江波，李赟高，繆銘，馮骉

（江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫 214122）

超高壓調(diào)節(jié)酶催化功能及其作用機制

江波，李赟高，繆銘，馮骉

（江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫 214122）

在酶學(xué)領(lǐng)域中，超高壓和溫度類似，作為一種物理學(xué)方法，可以用來調(diào)節(jié)酶催化功能，促使酶的構(gòu)象發(fā)生變化。對超高壓調(diào)節(jié)酶催化功能的原理、影響酶構(gòu)象的作用機制，以及一些新型研究方法等進行了綜述。展望了此項新技術(shù)的發(fā)展前景。

超高壓；酶催化；酶構(gòu)象；分子機制；原位分析

酶生物催化反應(yīng)具有催化反應(yīng)條件溫和、高效專一等特點，在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛［1］。按傳統(tǒng)方法，一般可通過調(diào)節(jié)溫度、pH、水分活度等來改善或者抑制酶催化反應(yīng)過程。而隨著生物技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有大量文獻報道了可直接在基因（DNA）水平上調(diào)控酶學(xué)性質(zhì)。例如，Huang［2］等學(xué)者利用結(jié)晶的方法得到β-甘露糖聚酶晶體結(jié)構(gòu)，并利用定點突變的方法，將216位上的酪氨酸突變成色氨酸，使其催化效率提高近18%。而Kundu等［3］將羰酸酯酶置于溫度為300，343，373，473 K和500 K的條件下進行分子動力學(xué)模擬，研究發(fā)現(xiàn)，D232—K211，E105—K82，E54—K134，E238—R12以及E147—K134這5對離子鍵對其熱穩(wěn)定性起了至關(guān)重要的作用。這為今后利用突變的方法提高此酶的熱穩(wěn)定性指明了思路。Jun等［4］根據(jù)分子動力學(xué)模擬的結(jié)果，將谷氨酸脫羧酶B第5位的谷氨酰胺突變?yōu)樘於０?，使其變性溫度提高?.9℃，從而提高了其熱穩(wěn)定性，使其更有利于工業(yè)化生產(chǎn)。Trevizano等［5］利用定向進化的方法，使β-1，4木聚糖酶在60℃時半衰期從7.92 min提高至401 min。

然而，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)原本主要用于殺滅微生物的超高壓技術(shù)亦可以用來調(diào)節(jié)酶催化反應(yīng)，并具有潔凈綠色、簡單安全等特點，具有深遠(yuǎn)的研究前景和應(yīng)用前景［6-7］。在較高的壓力下，壓力作用可以導(dǎo)致酶空間結(jié)構(gòu)喪失或者亞基重新締合聚集，使酶的活性喪失。例如，Riahi等［8］利用超高壓技術(shù)使果汁中α-淀粉酶完全失活。除了鈍化酶外，適中的壓力處理卻可以使酶活有所增大。Mozhaev等學(xué)者發(fā)現(xiàn)［7］，對于胰凝乳蛋白酶，在360 MPa時，其酶活可以提高將近30倍。和其他調(diào)節(jié)方法相比，高壓處理不會影響酶的結(jié)合性質(zhì)以及能量的變化，它僅僅使酶的體積發(fā)生了改變，影響因素比較單一，因此利用高壓更有利于對酶催化機制進行研究和應(yīng)用［9］。本文就超高壓對酶催化功能及酶構(gòu)象的影響及相關(guān)機制進行了介紹，并對這種新方法的應(yīng)用和發(fā)展作了展望。

1 超高壓對酶催化功能的調(diào)節(jié)

1.1 超高壓對酶催化平衡常數(shù)及反應(yīng)體積的影響

一般來說，壓力對酶催化影響遵循Le Chatelier原則［10］。該理論認(rèn)為，加壓處理總是使反應(yīng)朝著向體系總體積減少的方向移動。這個過程可以用方程（1）表示：

