趙力超,陳潔蘭,王 燕,劉 欣
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,廣東廣州 510642)
菠蘿莖蛋白酶含有多種不同蛋白水解酶組分,對(duì)多種蛋白質(zhì)及多肽具有催化水解活性,在醫(yī)藥和食品工業(yè)上應(yīng)用廣泛[1]。菠蘿蛋白酶作為一種生物大分子,與大部分酶一樣存在活力不穩(wěn)定問題,極易受到生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中諸多因素影響[2],極大地限制了其生產(chǎn)和應(yīng)用[3]。因此,其應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究熱點(diǎn)在于活性保護(hù)劑的研發(fā)和分子水平失活機(jī)理的闡釋。目前對(duì)于菠蘿蛋白酶失活和激活方面的研究,大多集中于活力影響因素種類和水平、活力保護(hù)劑種類和用量等方面的研究[4]。對(duì)其在儲(chǔ)存和加工應(yīng)用過程中不同因素造成失活機(jī)理、激活機(jī)理暫未見系統(tǒng)報(bào)道。通過分子構(gòu)象分析菠蘿莖蛋白酶失活、激活機(jī)理,對(duì)于生產(chǎn)中采用相應(yīng)的活力保護(hù)手段(添加蛋白熱穩(wěn)劑、還原劑、防腐劑、疏水基、巰基保護(hù)劑等),使酶在儲(chǔ)存和應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性提高,具有很好的應(yīng)用指導(dǎo)意義。作者前期已對(duì)多種的添加劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5],本文選擇其中不同種類的抑制劑和激活劑進(jìn)行進(jìn)一步構(gòu)效關(guān)系研究。菠蘿莖蛋白酶溶液三級(jí)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要內(nèi)容就是其氨基酸殘基的微區(qū)結(jié)構(gòu),因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的活性部位往往就在這些微區(qū)上,芳香氨基酸因常在蛋白質(zhì)功能方面表現(xiàn)重要作用且便于研究,在氨基酸微區(qū)的研究中占有重要地位[6]。菠蘿莖蛋白酶由其特定的空間構(gòu)象決定了其特有的生物功能。溶液構(gòu)象研究是從宏觀上掌握菠蘿莖蛋白酶整體結(jié)構(gòu)和了解菠蘿莖蛋白酶在生理狀態(tài)下發(fā)揮活性作用時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的關(guān)鍵。研究抑制劑和激活劑與酶的相互作用,是從分子水平上闡明酶失活和激活機(jī)理的基礎(chǔ)。本文采用紫外光譜法和CD光譜法,研究不同抑制劑和激活劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶活力、動(dòng)力學(xué)參數(shù)及光譜特性等的影響,綜合失活和激活兩方面的規(guī)律,總結(jié)菠蘿莖蛋白酶構(gòu)效變化機(jī)制,為菠蘿莖蛋白酶的工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
表1 不同濃度抑制劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶酶活的抑制率(%)Table1 Inhibition rate of stem bromelain with different concentrations of inhibitors(%)
表2 不同濃度抑制劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶的Km和Vmax的影響Table2 Kmand Vmaxof stem bromelain with different concentrations of inhibitors
菠蘿莖蛋白酶 由湛江徐聞縣美侖生物制品有限公司提供;其它試劑 均為分析純。
Jasco 500c型圓二色譜儀 日本Jasco公司;UV-3010紫外可見分光光度計(jì) 日本日立公司。
1.2.1 酶活測(cè)定 參考施特爾馬赫[7]酪蛋白法。
1.2.2 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)測(cè)定 酶解動(dòng)力學(xué)利用米氏(Michaelis- Menten)方程計(jì)算[8],酶變性速度利用Guggenheim法計(jì)算[9],變性速率常數(shù)查考鄒承魯法[10]。
