淺析酶的最適溫度并不是“最適”的原理

楊洪斌 張初燕

(重慶市第七中學(xué)校 重慶 400030)

在探討溫度對(duì)酶的影響時(shí)，根據(jù)高中生物學(xué)教材中的“鐘型曲線”，在最適溫度前，酶的活性隨溫度的升高而升高；在酶的最適溫度之后，隨溫度的升高而降低。因此，在生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)時(shí)要選擇酶的“最適溫度”作為反應(yīng)的“最佳溫度”。這種觀點(diǎn)幾乎根深蒂固地存在于所有的教學(xué)和各種教輔資料中。筆者認(rèn)為所謂的酶的“最適溫度”并不是“最適”。

1 溫度對(duì)酶穩(wěn)定性的影響原理

在影響酶催化的所有因素中，溫度對(duì)酶的影響無(wú)疑是最具挑戰(zhàn)性的。溫度幾乎影響生化反應(yīng)的每個(gè)方面，包括酶和底物的pH依賴性電離、金屬結(jié)合相互作用、酶構(gòu)象變化、蛋白質(zhì)的寡聚化、氫鍵、疏水相互作用、過(guò)渡態(tài)等。這些復(fù)雜的行為都基于各種鍵合相互作用及其與溫度相關(guān)的焓和熵變化有關(guān)。溫度對(duì)酶的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 一是在一定溫度范圍內(nèi)保持酶自身的熱穩(wěn)定性或維持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；二是溫度會(huì)通過(guò)影響酶的活性位點(diǎn)的親和力來(lái)影響酶的活性。從圖1可以看出，在1～40℃內(nèi)，溫度每升高10℃，反應(yīng)速率就會(huì)翻一倍；但在高溫下，產(chǎn)物的形成速率迅速下降，且在達(dá)到平衡前酶的活性就消失了。

圖1 不同溫度下酶的產(chǎn)物的形成過(guò)程

2 酶的穩(wěn)定性與催化原理

酶的“微觀穩(wěn)定性”是與局部結(jié)構(gòu)可逆變化相關(guān)的能量有關(guān)。微觀穩(wěn)定性是造成酶活性位點(diǎn)的柔韌性或剛性的原因，這是影響催化的底物或配體結(jié)合的位置[1]。酶的總體穩(wěn)定性是宏觀穩(wěn)定性與微觀穩(wěn)定性之間的自由能差異[2]。由于較弱的分子相互作用，酶的活性位點(diǎn)比整個(gè)酶更靈活，并且酶的活性位點(diǎn)會(huì)比整個(gè)蛋白質(zhì)更快地失去其功能(加入化學(xué)變性劑或加熱后)變性。“誘導(dǎo)契合”模型是假定酶活化是由于酶的活性位點(diǎn)與底物之間相互作用，進(jìn)而引起酶活性位點(diǎn)的構(gòu)象改變形成的?！安▌?dòng)契合”模型表明酶的天然構(gòu)象在溶液中存在的多種狀態(tài)。這些酶的不同構(gòu)象適用于不同溫度下酶能維持一定的功能。

3 平衡模型解釋溫度對(duì)酶活性的影響

很多科學(xué)家都發(fā)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)酶具有表觀最佳溫度。Thomas和Scopes的研究表明，某些酶在高溫下的活性低于變性時(shí)所能解釋的活性。于是科學(xué)家提出了一個(gè)平衡模型：

其中酶活性形式(Eact)與非活性形式(Einact)處于平衡狀態(tài)，Einact是不活躍的形式。不可逆的熱失活到變性狀態(tài)(X)。平衡由平衡常數(shù)(Keq)描述。基于此，我們可以進(jìn)行如下轉(zhuǎn)換：

