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酶化学

第三章酶学

I主要内容

一、酶的组成分类

1．酶的化学本质是蛋白质，可以分为简单蛋白和结合蛋白。

2．简单蛋白质酶类：

这些酶的活性仅仅由它们的蛋白质结构决定。

3．结合蛋白质酶类：

这些酶的活性取决于酶蛋白和辅因子两部分。

辅因子主要包括无机离子和有机小分子两种物质，其中有机小分子又根据其与酶蛋白结合的紧密程度不同分为辅酶和辅基。

在结合蛋白质酶类分子中，酶促反应的专一性主要由酶蛋白质的结构决定，催化性质则主要由辅因子化学结构所决定。

二、酶的催化特性

1．高效性：

酶的催化效率非常高，酶促反应的速度与化学催化剂催化的反应速度高1010倍左右。

2．专一性：

每一种酶只能作用于某一类或某一种物质。

根据专一性的程度可分为绝对、相对专一性和立体结构专一性三种类型。

3．温和性：

酶一般是在体温、近中性的pH及有水的环境下进行，作用条件较为温和。

4．酶活性的可调节性：

细胞内酶活性可以受底物浓度、产物浓度等许多因素的影响。

三、酶的命名和分类

1．命名法：

习惯命名法和系统命名法。

2．国际系统分类和编号：

根据国际系统分类法的原则，所有的酶促反应按反应性质分为六大类，用1，2，3，4，5，6的编号来表示。

1-氧化还原酶类；2-转移酶类；3-水解酶类；4-裂合酶类；5-异构酶类；6-合成酶类。

如：

Ecl.1.1.27乳酸：

NAD+氧化还原酶。

四、酶活力（或酶活性）、比活力表示法

用反应初速度表示酶活力。

酶活力单位：

U；酶的比活力：

U／mg蛋白质

五、酶促反应动力学

1．底物浓度对酶促反应速度的影响。

米氏常数（Km）：

当酶反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。

它是酶的特征性常数之一，只与酶的种类有关，而与底物浓度无关；米氏常数（Km）的测定主要采用双倒数作图法。

2．温度对酶反应速度的影响：

最适温度：

酶反应速度最大的环境温度，它是酶的条件性特征常数，只在一定情况下才有意义。

3．pH对酶促反应速度的影响：

最适pH：

酶反应速度最大的介质pH值。

4．酶浓度对酶反应速度的影响：

当底物浓度远远大于酶浓度时，反应速度与酶浓度成正比。

5．激活剂对酶反应速度的影响：

无机激活剂，如阴离子、阳离子。

有机激活剂，如某些还原剂以及由酶作用引起的酶原激活。

酶原激活是指在某些酶的作用下无活性的酶原转变为有活性酶的过程。

6．抑制剂对酶反应速度的影响。

（1）不可逆性抑制作用：

这类抑制剂与酶分子中的特定基团以共价键结合而使酶失活，不能通过清除抑制剂的方法恢复酶活性。

（2）可逆性抑制作用：

这类抑制剂与酶的结合是可逆的，清除抑制剂酶活性可以恢复的抑制作用。

a．竞争性抑制：

底物与抑制剂竞争性地与酶活性中心的同一部位结合。

增加

底物浓度可减少抑制剂的作用。

当竞争性抑制剂存在时，Km增大：

Vmax不变。

b．非竞争性抑制：

非竞争性抑制剂与酶的结合与底物不在同一位点，抑制剂可以和酶（E）结合也可与酶和底物（S）的复合物（ES）结合。

非竞争性抑制剂存在时，Km不变；Vmax减小。

c．反竞争性抑制：

抑制剂只能与酶与底物的复合物结合，当反竞争性抑制剂存在时，及Km和Vmax都变小。

一、酶促反应机制

酶促化学反应比非酶促反应速度快，最根本的原因是酶促反应与非酶促反应的反应历程不一样，在酶促反应中都要经历一个酶与底物结合形成酶底复合物，酶底复合物进一步转化形成产物并释放出游离酶的基本过程。