1.2.3 紫外差吸收光譜測(cè)定 采用紫外-可見分光光度儀檢測(cè)190~400nm的紫外吸收光譜(雙光束,狹縫寬度1.0nm,石英吸收池光徑10mm,室溫25℃)。結(jié)合參比,繪制紫外差吸收光譜。
1.2.4 CD光譜測(cè)定 采用圓二色譜儀檢測(cè)190~240nm的遠(yuǎn)紫外吸收光譜(100μL液池,光徑0.lmm,25℃恒溫),數(shù)據(jù)采集間隔0.5nm,累加4次測(cè)量求平均值消除儀器噪音。用儀器附帶的Moffit-Yang運(yùn)算法,計(jì)算樣品分子中各二級(jí)結(jié)構(gòu)的含量。
1.2.5 抑制劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶構(gòu)象與活力的影響抑制劑選擇Cu2+和十二烷基磺酸鈉(SDS),Cu2+的終濃度設(shè)定為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mmol/L,SDS 終濃度設(shè)定為 2、4、6、8、10mmol/L。測(cè)定不同濃度抑制劑存在時(shí)菠蘿莖蛋白酶以上相關(guān)指標(biāo);測(cè)定紫外差吸收光譜時(shí),處理時(shí)間為10min;測(cè)定 CD色譜時(shí),固定Cu2+濃度 0.6mmol/Lol/L、SDS 濃度 6mmol/Lol/L,處理時(shí)間為10min。酶活抑制率(%)=(對(duì)照酶活-各試劑處理后酶活)/對(duì)照酶活×100。
1.2.6 激活劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶構(gòu)象與活力的影響激活劑選擇乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na)、偏重亞硫酸鈉(Na2S2O5)、β-巰基乙醇(β-ME),Na2S2O5的終濃度分別為 0.02、0.04、0.06、0.08、0.10mmol/L,EDTA-2Na和 β-ME 的終濃度設(shè)定為 0.2、0.4、0.6、0.8、1.0mmol/L。相對(duì)酶活 =添加激活劑的酶活/不加激活劑的酶活。
2.1.1 抑制劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶活力的影響 不同濃度Cu2+和SDS一定時(shí)間內(nèi)對(duì)菠蘿莖蛋白酶活力的影響情況如表1所示。
由表1可知,在抑制劑作用下菠蘿莖蛋白酶活力明顯降低,且隨抑制劑濃度的升高、作用時(shí)間的延長繼續(xù)降低。在1.0mmol/L Cu2+或10mmol/L SDS存在時(shí),作用50min,酶活基本被全部抑制。
2.1.2 抑制劑抑制類型分析 在含有不同濃度Cu2+和SDS的環(huán)境中,菠蘿莖蛋白酶Km和Vmax值如表2所示。
由表2可知,Cu2+對(duì)菠蘿莖蛋白酶的抑制作用為競(jìng)爭(zhēng)性抑制,最大反應(yīng)速度Vmax沒有變化,而抑制常數(shù)Km值隨Cu2+濃度的增大而下降。Cu2+的抑制機(jī)制可能是因其與菠蘿莖蛋白酶催化中心的巰基(E-SH)形成巰醇鹽(E-S-Cu)[11]。從而導(dǎo)致酶與底物的可結(jié)合性變小,從而導(dǎo)致Km下降。而SDS對(duì)菠蘿莖蛋白酶的抑制作用為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制,抑制常數(shù)Km值沒有變化,而最大反應(yīng)速度Vmax隨SDS濃度的增大而下降。Ibel等人[12]提出表面活性劑與蛋白質(zhì)的作用主要是疏水基與蛋白質(zhì)發(fā)生作用,而陰離子表面活性劑的親水基端與酶分子可能發(fā)生吸附作用。當(dāng)表面活性劑濃度較高時(shí),與同一酶分子結(jié)合的表面活性劑分子數(shù)增多,它們之間的相互作用太強(qiáng)亦會(huì)破壞酶的活性。同時(shí),由于SDS是一種電解質(zhì),因此能通過離子效應(yīng)減弱維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的靜電相互作用。
表3 不同濃度抑制劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶變性與失活速度的影響Table3 Degeneration and inactivation rate constants of stem bromelain with different concentrations of inhibitors
