酶、温度和 pH

一道裂缝，切开淀粉

淀粉是一长串葡萄糖，一个接一个用 α-⁠1,4 键连着。唾液里的 α-⁠淀粉酶从链的中间下刀，切出麦芽糖和长短不一的糊精。

台上是人唾液 α-⁠淀粉酶，放大了六千万倍，形状按蛋白质数据库 PDB 1MFV 的原子坐标算出。蓝色的是它裂缝里的一段糖链：晶体里的酶把一个叫阿卡波糖的药物分子改造成了六个环的链，正好躺满裂缝里的六个位置。链伸出裂缝的部分是画的。

人们分离出的第一种酶就是淀粉酶：1833 年，Payen 和 Persoz 从发芽的大麦里得到它，叫它 diastase。英文里酶的名字大多以 -ase 结尾，这个词尾就来自它。

人唾液 α-⁠淀粉酶（PDB 1MFV）· 496 个氨基酸 · 裂缝里的糖链占 6 个位置

在第 −1 和 +1 个糖之间

糖链在裂缝里的六个位置编号为 −4 到 +2，酶在 −1 和 +1 之间切断。那里正对着三个酸性的侧链：Asp197 进攻 −1 号糖上的碳，Glu233 把一个质子递给断开的氧，Asp300 也不可少。一个水分子补上，键就断了。

酶切完一个键，自己没有变，放开产物，接着切下一个。它是催化剂，不被反应消耗。

没有酶时，葡萄糖之间的键泡在 25 °C 的水里，约 1,⁠100 万⁠年才断掉一半。人 α-⁠淀粉酶在 37 °C 下每秒能切约 175 个键（测试用的底物）。两者相比，快了约 10¹⁶–10¹⁷ 倍。

Asp197 · Glu233 · Asp300 · 水分子（示意）· 快了约 10¹⁶–10¹⁷ 倍（计算）

一段环会合拢

1894 年，Emil Fischer 把酶和底物比作锁和钥匙，形状本来就对得上。到了 1958 年，Daniel Koshland 提出诱导契合：底物结合时，酶的形状跟着变，把催化基团带到正确的位置。

唾液淀粉酶里就有这样一段：304 到 310 号是一段富含甘氨酸的环。没有糖时它松着；糖链躺进来，它变得有序，向糖链靠拢。

把没有糖的晶体和有糖的叠在一起比（PDB 1SMD 和 1MFV），308 号氨基酸的位置差了约 4.6 埃（计算）。两个晶体的条件不同，这个数只是一个量级。

304⁠–⁠310 环 · 有糖（1MFV）和没有糖（1SMD）· 308 号相差约 4.6 埃（计算）

形状来自折叠

这道裂缝不是刻出来的。酶是一条 496 个氨基酸的链，每颗珠子是一个氨基酸；链折叠起来，裂缝才出现。

这条链折成三个结构域：A 是一个 (β/α)₈ 桶，活性位点在它的顶上；B 没有固定的形态，一个钙离子夹在 B 和 A 之间，稳住结构；C 是一个希腊钥匙式的桶。

裂缝下面还有一个氯离子，帮着催化。把折叠维持在一起的，主要是许多弱的非共价作用：氢键、电荷之间的吸引、挤在内部的疏水侧链。

一条链，496 个氨基酸 · 结构域 A、B、C · 一个钙离子，一个氯离子

暖一点，快一点

分子在热运动。温度高一些，糖链和酶碰上的次数更多，碰上时带着足够能量、能越过反应能垒的比例也更大，反应就快。

快多少取决于活化能。猪胰 α-⁠淀粉酶水解淀粉，有研究测得约 49⁠–⁠50 千⁠焦/摩尔；照这个数，从 27 °C 升到 37 °C，反应约快 1.9 倍（计算）。不同研究报道的活化能从约 20 到 129 千⁠焦/摩尔不等，对应 1.3 到 5.3 倍。“每升高 10 °C 快一倍”只是粗略的说法。

活化能约 50 千⁠焦/摩尔时：27 → 37 °C 约快 1.9 倍（计算）

太热，折叠就散开

温度再升高，热运动开始扯断维持折叠的弱作用。链松开，裂缝变形，糖链再也躺不进去。唾液淀粉酶这样的酶，展开以后不会自己折回来。

测出的“最适温度”不是一个固定的数：测得越久，高温下坏掉的酶越多，最快的温度就越低。本页的模型里，测的时间越短，最快的温度越高：测 2 分⁠钟时约 49 °C，测 30 分⁠钟时约 41 °C。温度到了 60 °C，折叠几秒就散了。