1．酶作用机制

酶活性中心：

底物结合部位和催化部位。

2．酶作用专一性的机理：

（1）锁与钥匙学说。

（2）诱导契合假说

3．酶作用高效性的机理：

（1）靠近与定向；

（2）变形与扭曲；（3）共价催化；（4）酸碱催化；（5）酶活性部位的低介电区。

4．某些酶的作用原理

（1）溶菌酶：

活性部位有Glu35和Asp52，典型的酸碱催化。

（2）胰凝乳蛋白酶：

活性部位有Aspl02、His57和Serl95组成的质子电荷传递系统。

5．抗体酶与核糖酶

七、酶活性的调节和调节酶

1．别构调节酶。

2．共价调节酶。

3．酶原的激活。

II习题

一、名词解释

１．Ｋm与Ｋs：

２．双成分酶：

３．活性中心：

４．变构酶：

５．酶原激活：

６．寡聚酶：

７．同工酶：

８．酶活力、比活力：

二、是非题判断下列各句话意思的正确与否，正确的在题后括号内画“√”，错误的画“×”，如果是错误的，请说明其理由

1．形成酶活性部位的氨基酸残基，在一级结构上并不相连，而在空间结构上却处在相近位置。

2．在底物浓度为限制因素时，酶促反应速度随时间而减小。

3．只要底物浓度足够大，即便是有竞争性抑制剂的存在，酶的最大反应速度仍然可以达到。

4．丁二酸脱氢酶受丙二酸的抑制，但此抑制作用可以通过增加丁二酸浓度的方式来解除或减轻。

5．辅酶和辅基都是酶活性不可少的部分，它们与酶促反应的性质有关

6．当[S]>>Km时，酶促反应速度与酶浓度成正比。

7．抑制剂二异丙基氟磷酸（DFP或DIFP）能与活性部位中含有Ser-OH的酶结合使其失活。

8．在结合酶类中，酶促反应的专一性主要由酶蛋白的结构决定，催化性质则主要由辅因子的化学结构所决定。

9．根据定义：

酶活力是指酶催化一定化学反应的能力。

一般来说，测定酶活力时，测定产物生成量，比测定底物减少量更准确。

10．如果体系中所有的酶都以酶底复合物的形式存在，则v=Ｖmax。

11．酶活力的测定，本质上就是测定酶催化的反应速度。

12．最适温度不是酶的特征性常数，因此可以说温度与酶促反应的速度无关。

13．酶催化反应速度的能力不能直接用酶的体积和质量来表示，这主要是由酶本身的化学性质所决定的。

14．同工酶是指功能和结构都相同的一类酶。

15．在竞争性抑制剂存在时，加入足够量的底物可使酶促反应速度达到正常的Vmax。

16．反竞争性抑制剂是既能改变酶促反应的Km值，又能改变Vmax的一类抑制剂。

17．有些酶的Km值可能由于结构上与底物无关的代谢物的存在而改变。

18．将具有绝对专一性的酶与底物的关系，比喻为锁和钥匙的关系还比较恰当。

19．所有酶的米氏常数（Km）都可被看成是酶与底物的结合常数（Ks），即Km＝Ks。

20．脲酶的专一性很强，除尿素外不作用于其它物质。

三、填空题

1．酶分为六大类，l，2，3，4，

5，6。

2．结合酶类是由和组成。

3．为准确测定酶活力，必须满足下面三个条件，即

、。

4．当底物浓度远远大于Km，酶促反应速度与酶浓度

。

5．影响酶促反应速度的因素主有、、、

、和六种。

6．溶菌酶的活性部位有和两种氨基酸残基，其催化机制是典型的。

7．胰脏分泌的蛋白酶具有相同的作用机制，活性部位都是由、和

组成的，它们的区别是。

8．用双倒数作图法求Km时，横坐标为，纵坐标为。

10．酶的比活力是指单位质量蛋白质所具有的酶活力大小，一般采用

和两种方式来表示。

11．竞争性抑制剂使酶促反应的Km，而Vmax。

12．天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）催化和生成氨甲酰天冬氨酸。

它的正调节物是，负调节物是CTP。

