【典型题】酶促反应速率问题的研究

1[2003年上海高考生物第11题]下图纵轴为酶反应速度，横轴为底物浓度，其中正确表示酶量增加1倍时，底物浓度和反应速度关系的是命题者提供的参考答案是B。但在K12生物论坛的讨论中，很多老师认为应该选A。也有老师说虽然知道应该选B，但总觉得理由不充分。笔者认为，要正确理解这道题目，首先是必须弄懂酶促反应速度（题目中如此，其实正确的说法，应该称为“酶促反应速率”）的含义，其次要有酶促反应的动力学的有关知识作为基础。下面，笔者先把那些认为应该选A的老师提出的理由整理出来，然后介绍酶促反应速率的含义以及酶促反应的动力学的有关知识，并在此基础上阐述该题正确答案是B的理由。1许多老师错误地选A的理由先观察A、B选项中任何一条曲线，曲线的前半段，随横坐标底物浓度的增加，纵坐标酶促反应速度也增加，说明底物浓度是此时反应速度增加的限制因素。此时，即使增加酶量也不会使反应速度也增加。而曲线的后半段反应速度不再随底物浓度变化而变化，说明底物足够，此时底物浓度已不是反应速度增加的限制因素了；此时，酶的数量则相对不足，此时增加酶量会使反应速度加快。综上所述，正确的曲线应该是最初两条曲线重合，底物浓度足够多时才能体现出酶的数量对反应速度的影响。2酶促反应速率的概念酶促反应的速率（v），一般是以单位时间内底物被分解的量来表示的。假设x克蔗糖在t时间内被一定的蔗糖酶水解为葡萄糖和果糖，则x/t即为蔗糖酶反应的速率。酶促反应在开始的初期速率较大，一定时间后，由于反应产物浓度逐渐增加，反应速率渐渐下降，最后完全停止。如果底物浓度相当大，而pH及温度又保持恒定，则在反应初期的一定短时限内，酶的反应速率尚不受反应产物的影响，可以保持不变。故测酶的反应速率一般只测反应开始后的初速，而不是测反应达到平衡时所需要的时间。3酶促反应的动力学（影响酶反应的因素）的相应知识酶促反应的速率是受酶浓度、底物浓度、pH、温度、反应产物、变构效应、活化剂和抑制剂等因素的影响的。下面仅讨论与此题有关的酶浓度和底物浓度的影响。3.1酶浓度的影响在有足够底物的情况下，而又不受其他因素的影响，则酶的反应速率（v）与酶浓度成正比。即v=k[E]………………………………（1）k为反应速率常数，[E]为酶浓度。因为有底物足够的条件，因此，对任一酶浓度[E]，由（1）式求出的酶的反应速率v应当就是在该酶浓度下的最大反应速率Vmax。3.2底物浓度的影响（米氏方程）实验证明：当酶浓度、温度和pH恒定时，在底物浓度很低的范围内，反应初速与底物浓度成正比；此后，随着底物浓度的增加，反应速率的增加量逐渐减少；最后，当底物浓度增加到一定量时，反应速率达到一最大值Vmax，此时再增加底物浓度也不能使反应速率再增加。1931年，Michaelis与Menten根据中间产物理论提出了能表示整个反应中底物浓度与反应速率关系的公式，称Michaelis-Menten方程或简称米氏方程：2v=Vmax[S]/（Km+[S]）………………（2）公式中，v为反应速率，Vmax为最大速率，Km为米氏常数。Km是酶的特征常数之一，在数值上等于酶促反应速率达到最大速率一半（v=Vmax/2）时的底物浓度，单位为mol/L。4正确答案是B的理由对于底物浓度较大时，增加酶量可以增大反应速率这一结论，大家都没有异议。现在大家争议的焦点，就是在底物浓度很小时，增加酶量能否增大反应速率？对于这一问题的不同回答，决定上述高考题的答案选择：如果回答是肯定的，那么此题的正确答案是B；反之，正确答案就是A了。下面笔者为大家仔细分析一下这个问题。上述题目中只涉及一种酶，从上面引述的酶促反应的动力学的相关知识中我们看到，对于同一种酶来说，Km为定值。题目中涉及的酶浓度有2种，从上面引述的酶促反应的动力学的相关知识中我们看到，酶的最大反应速率Vmax与酶浓度[E]成正比。而根据米氏方程，酶的反应速率v与最大速率Vmax成正比。由此我们可以得出结论：在底物浓度一定时，酶促反应速率v与酶浓度[E]成正比。即使在底物浓度[S]很小时，酶的浓度不同，反应速率也不会相同。酶的浓度增加1倍，反应速率也会相应增加1倍。这样看来，上面这道题只能选B，不能选A，理由是很充足的哦！5从中学生物范围内怎样理解这道题从上述分析中我们看到，要透彻理解这道，需要有关酶促反应的动力学方面的基础知识，而这些知识是中学教材中没有涉及到的，甚至中学生物教师用书上也没有。因此，尽管这道题并没有什么错误（“反应速度”的提法不妥除外），但有超纲之嫌。如果要求在中学生物知识的范围内，对这一道题作出合理的解答，确实比较困难。下面推荐K12生物论坛中一些老师提出的解释：这个题目中影响整体反应速度的因素有两个：一是底物浓度，一是酶的浓度。所以当底物浓度不变时，酶的浓度决定反应速度；当酶的浓度不变时，底物浓度决定反应速度。两个浓度都变时，共同决定反应速度。老实说，笔者尽管倾向于支持上述说法，但也觉得它无法圆满解释在底物浓度很低的情况下，为什么增加酶量能够加快反应速度。所以笔者想，这可能也算是一个没有办法的办法罢。12月19日补记：最近又有人在K12论坛上讨论这个试题，网友“小黑牛”提出了下列观点，似乎有利于在中学知识范围内解释清楚这个试题：中间产物学说（E+S-----ES-------E+C+D）认为，酶也是反应物，只是在这样的反应中，反应了的酶又能重新生成。由于酶也是反应物，所以增加反应物浓度或增加酶的浓度，反应速率都会增大。参考文献：1郑集：普通生物化学，人民教育出版社2张玉中、阎一林：基础生物化学问答，科学普及出版社3（2011上海高考）下图实线表示联苯水解酶催化的反应速率与酶浓度的关系，虚线表示在其他条件不变的情况下，底物浓度增加一倍，反应速度与酶浓度的关系，能正确表示两者关系的是()答案：B