圖2 速率-時(shí)間-溫度平衡模型

4 酶的最適溫度并不是“最適”的原理

4.1 酶活性的時(shí)間依賴性和溫度依賴性 平衡模型提出來(lái)后，就有很多的研究者對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Peterson等人用芳基?；０访缸隽艘粋€(gè)酶的速率—時(shí)間—溫度曲線(圖3A)?？梢钥闯?，酶的最佳活性是一個(gè)不斷變化的量，它會(huì)隨著時(shí)間和溫度的變化而變化。在溫度為324 K時(shí)，由于Eact/Einact平衡而導(dǎo)致酶的活性非?？焖贀p失達(dá)到了60%。在相同溫度下，變性導(dǎo)致酶的活性損失只在幾分鐘內(nèi)就完成了[3]。從圖3B可以看出，在相同溫度下，酶的反應(yīng)速率會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間的變化而變化，也可以看出反應(yīng)時(shí)間越短，其活性越高，催化的速率就越快；同樣，在相同的時(shí)間內(nèi)，不同溫度下，酶的活性也不一樣[4]。無(wú)論是“帳篷”曲線還是用具體酶來(lái)做實(shí)驗(yàn)，都能體現(xiàn)出酶的活性并沒(méi)有一個(gè)固定的最佳活性，它會(huì)隨時(shí)間和溫度的變化而變化，表現(xiàn)出對(duì)時(shí)間和溫度的依賴性。

圖3 酶的活性對(duì)時(shí)間和溫度的依賴

4.2 酶的最適溫度與不可逆變性 由于酶的活性具有時(shí)間和溫度的依賴性，因此酶并沒(méi)有嚴(yán)格意義上的最適溫度。圖4A是一個(gè)常見(jiàn)的溫度對(duì)酶的催化速率影響的圖形[5]。在平時(shí)的教學(xué)中，教師多會(huì)解釋說(shuō)在最適溫度之前，隨著溫度升高，酶的催化活性升高，因此酶反應(yīng)速率會(huì)加快；超過(guò)最適溫度，酶的活性降低，酶反應(yīng)速率下降；過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致酶不可逆變性。通過(guò)圖4A，可知酶在“最適溫度”之前酶的變性是一種可逆的變性；但是一旦超過(guò)了最適溫度，酶就開(kāi)始變性，而且這種變性是一種不可逆的變性，所以“最適溫度”實(shí)際上是酶開(kāi)始發(fā)生不可逆變性的溫度。因此，在實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用中，并不會(huì)選擇這樣一個(gè)“最適溫度”作為酶的反應(yīng)溫度。同時(shí)可以從圖4B看出，溫度誘導(dǎo)的催化活化和溫度誘導(dǎo)的失活取決于這兩個(gè)過(guò)程相應(yīng)的過(guò)渡態(tài)的能量。將溫度升高到可逆范圍內(nèi)會(huì)導(dǎo)致酶有更高的活性，降低溫度會(huì)使酶的活性恢復(fù)到其原始活性。當(dāng)發(fā)生不可逆變性時(shí)，冷卻至較低溫度則不會(huì)恢復(fù)催化活性。

圖4 酶在不同溫度下的失活過(guò)程

5 展望

溫度對(duì)酶的影響是非常復(fù)雜的，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，酶會(huì)發(fā)生不可逆變異。變性是個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，既要考慮到蛋白質(zhì)的大小和三維結(jié)構(gòu)，又要考慮溫度還會(huì)影響酶在構(gòu)象變化之前或之后的化學(xué)反應(yīng)。目前，科學(xué)家還在研究生活在不同溫度環(huán)境下生物體內(nèi)酶的活性的變化，主要可以把酶分為冷適應(yīng)的酶和嗜熱酶。研究表明，冷適應(yīng)酶具有更靈活的活性位點(diǎn)，而嗜熱酶的活性位點(diǎn)則更加剛硬。總之，酶的靈活性和生物生活的環(huán)境密切相關(guān)，這顯然是在進(jìn)化過(guò)程中生物對(duì)棲息環(huán)境的一種適應(yīng)。當(dāng)前已有的研究表明，酶的活性具有時(shí)間和溫度的依賴性，因此，酶并沒(méi)有“最適溫度”，酶的活性是一個(gè)隨溫度和時(shí)間變化而變化的量；同時(shí)，我們平時(shí)所謂的“最適溫度”其實(shí)是酶發(fā)生不可逆變性的溫度。