13．能催化多种底物进行化学反应的酶有个Km值，其中Km的底物是该酶的最适底物。

14．与无机催化剂相比，酶催化作用主要具有、、

和四方面主要特性。

15．乳酸脱氢酶以为辅酶，它的酶蛋白由个亚基构成，其亚基分为和两种。

16．迄今已知的变构酶大多都是酶，它含有个以上亚基构成，除具有活性中心外，还具有中心。

四、选择题

１．米氏常数：

Ａ随酶浓度的增大而增大；Ｂ随酶浓度增大而减小；

Ｃ随底物浓的增大而减小；Ｄ是酶的特征性常数。

２．生物素作用是：

Ａ转氨酶的辅酶；Ｂ脱羧酶的辅酶；

Ｃ一碳单位的载体；Ｄ羧化酶的辅酶。

３．用双倒数作图法求Ｖmax和Ｋm值时，若以Ｓ表示底物，Ｖ表示反应速度，哪么图中Ｘ轴的实验数据表示：

Ａ1/V；Ｂ1/[S]

ＣVＤ[S]

４．竞争性抑制作用可以通过下列哪种方式来减轻或消除？

Ａ增加底物浓度；Ｂ增加酶浓度；

Ｃ减少底物浓度；Ｄ以上方式都不行。

５．磺胺药物冶病的原理是：

Ａ直接杀死细菌；Ｂ叶酸合成的非竞争性抑剂；

Ｃ叶酸合成的竞争性抑制剂Ｄ以上三者都不行。

６．有机磷农药作为酶的抑制剂，是作用于酶活性部位的：

Ａ硫基；Ｂ羟基；

Ｃ羧基；Ｄ咪唑基。

７．抑制剂与酶结合，使酶催化作用降低，是因为：

Ａ酶蛋白质变性失活；Ｂ占据酶的活性部位；

Ｃ抑制剂与酶必须基团结合；ＤＢ和Ｃ。

８．将一种非竞争性抑制剂加到一种酶反应系统中：

ＡＫm值增加、Ｖmax升高；ＢＫm值增加、Ｖmax不变；

ＣＫm值不变、Ｖmax升高；ＤＫm值不变、Ｖmax变小。

９．酶加速其化学反应速度的原因是：

Ａ使产物比非酶反应更稳定；Ｂ使底物获得更多的自由能；

Ｃ缩短反应达到平衡所需时间；Ｄ保证底物全部形成产物。

10．ATCase的负调节物是：

ＡCTP；ＢUTP；

ＣATP；ＤAsp

11．在下列酶的辅因子中，不含AMP的是：

ＡNAD+ＢNADP+

ＣCoASH；ＤFMN。

12．维生素Ｂ6辅酶形式是：

Ａ吡哆醇；Ｂ吡哆醛；

Ｃ吡哆胺；Ｄ磷酸吡哆醛。

13．催化反应Ａ.Ｒ→Ａ＋Ｒ的酶是：

Ａ合成酶类；Ｂ裂合酶类；

Ｃ转移酶类Ｄ氧化还原酶类。

14．大多数酶都具有如下特征：

Ａ都能加速化学反应速度；Ｂ对底物有严格的选择性；

Ｃ分子量大多都在5000以上；Ｄ近中性pH值时活性最大。

15．下列具别构行为的物质是：

Ａ葡萄糖异构酶；ＢATCase；

Ｃ乳酸脱氢酶；Ｄ血红蛋白。

16．具有协同效应的酶，其结构基础是

A酶蛋白分子的解离和聚合B酶蛋白可产生别构效应

C酶蛋白的降解作用D酶蛋白与非蛋白物质结合

 17．别构酶的反应速度与底物浓度的关系曲线是：

A双倒数曲线BS形曲线

CU形曲线D直线

18．酶的不可逆性抑制的机制是：

A使酶蛋白变性B与酶的催化部位以共价键结合

C使酶降解D与酶作用的底物以共价键结合

19．丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制是由于：

A丙二酸在性质上与酶作用的底物相似

B丙二酸在结构上与酶作用的底物相似

C丙二酸在性质上与酶相似

D丙二酸在结构上与酶相似、

20．国际上常常采用Hill系数判断别构酶的类型，典型的米氏类型酶的：

AHill系数＞1BHill系数＝1

CHil1系数＜1DHill系数＝o

21．下列关于同工酶的叙述正确的是：

A同工酶是由多个亚基以共价键结合形成的复合物

B同工酶对同一种底物有不同的专一性。

C同工酶是催化同一种反应，但结构不完全相同的同一种酶的多种形式

D各种同工酶在电场电泳时，迁移率相同。

五、问答与计算

1．酶的化学本质是什么？

如何证明？

酶作为催化剂具有哪些主要特点？

2．什么是酶的活性中心?