煮鸡蛋时也是这样：蛋清里的蛋白质展开、粘成团，透明的蛋清就变成了乳白。其中卵转铁蛋白先变性，约在 61⁠–⁠65 °C。

本页的模型：测 2 分⁠钟最快约 49 °C · 测 30 分⁠钟约 41 °C · 松开的链是示意

pH 改变电荷

酶的表面和裂缝里有许多能得失质子的侧链。Asp、Glu 失去质子带负电，Lys、Arg 得到质子带正电，His 介于两者之间。pH 一变，这些侧链得失质子，电荷就变了。

在折叠的蛋白质里测得，Asp 的 pK 平均约 3.5，Glu 约 4.2，His 约 6.6，Lys 约 10.5。pH 7 时，Asp 和 Glu 几乎都带负电；到了 pH 2，几乎都不带了。

催化要两个基团都各就各位：Asp197 负责进攻，要带着负电；Glu233 负责递质子，要还握着质子。太酸，两个都握着质子；太碱，两个都放掉了。速率随 pH 因此是一条钟形曲线，人唾液淀粉酶最快在 pH 6.9⁠–⁠7.1。氯离子能抬高 Glu233 的 pKa，帮它握住质子。

红：带负电（Asp、Glu）· 蓝：带正电（Lys、Arg、His）· 示意

一路三个 pH

唾液的 pH 约 6.2⁠–⁠7.6，正合唾液淀粉酶。咽下去以后，胃里的 pH 约 1.0⁠–⁠2.5，那里的胃蛋白酶最快在约 pH 1.5⁠–⁠2.5，到了中性和碱性的溶液里反而失活。

唾液淀粉酶在胃里不会立刻停下：要等胃液酸到 pH 3.8⁠–⁠3.3，它才失活，而且淀粉还能护住它。有淀粉时，放在 pH 3、37 °C 下 60 分⁠钟，还剩 56% 的活性；没有淀粉，只剩 6%。

到了小肠，pH 回到约 6.6⁠–⁠7.5。胰液里的胰蛋白酶，最快在约 pH 7.5⁠–⁠9。每种酶的最适 pH 都和它干活的地方相配。

唾液 6.2⁠–⁠7.6 · 胃 1.0⁠–⁠2.5 · 小肠 6.6⁠–⁠7.5 · 胃蛋白酶最适 1.5⁠–⁠2.5

热泉里的酶

并不是每种酶都在 37 °C 上下最快。1969 年，Thomas Brock 和 Hudson Freeze 在黄石公园的温泉里找到了一种细菌：Thermus aquaticus。它的 DNA 聚合酶叫 Taq，最快在约 75⁠–⁠80 °C；到 97.5 °C，还要约 9 分⁠钟才坏掉一半。

1988 年，PCR 用上了 Taq：每一轮都要把 DNA 加热到接近沸腾、让两条链分开，耐热的 Taq 不用每轮重新加。

洗衣粉里的酶则往另一边去：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶让洗涤剂在 20 °C 的低温下也洗得干净。

Taq DNA 聚合酶：最适约 75⁠–⁠80 °C · 97.5 °C 下半衰期约 9 分⁠钟

碘液里的淀粉

学校里的做法：把淀粉液、淀粉酶和缓冲液混在试管里，放进水浴；每 10 秒取一滴，滴到白色点滴板上的碘液里。还有淀粉，碘液变蓝黑；淀粉切完了，碘液保持橙色。从开始到碘液不再变蓝黑的时间，倒过来就是速率。

蓝黑来自直链淀粉的螺旋：碘和碘离子排在螺旋里面。链越短，颜色越浅：40 到 130 个葡萄糖呈蓝色，25 到 40 个呈红色，10 到 25 个呈橙色，不到 10 个就不显色了。

常用的碘液是 0.01 摩尔每升，稀碘液也会染黄皮肤。碱会让蓝色消失，所以碱性很强的试管，碘液读不准。

每 10 秒一滴 · 蓝黑：还有淀粉 · 橙色：淀粉切完了

拆开这个模型

模型拆成五部分：结构域 A、B、C，裂缝里的糖链，钙离子和氯离子。A 留在架子上，B 和 C 移开，糖链和两个离子向前托出。

每个结构域的表面都按它自己的原子重新算过。指针停在哪一部分上，那一部分就被单独托出来，标出名字。

结构域 A · 结构域 B · 结构域 C · 糖链 · 钙离子和氯离子