问题

「米氏方程」如何推导,具有哪些局限性?

回答
米氏方程:酵素催化反应的数学基石与现实困境

在酶促反应的研究领域,没有哪一个方程式比米氏方程(MichaelisMenten equation)更具标志性。它简洁而优雅地描述了酶催化反应的速率与底物浓度之间的关系,为理解酶的动力学行为奠定了基石。然而,如同所有模型一样,米氏方程也并非万能,其推导过程中的假设以及应用中的局限性,同样值得我们深入探讨。

米氏方程的诞生:一步步的逻辑推演

要理解米氏方程,我们首先需要回顾酶促反应的基本模型。酶(E)通过与底物(S)结合形成一个不稳定的酶底物复合物(ES),这个复合物随后分解,释放出产物(P),同时再生酶(E)。这个过程可以用一个简化的三步反应来表示:

1. 结合步骤: 酶(E)与底物(S)可逆地结合,形成酶底物复合物(ES)。
$E + S ightleftharpoons ES$

2. 催化步骤: 酶底物复合物(ES)不可逆地转化为产物(P)并释放酶(E)。
$ES ightarrow E + P$

在实际的酶促反应中,反应可能比这个模型更复杂,但米氏方程的推导正是基于这个最简化的模型。

推导的关键假设:

在将上述反应模型转化为数学方程的过程中,两个关键的假设至关重要:

稳态近似 (Steadystate Approximation): 这是米氏方程推导的核心。它认为,在反应的早期阶段(通常是秒或毫秒级别),ES复合物的生成速率与分解速率相等。换句话说,ES复合物的浓度在反应过程中保持相对恒定。这并非意味着ES的浓度为零,而是其浓度的变化非常缓慢,可以忽略不计。
$frac{d[ES]}{dt} = 0$

不可逆的产物形成 (Irreversible Product Formation): 假设ES复合物转化为产物的过程是不可逆的,并且是限速步骤。这意味着一旦ES转化为E+P,就不会再逆向反应形成ES。

开始推导:

1. ES复合物的生成速率: ES复合物通过E与S的结合生成。假设这个结合速率与E和S的浓度成正比,比例常数是结合速率常数 $k_1$。
生成速率 $= k_1[E][S]$

2. ES复合物的分解速率: ES复合物的分解有两个途径:
逆向解离: ES复合物可逆地解离回E和S。假设这个解离速率与ES的浓度成正比,比例常数是解离速率常数 $k_{1}$。
解离速率 $= k_{1}[ES]$
产物形成: ES复合物转化为产物P并释放酶E。假设这个转化速率与ES的浓度成正比,比例常数是催化速率常数 $k_2$。
产物形成速率 $= k_2[ES]$

3. 应用稳态近似: 根据稳态近似,ES的生成速率等于其分解速率。
$k_1[E][S] = k_{1}[ES] + k_2[ES]$
$k_1[E][S] = (k_{1} + k_2)[ES]$

4. 引入米氏常数 $K_m$: 为了简化方程,我们引入一个重要的常数——米氏常数 $K_m$。它定义为:
$K_m = frac{k_{1} + k_2}{k_1}$
$K_m$ 的单位是浓度。它的意义在于,当底物浓度 $[S]$ 等于 $K_m$ 时,反应速率达到最大速率的一半。

将 $K_m$ 代入上式:
$k_1[E][S] = K_m k_1 [ES]$
$[E][S] = K_m [ES]$

5. 表达 ES 浓度: 从上式可以解出ES的浓度:
$[ES] = frac{[E][S]}{K_m}$

6. 引入总酶浓度 $[E]_0$: 在实际反应中,我们通常关注的是总酶浓度 $[E]_0$,它等于自由酶浓度 $[E]$ 和结合在底物上的酶浓度 $[ES]$ 之和。
$[E]_0 = [E] + [ES]$

