亿学与生物Z程2011,Vo1.28 No.10 Chemistry&Bioengineering doi:10.3969/j.issn.1672—5425.2011.10.020 反胶束体系中固定化胃蛋白酶的催化性质研究 伏振字 ,李志光 ,何纯莲 (1.湖南农业大学理学院,湖南长沙410128;2.湖南师范大学医学院,湖南长沙410006) 摘 要:将胃蛋白酶加至CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)/环己烷/正辛醇反胶束体系中得到固定化胃蛋白酶,研究 了反胶束含水率、乙醇体积分数对固定化胃蛋白酶活力的影响,并对固定化胃蛋白酶和游离胃蛋白酶的催化性质进行了 比较研究。结果表明,反胶束含水率为12 、乙醇体积分数为3O 时,固定化胃蛋白酶的活力达到最佳;固定化胃蛋白 酶和游离胃蛋白酶的酶促反应最适温度分别为5O℃和4O℃、最适Ca 浓度分别为0.02 mo1.LI1和0.01 mo1.L_。; 对酪蛋白的米氏常数K 分别为l_22×10 mo1.L 和1.29×10 mol・L-。。固定化胃蛋白酶较游离胃蛋白酶具有 更高的酶活力、更好的热稳定性和储存稳定性。 关键词:胃蛋白酶;CTAB(十六烷基三甲基溴化铵);反胶束;酶活力 中图分类号:Q 814.2 文献标识码:A 文章编号:1672—5425(2011)10—0075—04 反胶束酶反应系统是胶体界面化学与生物技术交 叉领域的研究内容口]。在非水有机介质中,对反胶束 体系酶催化性能的研究已受到广泛关注[2 ]。反胶束 体系包括3个组成部分:表面活性剂、水和非极性有机 质进行了比较,拟为反胶束中胃蛋白酶用于酶法测定 提供参考。 1 实验 1.1试剂与仪器 胃蛋白酶,上海泛柯生物科技有限公司;酪蛋白, 溶剂。表面活性剂的极性头部指向含水微球的内部, 脂肪族的尾部指向非极性有机溶剂。在反胶束体系中 水结构的形成可能与生物膜类似 ,有资料指出,当酶 处在细胞内的环境中时,反胶束体系能够与周围的微 环境相适应 ]。 杭州微生物试剂有限公司;L一酪氨酸,西安沃尔森生物 技术有限公司;CTAB,湖南湘中化学试剂有限公司; 其它试剂均为分析纯。 WFZ800一D3B型紫外可见分光光度计,北京瑞利 反胶束介质在宏观上为均一透明的热力学稳定体 系,在微观上则可视为由高度分散的单个反胶束聚集 分析仪器公司;空气摇床,上海智城分析仪器制造有限 公司;TDL-4ZB型台式低速自动平衡离心机,湖南星 体构成的非均一溶液,可为反应提供受纳米尺度 的介观环境,因而被视为纳米反应器的一种类型¨1]。 科科学仪器有限公司;ZSD-2型卡尔费休水分测定仪, 上海易友仪器有限公司;JY88-IIN型超声波细胞粉碎 机,宁波新芝生物科技股份有限公司。 1.2方法 近年来,随着纳米科学技术的迅速发展,反胶束作为纳 米反应器的优点也不断凸现[9 ,被视为很容易改变 酶的物理性质的微型反应器。人们通过改变这种环境 的物理性质,有可能在发生反应的“水池”里定制各种 性质的模型。 1.2.1 胃蛋白酶溶液的制备 准确称量25 mg胃蛋白酶,用pH一3的磷酸氢二 钠一柠檬酸缓冲溶液溶解并定容至50 mL,即得0.5 mg・mL 的胃蛋白酶溶液。 1.2.2 固定化胃蛋白酶的制备 CTAB反胶束体系的制备:称量9.0 g CTAB,加 入30 mL环己烷和120 mI 正辛醇,置于超声波细胞 胃蛋白酶在监测分析和食品工业中具有重要价 值。作者在此用CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)/环 己烷/正辛醇反胶束体系固定胃蛋白酶,讨论了反胶束 体系含水率、乙醇体积分数对固定化胃蛋白酶活力的 影响,并对固定化胃蛋白酶与游离胃蛋白酶的催化性 收稿日期:20l1一O7 21 作者简介:伏振宇(1987一),男,湖南人,硕士研究生,研究方向:生物酶催化性质,E—mail:fuzhy567@126.corn;通讯作者:李志光,教 授,博士生导师,E mail:a-08888@163.corn。 伏振字等:反胶束体系中固定化胃蛋白酶的催化性质研究/2011年簟1O期 粉碎机中溶解至无色透明,冷却后于4℃冰箱中保存。 取10 L 0.5 mg・mI 一 的胃蛋白酶溶液和80 g ● “L pH=3的缓冲溶液加至2.0 mL CTAB反胶束体 3 系中,用力振荡,置于恒温摇床中180 r・min_。振荡 20 min至无色透明,即制得胃蛋白酶反胶束。