底物结合部位、催化部位和变构部位之间有什么关系?

为什么酶对其催化反应的正向及逆向底物都具有专一性?

3．酶活力为什么不能直接用酶制剂的质量或体积来表示？

4.酶的催化本质是什么？

为什么能比无机催化剂更有效地催化化学反应？

5．什么是酶的抑制作用？

有哪几种类型？

研究酶的抑制作用有什么实际意义？

6．许多酶由相同的亚单位组成，这一现象的生物学意义是什么?

7．请简要说明Fisher提出的‘锁与钥匙学说’和Koshland提出的诱导契合学说的主要内容。

8．举例说明同工酶存在的生物学意义。

9．测定酶活力时：

（1）酶和底物为什么必须用缓冲液配制?

（2）酶和底物是先分别保温，然后混合，还是先混合后保温，为什么?

10．己糖激酶催化葡萄糖磷酸化时，Km值为0.15mmol/L，催化果糖磷酸化时，Km为1.5mmo1／L。

假如两种反应的Vmax相同。

（1）写出己糖激酶催化葡萄糖和果糖磷酸化的反应式。

．

任强

（2）分别计算葡萄糖和果糖为底物（S）时，[S]＝0.15，1.5，15mmol/L时，酶催化反应的速度V是多少?

11．绝大多数酶溶解在纯水中会失活，为什么?

12．多数酶的稀释液在激烈震荡时会产生泡沫，此时即使酶的分子量并没有变化，也会导致酶活性降低或丧失，请说明这是为什么?

13．某酶在溶液中会丧失活性，但若此溶液中同时存在巯基乙醇可以避免酶失活，该酶应该是一种什么酶，为什么?

14．称取25mg蛋白酶粉配制成25m1酶液，从中取出0.1ml，以酪蛋白为底物用Folin—酚比色法测定酶活力，结果表明每小时产生1500Pg酪氨酸。

另取2ml酶液用凯氏定氮法测得蛋白氮为0.2mg；若以每分钟产生1Pg酪氨酸的酶量为一个活力单位，求：

（a）1ml酶液中蛋白的含量及活力单位；（b）1g酶制剂的总蛋白含量及总活力；（c）酶的比活力。

15．有一克酶制剂，配成1000ml水溶液，从中取出1ml测定酶活力，得每分钟分解0.25克淀粉，求每克酶制剂的酶活力单位数（一个酶活力单位为每小时分解一克淀粉的酶量）。

16．某酶在10ml反应混合液中进行反应，所得结果如下：

〔Ｓ〕（Ｍol/L）Ｖ（uＭoL/分）5.0×10-20.255.0×10-30.255.0×10-40.255.0×10-50.205.0×10-60.0715.0×10-70.0096按以上数据求解以下各题：