在此方程中，K為此反應(yīng)的平衡常數(shù)，ΔV為反應(yīng)底物和產(chǎn)物之間的體積差。顯而易見，如果壓力處理使ΔV為負(fù)，即產(chǎn)物體系的總體積小于反應(yīng)物體系的總體積，此時壓力將迫使反應(yīng)加速進行，K值增大；而如果ΔV為正，壓力將阻止反應(yīng)的進行和產(chǎn)物的生成，K值減少；而如果ΔV為零，壓力對此反應(yīng)無影響。M.E.Bruins等學(xué)者［11］詳細(xì)研究了在0.1～500 MPa范圍內(nèi)，葡萄糖利用β-糖苷酶合成低聚糖的反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著壓力的升高，低聚糖合成量逐漸減少。當(dāng)壓力為500 MPa時，反應(yīng)體系的ΔV為2.4 cm3/mol，此時，整個已達(dá)到平衡的催化反應(yīng)向反方向移動，即合成的低聚糖開始逐漸水解成葡萄糖。

對于酶催化反應(yīng)體系來說，在高壓下酶分子處于多個平衡狀態(tài)之中。例如，亞基之間解離和締合的平衡；結(jié)合底物和釋放產(chǎn)物之間的平衡，以及酶分子之間的電離平衡、水合平衡等［12］。因此，在高壓下測得的平衡常數(shù)不是由單一因素決定的，而是由一系列因素共同決定。所以在實驗測ΔV時，必須要考慮這些共同因素的作用。一般來說，體系的總體積可由方程（2）表示［12］，即

式（2）中，Vt表示體系總體積，ni表示分子數(shù)，Vi表示每部分偏摩爾體積。1959年，Kauzmann等學(xué)者［13］認(rèn)為，溶于水中的蛋白質(zhì)偏摩爾體積是由蛋白質(zhì)中所有原子的范德華體積、蛋白質(zhì)中存在的空洞的體積以及水合層的體積共同組成的。在一般情況下，壓力處理時所有原子的范德華體積基本可以忽略不計，而空洞的體積在壓力的作用下會減少，水合層的體積在壓力的作用下會增大［12］。

1.2 超高壓對酶催化動力學(xué)常數(shù)及活化體積的影響

根據(jù)過渡態(tài)理論，壓力對反應(yīng)速率的影響可以用Eyring方程表示［10］。式（3）中，R為理想氣體常數(shù)，k為速率常數(shù)；ΔV*為活化體積，它定義為反應(yīng)物與處于過渡態(tài)物質(zhì)的體積差。

如果活化體積為負(fù)值，壓力升高有利于提高酶催化反應(yīng)速度；而如果活化體積大于零，壓力增大將降低酶催化反應(yīng)速度。在一個已達(dá)到反應(yīng)平衡的酶催化反應(yīng)過程中，包含著一系列的步驟，包括底物的結(jié)合、產(chǎn)物的釋放、酶構(gòu)象的變化等。其中，最慢的反應(yīng)步驟決定了整個酶催化的反應(yīng)速率，而超高壓處理卻能改變其關(guān)鍵的限速步驟，這導(dǎo)致壓力和酶反應(yīng)速率之間產(chǎn)生了某種關(guān)聯(lián)［10］。在一般情況下，酶催化速率的改變主要因超高壓處理導(dǎo)致酶構(gòu)象變化引起，此時反應(yīng)速率和壓力呈非線性相關(guān)［10］。在高壓下，活化體積并不是一個固定的常數(shù)，而大體在-70～60 cm3/mol之間［14］。Mozhaev等［7］報道了α-胰凝乳蛋白酶在0.1～150 MPa范圍內(nèi)，50℃的活化體積為-25 cm3/mol，此時酶活可提高近3倍；對于甘油醛-3-P-脫氫酶，其活化體積可達(dá)-56 cm3/mol，磷酸核酮糖激酶活化體積-36 cm3/mol。此時，這兩種酶酶活均有所增加。然而，對于核酮糖-1，5-二磷酸-羧酶，其活化體積為34 cm3/mol，此時酶經(jīng)過高壓處理后，活性顯著降低［15-17］。