2.1.3 抑制劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶的變性和失活速度的影響 在含有不同濃度Cu2+和SDS的環(huán)境中,菠蘿莖蛋白酶的變性和失活速度分別如表3所示。
由表3可知,Cu2+和SDS作用下的菠蘿莖蛋白酶失活表現(xiàn)出兩相變化,快相變化速度是慢相的兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外,酶的變性與失活表現(xiàn)為不同步性,快相的失活速度高于變性速度,而慢相的失活速度則低于變性速度。抑制劑作用下菠蘿莖蛋白酶的失活表現(xiàn)為快慢兩相,這意味著可能存在著變性與失活的多相反應(yīng)中間過渡態(tài)。對(duì)于酶反應(yīng)前期這種快失活慢變構(gòu)的特征,說明酶的活性部位位于對(duì)Cu2+較為脆弱的特殊的構(gòu)象區(qū)域,與整個(gè)酶分子比較,對(duì)Cu2+更為敏感,其構(gòu)象的輕微變化迅速地影響到酶的催化活性,這可能涉及維系酶活力中心的次級(jí)鍵牢固程度不同所致[13]。該結(jié)論與Cu2+為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑相一致。而從SDS的快失活慢變構(gòu)的特征說明,雖然SDS是非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑,但酶活性部位較整體構(gòu)象而言更容易受到SDS的影響,使酶活力變化快于其整體構(gòu)象的變化[6]。
2.1.4 抑制劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶構(gòu)象的影響 在含有不同濃度Cu2+和SDS的環(huán)境中,菠蘿莖蛋白酶紫外吸收差光譜圖分別如圖1和圖2所示。根據(jù)菠蘿莖蛋白酶CD譜圖(略),計(jì)算出菠蘿莖蛋白酶分子中各二級(jí)結(jié)構(gòu)的含量,如表4所示。
表4 抑制劑處理后菠蘿莖蛋白酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量變化Table4 The percentages of the secondary structure of stem bromelain with inhibitors
圖1 不同濃度Cu2+影響下菠蘿莖蛋白酶紫外差吸收光譜圖Fig.1 UV difference absorption spectra of stem bromelain with different Cu2+concentrations
圖2 不同濃度SDS影響下菠蘿莖蛋白酶紫外差吸收光譜圖Fig.2 UV difference absorption spectra of stem bromelain with different SDS concentrations
由圖1和表4可看出,含Cu2+菠蘿莖蛋白酶的紫外差吸收光譜變化相對(duì)劇烈,在190~330nm出現(xiàn)差吸收負(fù)峰,并隨著Cu2+離子濃度的增加,吸收峰強(qiáng)度增大,其主要的兩個(gè)負(fù)吸收峰位分別位于202、250nm處,但峰型并不是非常顯著。而二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋含量顯著下降,β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲含量都稍提高。推測(cè)Cu2+與酶蛋白的結(jié)合導(dǎo)致蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,芳香族氨基酸的位置暴露,更加親水或者蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)變得更加松散,從而使得Cu2+離子結(jié)合后菠蘿莖蛋白酶的紫外光譜發(fā)生明顯變化[14-15]。
