酶活性變化的微妙機(jī)理

劉曉野

摘 要：酶起催化作用的前提是酶分子要先與所催化的反應(yīng)物分子結(jié)合，如果溫度低于最適溫度時(shí)，反應(yīng)物分子與酶分子的活性部位接觸沒(méi)有最適溫度時(shí)多；且超過(guò)最適溫度后，隨溫度的升高，活性酶的濃度大為降低，因而總的結(jié)果是隨著溫度的升高而反應(yīng)速度卻下降。pH改變能影響酶分子活性部位上有關(guān)基團(tuán)的解離。在最適pH時(shí)，酶分子上活性基團(tuán)的解離狀態(tài)最適于與底物結(jié)合。

關(guān)鍵詞：酶活性；反應(yīng)速率；活化分子；酶的變性

酶是什么呢？酶指具有生物催化功能的高分子物質(zhì)。在酶的催化反應(yīng)體系中，反應(yīng)物分子被稱為底物，底物通過(guò)酶的催化轉(zhuǎn)化為另一種分子。幾乎所有的細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)程都需要酶的參與，以提高效率。與其他非生物催化劑相似，酶通過(guò)降低化學(xué)反應(yīng)的活化能來(lái)加快反應(yīng)速率，大多數(shù)的酶可以將其催化的反應(yīng)之速率提高上百萬(wàn)倍。事實(shí)上，酶是提供另一條活化能需求較低的途徑，使更多反應(yīng)粒子能擁有不少于活化能的動(dòng)能，從而加快反應(yīng)速率。酶作為催化劑，本身在反應(yīng)過(guò)程中不被消耗，也不影響反應(yīng)的化學(xué)平衡。酶有正催化作用也有負(fù)催化作用，不只是加快反應(yīng)速率，也有減低反應(yīng)速率。與其他非生物催化劑不同的是，酶具有高度的專一性，只催化特定的反應(yīng)或產(chǎn)生特定的構(gòu)型。

酶大多是蛋白質(zhì)，少數(shù)是RNA，但不管是前者還是后者，都是高分子，高分子物質(zhì)的共性是一致的，既其化學(xué)結(jié)構(gòu)易受許多因素的影響：比如易受溫度、化學(xué)環(huán)境（如pH值）、底物濃度、激活劑、抑制劑電磁波等許多因素影響。

人教版高中生物教材必修1《分子與細(xì)胞》中關(guān)于溫度和pH對(duì)酶活性的影響，用兩幅曲線圖進(jìn)行了描述。

對(duì)于這兩條曲線的理解，教材解釋為：在最適宜的溫度和pH條件下，酶的活性最高。溫度和pH偏高或偏低，酶活性都會(huì)明顯降低。過(guò)酸、過(guò)堿或溫度過(guò)高，會(huì)使酶的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，使酶永久失活。這種解釋對(duì)于不愛(ài)思考的學(xué)生老師來(lái)說(shuō)似乎說(shuō)的很到位，很在理，但其實(shí)細(xì)想深想問(wèn)題還少，需要引起我們老師和學(xué)生注意的有以下幾個(gè)：

第一個(gè)問(wèn)題：pH偏高或偏低，酶活性明顯降低的原因是什么？

1.酶是大分子，過(guò)酸、過(guò)堿都會(huì)使酶的空間結(jié)構(gòu)遭受不可逆破壞，使酶本身變性失活，催化功能大受影響。

2.pH改變能影響酶分子活性部位上有關(guān)基團(tuán)的解離。在最適pH時(shí)，酶分子上活性基團(tuán)的解離狀態(tài)最適于與底物結(jié)合，pH高于或低于最適pH時(shí)，活性基團(tuán)的解離狀態(tài)發(fā)生改變，酶和底物的結(jié)合力降低，因而酶反應(yīng)速率降低。

3.pH也會(huì)影響底物的解離?？梢栽O(shè)想底物分子上某些基團(tuán)只有在一定的解離狀態(tài)，才適于與酶結(jié)合發(fā)生反應(yīng)。若pH的改變影響了這些基團(tuán)的解離，使之不適于與酶結(jié)合，當(dāng)然反應(yīng)速度亦會(huì)減慢。

第二個(gè)問(wèn)題：在一定溫度范圍內(nèi)，酶活性隨溫度升高而升高的原因是什么？

我們都知道，只要升高溫度，反應(yīng)物分子就會(huì)獲得能量，使一部分原來(lái)能量較低的分子就變成活化分子，增加了活化分子的百分?jǐn)?shù)，也使得有效碰撞次數(shù)增多，故反應(yīng)速率加大（主要原因）。再者，酶起催化作用的前提是酶分子要先與所催化的反應(yīng)物分子結(jié)合，如果溫度低于最適溫度時(shí)，反應(yīng)物分子與酶分子的活性部位接觸沒(méi)有最適溫度時(shí)多，所以說(shuō)，最適宜溫度之前，溫度越高，活化分子越多，活化分子的運(yùn)動(dòng)速率越快，酶與活化分子碰撞的次數(shù)越多，結(jié)合的概率越大，化學(xué)反應(yīng)的速度就越快。

第三個(gè)問(wèn)題：超過(guò)最適溫度，酶活性隨溫度升高而降低的原因是什么？

高分子的酶，遇高溫易變性失去活性。超過(guò)最適溫度后，隨溫度的升高，一方面使酶促反應(yīng)速度加快，但更主要的是它又使活性酶的濃度大為降低，因而總的結(jié)果是隨著溫度的升高而反應(yīng)速度卻下降。

第四個(gè)問(wèn)題：什么是酶的變性？

化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì)的酶受到物理或化學(xué)因素影響，其分子內(nèi)部原有的高度規(guī)律性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，次級(jí)鍵（如氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華引力等）被破壞，蛋白質(zhì)分子從原來(lái)有秩序的卷曲緊密結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o(wú)秩序的松散伸展?fàn)罱Y(jié)構(gòu)，即二、三級(jí)以上的高級(jí)結(jié)構(gòu)被破壞，但由共價(jià)鍵（如肽鍵和二硫鍵）形成的一級(jí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞。變性蛋白質(zhì)的生物功能喪失。不過(guò)，蛋白質(zhì)的變性作用，如不過(guò)于劇烈，蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化不大，是一種可逆反應(yīng)，如胃蛋白酶加熱至80～90℃時(shí)，無(wú)消化蛋白質(zhì)的能力，將溫度再降到37℃，則它又可恢復(fù)消化蛋白質(zhì)的能力。但隨變性時(shí)間的增加，條件加劇、變性程度也加深，這樣就達(dá)不到可逆的變性。化學(xué)本質(zhì)為核酸的酶受到溫度、pH、離子強(qiáng)度、變性劑等因素影響，次級(jí)鍵——?dú)滏I斷裂，空間結(jié)構(gòu)也破壞，生物學(xué)功能部分或全部喪失。

有了以上幾個(gè)問(wèn)題的答案，我們就不難理解那兩條曲線的變化原因，所以上課時(shí)就可以游刃有余，根據(jù)課堂需要，對(duì)學(xué)生進(jìn)行及時(shí)點(diǎn)播，加深理解。endprint