嗜冷酶的作用机制

1993 年, Rentier小组对几种嗜冷性蛋白酶、脂酶和半乳糖苷酶进行了研究, 发现它们含有几个嗜温酶所没有的“额外”氨基酸残基。Feller等人建立的计算机模型也表明,嗜冷蛋白酶含有大量带负电荷的氨基酸残基,特别是天冬氨酸残基；分子表面的四个极性环状结构呈伸展状态；分子内缺少离子间作用与疏水作用。这些结构特征使酶分子呈松散状态, 具有较大的可变性, 从而导致酶的稳定性降低。Gerday对几种嗜冷酶的研究表明,这些酶与嗜温酶相比, 盐桥更少, 疏水基团更少,芳香烃-芳香烃反应更少,这些都增加了酶的柔性。脯氨酸和精氨酸残基也较少。脯氨酸的结构熵比其它氨基酸小, 更易折叠, 需更高的能量才能解开, 可提高酶的热稳定性。高催化效力与更松散而更具柔性的蛋白质结构形成相关联,这种蛋白质结构容许利用更少的能量投入就产生具有催化效能的构象变化,这样,嗜冷酶代谢反应所需的活化自由能与嗜温酶相比具有更低的值。对酶晶体进行化学交联可使嗜冷酶更稳定。主要是因为酶晶体的晶格里,酶蛋白的稳定性接近理论的极限值,蛋白质与蛋白质间由亲水作用和静电张力捆结在一起, 使蛋白质对热和其它变性因素的抗性明显增加,蛋白质的伸展、凝集和裂解作用减少, 而且活性比游离酶高。由于蛋白质动力学研究嗜冷酶适冷机制的常用途径是取代突变，即在酶蛋白的某个位点改变氨基酸种类来改变蛋白质的高级结构, 再筛选出热稳定性增加或下降的突变株。由此可以看出,酶的稳定性、活性及柔性之间有一定关系。

到目前为止,还没有在嗜冷酶中发现一种或几种与耐冷性有关的模式结构,这说明不同的酶以多种不同的结构上的变化、同一种酶以多种变化的总和来维持低温条件下的高催化活性。这些变化包括：酶分子具有更大的柔韧性和较小的功能域：减少了亚基表面之间的相互作用并增加了暴露于溶剂中疏水残基的数量：酶的活性中心更容易接近底物, 且酶与底物的亲合力更大(较低的Km值)等。这些结构特点是嗜冷酶耐受低温的主要机制。