Question

为什么酶反应要在适度的PH值及温度条件下

Answer 1

一、影响酶高效催化的因素

1. PH值的影响。每种酶仅在较窄的pH范围内才表现出较高的活力，该pH值即是酶作用的最适pH值。一般来说，酶在最适pH值表现最稳定，因此酶作用的pH值也就是其稳定的pH值。酶反应pH值过高或过低，酶都会受到不可逆的破坏，稳定性、活力下降，甚至失活。不同酶的最适pH范围不同，偏酸性、中性、偏碱性的都有。比如根据作用最适pH值，常把蛋白酶分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶和碱性蛋白酶。酶作用pH值也是一定条件下，测得的参数。温度或底物不同，酶作用的最适pH不同，温度越高，酶作用的稳定pH范围越窄。因此，在酶催化反应过程中，必须严格控制反应的 pH值。

2. 温度的影响。在一定条件下，每种酶都有一个最适作用的温度，在此温度下酶活力最高，作用效果最好，酶也较稳定，酶催化反应的速度增加和酶活力的热变性损失达到平衡，这个温度便是酶作用的最适温度。每种酶还有一个活性稳定的温度，在此温度下在一定的时间、pH和酶浓度下，酶较稳定，不发生或极少发生活力下降，这一温度为酶的稳定温度。超过稳定温度进行作用，酶会急剧失活。酶的这种热灵敏性，可用临界失效温度Tc表示，指酶在1h丧失一半活力的温度。所以，一般只有在酶的有效温度范围内，才能进行有效的催化作用，温度每升高10℃，酶反应速度增加1～2倍。温度对酶作用的影响还与其受热的时间有关，反应时间延长，酶的最适温度会降低。另外，酶反应的底物浓度、缓冲液种类、激活剂和酶的纯度等因素，也会使酶的最适温度和稳定温度有所变化。

3. 酶浓度和底物浓度的影响。底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素，在一定的温度、pH及酶浓度的条件下。底物浓度很低时，酶的催化反应速度随底物浓度的增加而迅速加快，两者成正比。随着底物浓度的增加，反应速度减缓，不再按正比例升高。底物浓度和酶催化反应速度之间的关系，一般可用米氏方程式表示。有时底物浓度很高，还会因底物抑制作用造成酶反应速度下降。当底物浓度大大超过酶浓度，酶催化反应速度一般与酶浓度成正比。此外，如果酶浓度太低，酶有时会失效，使反应无法进行。在食品加工中所进行的酶催化反应，酶用量一般比底物量少许多，同时也要考虑酶的成本因素。

4. 抑制剂的影响。许多物质可以减弱、抑制，甚至破坏酶的作用，这些物质称为酶的抑制剂。如重金属离子（ Fe3+ 、 Cu2+ 、 Hg+ 、 Pb+ 等）、一氧化碳、硫化氢、有机阳离子、乙二胺和四乙酸等。

5. 激活剂的影响。许多物质具有保护和增加酶活性的作用，或者促使无活性的酶蛋白转变成有活性的酶，这些物质统称为酶激活剂。激活剂可分为三类：第一类是无机离子，如Na+、K+、Ca2+、、Mg2+、Cu2+、Co2+ 、Zn2+等阳离子，以及Cl-、NO3-、PO43-、SO42-等阴离子。第二类是分子较小的有机物，主要是维生素B族及其衍生物。第三类是具有蛋白质性质的高分子物质。激活剂对酶催化反应速度的影响与底物浓度相似，但在实际生产中应用很少。

6. 保存环境的影响。酶制剂在低温环境下处于休眠状态，要使酶长期保存而不失去活性，在10℃保存酶活损失5-10%/6个月，常温保存酶活损失10-15%/6个月。所以关键在于干燥和低温。热和光照都易使酶失去活性，因此，酶制剂应密闭储存在低温避光处。另外，酶制剂水分含量越高，越易失活，故一般粉状酶制剂易于保存和运输。此外，有些金属离子也能引起酶失去活性或抑制酶的活力，应避免选择金属离子的容器来保存酶制剂。

二、影响酶高效催化的机理

1.靠近和定向效应

化学反应的速度与反应物的浓度呈正比。“靠近”（邻近）是指酶的活性中心与底物靠近，对于双分子反应来说也包括酶活性部位与两底物分子之间的邻近。定向是指互相靠近的底物分子之间以及底物分子与酶活性部位的功能基团之间

正确的立体化学排列。这样就大大提高了酶活性中心局部区域的底物浓度。研究表明，在生理条件下，底物浓度一般很低（0.001mol / L），而在酶活性部位测得底物浓度达100mol / L，比溶液中高出十万倍。同时，专一性底物与酶分子靠近并与之结合时，酶分子构象发生一定变化，而导致其催化基团与结合基团正确排列与定位，为反应基团分子轨道杂交提供了良好的条件，使底物进入到过度态的熵变负值减小，反应的活化能降低，从而大大提高了反应速率。据估计靠近和定向效应约可使反应速度增加108 倍。

2.底物分子的形变与诱导契合

所有化学键均由电子形成，电子的迁移会引起这些键的重排和断裂。X-射线分析证明，酶与底物结合并进行反应时，在底物诱导酶活性中心的构象发生改变的同时，酶也可诱导底物分子构象发生变化，促使底物分子中的敏感键发生“形变”

，产生“电子张力“，以上变化有利于形成一个互相契合的酶-底物复合物，进一步形成过度态，大大增加酶促反应的速率。

3.酸碱催化

质子供体（酸）和质子受体（碱）形成的广义酸碱催化。在生物化学的反应中普遍存在。酶分子中存在许多酸性和碱性基团，它们可作为质子供体和质子受体，在特定的pH 条件下起到广义酸碱催化作用。如氨基、羧基、巯基、酚羟基和咪唑基。特别是咪唑基，既是一个很强的亲核基团（电子对供体），又是一个有效的酸碱催化基团。咪唑基的解离常数约为6.0 ，在接近生物体液的pH条件下，有一半以酸的形式存在，另一半以碱的形式存在。即咪唑基既可作为质子供体，也可作为质子受体在酶促反应中发挥作用，并且供出质子和接受质子的速度十分迅速（半寿期小于10-3秒），因此，咪唑基是最有效的、最活泼的催化基团。

4.共价催化

某些酶可以与底物形成一个反应活性很高的不稳定共价中间物，

此共价中间物很容易变成过度态，因而大大降低反应的活化能，致使底物能越过较低能阈形成产物。共价催化最一般的形式是催化剂的亲核基团对底物的亲电子碳原子进行攻击，形成共价中间物。酶蛋白中有三种主要亲核基团，Ser的羟基、Cys的巯基和His的咪唑基。

5.酶活性中心是低介电区域

酶活性中心穴内是相对疏水环境。酶的催化基团被低介电环境所包围，因此，底物分子的敏感键和酶的催化基团之间有很大的反应力。