淺析酶的最適溫度并不是“最適”的原理

楊洪斌 張初燕

(重慶市第七中學校 重慶 400030)

在探討溫度對酶的影響時，根據高中生物學教材中的“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，在生產或實驗時要選擇酶的“最適溫度”作為反應的“最佳溫度”。這種觀點幾乎根深蒂固地存在于所有的教學和各種教輔資料中。筆者認為所謂的酶的“最適溫度”并不是“最適”。

1 溫度對酶穩定性的影響原理

在影響酶催化的所有因素中，溫度對酶的影響無疑是最具挑戰性的。溫度幾乎影響生化反應的每個方面，包括酶和底物的pH依賴性電離、金屬結合相互作用、酶構象變化、蛋白質的寡聚化、氫鍵、疏水相互作用、過渡態等。這些復雜的行為都基于各種鍵合相互作用及其與溫度相關的焓和熵變化有關。溫度對酶的影響主要表現在兩個方面： 一是在一定溫度范圍內保持酶自身的熱穩定性或維持自身結構的穩定性；二是溫度會通過影響酶的活性位點的親和力來影響酶的活性。從圖1可以看出，在1～40℃內，溫度每升高10℃，反應速率就會翻一倍；但在高溫下，產物的形成速率迅速下降，且在達到平衡前酶的活性就消失了。

圖1 不同溫度下酶的產物的形成過程

2 酶的穩定性與催化原理

酶的“微觀穩定性”是與局部結構可逆變化相關的能量有關。微觀穩定性是造成酶活性位點的柔韌性或剛性的原因，這是影響催化的底物或配體結合的位置[1]。酶的總體穩定性是宏觀穩定性與微觀穩定性之間的自由能差異[2]。由于較弱的分子相互作用，酶的活性位點比整個酶更靈活，并且酶的活性位點會比整個蛋白質更快地失去其功能(加入化學變性劑或加熱后)變性?！罢T導契合”模型是假定酶活化是由于酶的活性位點與底物之間相互作用，進而引起酶活性位點的構象改變形成的。“波動契合”模型表明酶的天然構象在溶液中存在的多種狀態。這些酶的不同構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酶活性的影響

很多科學家都發現了短時間內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所能解釋的活性。于是科學家提出了一個平衡模型：

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

圖2 速率-時間-溫度平衡模型

4 酶的最適溫度并不是“最適”的原理

4.1 酶活性的時間依賴性和溫度依賴性 平衡模型提出來后，就有很多的研究者對這個模型進行了驗證。Peterson等人用芳基?；０访缸隽艘粋€酶的速率—時間—溫度曲線(圖3A)。可以看出，酶的最佳活性是一個不斷變化的量，它會隨著時間和溫度的變化而變化。在溫度為324 K時，由于Eact/Einact平衡而導致酶的活性非常快速損失達到了60%。在相同溫度下，變性導致酶的活性損失只在幾分鐘內就完成了[3]。從圖3B可以看出，在相同溫度下，酶的反應速率會隨著反應時間的變化而變化，也可以看出反應時間越短，其活性越高，催化的速率就越快；同樣，在相同的時間內，不同溫度下，酶的活性也不一樣[4]。無論是“帳篷”曲線還是用具體酶來做實驗，都能體現出酶的活性并沒有一個固定的最佳活性，它會隨時間和溫度的變化而變化，表現出對時間和溫度的依賴性。

圖3 酶的活性對時間和溫度的依賴

4.2 酶的最適溫度與不可逆變性 由于酶的活性具有時間和溫度的依賴性，因此酶并沒有嚴格意義上的最適溫度。圖4A是一個常見的溫度對酶的催化速率影響的圖形[5]。在平時的教學中，教師多會解釋說在最適溫度之前，隨著溫度升高，酶的催化活性升高，因此酶反應速率會加快；超過最適溫度，酶的活性降低，酶反應速率下降；過高的溫度會導致酶不可逆變性。通過圖4A，可知酶在“最適溫度”之前酶的變性是一種可逆的變性；但是一旦超過了最適溫度，酶就開始變性，而且這種變性是一種不可逆的變性，所以“最適溫度”實際上是酶開始發生不可逆變性的溫度。因此，在實際的生產和應用中，并不會選擇這樣一個“最適溫度”作為酶的反應溫度。同時可以從圖4B看出，溫度誘導的催化活化和溫度誘導的失活取決于這兩個過程相應的過渡態的能量。將溫度升高到可逆范圍內會導致酶有更高的活性，降低溫度會使酶的活性恢復到其原始活性。當發生不可逆變性時，冷卻至較低溫度則不會恢復催化活性。

圖4 酶在不同溫度下的失活過程

5 展望

溫度對酶的影響是非常復雜的，當溫度過高時，酶會發生不可逆變異。變性是個復雜的化學過程，既要考慮到蛋白質的大小和三維結構，又要考慮溫度還會影響酶在構象變化之前或之后的化學反應。目前，科學家還在研究生活在不同溫度環境下生物體內酶的活性的變化，主要可以把酶分為冷適應的酶和嗜熱酶。研究表明，冷適應酶具有更靈活的活性位點，而嗜熱酶的活性位點則更加剛硬。總之，酶的靈活性和生物生活的環境密切相關，這顯然是在進化過程中生物對棲息環境的一種適應。當前已有的研究表明，酶的活性具有時間和溫度的依賴性，因此，酶并沒有“最適溫度”，酶的活性是一個隨溫度和時間變化而變化的量；同時，我們平時所謂的“最適溫度”其實是酶發生不可逆變性的溫度。