1.3 超高壓對酶失活及其動力學(xué)的影響

由大量實驗可知，較高的壓力可以使酶喪失活性。例如，Balogh等［18］將胡蘿卜中果膠甲酯酶在10℃，800 MPa條件下處理36 min，可以使其活性減少90%。Riahi等［8］使用400 MPa的壓力處理α-淀粉酶60 min，可以使其完全失活。壓力處理使酶失活過程中存在3種狀態(tài)，可由如下表達(dá)式表示，即天然狀態(tài)（N），中間狀態(tài)（I）以及失活狀態(tài)（D）。

由于在較高壓力下，酶不可逆失活速率常數(shù)（krev）遠(yuǎn)大于可逆失活速率常數(shù)（kire），故酶在高壓下失活存在的中間態(tài)可以忽略不計，因此以上表達(dá)式可簡寫為

此時，酶失活遵循一級動力學(xué)方程，酶活隨著時間變化可由公式（4）描述，式（4）中A表示高壓處理時間t后的酶活，A0表示初始酶活。

然而，在研究超高壓鈍酶動力學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，超高壓處理使酶失活不僅與壓力本身大小相關(guān)，且還與溫度相關(guān)。酶失活速率、壓力和溫度的關(guān)系可以用p—T二元相圖來表示，如圖1所示。

圖1 p—T二元相圖Fig.1p—T phase diagram

從圖1可以看出，此二元相圖呈橢圓形，當(dāng)溫度和壓力數(shù)值都處于橢圓內(nèi)部時，酶仍保持天然狀態(tài)。而當(dāng)壓力和溫度都超過臨界值時，就會使酶失活（區(qū)域D）。而在區(qū)域C，當(dāng)壓力升高時，如要使酶失活，需要升高溫度，這意味著在此區(qū)域，壓力和溫度存在著拮抗效應(yīng)，即提升壓力使酶熱穩(wěn)定性大幅度提高。Degraeve等研究發(fā)現(xiàn)［19］，在0.1 MPa，55℃處理30 min后，β-半乳糖苷酶酶活損失了35%，而在250 MPa，其他條件不變的情況下，酶活僅損失10%；但是當(dāng)壓力升至350 MPa時，此時較高的壓力對酶熱失活已無保護作用。

2 超高壓對酶構(gòu)象的影響

一般認(rèn)為，經(jīng)超高壓處理后，酶分子內(nèi)肽鍵并不會發(fā)生斷裂，即酶一級結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變化，但是酶分子的二級、三級及四級結(jié)構(gòu)都會受到壓力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在較低壓力下，α螺旋和β折疊不會被壓縮，甚至更加穩(wěn)定；但是在較高壓力下，如500 MPa以上時，二級結(jié)構(gòu)會發(fā)生不可逆變化［20-21］。經(jīng)高壓處理后，二級結(jié)構(gòu)的基本類型還可能發(fā)生轉(zhuǎn)換。Liu等［22］發(fā)現(xiàn)多酚氧化酶經(jīng)高壓處理后其α螺旋含量大幅度降低，而β折疊含量顯著增長，并且隨著壓力的增長此現(xiàn)象更加明顯。不僅如此，二級結(jié)構(gòu)的變化并不是一步完成的。以溶菌酶為例，紫外熒光實驗可以揭示此不可逆變化分為兩個過程，這種現(xiàn)象被解釋為壓力變性形式的多元性。然而，Samarasinghe等人［23］認(rèn)為，溶菌酶在壓力誘導(dǎo)過程中，由于水作為溶劑存在，蛋白質(zhì)和水之間的相互作用代替了原先蛋白氨基酸殘基之間的弱的非共價鍵，導(dǎo)致了蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，并且這才是酶失活的主要原因，而二級結(jié)構(gòu)之間的氫鍵沒有發(fā)生變化。此時，壓力誘導(dǎo)失穩(wěn)的蛋白質(zhì)更加類似于球狀［24］。而高壓對于酶的四級結(jié)構(gòu)的影響要復(fù)雜得多。在高壓下，單體既可以趨向于聚集，也可以趨向于解離。Sliver等人發(fā)現(xiàn)［25］，在較低的壓力下，蛋白質(zhì)會解離成亞基。但如果壓力增加到140 MPa以上，這些亞基又可以形成無定形的聚集體，但是某些功能性質(zhì)卻喪失了。他們解釋這種現(xiàn)象為“構(gòu)象漂移原理”。在展開到再折疊的過程中，亞基還可以不斷地組裝，最后形成很穩(wěn)定的纖維聚集體。壓力對整個蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的影響可以用圖2描述［25-26］。

