試論高溫致酶失活時(shí)反應(yīng)底物是否還在進(jìn)行反應(yīng)的問(wèn)題

趙贛

摘要：高溫致酶失活時(shí)，反應(yīng)底物的活化分子還在生成，故還在進(jìn)行反應(yīng).只是由于生成的活化分子數(shù)少，反應(yīng)速率遠(yuǎn)不及有酶催化時(shí)的程度，所以不一定能夠測(cè)定出反應(yīng)速率.

關(guān)鍵詞：高溫;酶;失活;底物分子;反應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào)：Q55? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）02-0034-02

溫度影響酶活性之規(guī)律，是酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)重要內(nèi)容.前人的研究工作表明，在溫度從低到高的變化過(guò)程中，酶活性的變化呈現(xiàn)“吊鐘形曲線”，即隨著溫度由低溫向高溫變化，酶活性先是隨溫度的升高而增加，當(dāng)升至某一溫度時(shí)，酶活性達(dá)到最大，即達(dá)到最適溫度（optimum temperature）;而隨著溫度的進(jìn)一步升高，酶活性卻逐漸下降，直至酶不表現(xiàn)酶活性.這在一般的生物化學(xué)理論教材中都有介紹[1-9].至于如何解釋這種溫度影響酶活性的“吊鐘形曲線”規(guī)律，不同的教材[1-9]中一般都談到，一方面隨著溫度的升高，酶促反應(yīng)速率加快，而另一方面，由于酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，在高溫時(shí)會(huì)變性失活，故隨著溫度的升高，酶活性會(huì)下降.有的進(jìn)一步指出，由于這兩方面的對(duì)立統(tǒng)一，故在最適溫度[1-3]或0～40℃[3]之前，隨著溫度的升高而酶活性增加，即以前一種情況為主，而超過(guò)最適溫度之后，則隨著溫度的升高而酶活性下降，即以后一種情況為主.

那么，在高溫致酶失活時(shí)，反應(yīng)底物是否還在進(jìn)行反應(yīng)呢？

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，不妨做如下分析.生物化學(xué)理論講到[1-9]，酶只能催化熱力學(xué)上能夠進(jìn)行的反應(yīng).因此，在考察酶促反應(yīng)速率的規(guī)律時(shí)，首先必須注意到在該反應(yīng)條件下反應(yīng)物本身是否能進(jìn)行反應(yīng)，其次是酶的催化作用以及影響酶活性的因素可能帶來(lái)的影響.因此，當(dāng)在一個(gè)適于反應(yīng)物進(jìn)行反應(yīng)的條件下，一旦加入了酶這種生化反應(yīng)的催化劑后，酶便是決定該反應(yīng)體系中反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)速率的根本性的、主導(dǎo)性的因素了.生物化學(xué)理論[1-9]已經(jīng)指出，一旦加入了酶，則由其催化作用所致的該反應(yīng)體系中反應(yīng)物（即該酶的底物）的化學(xué)反應(yīng)速率比只有反應(yīng)物（即該酶的底物）分子時(shí)甚至是加入了非酶催化劑時(shí)所能進(jìn)行的反應(yīng)速率往往可以高達(dá)多個(gè)數(shù)量級(jí).顯然，這就是測(cè)酶活性時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的主要來(lái)源.因此，一旦酶活性受到某種因素的影響，則酶催化底物進(jìn)行的反應(yīng)速率就會(huì)受到影響.

具體來(lái)分析溫度影響酶活性的規(guī)律之前，不妨先看看以下這些例子.

許強(qiáng)等[10]利用圓二色性光譜技術(shù)對(duì)產(chǎn)自嗜熱放線菌Mlo33菌株的葡萄糖異構(gòu)酶受溫度的影響進(jìn)行了研究，證實(shí)在所取20℃、40℃、60℃、70℃、80℃這幾個(gè)溫度點(diǎn)，隨著溫度的升高，酶的α-螺旋度降低，酶分子構(gòu)象發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)趨于松散.在其最適溫度70℃時(shí)，酶的構(gòu)象中的α-螺旋度為11.6%.可見(jiàn)，酶分子構(gòu)象中的α-螺旋度適當(dāng)，才有利于酶催化反應(yīng).酶分子構(gòu)象中的α-螺旋度過(guò)大，則因其結(jié)構(gòu)緊密而不利于葡萄糖的結(jié)合;而酶分子構(gòu)象中的α-螺旋度過(guò)小，則會(huì)徹底破壞酶蛋白的氫鍵結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致酶結(jié)構(gòu)不可逆的破壞.總之，葡萄糖異構(gòu)酶分子的構(gòu)象受溫度的影響而發(fā)生了變化，其變化與酶活力的變化有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