取90 “I 8.0 mg・rnL 的酪蛋白,加至2.0 mI CTAB反 胶束体系中,用力振荡,置于恒温摇床中180 r・min 振荡20 min至无色透明,即制得酪蛋白反胶束。 改变注入反胶束体系中缓冲溶液的体积,可以获 得不同含水率的胃蛋白酶反胶束和酪蛋白反胶束。为 测定助溶剂乙醇对固定化胃蛋白酶的影响,制备了不 同乙醇体积分数的胃蛋白酶反胶束和酪蛋白反胶束。 1.2.3 固定化胃蛋白酶催化性质研究 为了避免胃蛋白酶与表面活性剂或有机溶剂接触 可能导致的酶变性,将胃蛋白酶反胶束和酪蛋白反胶 束进行混合,引发固定化酶的催化反应,以研究反胶束 体系中固定化胃蛋白酶的催化性质。 1.3分析测试 1.3.1 酶活力的测定 酶活力定义:在一定条件下,每分钟催化水解酪蛋 白生成1/xmol酪氨酸的酶量为一个蛋白酶活力单位。 在25。C,用紫外可见分光光度计检测275 nm水 解酪蛋白的吸光度增加量。 1.3.2酶动力学参数的测定 酶动力学参数可由米氏方程测定: Vmaxf 一—K—m ̄C 式中: 为酶促反应速率; …为酶被底物饱和时 的反应速度;c为底物浓度;K 为米氏常数,表示 一 (i/2) 时的底物浓度。 2结果与讨论 2.1含水率对固定化胃蛋白酶活力的影响 25℃下,改变注入反胶束体系中缓冲溶液的体 积,获得含水率为7 ~18%的胃蛋白酶反胶束和酪 蛋白反胶束,混合,引发酶促反应,然后用紫外可见分 光光度计检测275 nlTl水解酪蛋白的吸光度增加量, 考察含水率对固定化胃蛋白酶活力的影响,结果见图 1。 由图1可知,反胶束含水率为12 9/6时固定化胃蛋 白酶有最大的催化效率。当含水率低于12 时,酶活 力随着含水率的增加而上升;当含水率高于12 时, 酶活力随着含水率的增加呈现下降的趋势。这是因 为,在反胶束内,可能存在不同水结构的区域口 ,一个 姆 溢 删 回 含水率,% 图1含水率对固定化胃蛋白酶活力的影响 Fig.1 Effect of micellar water content on enzymatic activity of immobilized pepsin 区域的周围有表面活性剂的极性头部,而另一个区域 则是“水池”中间的自由水。在低含水率下,所有的水 被结构化,酶的稳定性较高;当含水率增加时,反胶束 的水结构会改变,固定化酶的活力相应升高,直至达到 最高;当含水率继续增加时,自由水的含量会增加,固 定化酶的活力和稳定性均会降低;在更高的含水率下, 由于反胶束体系的不稳定性导致固定化酶活力急剧下 降。 2.2 乙醇体积分数对固定化胃蛋白酶活力的影响 25℃下,将乙醇体积分数为0 、10 、20 、 3o 、4o 、5o 的胃蛋白酶反胶束和乙醇体积分数为 0%、10 、20 、30 、40 、50 的酪蛋白反胶束混 合,引发酶促反应,然后用紫外可见分光光度计检测 275 nm水解酪蛋白的吸光度增加量,考察乙醇体积分 数对固定化胃蛋白酶活力的影响,结果见图2。 鲁 ● _R 蜒 溢 回 乙醇体积分数,% 图2 乙醇体积分数对固定化胃蛋白酶活力的影响 Fig.2 Effect of ethanol volume fraction on the enzymatic activity of immobilized pepsin 由图2可知,反胶束的乙醇体积分数为3O%时固 定化胃蛋白酶有最大的催化效率。当乙醇体积分数低 于30%时,酶活力随着乙醇体积分数的增加而上升; 当乙醇体积分数高于30 时,酶活力随着乙醇体积分 数的增加呈现下降的趋势。这是因为,在较低乙醇体 积分数下,乙醇的助溶作用使胃蛋白酶进入到“水池” 伏振字等:反胶束体系中固定化胃蛋白酶的催化性质研究/2011年嗣10期 中,从而避免了有机溶剂和表面活性剂对其活性位点 的抑制作用口 ,胃蛋白酶活力随乙醇体积分数的增加 而上升;而在较高乙醇体积分数下,由于反胶束体系的 不稳定性导致固定化胃蛋白酶活力下降。 2.3游离酶和固定化酶的最适温度 不同温度下游离胃蛋白酶和固定化胃蛋白酶的相 对酶活力见图3。 R 蜒 避 按 温度/'c 图3温度对胃蛋白酶活力的影响 Fig.3 Effect of temperature on the enzymatic activity of pepsin 由图3可知,游离胃蛋白酶的最适温度为40℃, 酶活力随温度的升高变化幅度较小;固定化胃蛋白酶 的最适温度为50℃,酶活力随温度的升高变化幅度较 大。这表明固定化胃蛋白酶对温度变化较明显、敏感。 经固定化后,由于反胶束外层的非极性尾部对“水池” 中的胃蛋白酶有保护作用,使胃蛋白酶的热稳定性增 强,最适温度升高了1O℃。 