經(jīng)高壓處理后，并非只有一種構(gòu)象發(fā)生變化，可能會有幾種構(gòu)象同時發(fā)生變化。例如三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)同時改變，甚至二級、三級、四級結(jié)構(gòu)同時發(fā)生改變。不僅如此，Ohmae等研究發(fā)現(xiàn)［27］，在高壓條件下，酶的輔助因子與酶的結(jié)合也會發(fā)生改變，輔助因子非常容易游離出來，從而導(dǎo)致酶失活。

圖2 高壓對酶蛋白質(zhì)構(gòu)象的影響Fig.2Effects of high pressure on the conformation of the protein

3 超高壓作用分子機制

壓力同溫度相似，都是影響體系自由能的一個參數(shù)。高壓并不能使肽鍵斷裂，即如同前文所述，它并不能使酶的一級結(jié)構(gòu)破壞，也不能改變活性部位氨基酸種類、順序及數(shù)量。但是壓力卻對于氨基酸之間、氨基酸和溶劑之間的氫鍵、靜電相互作用和疏水相互作用有著重要的影響。

3.1 靜電相互作用

靜電相互作用最明顯的特征在于它可以反映整個反應(yīng)體系的體積變化，并且絕大多數(shù)溶液體積的變化來自于離子鍵被破壞。當(dāng)溶液中存在離子時，附近的水偶極子由于靜電作用將會被高度壓縮，使得整個溶液體積減少，這種現(xiàn)象被稱為電致伸縮性。并且在非極性溶液中，這種現(xiàn)象更為明顯［28］。一個典型的例子是胰凝乳蛋白酶［29］。在超高壓作用下，其活性部位的離子鍵消失，但是這種變化是可逆的，一旦撤去壓力，這些離子鍵會得到部分恢復(fù)。

靜電相互作用在保持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性上起著重要的作用。在常壓條件下，調(diào)節(jié)pH值可以使活性部位的離子鍵遭到破壞，從而使酶的構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致酶失活。因此，可以利用超高壓技術(shù)，使得活性部位的氨基酸在沒有發(fā)生離子化的情況下，它們之間的離子鍵被壓力破壞，從而改變酶活。在超高壓處理過程中，選用合適的緩沖體系顯得至關(guān)重要，因為在相同的pH下，不同的緩沖鹽種類影響著酶活性部位的電離平衡。不僅如此，在高壓條件下，不同的緩沖鹽種類還會影響溶液體積。例如，磷酸鹽具有高離子化體積，而Tris-HCl溶液離子化體積卻為零［30］。

3.2 氫鍵

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，高壓能夠穩(wěn)定氫鍵，這是由于高壓壓縮了酶分子的空間結(jié)構(gòu)，使得各原子之間間距減少。同時，在形成氫鍵或者使氫鍵穩(wěn)定時，溶液體積變化為負(fù)值，但是這個值很小，接近于可以忽略的水平。但是在壓力處理過程中，高壓是否會使溶劑和溶質(zhì)之間的氫鍵發(fā)生交換，目前尚有爭論［30-31］。