将 $[ES]$ 的表达式代入上式:
$[E]_0 = [E] + frac{[E][S]}{K_m}$

将 $[E]$ 提取出来:
$[E]_0 = [E] left(1 + frac{[S]}{K_m} ight)$

解出自由酶浓度 $[E]$:
$[E] = frac{[E]_0}{1 + frac{[S]}{K_m}} = frac{[E]_0 K_m}{K_m + [S]}$

7. 定义反应速率 v: 酶促反应的速率(v)通常定义为产物生成的速率,或者底物被消耗的速率。根据我们的模型,产物形成的速率由 $k_2[ES]$ 给出。
$v = k_2[ES]$

8. 代入 $[ES]$: 将上面推导出的 $[ES]$ 表达式代入速率方程。注意,在稳态近似下,ES的生成速率和产物形成速率都是 ES 的函数。通常,我们认为产物形成速率是最具代表性的反应速率,并且在任何给定瞬间,ES的浓度变化非常小,所以我们可以用ES浓度来代表其生成速率。
$v = k_2 left( frac{[E][S]}{K_m} ight)$

为了进一步关联到总酶浓度 $[E]_0$,我们需要将 $[ES]$ 的另一个表达式代入:
$v = k_2 [ES]$
我们知道 $[ES] = frac{[E]_0 [S]}{K_m + [S]}$ (通过前面的 $[E] = frac{[E]_0 K_m}{K_m + [S]}$ 结合 $[ES] = frac{[E][S]}{K_m}$ 得到)
所以:
$v = k_2 left( frac{[E]_0 [S]}{K_m + [S]} ight)$

9. 定义最大催化速率 $v_{max}$: 当底物浓度 $[S]$ 足够高时,所有的酶分子都会与底物结合形成ES复合物,此时反应达到最大速率,即 $v_{max}$。在这个饱和状态下,$[ES] approx [E]_0$。
$v_{max} = k_2 [E]_0$

10. 最终的米氏方程: 将 $v_{max}$ 代入上式:
$v = v_{max} left( frac{[S]}{K_m + [S]} ight)$

这就是鼎鼎大名的米氏方程,它描绘了反应速率 $v$ 随底物浓度 $[S]$ 变化的曲线。

米氏方程的局限性:模型背后的现实约束

尽管米氏方程在酶动力学研究中应用广泛,但它并非完美无缺。其推导过程中所做的简化和假设,也带来了固有的局限性:

1. 稳态近似的适用性:
瞬时阶段 (Presteady State): 米氏方程是基于稳态近似推导的,这意味着它描述的是反应进行一段时间后的情况。在反应刚开始的极短时间内,ES复合物的浓度尚未达到稳态,此时反应速率会经历一个短暂的“瞬时阶段”,其变化规律无法用米氏方程直接描述。
快速反应: 对于酶催化反应的某些步骤(如底物结合)非常快,以至于ES的生成可能比其分解更快,稳态近似在此条件下可能不完全成立。

2. 底物浓度范围的限制:
高底物浓度时的酶失活: 在非常高的底物浓度下,某些酶可能会发生底物抑制(substrate inhibition)或酶失活(inactivation),导致反应速率下降,这与米氏方程的预测不符。
低底物浓度时的影响: 在极低的底物浓度下,反应速率可能受到其他因素的影响,或者随机波动较大,此时米氏方程的精确度可能会下降。

3. 反应机制的简化:
单底物,单产物: 米氏方程最初是为具有单个底物和单个产物的简单酶促反应设计的。对于涉及多个底物(多底物反应,如连加反应、平行反应、交叉反应)或多个产物的酶,需要更复杂的模型(如Cleland命名法描述的)。
唯一的催化循环: 该模型假设酶只有一个催化循环,但有些酶可能存在多个催化途径或中间状态,这些都未被米氏方程考虑在内。
非协同结合: 米氏方程假定酶与底物的结合是独立的,不考虑酶的变构效应或协同结合(cooperativity),如血红蛋白与氧气的结合。对于协同酶,通常需要使用Hill方程或更复杂的模型。