2.4游离酶和固定化酶的最适Ca 浓度 向缓冲溶液中加入不同浓度的Ca抖,配制成不同 浓度的含胃蛋白酶的Ca 溶液,进行酶促反应,测定 酶活力,结果见图4。 R !}g 髓 嚣 Ca 浓度/mol・L。。 图4 Ca2 浓度对胃蛋白酶活力的影响 Fig.4 Effect of Ca concentration on the enzymatic activity of pepsin 由图4可知,游离胃蛋白酶和固定化胃蛋白酶的 最适Ca 浓度分别为0.01 mol・I 和0.02 tool・ L-。。加入一定浓度的Ca 能使游离胃蛋白酶活力上 升,原因可能是在Ca 存在下,酪蛋白的蛋白质结构 变得疏松,增加了胃蛋白酶作用的接触位点,酶活力相 应升高;但当Ca抖浓度超过0.01 tool・L 时,酶活力 反而呈现下降的趋势。而固定化胃蛋白酶活力只在一 个较窄Ca。 浓度范围显著上升,当Ca 浓度超过 0.02 mol・L 时酶活力反而降低。原因可能是 CTAB是阳离子表面活性剂,当加入过量的Ca。 时, 反胶束内酶所处的微水环境的离子强度过高,会抑制 胃蛋白酶的活性 ]。 2.5游离酶和固定化酶的动力学参数 分别配制不同浓度的酪蛋白溶液和酪蛋白反胶 束,进行酶促反应,测定游离胃蛋白酶和固定化胃蛋白 酶的动力学参数,采用双倒数法作图,结果见图5。 图5胃蛋白酶的Lineweaver-Burk曲线 Fig.5 Lineweaver-Burk plots of pepsin 在25℃、pH值为3的条件下,游离胃蛋白酶的 动力学参数为K 一1.29×10 mol・L~、 …一 4.00×10  ̄tmol・I ・min_。;固定化胃蛋白酶的 动力学参数为K 一1.22×10 mol・L_。、 …一 2.64×10 t ̄mol・L ・min_。。固定化胃蛋白酶的 米氏常数K 比游离胃蛋白酶的小,说明反胶束体系 中固定化胃蛋白酶与底物的亲和力有所增大。 2.6游离酶和固定化酶的储存稳定性 25℃下,游离胃蛋白酶和固定化胃蛋白酶的储存 稳定性见图6。 蜒 避 ‘靛 放置时间,d 图6胃蛋白酶的储存稳定性 Fig.6 The storage stability of pepsin at 25℃ 伏振字等:反胶束体系中固定化胃蛋白酶的催化性质研究/2011年囊10期 由图6可知,固定化胃蛋白酶的储存稳定性比游 离胃蛋白酶的要好。25℃放置5 d后,固定化胃蛋白 酶保留37 的酶活力,而游离胃蛋白酶仅保留8%的 酶活力。这是由于反胶束能提供酶的天然环境嘲,能 够更好地保持酶的活性。 (3):311 318. —Puyou M,G6mez—Puyou A.Enzymes in low wa— [4] Tuena de G6mezter systems[J].Crit Rev Biochem Mol,1998,33(1):53—89. ho C M L,Cabral J M S.Reverse micelles as reaction media [53 Carvalfor lipases[J].Biochimie,2000,82(11):1063—1085. celle solvents as tools of en— [6] Tonova K.Lazarova Z.Reversed mi3 结论 研究表明,利用CTAB/环己烷/正辛醇反胶束体 系制备的固定化胃蛋白酶在反胶束含水率为l2 、乙 zyme purification and enzyme—catalyzed conversion[J].Biotechnol— ogy Advances,2008,26(6):51 6 532. Boicelli C A,Conti F,Giomini M,et a1.The influence of phosphate buffers on the。 P longitudinal relaxation time in inverted micelles [J].Spectrochim Acta Part A:Mol Spectrosc,1982,38(2):299— 300. 醇体积分数为3o%时活力达到最佳。固定化胃蛋白 酶和游离胃蛋白酶的最适温度分别为5O℃和4O℃、 最适Ca 浓度分别为0.02 mol・L 和0.01 mol・ I ~,对酪蛋白的米氏常数K 分别为1.22×10 mol ・[8] Nicot C,Vacher M,Vincent M,et a1.Membrane proteins in re— verse micelles:Myelin basic protein in a membrane—mimetic envi— ronment[J].Biochemistry,1985,24(24):7024 7032. L 和1.29 x 10 mol・L~。