是 ES 形成的速率。这告诉我们 kcat/KM 在效率方面存在限制,因为它不能快于与其底物的扩散控制相遇(k1)。因此,具有高 kcat/KM 比率的实际上已经达到了动力学完美,因为它们已经非常接近达到完全效率,只受它们在溶液中遇到底物的速率的限制。

在接近极限的情况下,酶上可能存在吸引的静电作用力,这些作用力会吸引底物到活性位点,被称为西西弗斯效应。溶液中的扩散可以通过将底物和产物限制在多酶复合物有限的体积中来部分克服。一些系列的酶与组织良好的组装体相关联,以便一种酶的产物能被下一种酶快速找到。

参考文献

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Berg, Jeremy M. 2007. 生物化学。第六版。纽约:W.H. Freeman。

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