變性一定會導致酶永久失活嗎

李福琴

摘 要 重點闡述酶分子折疊過程、酶穩定的分子原因、酶分子的變性與復性，進而說明了溫度對酶活性的影響。

關鍵詞 溫度 酶活性 變性與復性

中圖分類號 Q-49 文獻標識碼 E

1 酶變性與酶永久失活的關系

穩定的空間結構是酶催化活性穩定的基礎，酶只有處于特定三維結構時，才具有生物活性，如果三維空間結構稍有破壞，將導致生物活性降低，甚至完全喪失。

1.1 酶分子折疊過程

大多數酶是蛋白質，其合成場所在核糖體，在核糖體合成的多肽鏈（一級結構）還要經過一系列的加工，如跨膜轉運、修飾加工、折疊復性，最后按正確方式折疊成具有功能的三維空間結構（天然態或折疊態），才算一個蛋白質合成的真正終結。具體來說，蛋白質的一級結構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構，稱為蛋白質的空間結構或構象，蛋白質的空間結構包括二級結構、超二級結構、結構域、三級結構和四級結構。

一級結構上的氨基酸間可交互作用，在肽鏈上的某些區域C=O與亞胺基形成氫鍵，這樣形成的簡單又有規則的結構稱為二級結構，主要有α-螺旋、β-折疊、轉角等幾種形式。

超二級結構和結構域是介于蛋白質二級結構和三級結構之間的空間結構。超二級結構是指兩個或幾個二級結構單元組合成有特殊的幾何排列的區域的空間結構，其基本形式有αα、βαβ、βββ等。在較大的球蛋白質分子中，多肽鏈往往形成幾個緊密的球狀構象，彼此分開，以松散的肽鏈相連，此球狀構象稱為結構域，蛋白質分子的活性部位往往位于結構域之間的間隙處。

三級結構是指整條多肽鏈的三維結構，包括骨架和側鏈在內的所有原子的空間排列。蛋白質分子的三級結構是由各種作用力來穩定的。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定三維結構的基本作用力。如果蛋白質分子僅有一條多肽鏈組成，三級結構就是它的最高結構層次。蛋白質的重要生物功能都與三級結構直接相關，并對三級結構有嚴格要求，所以，三級結構是蛋白質最重要的結構層次。

四級結構是指在亞基和亞基之間通過疏水作用等次級鍵結合成為有序排列的特定的空間結構。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，蛋白質折疊是一個連續過程，它由非折疊或變性態（用U表示）折疊成天然態（用N表示），中間要經過許多中間狀態（U1、U2……），最終形成單一特征構象的活性分子——折疊態。

1.2 酶穩定的分子原因

從酶三維結構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

對酶分子穩定性貢獻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，并且以影響酶分子一級結構為主。肽鍵是由組成蛋白質的氨基酸殘基形成的一種共價鍵，作用力較強，也表現出較高穩定性，是穩定蛋白質和酶主鏈的核心力量。通常情況下它不易斷裂，只有在強酸、強堿和蛋白酶存在時才遭破壞。二硫鍵也是一種共價鍵，強度較大，是由分子中空間結構上靠近的兩個Cys氧化形成，它可以在多肽鏈內形成，也可以位于鏈間，使三維結構更為穩定，如果二硫鍵被破壞或被還原，可使酶分子空間結構破壞、降解。

1.2.2 非共價鍵

酶分子的空間結構通常比一級結構更為脆弱，因此作用微弱的非共價鍵對酶穩定性的影響更引人關注。其中疏水作用、氫鍵、范德華引力是形成和穩定三維結構的基本作用力，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之間就形成一種喜好和憎惡關系，是酶分子折疊成空間結構的決定性力量。氫鍵是穩定蛋白質分子結構，特別是二級結構的重要力量，對于只有二、三級結構的小分子酶蛋白來說，氫鍵的地位與疏水作用相當，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 酶分子的變性與復性

正常環境中，在各種作用力綜合平衡下，折疊蛋白質能夠維持自然狀態或允許微小變化，處于相對穩定狀態。環境條件稍加改變，如接觸變性劑或處于不利環境時，維持三維結構穩定的非共價鍵發生變化，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（復性與變性）是雙向可逆的現象。從動力學上講，天然態酶分子（N）是經過一系列相對穩定的中間態U1、U2……，才最終過渡到變性態，中間狀態時仍具有部分活性，而且是可逆過程，變性態則有時可逆，有時不可逆。也就是說當酶分子處于中間態，去除不利條件后，酶分子能重新折疊成活性結構，這是可逆過程。而當酶分子處于變性態，有時，去除不利條件后，酶分子能重新折疊成活性結構，這是可逆過程，如果可逆伸展繼續發展，消除不利影響后酶也無法恢復活性結構，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，但其結構是穩定的，適當提高溫度，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定，導致不可逆變性失活。如中溫酶活性穩定的最適溫度為30～45℃，超過60℃時會變性失活，也就是在較低溫度范圍內，酶活性隨溫度的升高而增大，直到最適溫度時，酶活性最大，最適溫度后若繼續升溫。天然態酶分子（N）會經過一系列相對穩定的中間態U1、U2……，最終過渡到變性狀態，中間狀態時仍具有部分活性，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定的中間態，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℃，導致酶不可逆變性失活。

2 總述

從動力學上講，天然態酶分子（N）是經過一系列相對穩定的中間態U1、U2……，才最終過渡到變性狀態（U），中間狀態時仍具有部分活性，而且是可逆過程，變性態則有時可逆，有時不可逆。無論是哪種不利影響，如果使酶處于中間態還沒有達到變性態，則可以通過去除不利因素，使酶分子重新折疊成活性結構，恢復活性，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，仍然可以恢復活性。若酶已經達到變性狀態，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象的破壞，本質上是一次次級鍵和二硫鍵的破壞，其一級結構仍保持完整。所以，變性不一定會導致酶永久失活。