由圖2可看出,不同濃度SDS處理后菠蘿莖蛋白酶的紫外吸收光譜發(fā)生明顯變化,在196、232nm處出現(xiàn)差吸收負(fù)峰,并隨著SDS濃度的增大負(fù)峰強(qiáng)度增大;在220nm處出現(xiàn)差吸收正峰,且隨著SDS濃度的增大正峰強(qiáng)度逐漸減弱;在270~310nm出現(xiàn)寬而扁平的差吸收負(fù)峰,也隨著SDS濃度的增大負(fù)峰強(qiáng)度有增大趨勢(shì)。酶在 220[6]、232nm[16]處差吸收峰說明了酶的α-螺旋度值的降低,肽鏈變的松散,酶分子由有序結(jié)構(gòu)變成無規(guī)卷曲。Trp在220nm左右有強(qiáng)吸收峰[17],210~230nm 范圍內(nèi)的差光譜正峰的出現(xiàn)反映了色氨酸殘基微環(huán)境的改變。Fasman[18]認(rèn)為225~235nm的吸收差變化與芳香族氨基酸和二硫鍵微環(huán)境變化相關(guān),278、286、295nm出現(xiàn)差吸收峰說明酶分子中Tyr、Trp和Phe由深埋在分子內(nèi)部轉(zhuǎn)移到分子表面的極性環(huán)境中,改變程度隨SDS濃度增大而擴(kuò)大。所以,SDS的加入,使菠蘿莖蛋白酶的肽鏈發(fā)生去折疊或某種程度的伸展,原來深埋于分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)暴露出來,其內(nèi)部的疏水基團(tuán)或疏水結(jié)合點(diǎn)裸露從而使紫外吸收變?nèi)酢?/p>
表5 菠蘿莖蛋白酶在不同濃度激活劑中的相對(duì)酶活Table5 Relative enzyme activity of stem bromelain with different concentrations of activators
實(shí)驗(yàn)中菠蘿莖蛋白酶在2mmol/L SDS溶液中變性達(dá)到平衡時(shí)紫外光譜未發(fā)生大的變化,但酶的活力已喪失約70%。該階段酶的失活明顯早于酶分子整體構(gòu)象變化,這表明酶的活性部位處于分子中有限的容易被抑制劑擾亂的區(qū)域?;钚圆课唤Y(jié)構(gòu)及有關(guān)臂運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)與整體構(gòu)象相比更具柔性。本文結(jié)果支持了鄒氏酶活性部位的柔性理論。
2.2.1 激活劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶活力的影響 不同濃度EDTA-2Na、Na2S2O5和β-ME一定時(shí)間內(nèi)對(duì)菠蘿莖蛋白酶活力的影響情況如表5所示。
由表 5可見,在含有 EDTA-2Na、Na2S2O5和β-ME的環(huán)境中,菠蘿莖蛋白酶活力均出現(xiàn)一定程度的提高,其相對(duì)活力均大于1。激活能力由大到小為:Na2S2O5>β-ME>EDTA-2Na。不同濃度激活劑處理菠蘿莖蛋白酶,在一定范圍內(nèi)酶活性隨激活劑濃度升高而增強(qiáng),但當(dāng)激活劑超過一定濃度后,酶活又隨著激活劑濃度增大而緩慢降低。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于適當(dāng)濃度的激活劑更容易改變酶的構(gòu)象,使之處于一種活化的狀態(tài),內(nèi)部被氧化的Cys殘基能更多地接觸到激活劑,酶分子則可以更好地調(diào)整構(gòu)象,使之更有利于催化。而當(dāng)體系中激活劑濃度超過最佳值時(shí),它對(duì)酶構(gòu)象的改變超出了酶的承受能力,雖然更有利于酶的激活,但有一定破壞作用。
2.2.2 激活劑對(duì)菠蘿莖蛋白酶構(gòu)象的影響 在含有不同濃度EDTA-2Na、Na2S2O5及β-ME的環(huán)境中,菠蘿莖蛋白酶紫外差光譜圖分別如圖3~圖5所示。根據(jù)菠蘿莖蛋白酶CD譜圖(略),計(jì)算出菠蘿莖蛋白酶分子中各二級(jí)結(jié)構(gòu)的含量,如表6所示。
圖3 不同濃度EDTA-2Na影響下菠蘿莖蛋白酶紫外差吸收光譜圖Fig.3 UV difference absorption spectra of stem bromelain with different EDTA-2Na concentrations
圖4 不同濃度Na2S2O5影響下菠蘿莖蛋白酶紫外差吸收光譜圖Fig.4 UV difference absorption spectra of stem bromelain with different Na2S2O5concentrations
表6 激活劑處理后菠蘿莖蛋白酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)含量變化Table6 The percentages of the secondary structure of stem bromelain with activators
