學習重點 熟用 Michaelis–Menten 方程式,能由受質濃度、反應速率、最大反應速率與 Km 計算未知量。 掌握核心定義:[S]=Km 時,v=Vmax/2;Km 是濃度,並非速率。 理解低受質濃度時速率近似與 [S] 成正比;高受質濃度時速率逐漸接近 Vmax。 區分 Km、轉換數 kcat、專一性常數 kcat/Km,以及平衡常數 Keq。 認識酵素的催化特性,並能依正、逆反應方向計算速率常數。 核心觀念 一、Michaelis–Menten 方程式與計算 符合米氏動力學的酵素反應,在固定酵素總量與實驗條件下,其起始速率可表示為: v=Vmax × [S]/(Km+[S]) v 為起始反應速率;Vmax 為該酵素總量在受質充分飽和時所能達到的最大反應速率;[S] 為受質濃度;Km 為米氏常數。這裡的飽和是指酵素的受質結合位置幾乎都被占據,不是指酵素量愈多愈好。 依未知量整理,可得到: Km=[S] ×(Vmax/v-1) Vmax=v ×(Km+[S])/[S] [S]=Km × v/(Vmax-v),適用於 0<v<Vmax。 計算前先核對單位:Km 與 [S] 必須使用相同濃度單位,v 與 Vmax 必須使用相同速率單位。例如 Km 與 [S] 均用 mM,即使 Vmax 用 μM/min,仍可直接計算,因為 [S]/(Km+[S])是無單位的比例。 若 [S]=2 × 10^(-5) μmol/L、Vmax/v=3,則 Km=2 × 10^(-5) ×(3-1)=4 × 10^(-5) μmol/L。注意不能漏掉括號內的「-1」。若 [S]=2 mM、Km=13 mM、v=20 mM/min,則 Vmax=20 ×(13+2)/2=150 mM/min。 二、Km 的定義、單位與親和力 Km 是反應速率等於 Vmax 一半時的受質濃度。將 [S]=Km 代入,可得 v=Vmax × Km/(Km+Km)=Vmax/2。因此,半最大速率與 [S]=Km 是可互相推導的關係。 [S]<Km:v<Vmax/2。 [S]=Km:v=Vmax/2。 [S]>Km:v>Vmax/2,但仍小於 Vmax。 Km 的單位與受質濃度相同,例如 mol/L、mM 或 μM;Vmax 與 v 則具有相同的速率單位。若 Vmax=500 μM/min,且 [S]=Km,無須再作複雜運算,直接得到 v=250 μM/min。 在本單元常用的判讀中,Km 越小,代表表觀親和力越大;Km 越大,代表表觀親和力越小。因為 Km 小表示只需較低受質濃度,就能達到半最大速率。同一酵素對不同受質可能具有不同 Km;比較時須留意實驗條件是否相當。 嚴格而言,Km 並不一定等於酵素與受質的解離常數。對基本機制 E+S ⇌ ES → E+P,若結合、解離及產物生成的速率常數分別為 k1、k−1、k2,則 Km=(k−1+k2)/k1;僅在適當條件下,才能近似用解離常數解釋。 三、受質濃度與速率的關係 固定酵素總量時,v 對 [S] 呈雙曲線關係。當 [S] 遠低於 Km,分母 Km+[S] 可近似為 Km,因此: v≈(Vmax/Km)×[S] 此時對受質呈近似一級反應,受質濃度加倍,速率也約加倍。考題以「受質低於 Km、酵素足量」描述受質受限區時,判斷方向是速率與受質濃度成正比;但精確而言,必須 [S] 遠小於 Km,正比近似才良好,不能把所有 [S]<Km 的情況都視為嚴格正比。 當 [S] 遠高於 Km,分母可近似為 [S],因此 v≈Vmax。酵素已接近飽和,再增加受質,速率增加有限,對受質呈近似零級反應。米氏模型下,有限的正受質濃度只會使速率逐漸接近 Vmax。 倍數題最方便的算法是:若 [S]=nKm,則 v/Vmax=n/(1+n)。 受質濃度v/Vmax最大速率百分比 0.25 Km0.25/1.25=0.2020% 0.5 Km0.5/1.5=1/3約 33.3% Km1/250% 2 Km2/3約 66.7% 10 Km10/11約 90.9% 四、雙倒數圖與常數辨別 將米氏方程式取倒數,可得 Lineweaver–Burk 方程式: 1/v=(Km/Vmax)×(1/[S])+1/Vmax 以 1/[S] 為橫軸、1/v 為縱軸時,斜率為 Km/Vmax,縱軸截距為 1/Vmax,橫軸截距為-1/Km,因此可由實驗繪圖估算 Km。 名稱意義與關係 Km半最大速率時的受質濃度,可作表觀親和力的參考。 Vmax固定酵素總量下的最大反應速率;Vmax=kcat × [E]T。 kcat轉換數:受質飽和時,每個催化位點每單位時間轉換的受質分子數,常用單位為 s^(-1)。 kcat/Km專一性常數,用於比較催化效率。 五、酵素催化與可逆反應常數 酵素是催化劑,藉由降低活化能加速反應,不會因完成催化而逐漸被消耗。酵素可暫時形成酵素-受質複合體,釋放產物後再參與下一輪反應。酵素不改變反應的平衡常數。 對簡單可逆反應 S ⇌ P,若 k1 是正向、k2 是逆向的一級速率常數,平衡時 k1[S]=k2[P],故: Keq=[P]/[S]=k1/k2;k1=Keq × k2。 例如 Keq=2 × 10^(-2)、k2=0.01,則 k1=2 × 10^(-4)=0.0002,單位與 k2 相同。速率常數的符號會隨反應圖而異,必須先確認箭頭方向,不能只憑 k1、k2 的名稱套公式。 常考陷阱 「Km 是達到 Vmax 時的受質濃度」:錯在漏掉「一半」;Km 對應的是半最大速率。 「[S]=0.25 Km,所以速率是 25% Vmax」:受質倍數不能直接當速率比例,須算 0.25/1.25=20%。 「[S]=10 Km,已達 100% Vmax」:實際為 10/11,約 91%。 「低受質濃度時速率與 [S] 無關」:低濃度區近似成正比;高濃度飽和區才近似與 [S] 無關。 「Km 越大,結合能力越強」:本單元判讀方向相反,Km 越大,表觀親和力越弱。 「同一酵素只有一個 Km」:不同受質可能對應不同 Km。 「Km 就是轉換數或專一性常數」:轉換數為 kcat,專一性常數為 kcat/Km。 「酵素催化後會被耗盡」:催化循環中酵素會再生,不因催化本身而被消耗。 記憶口訣 「Km 半速點,K 大親和弱;低濃近正比,高濃趨飽和。」 「受質 n 倍 K,速率 n 除一加 n。」先將受質濃度化成 Km 的倍數,再計算速率比例。