變性一定會導(dǎo)致酶永久失活嗎

李福琴

摘 要 重點闡述酶分子折疊過程、酶穩(wěn)定的分子原因、酶分子的變性與復(fù)性，進(jìn)而說明了溫度對酶活性的影響。

關(guān)鍵詞 溫度 酶活性 變性與復(fù)性

中圖分類號 Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 E

1 酶變性與酶永久失活的關(guān)系

穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)是酶催化活性穩(wěn)定的基礎(chǔ)，酶只有處于特定三維結(jié)構(gòu)時，才具有生物活性，如果三維空間結(jié)構(gòu)稍有破壞，將導(dǎo)致生物活性降低，甚至完全喪失。

1.1 酶分子折疊過程

大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，其合成場所在核糖體，在核糖體合成的多肽鏈（一級結(jié)構(gòu)）還要經(jīng)過一系列的加工，如跨膜轉(zhuǎn)運、修飾加工、折疊復(fù)性，最后按正確方式折疊成具有功能的三維空間結(jié)構(gòu)（天然態(tài)或折疊態(tài)），才算一個蛋白質(zhì)合成的真正終結(jié)。具體來說，蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈的氨基酸殘基的排列順序，線性的多肽鏈在空間折疊成特定的三維空間結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)象，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)包括二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。

一級結(jié)構(gòu)上的氨基酸間可交互作用，在肽鏈上的某些區(qū)域C=O與亞胺基形成氫鍵，這樣形成的簡單又有規(guī)則的結(jié)構(gòu)稱為二級結(jié)構(gòu)，主要有α-螺旋、β-折疊、轉(zhuǎn)角等幾種形式。

超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域是介于蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)之間的空間結(jié)構(gòu)。超二級結(jié)構(gòu)是指兩個或幾個二級結(jié)構(gòu)單元組合成有特殊的幾何排列的區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)，其基本形式有αα、βαβ、βββ等。在較大的球蛋白質(zhì)分子中，多肽鏈往往形成幾個緊密的球狀構(gòu)象，彼此分開，以松散的肽鏈相連，此球狀構(gòu)象稱為結(jié)構(gòu)域，蛋白質(zhì)分子的活性部位往往位于結(jié)構(gòu)域之間的間隙處。

三級結(jié)構(gòu)是指整條多肽鏈的三維結(jié)構(gòu)，包括骨架和側(cè)鏈在內(nèi)的所有原子的空間排列。蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)是由各種作用力來穩(wěn)定的。這些作用力包括疏水作用、氫鍵、范德華引力、離子鍵、二硫鍵以及配位鍵等，其中疏水作用、氫鍵、范德華引力是形成和穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的基本作用力。如果蛋白質(zhì)分子僅有一條多肽鏈組成，三級結(jié)構(gòu)就是它的最高結(jié)構(gòu)層次。蛋白質(zhì)的重要生物功能都與三級結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，并對三級結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格要求，所以，三級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)最重要的結(jié)構(gòu)層次。

四級結(jié)構(gòu)是指在亞基和亞基之間通過疏水作用等次級鍵結(jié)合成為有序排列的特定的空間結(jié)構(gòu)。亞基通常有一條多肽鏈組成，有時含兩條以上的多肽鏈。

由此可見，蛋白質(zhì)折疊是一個連續(xù)過程，它由非折疊或變性態(tài)（用U表示）折疊成天然態(tài)（用N表示），中間要經(jīng)過許多中間狀態(tài)（U1、U2……），最終形成單一特征構(gòu)象的活性分子——折疊態(tài)。

1.2 酶穩(wěn)定的分子原因

從酶三維結(jié)構(gòu)的形成過程可以看出，在分子水平上，一系列的共價鍵和非共價鍵都對酶穩(wěn)定性有影響，特別是各種非共價鍵間的微妙平衡尤為重要。

1.2.1 共價鍵

對酶分子穩(wěn)定性貢獻(xiàn)較大的共價鍵主要有肽鍵和二硫鍵，它們的作用力比非共價鍵強(qiáng)，并且以影響酶分子一級結(jié)構(gòu)為主。肽鍵是由組成蛋白質(zhì)的氨基酸殘基形成的一種共價鍵，作用力較強(qiáng)，也表現(xiàn)出較高穩(wěn)定性，是穩(wěn)定蛋白質(zhì)和酶主鏈的核心力量。通常情況下它不易斷裂，只有在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和蛋白酶存在時才遭破壞。二硫鍵也是一種共價鍵，強(qiáng)度較大，是由分子中空間結(jié)構(gòu)上靠近的兩個Cys氧化形成，它可以在多肽鏈內(nèi)形成，也可以位于鏈間，使三維結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，如果二硫鍵被破壞或被還原，可使酶分子空間結(jié)構(gòu)破壞、降解。

