酶催化激活作用：《食品酶学导论》

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：对酶促作用的影响同抑制作用相反，许多酶促反应必须有其他适当物质存在时才能表现酶的催化活性或加强其催化效力，这种作用称为酶的激活作用，引起激活作用的物质称为激活剂。至于无机阴离子对酶的激活作用，在实践中也是常见的现象。若酶原被具有活力的同种酶所激活，则称为酶的自身激活作用。而酶的活性部位往往只能作用于底物的一种解离状态。当温度超过酶的最适温度时，酶蛋白就会逐渐产生变性作用而减弱甚至丧失其催化活性。

对酶促作用的影响同抑制作用相反，许多酶促反应必须有其他适当物质存在时才能表现酶的催化活性或加强其催化效力，这种作用称为酶的激活作用，引起激活作用的物质称为激活剂。激活剂和辅酶或辅基（或某些金属作为辅基）不同，无激活剂存在时，酶仍能表现一定的活力，而辅酶或辅基则为酶的分子组成部分，如果它们不存在时，酶则完全不呈活力。

激活剂种类很多，其中有无机阳离子，如Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺、NH₄⁺、Mg^{2 +}、Ca^{2 +}、Zn^{2 +}、Cd^{2 +}、Cr^{3 +}、Mn^{2 +}、Fe^{2 +}、Co^{2 +}、Ni^{2 +}、Al^{3 +}等；无机阴离子，如Cl^-、Br^-、I^-、CN^-、NO₃^-、等；有机物分子如维生素C、半胱氨酸、巯乙酸、还原型谷胱甘肽以及维生素B₁、维生素B₂和维生素B₆的磷酸酯等化合物和一些酶。

（一）无机离子的激活作用

金属离子的激活作用在微生物发酵过程中是一个比较常见的例子，如Mg^{2 +}对酵母葡萄糖磷酸激酶的激活作用如图5-16所示；Mg^{2 +}及Zn^{2 +}对酵母磷酸葡萄糖变位酶的激活作用如图5-17所示。

图5-16 Mg²⁺对葡萄糖磷酸激酶的激活作用

图5-17 Mg²⁺及Zn²⁺对磷酸葡萄糖变位酶的激活作用

从曲线可知，如果缺Mg^{2 +}及Zn^{2 +}时，其反应速度缓慢。增加其金属离子浓度，则反应速度加快。但当这些离子超过一定限度时则反应速度反而减弱。对于酵母磷酸葡萄糖变位酶，当无Mg^{2 +}存在时，其活性仅为15%。Mg^{2 +}浓度在1×10^-3～3×10^-3mol/L时，其活力达到最大。

一般认为，金属离子的激活作用是由于金属离子与酶结合，此结合物又与底物结合形成三位一体的“酶-金属-底物”的复合物。这里金属离子使底物更有利于同酶的催化部位和结合部位相结合使反应加速进行，金属离子在其中起了某种搭桥的作用。

至于无机阴离子对酶的激活作用，在实践中也是常见的现象。例如，Cl^-是淀粉酶活力所必需的因子，当用透析法去掉Cl^-时，淀粉酶即丧失其活性；又如Cl^-、NO₃^-、SO₄^2-为枯草杆菌（BE-7658）淀粉酶的激活剂。这些阴离子为酶活力所必需的因子，而且对酶的热稳定性又起保护作用。

（二）酶原的活化

有些酶在细胞内分泌出来时处于无活性状态（称为酶原），它必须经过适当物质的作用后才能变为有活力的酶。若酶原被具有活力的同种酶所激活，则称为酶的自身激活作用。

例如，胰蛋白酶原在胰蛋白酶或肠激酶的作用下，使酶原变为具有活性的酶。这种转变的实质是在酶原肽链的某些地方断裂而失去一个六肽的结果，使得酶原被隐蔽的活性部位显露出来。其作用机制如图5-18所示。

图5-18 胰蛋白酶原的活化（X为特异性部位）

试验测定表明，胰蛋白酶原和胰蛋白酶，都只有一个肽链。就氨基酸组成来说，两者仅有微小的差别。这些都说明酶原变成酶时并不发生重大的改变，活化时只有一个肽键被打开，即在赖氨酸与异亮氨酸之间，在肽链的N-末端部分失去了一个六肽，同时隐蔽的活性基被释放出来或形成新的活性部位。

