酶失活动力学

酶的失活动力学●酶是一种不稳定的物质，常因温度，pH等因素的影响而产生不可逆的活力下降。●一般胞外酶较为稳定，而胞内酶在外部环境中容易失活。●酶在保存和参与反响时均可能失活；酶在保存过程中的失活又称为酶的稳定性，失活越快，说明酶的稳定性降低。●酶的热失活是最重要的一种酶失活形式，下面主要讨论此种失活的动力学。一、未反响时的热失活动力学●测定酶未反响时的热失活动力学方法：在一定条件下，使酶溶液恒温保持一定时间，然后在最适宜的pH和温度下测定残存的酶活力，即残存酶活力。在不同温度下反复测定，即可得到一条曲线。该曲线可以表示酶的失活特性，称为酶的热失活曲线。假设改变保温时间，那么会得到不同的热失活曲线〔图1-1)。●如果要了解酶在未反响时的失活速率，可将残存的酶活力对其失活时间作图，那么又可得到一条曲线〔图1-2〕。图1-1不同温度下的酶失活曲线图1-2不同时间下的酶失活曲线这些曲线反响了酶的生活规律。酶的热变性失活很复杂，一般将其分为可逆失活与不可逆失活两类，并提出了多种失活动力学模型。下面主要介绍一步失活模型。1.一步失活模型〔onestepmodel)式中：E—活性酶D—失活酶kd—正反响的速率常数kr—负反响的速率常数那么活性酶的浓度随时间的净减少率或失活反响方程式可表示为：系统中酶的总浓度假设以cE0表示，那么存在下述关系式：cE0=cEt+cD(a)(b)将式(b)代入式(a)，并利用边界条件t=0，cE0=cEt积分，经整理可得下式：(c)对不可逆失活反响，kr=0,可得cEt=cE0exp(-kdt)(d)多数酶的热失活服从式(d)，kd可称为一步失活常数或衰变常数，单位为(时间)-1。kd的倒数称为时间常数td。当cEt为cE0的一半的时间称为半衰期，用t1/2表示。kd、td和t1/2之间的关系为：2.多步失活模型〔multi-stepmodel)A多半串联失活模型：酶的失活经历多步，即D→F→E。B同步失活模型：全部酶分子可划分为热稳定性不同的假设干个组分，每个组分均符合一步失活模型。该模型全部酶中残存酶活力的比率为：式中：cE0表示酶的初始浓度；xi表示失活速率常数为ki的酶组分的分率。因此，3.温度对酶失活的影响对一级失活模型，有失活反响Arrihenius方程式中：kd表示衰变常数；Ad表示失活反响Arrihenius方程的前指因子；Ed表示失活反响活化能。一般蛋白质的变性或失活的活化能为125kJ.mol-1，高于一般化学反响的活化能〔20~83kJ.mol-1〕,这意味着酶失活对温度十分敏感。同时考虑温度和时间对酶失活影响的关系式二、反响时的酶热失活动力学●酶在反响中的稳定性称为操作稳定性，可通过分批测定、连续测定及圆二色谱分析等方法测定。作不同温度下反响转化率随时间的变化曲线，即反响过程曲线，如图2-1所示。图2-1不同温度下酶促反响过程曲线(a)以温度T为参数，转化率X与时间t的关系曲线；(b)以时间t为参数，转化率X与温度T的关系曲线由图(a)知时间一定时，随着温度的升高，反响速率增大，因而转化率增大；但当温度高到某一值时。其转化率反而减少。因为当温度升高到某一值时，酶的热失活速率也在加速，致使有活力酶的量在减少，因而反响速率下降，最终为零。由图(b)知：对于某一反响时间，存在一转化率最高的温度，该温度称为最正确温度。不同的反响时间，有不同的最正确温度。最正确温度是温度对酶催化速率和酶失活速率双重作用的结果。就底物浓度的变化对酶失活的影响，提出了下述模型：从上述机制看出，无论是游离酶，还是酶的复合物，均有可能失活，其失活速率方程可表示为:式中：σ表示底物对酶失活的影响系数；cEf表示游离酶浓度。根据上述模型可知：〔1〕当σ=0时，反响时酶失活速率到达最低。从反响机制中可以看出，复合物ES完全不失活，或者说酶完全被底物所保护。〔2〕当σ=1时，反响时与未反响时酶的失活速率完全相同。从反响机制中可以看出，复合物ES与游离酶E失活速率常数完全相同，或者说底物对酶失活没有影响。〔3〕0<σ<1时，反响时酶失活速率低于未反响时酶失活速率。从反响机制中可以看出，复合物ES失活速率常数低于游离酶E，或者说底物对酶失活有局部保护作用，能在一定程度上一只酶的失活。〔4〕σ>1时，反响时酶失活速率高于未反响时酶失活速率。从反响机制中可以看出，复合物ES失活速率常数大于游离酶E，或者说底物加速酶的失活。由上述分析可见，σ反映了底物对酶失活速率的影响，因此称σ为底物对酶失活影响系数〔也称为稳定性影响系数〕。假设只有游离酶失活时，其分批反响的动力学方程为对于零级不可逆反响，cs值趋于无穷大，因此有：对该式积分，得到当cs值足够大时，可简化为：进行积分得到：代入式中积分得式中，k2,kd'均为温度的函数。三、失活动力学研究实例以青蟹N-乙酰氨基葡萄糖苷酶在甲醛溶液中的失活动力学的研究为例，通过在酶活力测定体系中参加不同浓度的甲醛，检测酶的剩余活力(2-2)。研究显示酶在甲醛溶液中的失活作用是一种可逆过程。建立失活动力学模型，可以测定游离酶(E)和结合酶(ES)的微观失活速度常数(表d)。图2-2酶在不同浓度甲醛中的失活作用动力学(a)动力学过程；(b)半对数作图。0~4代表不同浓度的甲醛表d青蟹N-乙酰氨基葡萄糖苷酶在甲醛溶液中的失活速度常数从表d中可以看出，在相同浓度的甲醛溶液中，游离酶的正向微观失活速度常数(k+0)是酶底物络合物的