由圖3~圖5可知,隨著激活劑的添加,菠蘿莖蛋白酶紫外差吸收峰主要出現(xiàn)在230nm以下,且最大差吸收峰位于197~200nm之間。一般認(rèn)為230nm以下的差光譜可以反映酶蛋白主鏈構(gòu)象的變化,240~300nm范圍內(nèi)的差光譜則是 Trp、Tyr、Phe以及-S-S-的貢獻(xiàn)。所以,激活劑作用下菠蘿莖蛋白酶分子構(gòu)象只涉及主鏈構(gòu)象的變化,未涉及基團(tuán)構(gòu)象的變化,激活劑作用下雖然改變了酶分子的二級(jí)結(jié)構(gòu),但并未造成疏水基團(tuán)的暴露,酶分子的活性中心仍被疏水基團(tuán)圍繞。因此,酶分子活力得到保持。而抑制劑作用下酶分子的構(gòu)象變化更為劇烈,二級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生松散,疏水基團(tuán)發(fā)生暴露并在230nm產(chǎn)生Phe、Tyr和Trp的吸收峰,從而造成酶分子活力下降。
圖5 不同濃度β-ME影響下菠蘿莖蛋白酶紫外差吸收光譜圖Fig.5 UV difference absorption spectra of stem bromelain with different β-ME concentrations
表6顯示,激活劑作用下菠蘿莖蛋白酶分子均出現(xiàn)α-螺旋含量下降、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲含量增加,酶分子結(jié)構(gòu)趨向于松散,但其構(gòu)象的變化并不如添加SDS和Cu2+時(shí)劇烈。相反,由于酶分子結(jié)構(gòu)的松散,激活劑更易于進(jìn)入酶分子的疏水區(qū)對(duì)已經(jīng)氧化的巰基進(jìn)行還原,底物也更易于進(jìn)入酶分子的疏水裂隙,造就了一種酶分子與底物結(jié)合更為容易的狀態(tài),使得酶分子被激活。所以,酶的激活現(xiàn)象是有普遍性的,許多酶在一定化學(xué)試劑的作用下可以提高活性,這說明酶的天然構(gòu)象并不一定是其表現(xiàn)活力的最佳構(gòu)象。酶活性部位柔性假說認(rèn)為,酶的激活現(xiàn)象“雖然很可能也同時(shí)發(fā)生了酶分子整體的部分伸展,但活力的提高仍然是由于適當(dāng)增加了酶活性部位柔性所造成的”[19]。但這種結(jié)構(gòu)的松散并不是越大越好,其存在一個(gè)度的問題,與二級(jí)結(jié)構(gòu)α-螺旋、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲的變化程度有關(guān)。
本文很好驗(yàn)證了這一點(diǎn),酶分子的激活需要α-螺旋一定程度的下降。EDTA-2Na處理下酶分子α-螺旋下降程度不夠(α-螺旋含量由15.7下降到14.5),酶活提高不明顯;偏Na2S2O5和β-ME處理下酶分子α-螺旋下降程度較EDTA-2Na大(α-螺旋含量由15.7分別下降到9.7和9.1),其中,Na2S2O5對(duì)酶活的提升最明顯;繼續(xù)降低酶分子α-螺旋含量,SDS和Cu2+作用下酶分子α-螺旋含量下降最明顯,但卻表現(xiàn)出酶活的抑制作用。反觀β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲也可得出類似結(jié)果。這就表明菠蘿莖蛋白酶分子的激活和失活均取決于其二級(jí)構(gòu)象的變化程度。
本文首次采用紫外差光譜法、CD光譜法并結(jié)合酶解動(dòng)力學(xué)、失活動(dòng)力學(xué)等基本數(shù)據(jù),綜合菠蘿莖蛋白酶的失活和激活兩方面實(shí)驗(yàn),從構(gòu)象和活力變化的規(guī)律闡述酶的失活及激活機(jī)理。研究表明,抑制劑與激活劑作用下菠蘿莖蛋白酶CD圖譜均表現(xiàn)為α-螺旋度降低,β-折疊、β-轉(zhuǎn)角以及無規(guī)卷曲含量的不同程度提高,但抑制劑作用下螺旋降低、折疊與卷曲的升高程度更明顯。此外,抑制劑與激活劑作用下菠蘿莖蛋白酶的紫外差吸收光譜也顯示差異,激活劑作用下主要表現(xiàn)為230nm以下的二級(jí)結(jié)構(gòu)變化,而抑制劑除上述變化外,還顯示生色基團(tuán)Trp、Tyr、Phe的暴露,表明抑制劑作用下酶分子構(gòu)象變化更劇烈。進(jìn)一步推測(cè):酶分子的天然構(gòu)象并非其活力表現(xiàn)最適構(gòu)象,酶分子的適度松散,更有利于激活劑進(jìn)入活性中心,從而還原巰基,激活酶分子,同時(shí),酶分子的適度松散可能更有利于底物進(jìn)入活性中心進(jìn)行催化作用,提高酶分子活力。
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