氢离子浓度对酶反应速度的影响很大。每种酶都有特定的最适pH，大于或小于这个数值，酶活力就要降低，甚至引起酶蛋白变性而丧失活力。若以酶活力或反应速度对pH作图，可得到一个pH-活力曲线（图5-19）。处于曲线最高点处的pH称为最适pH，在最适pH处酶活力最大。每种酶都有其最适pH，这是酶作用的一个重要特征。但是，最适pH并不是一个酶的特定常数，因为它受其他因素的影响，如酶的纯度、底物种类和浓度、缓冲剂的种类和浓度以及抑制剂等的影响。因此，它只有在一定条件下才是有意义的。脲酶对尿素的催化反应，由于缓冲剂的不同，脲酶就显示出不同的最适pH。

pH对酶活力的影响，主要表现为pH改变底物和酶分子的带电状态。(www.chuimin.cn)

1.pH改变底物的带电状态

当底物为蛋白质、肽或氨基酸等两性电解质时，它们随着pH的变化表现出不同的解离状态：带正电荷、带负电荷或不带电荷（兼性离子）。而酶的活性部位往往只能作用于底物的一种解离状态。

图5-19 缓冲剂种类及pH对脲酶的影响

1-乙酸盐 2-柠檬酸盐 3-磷酸盐，脲的浓度为2.5%

2.pH改变酶分子的带电状态

酶具有两性解离特性。pH的改变会改变酶的活性部位上有关基团的解离状态，从而影响酶与底物的结合。假定酶在某一pH时，酶分子的活性部位上存在一个带正电荷的基团和带负电荷的基团时，此时酶最易与底物相结合。当pH偏高或偏低时，活性部位带电情况改变，酶与底物的结合能力便降低，从而使酶活力降低。例如，蔗糖酶只有当它处于等电点状态时（兼性离子时），才具有最大的酶活力，而在偏酸或偏碱的溶液中酶活力都要降低或丧失。每种酶都有其最适pH，如表5-3所示。

表5-3 几种酶的最适pH

各种酶的反应均有其最适的温度，此时，酶的反应速度最快。与普通化学反应一样，在酶的最适温度以下，温度每升高10℃，其反应速度相应地增加1～2倍。温度对酶反应速度的影响通常用温度系数Q₁₀来表示：

在生理温度下，酶反应的温度系数通常在1.4～2.0。此温度系数一般较无机催化反应和非催化的同样反应小。

当温度超过酶的最适温度时，酶蛋白就会逐渐产生变性作用而减弱甚至丧失其催化活性。一般的酶耐温程度不会超过60℃，但有的酶（来自芽孢菌）的热稳定性比较高。另外，在有的酶中加一些无机离子，可增加其热稳定性。因此，在应用酶制剂前必须做酶的温度试验，找出适合生产工艺要求的最适温度。例如，栖土曲霉（As.3942）蛋白酶的最适温度的选择试验，可采用如下的方法：

将蛋白酶与酪蛋白混合，在不同的温度下保温，测得酶活力的数据，绘成温度对酶活力的曲线，如图5-20所示。

图5-20表明，保温时间在30min以内，45～50℃酶活力最高。随着保温时间延长，最适温度降低。保温120min，在40～45℃酶活力最高。如保温时间为10min，该酶在30～40℃时较为稳定。超过50℃酶活力迅速下降，直至60℃时，酶几乎全部变性失活。

图5-20 温度对As.3942蛋白酶反应速度的影响

试验结果表明，选择酶的最适温度和酶反应的时间有关，反应时间长，则最适温度要低一些。若只是温度选择得高，则酶容易变性失活。在制革厂采用蛋白酶脱毛时，一般选用最适温度40℃为宜。温度过高酶容易失活而达不到脱毛的目的，同时也会产生烂皮的现象；温度过低则酶脱毛时间延长，影响生产效率。由此可知，酶的最适温度不像K_m那样为酶的特征常数，它是随酶反应时间变化而改变的。

至于低温对酶促反应的影响，一般地说，在低温下（如0℃左右或更低）酶活力降低，但酶活力不受破坏，一旦升高温度也就能恢复其原有的催化活性。

酶催化激活作用：《食品酶学导论》

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