脂肪酶催化反應(yīng)水的影響
化學(xué)先生 / 2019-08-02
水是酶催化反應(yīng)的必需條件,干燥的酶加入到僅含有機(jī)溶劑的單相體系中是沒(méi)有活性的。酶催化活性所必需的構(gòu)象,是由水分子直接或間接地通過(guò)氫鍵等非共價(jià)鍵相互作用來(lái)維持的。例如,在豬胰脂肪酶催化甘油三丁酸酯和正庚醉的轉(zhuǎn)備反應(yīng)中發(fā)現(xiàn),反應(yīng)體系中水含量即使降低到0. 02%,酶仍具有催化活性。同時(shí),在特定的水含量下,表現(xiàn)出最大酶活。這種反應(yīng)體系中水含量與酶活之間的關(guān)系,研究Rhizomcor miehei脂肪酶在正已烷中催化十二烷基癸酸酯的酯合成反應(yīng)時(shí)也可發(fā)現(xiàn):雖然在不同的有機(jī)溶劑中酶活性不同,但在不同的有機(jī)溶劑中,最大酶活都出現(xiàn)在一一個(gè)給定的水活度aw下。研究固定在不同載體上的固定化Rhizomucor miehei和Candida rugosa脂肪酶活力,也發(fā)現(xiàn)同樣的水活度依賴性。緊緊吸附在酶分子表面,維持酶催化活性所必需的最少量水,稱必需水,亦稱結(jié)合水或東縛水(bound water)。 酶的催化活性由必需水決定,而與溶劑中的水含量無(wú)關(guān)。只要這層必需水不丟失,其它大部分水即使都被有機(jī)溶劑取代,酶仍然可保持其催化活性。因此,可以把極低水有機(jī)介質(zhì)中的酶催化反應(yīng),理解為宏觀上是有機(jī)介質(zhì)單相,而在微觀上仍是水-有機(jī)溶劑兩相的酶催化反應(yīng)。正是由于這個(gè)原因,才使有機(jī)介質(zhì)代替水溶液進(jìn)行酶促反應(yīng)成為可能。
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一個(gè)干燥酶的水合過(guò)程大致經(jīng)過(guò)以下四個(gè)步驟:加入的水首先與酶分子表面帶電基團(tuán),即蛋白質(zhì)中的離子結(jié)合,然后與酶分子表面的極性基團(tuán)結(jié)合形成水簇,再凝聚到表面與水相互作用較弱的非極性基團(tuán),最后酶分子表面完全水化,被一層水分子覆蓋。在上述四個(gè)步驟中起關(guān)鍵作用的是第一步驟,即酶分子表面帶電基團(tuán)的水化,它決定了一個(gè)蛋白質(zhì)具有活性構(gòu)象時(shí)所必需的最少的水分子。隨著酶分子的進(jìn)一步水化,酶構(gòu)象表現(xiàn)出的柔性進(jìn)一步增加。一般認(rèn)為在水溶液中蛋白質(zhì)分子折疊的結(jié)果,是使暴露在溶劑(水溶液)中的疏水基團(tuán)減小到最低限度,這樣蛋白質(zhì)分子表面就可有較多的親水極性基團(tuán)和帶電基團(tuán)。水就通過(guò)和這些親水基團(tuán)的相互作用,形成氫鍵吸附在蛋白質(zhì)表面,對(duì)保持酶的天然構(gòu)象起平衡和穩(wěn)定作用。同時(shí)也屏蔽了蛋白質(zhì)分子表面極性基團(tuán)之間的相互作用,使蛋白質(zhì)分子在水中具有一定的柔性構(gòu)象,從而顯示出較高的酶活。而在無(wú)水的疏水性有機(jī)溶劑中,酶構(gòu)象表現(xiàn)出很高的剛性并且沒(méi)有催化活性,但這種剛性結(jié)構(gòu)隨著體系中水量的增加而減弱,當(dāng)酶表面緊密結(jié)合了一層必需的水時(shí),就會(huì)使酶分子形成具有催化作用所必需的柔性構(gòu)象。
酶的必需水含量因酶和溶劑而異,不同的酶需水量不同。同一種酶在不同的有機(jī)溶劑中需水量也不同,溶劑疏水性越強(qiáng),需水量越少。一般認(rèn)為,酶要與有機(jī)溶劑互相競(jìng)爭(zhēng)水分子,以維持必要的水合狀態(tài)。雖然在不同有機(jī)溶劑中,保持一定酶活力所需要的溶劑含水量差別很大,但在各種體系中酶呈現(xiàn)最佳活力時(shí),體系中的熱力學(xué)活度卻是相近的。因此為了精確研究溶劑對(duì)酶反應(yīng)的影響,比較不同溶劑中酶的活力,就應(yīng)保持酶分子本身水化度不變。Hlig提出用水活度(a)來(lái)控制酶分子的水化度,這里a定義為在一定的溫度和壓力下,反應(yīng)系統(tǒng)中的水蒸氣壓與同樣條件下純水蒸氣壓之比。水活度參數(shù)(aw)易測(cè)且可直接反映酶分子水分的多少,與體系中水含量及所用溶劑無(wú)關(guān)。