（1）此酶的Ｖmax是多少？

（2）Ｋm是多少？

（3）当〔Ｓ〕＝1.0×10-6Ｍ时和〔Ｓ〕＝1.0×10-1时，酶的活力单位各是多少？

（4）若酶浓度增加4倍，Ｋm和Ｖmax各是多少

任强

第三章酶学

（习题答案）

一、名词解释

１．Ｋm与Ｋs：

Ｋm又称米氏常数是反应速度达到最大速度一半时底物的浓度；Ｋs是酶底复合物的解离平衡常数，其值大小可以反映酶对底物的亲合力大小。

２．双成分酶：

由蛋白质和非蛋白质两种组分构成的酶，酶分子中的蛋白质组分称酶蛋白，非蛋白质组分称辅因子。

任强

３．活性中心：

又称活性部位是指酶分子中参与和底物的结合，并与酶的催化作用密切相关的部位，由酶分子中相距较近的几个氨基酸残基及必需的辅因子构成。

４．变构酶：

酶分子通过与专一性效应物的结合，使其空间结构发生变化，并进一步导致酶活性改变的一类调节酶类。

５．酶原激活：

酶原在专一性蛋白酶的催化下，肽链发生特异性断裂，并进一步导致空间结构发生变化形成酶的催化作用所必需的空间结构的现象。

６．寡聚酶：

由两个或两个以上具有三级结构的多肽链构成的酶或者说具有四级蛋白质结构的一类酶。

７．同工酶：

能够催化同一种化学反应，但理化性质有所不同的一组酶。

８．酶活力、比活力：

酶加速其化学反应速度的能力称酶活力；单位质量或体积酶制剂所具有的酶活力大小称比活力，用U/mg或Katal/Kg来表示。

二、是非题判断下列各句话的正确与否，正确的在题后括号内画“√”，错误的画“×”，如果是错误的，请说明其理由

1．对2．对3．对4．对5．对6．对7．对8．对9．对

10．对11．对12．错13．对14．错15．对16．对17．对18．对19．错20．对

三、填空题

1．氧化还原酶类，转移酶类，水解酶类，裂合酶类，异构酶类，合成酶类

2．酶蛋白，辅因子

3．底物浓度远远过量、最适pH、最适温度

4．正比

5．酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂

6．天冬氨酸、谷氨基酸，酸碱催化

7．丝氨酸残基、组氨酸残基、天冬氨酸残基，专一性不同

8．1/V，1/S

10．U/mg，Katal/Kg

11．变大，不变

12．天冬氨酸，氨甲酰磷酸

13．多，最小

14．高度的催化活性、高度的专一性、作用条件的温和性、酶活性的可调性

15．NAD，4，H，M

16．寡聚酶类，2，别构中心（调节中心）

四、选择题

１．Ｄ２．Ｄ３．４．Ａ５．Ｃ６．B７．Ｄ８．Ｄ９．C

10．A11．D12．D13．B14．ABD15．BD16．B17．B18．B

19．B20．B21．C

五、问答与计算

1．答案略

2．答：

酶分子中参与和底物的结合并与酶的催化作用密切相关的部位称为酶的活性中心（活性部位）。

酶活性中心包括结合部位和催化部位，结合部位是指酶分子中能与底物结合的活性基团所在的部位，与酶促反应的底物特异性有关；催化部位是指酶分子中使底物转变为产物的活性基团所在的部位，与酶促反应的类型有关。

变构部位是指效应物与酶分子结合的部位，效应物与酶分子结合后可以引起酶分子构象变化，并进一步导致酶活性的改变。

任强

逆向反应的底物是正向反应的产物，反之，正向反应的底物是逆向反应的产物。

对于可以催化可逆性反应的酶来说，正向反应的底物和逆向反应的底物都能与酶专一性接合，对于不能催化可逆性反应的酶来说，只能与正向反应的底物专一性结合，不同的酶与底物结合的活性基团不同。

3．答：

酶加速其化学反应的能力称为酶活力，酶活力是用于表示单位质量或体积酶制剂催化能力的一种指标。

由于绝大多数酶的化学本质都是蛋白质，往往难以制得纯粹的精品，常含有一定的杂质；另外，由于酶制剂不稳定，易变性失活，因此酶活力不能直接用酶制剂的质量和体积来表示。

4.答：

酶的催化本质是可以降低酶促化学反应所需的自由能。

酶与无机催化剂相比催化效率较高主要是由于酶促反应与非酶促反应两者的反应历程不同。

在酶促反应的过程中，酶先与底物结合形成酶-底中间物，然后酶-底中间物进一步转化形成产物，并释放出游离的酶。

在酶与底物的结合过程中，由于临近及定向效应、电子张力、共价催化、酸碱催化等效应的存在，使底物分子结构更不稳定更易于转变成产物。

5．什么是酶的抑制作用？

有哪几种类型？

研究酶的抑制作用有什么实际意义？

答：

某些化学物质与酶分子结合之后，引起酶活性的降低，这种现象称为酶的抑制作用。

抑制作用根据酶与抑制剂的结合作用是否可逆分为不可逆性抑制作用和可逆性抑制作用；可逆性抑制作用又根据底物与抑制剂两者与酶活性部位的结合是否存在竞争性分为竞争性抑制作用和非竞争性抑制作用。