王延枝課題組[11]利用圓二色性光譜，考察了在非最適溫度25℃與最適溫度37℃條件下純化的大豆液泡膜H+-ATPase的二級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，證實(shí)該酶的圓二色性光譜對(duì)溫度敏感.在25℃、37℃分別保溫10分鐘和20分鐘時(shí)，酶蛋白α-螺旋含量減少，而且與25℃相比較，37℃保溫時(shí)酶蛋白構(gòu)象的變化更為劇烈、迅速.該課題組[12]在用熒光猝滅技術(shù)分別考察了該酶的蛋白質(zhì)疏水區(qū)域和親水區(qū)域在25℃與37℃條件下的變化后發(fā)現(xiàn)，在溫度上升越多、在高溫條件下處理時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，酶蛋白的折疊程度越大，其疏水區(qū)和親水區(qū)的構(gòu)象更趨于緊密.

劉映秋等[13]在對(duì)蕹菜類(lèi)囊體膜蛋白磷酸酯酶熒光性質(zhì)的研究中證實(shí)，在10到30℃范圍內(nèi)，蛋白熒光峰位置和強(qiáng)度變化不大，而在40到90℃范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度升高再下降.有意思的是，其熒光強(qiáng)度升高的區(qū)域又恰在其最適溫度50℃附近.

這些例子都表明，在溫度由低溫升至最適溫度以及由最適溫度繼續(xù)升溫的過(guò)程中，酶本身的構(gòu)象都程度不一地有所變化，并與酶的催化作用的變化相對(duì)應(yīng).

在研究溫度影響酶活性的規(guī)律的反應(yīng)體系中，除溫度發(fā)生變化外，其他條件都要保持不變.現(xiàn)有生物化學(xué)理論告訴我們，當(dāng)在溫度由低溫向高溫的變化過(guò)程中，反應(yīng)物分子中的活化分子毫無(wú)疑問(wèn)是逐步增加的，其反應(yīng)速率也是增加的[1-9]，即使沒(méi)有酶這個(gè)催化劑的存在也是如此.因此，從以上分析可以看到，而一旦加入了酶后，酶對(duì)底物分子間的反應(yīng)速率的主導(dǎo)性影響便顯現(xiàn)出來(lái).由于酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，故溫度的變化會(huì)對(duì)其構(gòu)象產(chǎn)生影響，從而影響到酶活性.在溫度由低溫升至最適溫度的過(guò)程中，酶的構(gòu)象逐漸變化，從而更加適宜于催化反應(yīng)的進(jìn)行，酶的催化能力也就越大.這時(shí)，反應(yīng)體系中的底物分子中的活化分子數(shù)就不僅僅因?yàn)闇囟鹊纳叨黾?，同時(shí)也更因?yàn)槊傅拇呋饔玫脑鰪?qiáng)而大大增加，故而所測(cè)得的酶活性就越大.而在溫度由最適溫度繼續(xù)升高的過(guò)程中，酶的構(gòu)象雖也逐漸變化，但卻更加不適宜于催化反應(yīng)的進(jìn)行，酶的催化能力也就逐漸變小以至于完全因酶變性而失去.這時(shí)，盡管反應(yīng)體系中的底物分子中的活化分子數(shù)仍然會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳叨黾樱欢疽蛎傅拇呋饔盟碌牡孜锓肿又械幕罨肿訑?shù)大大增加的情況卻因此而逐漸減弱以至于消失.故而此時(shí)所測(cè)得的酶活性就會(huì)逐漸降低以至于因?yàn)榈孜锓肿又械幕罨肿訑?shù)少而不足以顯示出能夠測(cè)定到的反應(yīng)速率值.實(shí)際上，當(dāng)酶變性失活時(shí)，所測(cè)反應(yīng)體系中的反應(yīng)速率也就無(wú)所謂酶活性或酶促反應(yīng)的速率了.