固定化胃蛋白酶较 [9] 冯绪胜,刘洪国,郝京诚.胶体化学[M].北京:化学工业出版社, 2005 1183 202. 游离胃蛋白酶具有更高的酶活力、更好的热稳定性和 储存稳定性。 参考文献: [1] 梁运姗,袁兴中,曾光明,等.表面活性剂在逆胶束酶反应系统中 的作用机制[J].中国科学:化学,201l,41(5):763~772. Luisi P L,Giomini M,Pileni M P,et a1.Reverse micelles as hosts [1O] 钟克利,尹炳柱,金龙~.胶柬作为纳米反应器的研究进展[J]. 高分子通报,2009,(2):48—57. [i1] 中国药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京:科学出版社, 2000:466-467. [12] BFLI R,Sanchez-Ferrer A,Garcia Carmona F.Kinetics models in reverse micelles[J].Biochem J,1995,310:72卜739. era—Veldzquez S,Cadenas C,et a1. 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Research on Catalytic Property of Immobilized Pepsin in Reverse Micelles FU Zhen—yu .LI Zhi—guang .HE Chun—lian (1.College of Science,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China; 2.College of Medicine,Hunan Normal University,Changsha 410006,China) Abstract:Pepsin was solubilized in reverse micelles of CTAB(cetyltrimethylammonium bromide)in cyclo~ hexane with octano1 as co—surfactant.The effects of water content and ethano1 volume fraction of reverse micells on immobilized pepsin activity were studied.And the catalytic properties of free and immobilized pepsin were in~ vestigated.The results indicated that the enzymatic activity of immobilized pepsin was the best when water con— tent was 12%,ethanol volume fraction was 30 ;the optimum temperature of immobilized and free pepsin was 5O℃and 40℃,the optimum Ca concentration was 0.02 mol・L and 0.01 mol・I 一 ,the K was 1.22× 10~ mol・L一 and 1.29×10~ mol・L~ ,respectively.The enzymatic activity,thermal stability and storage stability of immobilized pepsin were superior to those of free pepsin. Keywords:pepsin;CTAB(cetyltrimethylammonium bromide);reverse micelles;enzymatic activity 全球最大制冷剂生产基地落户漯河 2011年9月7日,河南漯河郾城区与富铭集团举行共建漯西工业园区签约仪式。据悉,工业园总投资 300亿元,全部建成后,将形成40万t新型制冷剂、100万t烧碱、10万t氟化工产品的规模,年产值可达500亿 元,有望成为全球最3v,,1冷剂生产基地和氟化工产业园区之一。 (摘编)