3.3 疏水相互作用

在親水介質(zhì)中，蛋白質(zhì)總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子內(nèi)部，親水殘基暴露在蛋白質(zhì)表面，這一現(xiàn)象在穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中起了重要作用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，較高壓力處理可以使疏水相互作用減弱。然而，另一方面，對于芳香族基團，經(jīng)高壓處理后，這些基團之間的疏水相互作用卻增強了，整個結(jié)構(gòu)趨向于穩(wěn)定［30］。

現(xiàn)在還沒有明確的證據(jù)證明在高壓處理過程中，哪一種非共價鍵變化占主要地位?？傊邏禾幚硎且粋€復(fù)雜的物理化學(xué)變化，可能上述非共價鍵變化兼而有之；也有可能是其中一種占主導(dǎo)地位，其余變化影響可以忽略不計。這可能是酶本身氨基酸構(gòu)成、排列方式、空間構(gòu)象與環(huán)境介質(zhì)種類，以及濃度綜合作用的結(jié)果。

4 用于超高壓處理及分析結(jié)果的新方法

4.1 快速動力學(xué)方法

在大多數(shù)情況下，酶反應(yīng)速率很快，通常在微秒級別酶分子催化反應(yīng)就已經(jīng)完成。為了更好地研究酶分子催化機制，減少反應(yīng)時間，可以降低反應(yīng)溫度，使中間態(tài)更加穩(wěn)定，從而能夠“捕獲”中間態(tài)過程。在此過程中還需要加入抗凍劑，如甘油、蔗糖等。另外一種方法是快速混合技術(shù)，這種方法需要特殊的停留裝置（圖3）［32］。這種裝置主要配有一個樣品傳輸高壓泵（部件2），它能夠使反應(yīng)物直接在高壓狀態(tài)下傳送至反應(yīng)容器中和另一個反應(yīng)物快速混合，5 ms之內(nèi)就可以使反應(yīng)物在200 MPa壓力下進行反應(yīng)，從而減少了由于實驗操作而帶來的固有時間［33］。

圖3 高壓停留裝置Fig.3High pressure stopped-flow apparatus

這種裝置現(xiàn)已普遍用于研究高壓下酶催化反應(yīng)［34-35］，例如，Kornblatt等［34］利用此裝置獲得了酵母烯醇酶在高壓下的失活動力學(xué)參數(shù)；而Balny等［35］利用此裝置更方便、更精確地得到了在極高壓力和低溫等極端條件下酶催化反應(yīng)的參數(shù)。

4.2 原位在線檢測

目前，很多研究采用紫外吸收光譜、熒光光譜以及紅外光譜等來表征超高壓下酶或者蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化。但是由于壓力處理酶蛋白質(zhì)，有時可能會存在可逆性回復(fù)等情況，因此現(xiàn)在大多使用原位在線檢測光譜技術(shù)，來實現(xiàn)實時觀測高壓狀態(tài)下酶蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化。這種原位檢測裝置最大的特點是，直接在高壓反應(yīng)釜上裝有光學(xué)視窗，然后和光譜儀偶聯(lián)，以實現(xiàn)直接觀測的目的。示意裝置如圖4所示［36］。

