变性一定会导致酶永久失活吗

李福琴

1 酶变性与酶永久失活的关系

稳定的空间结构是酶催化活性稳定的基础，酶只有处于特定三维结构时，才具有生物活性，如果三维空间结构稍有破坏，将导致生物活性降低，甚至完全丧失。

1.1 酶分子折叠过程

大多数酶是蛋白质，其合成场所在核糖体，在核糖体合成的多肽链（一级结构）还要经过一系列的加工，如跨膜转运、修饰加工、折叠复性，最后按正确方式折叠成具有功能的三维空间结构（天然态或折叠态），才算一个蛋白质合成的真正终结。具体来说，蛋白质的一级结构是指多肽链的氨基酸残基的排列顺序，线性的多肽链在空间折叠成特定的三维空间结构，称为蛋白质的空间结构或构象，蛋白质的空间结构包括二级结构、超二级结构、结构域、三级结构和四级结构。

一级结构上的氨基酸间可交互作用，在肽链上的某些区域C=O与亚胺基形成氢键，这样形成的简单又有规则的结构称为二级结构，主要有α-螺旋、β-折叠、转角等几种形式。

超二级结构和结构域是介于蛋白质二级结构和三级结构之间的空间结构。超二级结构是指两个或几个二级结构单元组合成有特殊的几何排列的区域的空间结构，其基本形式有αα、βαβ、βββ等。在较大的球蛋白质分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此球状构象称为结构域，蛋白质分子的活性部位往往位于结构域之间的间隙处。

三级结构是指整条多肽链的三维结构，包括骨架和侧链在内的所有原子的空间排列。蛋白质分子的三级结构是由各种作用力来稳定的。这些作用力包括疏水作用、氢键、范德华引力、离子键、二硫键以及配位键等，其中疏水作用、氢键、范德华引力是形成和稳定三维结构的基本作用力。如果蛋白质分子仅有一条多肽链组成，三级结构就是它的最高结构层次。蛋白质的重要生物功能都与三级结构直接相关，并对三级结构有严格要求，所以，三级结构是蛋白质最重要的结构层次。

四级结构是指在亚基和亚基之间通过疏水作用等次级键结合成为有序排列的特定的空间结构。亚基通常有一条多肽链组成，有时含两条以上的多肽链。

由此可见，蛋白质折叠是一个连续过程，它由非折叠或变性态（用U表示）折叠成天然态（用N表示），中间要经过许多中间状态（U1、U2……），最终形成单一特征构象的活性分子——折叠态。

1.2 酶稳定的分子原因

从酶三维结构的形成过程可以看出，在分子水平上，一系列的共价键和非共价键都对酶稳定性有影响，特别是各种非共价键间的微妙平衡尤为重要。

1.2.1 共价键

对酶分子稳定性贡献较大的共价键主要有肽键和二硫键，它们的作用力比非共价键强，并且以影响酶分子一级结构为主。肽键是由组成蛋白质的氨基酸残基形成的一种共价键，作用力较强，也表现出较高稳定性，是稳定蛋白质和酶主链的核心力量。通常情况下它不易断裂，只有在强酸、强碱和蛋白酶存在时才遭破坏。二硫键也是一种共价键，强度较大，是由分子中空间结构上靠近的两个Cys氧化形成，它可以在多肽链内形成，也可以位于链间，使三维结构更为稳定，如果二硫键被破坏或被还原，可使酶分子空间结构破坏、降解。

1.2.2 非共价键

酶分子的空间结构通常比一级结构更为脆弱，因此作用微弱的非共价键对酶稳定性的影响更引人关注。其中疏水作用、氢键、范德华引力是形成和稳定三维结构的基本作用力，疏水作用又称为疏水键，通常情况下，极性分子与非极性分子同时存在时，它们趋于分相存在，这是由分子之间相互作用和热运动规律决定的。酶分子中常含有一定比例的非极性氨基酸残基，疏水作用要求这些非极性基团尽可能小得和水接触。这样，组成酶分子的大量原子或原子团之间就形成一种喜好和憎恶关系，是酶分子折叠成空间结构的决定性力量。氢键是稳定蛋白质分子结构，特别是二级结构的重要力量，对于只有二、三级结构的小分子酶蛋白来说，氢键的地位与疏水作用相当，甚至更为重要。范德华力又称分子间力，实际上分子间同时存在吸引力和排斥力，范德华力通常只考虑引力，它属于一种弱作用力。单个作用力极小，并没有意义，但在蛋白质分子中，大量原子之间相互作用加和后就不可忽视了。

1.3 酶分子的变性与复性

正常环境中，在各种作用力综合平衡下，折叠蛋白质能够维持自然状态或允许微小变化，处于相对稳定状态。环境条件稍加改变，如接触变性剂或处于不利环境时，维持三维结构稳定的非共价键发生变化，破坏作用力间的平衡，酶分子伸展，变性去折叠化。酶分子的折叠与退折叠（复性与变性）是双向可逆的现象。从动力学上讲，天然态酶分子（N）是经过一系列相对稳定的中间态U1、U2……，才最终过渡到变性态，中间状态时仍具有部分活性，而且是可逆过程，变性态则有时可逆，有时不可逆。也就是说当酶分子处于中间态，去除不利条件后，酶分子能重新折叠成活性结构，这是可逆过程。而当酶分子处于变性态，有时，去除不利条件后，酶分子能重新折叠成活性结构，这是可逆过程，如果可逆伸展继续发展，消除不利影响后酶也无法恢复活性结构，成为不可逆变性。

温度是引起酶变性的物理因素，酶对温度变化极为敏感，通常在低温时，虽然酶分子催化功能低下甚至完全丧失，但其结构是稳定的，适当提高温度，酶活性可以升高，所以低温有利于酶保存。在高温条件时较不稳定，导致不可逆变性失活。如中温酶活性稳定的最适温度为30～45℃，超过60℃时会变性失活，也就是在较低温度范围内，酶活性随温度的升高而增大，直到最适温度时，酶活性最大，最适温度后若继续升温。天然态酶分子（N）会经过一系列相对稳定的中间态U1、U2……，最终过渡到变性状态，中间状态时仍具有部分活性，而且是可逆过程。就中温酶而言，从最适温度到60℃之间，酶分子处于一系列相对稳定的中间态，仍具有部分活性，而且是可逆的，所以降低温度时，酶活性上升。超过60℃，导致酶不可逆变性失活。

2 总述

从动力学上讲，天然态酶分子（N）是经过一系列相对稳定的中间态U1、U2……，才最终过渡到变性状态（U），中间状态时仍具有部分活性，而且是可逆过程，变性态则有时可逆，有时不可逆。无论是哪种不利影响，如果使酶处于中间态还没有达到变性态，则可以通过去除不利因素，使酶分子重新折叠成活性结构，恢复活性，这是可逆过程。如中温酶，虽超过最适温度，但只要没有超过变性温度，仍然可以恢复活性。若酶已经达到变性状态，则有时不可逆，如温度引起酶的不可逆变性，使酶永久失活；而有时是可逆，如尿素引起酶的变性只是空间构象的破坏，本质上是一次次级键和二硫键的破坏，其一级结构仍保持完整。所以，变性不一定会导致酶永久失活。