1.2.2 非共價鍵

酶分子的空間結(jié)構(gòu)通常比一級結(jié)構(gòu)更為脆弱，因此作用微弱的非共價鍵對酶穩(wěn)定性的影響更引人關(guān)注。其中疏水作用、氫鍵、范德華引力是形成和穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的基本作用力，疏水作用又稱為疏水鍵，通常情況下，極性分子與非極性分子同時存在時，它們趨于分相存在，這是由分子之間相互作用和熱運動規(guī)律決定的。酶分子中常含有一定比例的非極性氨基酸殘基，疏水作用要求這些非極性基團(tuán)盡可能小得和水接觸。這樣，組成酶分子的大量原子或原子團(tuán)之間就形成一種喜好和憎惡關(guān)系，是酶分子折疊成空間結(jié)構(gòu)的決定性力量。氫鍵是穩(wěn)定蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，特別是二級結(jié)構(gòu)的重要力量，對于只有二、三級結(jié)構(gòu)的小分子酶蛋白來說，氫鍵的地位與疏水作用相當(dāng)，甚至更為重要。范德華力又稱分子間力，實際上分子間同時存在吸引力和排斥力，范德華力通常只考慮引力，它屬于一種弱作用力。單個作用力極小，并沒有意義，但在蛋白質(zhì)分子中，大量原子之間相互作用加和后就不可忽視了。

1.3 酶分子的變性與復(fù)性

正常環(huán)境中，在各種作用力綜合平衡下，折疊蛋白質(zhì)能夠維持自然狀態(tài)或允許微小變化，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。環(huán)境條件稍加改變，如接觸變性劑或處于不利環(huán)境時，維持三維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的非共價鍵發(fā)生變化，破壞作用力間的平衡，酶分子伸展，變性去折疊化。酶分子的折疊與退折疊（復(fù)性與變性）是雙向可逆的現(xiàn)象。從動力學(xué)上講，天然態(tài)酶分子（N）是經(jīng)過一系列相對穩(wěn)定的中間態(tài)U1、U2……，才最終過渡到變性態(tài)，中間狀態(tài)時仍具有部分活性，而且是可逆過程，變性態(tài)則有時可逆，有時不可逆。也就是說當(dāng)酶分子處于中間態(tài)，去除不利條件后，酶分子能重新折疊成活性結(jié)構(gòu)，這是可逆過程。而當(dāng)酶分子處于變性態(tài)，有時，去除不利條件后，酶分子能重新折疊成活性結(jié)構(gòu)，這是可逆過程，如果可逆伸展繼續(xù)發(fā)展，消除不利影響后酶也無法恢復(fù)活性結(jié)構(gòu)，成為不可逆變性。

溫度是引起酶變性的物理因素，酶對溫度變化極為敏感，通常在低溫時，雖然酶分子催化功能低下甚至完全喪失，但其結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，適當(dāng)提高溫度，酶活性可以升高，所以低溫有利于酶保存。在高溫條件時較不穩(wěn)定，導(dǎo)致不可逆變性失活。如中溫酶活性穩(wěn)定的最適溫度為30～45℃，超過60℃時會變性失活，也就是在較低溫度范圍內(nèi)，酶活性隨溫度的升高而增大，直到最適溫度時，酶活性最大，最適溫度后若繼續(xù)升溫。天然態(tài)酶分子（N）會經(jīng)過一系列相對穩(wěn)定的中間態(tài)U1、U2……，最終過渡到變性狀態(tài)，中間狀態(tài)時仍具有部分活性，而且是可逆過程。就中溫酶而言，從最適溫度到60℃之間，酶分子處于一系列相對穩(wěn)定的中間態(tài)，仍具有部分活性，而且是可逆的，所以降低溫度時，酶活性上升。超過60℃，導(dǎo)致酶不可逆變性失活。

2 總述

從動力學(xué)上講，天然態(tài)酶分子（N）是經(jīng)過一系列相對穩(wěn)定的中間態(tài)U1、U2……，才最終過渡到變性狀態(tài)（U），中間狀態(tài)時仍具有部分活性，而且是可逆過程，變性態(tài)則有時可逆，有時不可逆。無論是哪種不利影響，如果使酶處于中間態(tài)還沒有達(dá)到變性態(tài)，則可以通過去除不利因素，使酶分子重新折疊成活性結(jié)構(gòu)，恢復(fù)活性，這是可逆過程。如中溫酶，雖超過最適溫度，但只要沒有超過變性溫度，仍然可以恢復(fù)活性。若酶已經(jīng)達(dá)到變性狀態(tài)，則有時不可逆，如溫度引起酶的不可逆變性，使酶永久失活；而有時是可逆，如尿素引起酶的變性只是空間構(gòu)象的破壞，本質(zhì)上是一次次級鍵和二硫鍵的破壞，其一級結(jié)構(gòu)仍保持完整。所以，變性不一定會導(dǎo)致酶永久失活。