從以上分析可知，當(dāng)高溫致酶構(gòu)象變化失活而不能進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，底物分子中的活化分子仍然生成，但此時(shí)其生成的程度遠(yuǎn)不能達(dá)到酶的催化作用存在時(shí)的程度，以至于底物的反應(yīng)雖然還在進(jìn)行，但不一定能測(cè)得出來(lái).

由此進(jìn)一步分析可知，由于在酶促反應(yīng)體系中，酶是影響決定酶促反應(yīng)速率的根本性因素，而溫度升高導(dǎo)致底物分子不斷活化從而加快反應(yīng)的進(jìn)行這一因素卻屬于次要因素，所以才導(dǎo)致溫度對(duì)酶活性的影響呈現(xiàn)“吊鐘形曲線”這個(gè)現(xiàn)象.也正因?yàn)檫@樣，如果現(xiàn)在教材里面比較詳細(xì)地做上述分析的話，初學(xué)者就會(huì)比較容易理解目前教材里面對(duì)溫度影響酶活性的機(jī)制的解釋?zhuān)幢疚拈_(kāi)頭一段介紹的目前教材里面的內(nèi)容.

目前，酶在涉及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用過(guò)程中，仍然有相當(dāng)重要的作用[14-17].本文的探討將有助于分析理解影響酶活性的因素的作用，以提高酶的利用效率.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕李憲臻.生物化學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.124-175.

〔2〕許激揚(yáng).生物化學(xué)（第2版）[M].南京：東南大學(xué)出版社，2010.69-94.

〔3〕劉祥云，蔡馬.生物化學(xué)（第三版）[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2010.44-76.

〔4〕朱圣庚，徐長(zhǎng)法.生物化學(xué)（上冊(cè)，第4版）[M].北京：高等教育出版社，2017.212-277.

〔5〕張楚富.生物化學(xué)原理[M].北京：高等教育出版社，2003.100-156.

〔6〕張洪淵.生物化學(xué)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2006.169-189.

〔7〕楊志敏，蔣立科.生物化學(xué)（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2010.140-189.

〔8〕趙寶昌.生物化學(xué)（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2009.69-98.

〔9〕趙武玲.基礎(chǔ)生物化學(xué)（第2版）[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2013.110-155.

〔10〕許強(qiáng)，黃友梅.溫度對(duì)葡萄糖異構(gòu)酶影響的光譜研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，1997（23）：12-16.

〔11〕王志強(qiáng)，董彩華，王延枝.溫度和底物對(duì)大豆液泡膜H+-ATPase二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響[J].生物物理學(xué)報(bào).2000，16（3）：489-493.

〔12〕董彩華，王志強(qiáng)，王延枝.大豆液泡膜H+-ATPase功能與構(gòu)象關(guān)系的初步研究[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2000，27（6）：624-628.

〔13〕劉映秋，杜林方，張年輝.金屬離子等因素對(duì)蕹菜類(lèi)囊體膜蛋白磷酸酯酶熒光性質(zhì)的影響[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2003，35（3）：74-78.

〔14〕梁東麗，谷潔，秦清軍，李生秀，高華.農(nóng)業(yè)廢棄物靜態(tài)高溫堆肥過(guò)程中纖維素酶活性的變化[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（2）：323-329.

〔15〕溫玉龍，張文娟，邵長(zhǎng)芬，朱冠宇，郭金麗.高溫和干旱脅迫對(duì)2種景天植物膜脂過(guò)氧化及保護(hù)酶活性的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2014，35（3）：37-40.

〔16〕張勃，趙春海，霍寧波.低溫淀粉酶菌種分離純化與發(fā)酵生產(chǎn)研究[J].食品研究與開(kāi)發(fā)，2018，39（10）：158-163.

〔17〕方程，張佩華.飼用酶制應(yīng)用研究進(jìn)展[J].湖南飼料，2018（2）：30-32，38.