研究抑制作用的实际意义主要体现在一是可以研究酶活性部位的空间结构，二是可以为新型农药或医药的研制提供理论依据。

6．答：

从结构上看，酶可以分为单体酶、寡聚酶和多酶复合物三种类型。

参与寡聚酶形成的亚基可以相同也可以不相同。

当底物与某个亚基结合时，产生构象变化，引起正或负协同效应，达到调节细胞内各种化学反应速度的目的，寡聚酶大部分是调节酶。

7．答：

“锁钥”学说是用以解释酶促反应专一性机制的一种理论。

根据这一学说底物与酶活性部位的结合就像钥匙插入锁中一样，底物结构与酶活性部位的结构具有“钢性”的互补关系。

后来人们发现在底物与酶分子结合之前，酶活性部位的结构与底物分子的结构两者未必是绝对互补的，酶活性部位的结构往往可以受底物分子结合的诱导作用而发生适应性变化，最终形成酶-底复合物。

Koshland据此提出了“诱导契合”学说，该学说认为：

底物与酶靠近时诱导酶构象变化，使之有利于酶与底物的结合，形成酶-底复合物。

8．答：

同工酶是指酶的多型性，即催化同种反应而结构不完全相同的酶。

如乳酸脱氢酶有五种同工酶，分布在不同的组织和器官中，在不同条件下，分别催化乳酸的脱氢作用。

同工酶在物质代谢中起调节作用，如在氨基酸的合成过程中，通常是几种氨基酸由同一起始物合成，合成反应的第一步都是共同的，由共同的酶催化，这种酶以及在分支途径中起作用的酶往往都是同工酶，它们受不同氨基酸的反馈调节。

在生物的不同发育阶段，常有不同的同工酶出现，这是基因表达的结果，是不同发育阶段的需要。

9．测定酶活力时：

（1）酶和底物为什么必须用缓冲液配制?

（2）酶和底物是先分别保温，然后混合，还是先混合后保温，为什么?

答：

（1）缓冲液对反应液的pH有缓冲作用，酶和底物分别用缓冲液配制，可以保证在此pH条件下，酶和底物都处在反应的最佳状态。

（2）先分别保温，再混合进行反应，如果先混合后保温不能保证酶与底物在最适温度条件下进行反应，在达到最适温度前的反应无法排除，导致测出的最大反应速度较小。

10．解：

（1）葡萄糖和果糖磷酸化的反应式（略）。

（2）己糖激酶在相同底物浓度下分别催化葡萄糖和果糖磷酸化的速度如下：

[S]（mmol/L）0.151.515

葡萄糖V0.5Vmax0.5VmaxVmax

果糖V0.091Vmax0.5Vmax0.91Vmax

11．答：

（1）纯水不能为酶催化反应提供最适的pH环境，酶分子及底物分子不能以合适的解离形式存在；

（2）纯水无缓冲作用，在酶促反应过程中，蛋白质容易变性；（3）纯水中缺乏必须的离子，酶对温度变化敏感，易变性失活。

12．答：

这是由于较稀的蛋白质溶液经激烈振荡会产生泡沫，增加表面张力，导致蛋白质空间结构破坏而变性失活。

13．答：

这种酶活性部位中含有-SH，容易与其它-SH生成二硫键，加入巯基乙醇可以保护酶活性部位的-SH，防止酶失活。

14．解：

（a）按规定：

每分钟产生1ug酪氨酸的酶量为1个活力单位。

1ml酶溶掖蛋白=0.2×6.25/2＝0.625mg

0.1ml的酶液具有的活力单位是：

1500/60＝25活力单位，1ml酶液应有250个活力单位。

（b）1g酶制剂的总蛋白量=0.625×103＝625mg

1g酶制剂的总活力=250×103＝2.5×105单位

（c）比活力=250/0.625=400活力单位/mg蛋白质

15．解：

由于规定每小时分解一克淀粉的酶量为一个酶活力单位，1ml酶液每分钟可以分解0.25克淀粉，即0.25酶活力单位，因此每克酶制剂的酶活力0.25×1000=250活力单位。

16．解：

（1）从反应结果可以看出，当[S]≧5.0×10-4Ｍol/L时，酶促反应的速度不再增加，故Ｖmax=0.25uＭoL/min。

（2）对于遵从米氏方程的酶促反应的Km，可以通过选择一组反应速度小于Vmax的V及其对应的[S]并将其代入米氏方程即可计算出Km，选择[S]=5.0×10-5Ｍol/LV=0.20uＭoL/min