热动力学方法在酶催化反应研究中的应用

热动力学方法在酶催化反应研究中的应用

摘要：本文介绍了热动力学方法在酶催化反应研究中的应用，主要包括酶活性的测定、酶催化反应动力学研究和生化常数的测定、酶抑制、激活动力学研究、还包括在酶反应热力学、物质构效关系研究等方面的应用。

关键词：热动力学；酶；应用

酶是存在于生物体内的一些具有专一性和高催化活性的蛋白质或核酸，它贯穿于生命活动的全过程，生命系统中的各种生物化学反应绝大多数都是在酶催化下完成的。因而对酶催化反应研究对于认识生命活动的本质，揭示生命的奥秘有着重要的意义。

具有非特异性的热动力学方法与具有高选择性和专一性酶催化反应体系相结合，恰好能够优势互补。因此，热动力学方法自建立之始便将酶反应确立为主要研究对象之一，反之，酶催化反应研究也借助热动力学方法这一有力的武器而得到了突飞猛进的发展。热动力学方法在酶催化反应研究中的应用，主要在以下几个方面取得了令人瞩目的成就。

1. 酶活性的测定

与经典的酶活性测定方法相比，热动力学方法的非特异性使其可以广泛地运用于许多酶反应体系的活性检测。热动力学方法作为一种新型的广谱性的酶活性检测方法，既可以用于 酶制品的活性检测，也能够用于生物组织中酶活性测定。不仅具有速度快、操作方便等优点， 而且可以将酶活性与其它生化常数同时测定。因而引起了人们足够的重视。

梁毅、汪存信等[1,2]利用热动力学方法研究了超氧化物歧化酶，提出了一种新的测定该酶活性的方法。望天志、屈松生等[3,4]测定了中国漆树漆酶在厌氧条件下，催化多种类型底物氧化反应的酶活性，讨论了底物的官能团及其位置对漆酶活性的影响。Lonhienne等[5]利用等温滴定热量计测定了在不同温度下，两种不同来源的壳多糖酶的活性，并计算了酶反应速率常数与活化能的参数。Graebner等[6,7]建立了一种通过酶热敏电阻，一量热法测定固定化酶活性的新方法，对于固定化酶技术的发展和利用有着重要的价值。

2. 酶催化反应动力学研究和生化常数的测定

热动力学方法研究酶催化反应动力学规律，测定反应体系的各种生化参数，是该方法应 用于酶反应体系研究的重要内容。根据酶反应过程的热谱图，既可以选取前期的热谱曲线， 也可以利用反应全过程的热谱曲线解析得到酶反应的动力学方程，并进而得到诸如米氏常 数、最大反应速率以及速率常数等重要参数。

梁毅、汪存信等[8-10]利用热动力学双参数模型研究了黄嗦吟氧化酶催化氧化黄嗦吟这一较快酶促反应的动力学规律，测定了其米氏常数和最大反应速率。吴鼎泉、屈松生等利用热动力学初始速率法研究了漆酶在厌氧条件下催化多种底物氧化反应的动力学。望天志等利用该方法研究了紫色酸性磷酸酷酶模型化合物催化ATP分解的动力学机制，证明该反应符合米氏机理。

3. 酶抑制、激活动力学研究

酶反应的抑制、激活动力学研究不仅有助于进一步弄清酶反应机理，探索酶的活性中心及其结构，从而全面而清晰地认识酶反应的规律，而且由于酶反应往往对抑制剂极为敏感，极其微量的抑制剂的存在就能对酶反应活性或反应速率有非常大的影响，因此可以利用特定的酶反应体系对经常作为抑制剂的痕量金属离子、维生素及其它物质的浓度分析。热动力学方法在这方面的研究因而十分活跃。

王志勇、汪存信等[11,12]首次利用热动力学方法研究了过氧化氢酶反应的底物抑制和氰根离子抑制动力学。在此研究基础上，谢修银、汪存信等进一步研究了该酶反应体系的NaN3抑制机理[13]以及抗坏血酸和Cu2+对过氧化氢酶的协同抑制，提出了对酶反应起抑制作用的主要是抗坏血酸的氧化中间体。梁毅等对精氨酸酶反应体系的产物及其它外源抑制剂的抑制动力学作了大量的研究工作，建立了有产物抑制和外源可逆抑制两种情况下的单底物酶促反应的热动力学对比进度法，提出了三种情况下(产物抑制、外源可逆抑制和不可逆抑制)四种抑制类型(竞争型、非竞争型、反竞争型和混合型)的热动力学判据。

热动力学方法用于酶反应激活研究还处于起步阶段，王志勇等在研究氨基酸抑制精 氨酸酶反应的过程中，发现了甘氨酸对反应有激活作用。

4. 酶反应其它方面的研究

由于热动力学方法能够同时提供待研究体系的多种信息，将其应用于酶反应体系，除了在以上几个方面取得了显著的研究成果外，在酶反应热力学、物质构效关系研究等方面也能够发挥其作用。在酶反应热力学研究中，热动力学方法不仅可以很方便的测定反应的总烩变，对于符合米氏机理的酶反应，热动力学方法还可以给出酶与底物形成酶一底复合物时的结合焙结合嫡及结合自由能。利用滴定量热法，也可以给出总反应的嫡变及自由能变化。望天志、吴鼎泉等利用热动力学方法研究漆酶催化多种底物反应时，报道了大量的反应热力学参数，并借助过度态理论，从反应体系能量变化的角度分析了漆酶反应过程。谢修银、汪存信等进一步研究了漆酶与底物复合过程的结合嫡和结合自由能，指出漆酶与底物复合过程符合诱导一契合模型。林瑞森等用微量热法以及荧光光度法研究了水一乙醇混合溶剂中过氧化氢酶活

性与构象的变化关系，首次将热动力学方法应用于物质构效关系研究。

5. 结语

热动力学方法作为一种古老而又年轻的实验技术，其自身正在从理论到方法不断地完善与发展。随着各种新型、多功能热量计的研制与使用，随着量热技术与其他实验方法的联合与渗透，热动力学方法将会在包括化学、生物学、化工生产、制药、医疗卫生等广阔的领域里发挥越来越大的作用。具有非特异性的热动力学方法与具有高选择性和专一性酶催化反应体系相结合，恰好能够优势互补。利用热动力学方法研究酶催化反应及其抑制与激活机制，对于认识有关酶反应的动力学机理，酶活性的测定与调空具有十分重要的意义。

参考文献：

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2. 梁毅，汪存信，屈松生等. 中国科学(B辑)，1998，28(4):361.

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4. 望天志，李卫萍，万洪文，屈松生等. 自然杂志，1997，19(6):361.

5.Lonhienne T，Baise E，Feller G，Biochimca et BioPhysica Acta，2001，1545:349.

6. Graebner H，Georgi U，Wolf G，Thermochim. Acta，1998，310:101.

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12. Wang Z.Y，Wang C，QuS.S. Thermoehim. Acta，2000，360:141.

13. 谢修银，王志勇，李霞，张恒. 武汉大学学报(理学版)，2002，48(4):405-408.