重金属对木瓜蛋白酶的离子效应及作用机理

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木瓜蛋白酶是一类巯基蛋白酶,具高酶活性和高稳定性等特点,在食品、医药、日用化工、生物化学领域有着广阔的应用前景和较高的商业价值。同时,木瓜蛋白酶是当今研究最为广泛深入的一种蛋白酶,本文以木瓜蛋白酶为模型,优化了木瓜蛋白酶的酶解条件,研究了重金属离子Hg2+和Cu2+与蛋白酶的作用特性,阐述其作用机理。利用木瓜蛋白酶对明胶进行了水解,探讨了双金属离子Hg2+和Cu2+存在条件下酶的水解特性,以期为木瓜蛋白酶在工业中的应用提供理论依据和技术支撑。温度、pH值、反应时间、底物浓度、酶浓度等均会影响木瓜蛋白酶的活性。在45oC、pH7.0、酶和底物浓度分别为1.0mg/mL和2.0mg/mL条件下反应30min时,木瓜蛋白酶水解酪蛋白的活性最大。Hg2+、Cu2+和双金属Hg2++Cu2+与木瓜蛋白酶活性之间存在剂量-效应关系,表现出低剂量促进,高剂量抑制的Hormesis现象。Hg2+和Cu2+浓度分别为106mol/L和109mol/L时,木瓜蛋白酶相对酶活达到最高。Hg2+和Cu2+浓度均为104mol/L时,两种金属离子对酶的抑制作用最强。较低浓度下,相对于Hg2+而言,木瓜蛋白酶对Cu2+的刺激作用更为敏感,但高浓度下Cu2+的抑制作用则不如Hg2+。低浓度下,双金属Hg2+和Cu2+表现出协同激活效应;高浓度下,Cu2+的添加屏蔽了Hg2+的抑制作用。木瓜蛋白酶水解明胶最佳反应条件为:45oC、pH=7.0、明胶浓度50.0mg/mL、木瓜蛋白酶浓度2.0mg/mL、反应1h,此时明胶水解度约为13%,双金属离子Hg2++Cu2+对酶活性的影响与其对明胶水解度的影响正相关。双金属离子浓度为106mol/L Hg2+和108mol/L Cu2+时,对酶的激活效应最大,其处理的木瓜蛋白酶的有序结构(α-螺旋+β-折叠)含量最高,二级结构最稳定,酶与底物亲和力最强,活性最高。当双金属离子浓度为104mol/L Hg2+和104mol/L Cu2+时,其抑制力最强,处理的木瓜蛋白酶有序结构含量最低,二级结构破坏,活性最低。木瓜蛋白酶分子构象的有序度与其活性呈正相关。邹氏酶活性不可逆改变动力学模型拟合理论数据与本文实验结果相吻合(R2≥0.9926),用该模型可很好解释双金属离子Hg2++Cu2+与木瓜蛋白酶结合的动力学规律。研究表明,Hg2++Cu2+(106+108) mol/L对木瓜蛋白酶存在以竞争性不可逆激活作用为主的混合作用, Hg2++Cu2+(104+104) mol/L则对木瓜蛋白酶存在非竞争性不可逆抑制作用。
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