圖4 可與光譜偶聯(lián)的高壓裝置示意圖Fig.4High pressure optical bomb

目前，高壓-紫外光譜、高壓-熒光光譜、高壓-紅外光譜在表征酶蛋白質(zhì)構(gòu)象在高壓下的變化方面應(yīng)用較多。John等學(xué)者［37］利用高壓-紫外光譜研究了溶菌酶在高壓下聚合的情況。他們分析了高壓下其二階導(dǎo)數(shù)吸收光譜，發(fā)現(xiàn)溶菌酶中的酪氨酸在高壓的作用下更趨向于疏水環(huán)境，從而能更直觀地分析其在高壓下聚合的原因。而四階導(dǎo)數(shù)紫外吸收光譜則被認(rèn)為可以用來分析高壓處理過程中酶蛋白質(zhì)色氨酸微環(huán)境的變化，從而推測高壓對其三級結(jié)構(gòu)的影響［33］。此外，Ruan等［38-39］利用高壓-熒光光譜技術(shù)分析了胰蛋白酶、磷脂酶等在高壓下構(gòu)象的變化，亦取得了良好的效果。Degraeve等［40］利用高壓-紅外光譜技術(shù)分析了β-半乳糖苷酶在高溫高壓下構(gòu)象的變化后發(fā)現(xiàn)，高壓處理能夠阻止酶構(gòu)象被高溫破壞，溫度和壓力具有拮抗作用。利用高壓-紅外技術(shù)分析溶菌酶聚合現(xiàn)象也已有報道［37］。除此之外，也有一些文獻報道了利用高壓和動態(tài)光散射、高壓和核磁共振偶聯(lián)，分析高壓下酶構(gòu)象變化并取得了較好的結(jié)果［41-42］。

4.3 分子動力學(xué)模擬

分子動力學(xué)方法具有快速、簡便、精確等特點，目前已經(jīng)是研究生物分子的主要手段和工具之一，也是對實驗手段的有力補充［43］。使用分子動力學(xué)模擬可以從理論方面探索酶分子在各種條件如溫度、pH、壓力等條件下構(gòu)象及功能的變化，并且這類方法不需要任何的高精密儀器，從而突破了某些實驗條件的限制。一個典型的例子是McCarthy等［44］使用分子動力學(xué)模擬的方法，對比了溶菌酶在天然狀態(tài)及在100 MPa和300 MPa下構(gòu)象的變化。模擬結(jié)果表明，在高壓狀態(tài)下，溶菌酶空間結(jié)構(gòu)受到壓力作用而收縮，整個結(jié)構(gòu)更加致密，并且在此狀態(tài)下隨著壓力的升高疏水相互作用減弱。整個模擬結(jié)果和實驗結(jié)果十分吻合［44］。此外，高壓對氨基酸殘基的遷移、壓縮、水合等作用及其機制，也是研究的重點和熱點［45-47］。

5 展望

超高壓技術(shù)發(fā)展十分迅速，除了能夠使用它研究酶的催化功能以及構(gòu)象的變化外，還可以用它進行酶結(jié)晶［48］。研究發(fā)現(xiàn)，在高壓條件下，溶菌酶在飽和溶液中其溶解性下降，這有利于晶種的析出和晶體的形成。因此，在此條件下結(jié)晶所花費的時間可以大大縮短，并且此方法還有方便、簡單等特點［48-50］。

然而，目前在國內(nèi)，利用超高壓技術(shù)對酶的研究起步較晚、相對滯后，且僅集中于在高壓鈍酶方面的應(yīng)用。因此，需要進一步拓展和加深超高壓技術(shù)的研究和應(yīng)用，尤其是在超高壓改善酶催化速率、高壓下酶分子結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系模型建立、高壓下酶結(jié)晶等方面。隨著對此項技術(shù)研究的深入，將會進一步推動酶學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

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Effects of High Hydrostatic Pressure on Activity of Enzymes and the Mechanisms

JIANG Bo，LI Yungao，MIAO Ming，F(xiàn)ENG Biao
（State Key Laboratory of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

The mechanisms of the catalytic activity regulations and the conformation changes of enzyme under high hydrostatic pressure were summarized in this paper.Different characterization of the behaviour of enzyme under high pressure was also reviewed.In enzymology，high hydrostatic pressure could be used to modulate the enzymatic activities and explore the conformational changes，which has attracted more and more attention.This review also discussed the future developments of this technique.

high hydrostatic pressure，catalysis，conformation，mechanism，in-situ analysis

Q67

A

1673—1689（2015）06—0561—08

2014-11-03

教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目（2013博導(dǎo)類）

江波（1962-），男，江蘇無錫人，工學(xué)博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事酶學(xué)研究。E-mail：bjiang@jiangnan.edu.cn