酶动力学:kcat,kcat/K...

生物
酶动力学:kcat,kcat/Km,Kd与“催化效率”

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Questioner 更新于2023-11-21 13:00:36

kcat和kcat/Km所代表的含义究竟有何区别,它们反应的难道不都是“催化效率”?

在叙述之前,我们先来判断一个问题:当酶与底物的亲和力提高时,它的催化效率是升高还是降低呢?

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丨丨长江东逝水
3月前
大佬咕了3天了别忘了
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Questioner
3月前

提到催化效率,我们的第一反应就是感觉它和催化机制密切相关,而和其它东西关系都不大。而在另一些情景下我们却会引入其它东西的影响,个人认为,这实际上是由于“催化效率”这个词语事实上指代不明,造成了歧义而导致的。而催化效率的两种不同定义,恰好被kcat和kcat/Km所分别指代

放入催化剂后,反应的速率毫无疑问会有变化,新的反应速度可以被理解为“催化效率”,这是从表观现象出发的定义

而从深层理解的“催化效率”,指的是底物和催化剂开始反应后,到产物的过程,而此时“催化效率”这个词只和催化机制相关联,相比于前一个定义,它所指代的反应速率要狭隘一点,只有当催化剂被底物饱和时二者才能等价,也就是说这种定义没有考虑到催化剂和底物的结合问题,而只关注它理论上的催化潜力

在无机催化剂中,这两个定义的差别不明显,可到了酶中,我们会惊奇的发现这两个定义实际上大有不同,因为酶与酶之间的催化机制可能相同,但与底物的亲和力之间却可能大相径庭。

我们不妨假设这么两种酶,它们的催化机制都是通过其活性位点上的某两个相同的带电氨基酸,但二者结合底物的部位却非常不同。第一种的亲和力非常低,与底物的解离常数相当大;第二种却可以小到忽略不计。

此时加入两种不同却等量的酶,同一时刻,第一种酶只有1/100结合了底物,第二种却全都结合了。我们不难发现这时第一种定义和第二种定义产生了冲突。二者宏观的反应速率显然不一样,可催化机制和催化潜力却相同。这也就带来了区分二者的必要,kcat这个数值本身就是从过渡态到产物的速率常数,对应第二种定义再恰当不过。而由于Km方便测量,又大体上和亲和力有关,所以它代替了Kd,成为了第一种定义kcat/Km,有些人要把这种定义叫做酶的“完美程度”

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讲了这么多,我们可以来看看我自己想的一道习题,它就是当时困惑住我的根源

请分别采用“催化效率”的第一种和第二种定义,简述当酶的亲和力上升时对“催化效率”的影响

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Questioner
3月前

答案是显然的

当我们采用第一种定义,也就是kcat时,由于底物和酶的结合能过高,反而不利于底物向过渡态转变,造成了kcat的降低

而采用第二种定义时,事情变得复杂起来了,亲和力上升使得Km降低,使得kcat/Km有所提高,可kcat的降低又造成了其的降低,由于我们难以量化亲和力提高对kcat的影响,所以该种定义会导致答案是无法确定,这就是我当时对上述题目感到疑惑的原因