4. 反应条件的恒定性:
pH和温度: 米氏方程的参数 ($v_{max}$ 和 $K_m$) 是在特定pH和温度条件下测得的。如果这些条件发生变化,酶的活性和动力学参数也会随之改变,米氏方程本身并不包含对这些环境因素变化的描述。
酶的纯度和活性: 米氏方程假定酶是纯净且保持活性的。如果存在抑制剂、激活剂,或者酶本身不稳定、聚合,都会影响测得的动力学参数。

5. 动力学参数的解释:
$K_m$ 的意义: 虽然 $K_m$ 常被解释为酶对底物的亲和力,但严格来说,当 $k_{1} gg k_2$ 时,$K_m approx k_{1}/k_1$(解离常数 $K_d$),这确实反映了亲和力。但如果 $k_2$ 很大,接近于 $k_{1}$,那么 $K_m$ 的大小就更多地受催化速率的影响,而不仅仅是亲和力。因此,$K_m$ 的生物学意义需要谨慎解读。
$v_{max}$ 的限制: $v_{max}$ 仅代表在饱和底物浓度下的最大速率,它与酶的浓度成正比。它本身并不直接反映酶的催化效率,除非将酶浓度考虑在内。

结语

米氏方程以其简洁和普适性,极大地推动了我们对酶促反应的理解。它提供了一个框架,让我们能够量化酶的活性,并探索底物浓度对其影响的规律。然而,认识到它的局限性同样重要。在实际研究中,我们常常需要超越米氏方程,采用更复杂的动力学模型,或者在特定条件下小心应用米氏方程,才能更准确地揭示酶的生物学功能和调控机制。它是一个伟大的起点,但并非终点。

网友意见

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米氏方程,说白了就是化学平衡。现在有酶促反应 这里 是酶(enzyme), 是底物(substrate), 是产物(product), 是酶底物复合物(enzyme-substrate complex), 是酶的催化常数(catalytic constant),表示酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的个数。若记反应速率(velocity)为 ,则 根据 ,有 也就是说 这里定义米氏常数(Michaelis constant) ,它时酶促反应达到最大速度 一半时底物 的浓度 根据 有 注意到 以及 有 此即米氏方程(Michaelis-Menten equation)。

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有人 @睎xii 已经写了简单推导了。写得不错!我这里讲讲局限。

米氏方程又叫米麦方程(Michaelis-Menten),总之是跟主食过不去了。基本假设是酶催化反应可以划分为两步走:

1)底物(被催化反应的分子)要在细胞液/间质的茫茫大海中,结合到酶上,这一步是决定整个一套反应的步骤;而这一步是一个热力学平衡步骤。2)底物一旦结合上去了,就立马被酶催化发生化学反应,生成产物。这个思路类似于过渡态理论(TST)的基本假设。但TST处理的是基元反应即一步反应,而酶催化反应是一个多步反应,这是两者最根本的不同之处。

结合的过程有个动画可以看(请去SI找):

How Does a Drug Molecule Find its Target Binding Site?

Yibing Shan,† Eric Kim,† Michael P. Eastwood,† Ron O. Dror,† Markus A. Seeliger,§ and David E. Shaw†‡*

J Am Chem Soc. 2011 Jun 22; 133(24): 9181–9183.

Published online 2011 May 13.doi: 10.1021/ja202726y


这个假设一般情况下是成立的,毕竟底物、蛋白质都是dilute solution,且底物体格子小(一般都是小分子),对比蛋白质这个庞然大物,相当于是《星球大战》中的“千年隼”号和“死星”的大小差别。即使底物找到了蛋白质,也要费点功夫才能结合到催化位点。但是例外肯定也有,必须具体问题具体分析才行了。NYU的Yingkai Zhang(张颖凯,本科毕业于南京大学强化部)在这个问题上深耕几十年,可以读一下张老师的工作。还有的酶,催化速度并不快,比如耗时几小时之类的,而且分好几步。不过我很多年不做相关研究了,可以找Donald Truhlar、Christopher J Cramer等人的研究文章。

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