直接检测酶乙酸激酶的乙酸生成活性

摘要

本文描述了一种测定乙酸激酶活性的方法。该检测方法利用直接反应来测定乙酸激酶在生成乙酸方向上的酶活性及动力学，适用于不同的磷酸基受体。此外，该方法还可用于检测其他利用乙酰磷酸或乙酰辅酶A的酶。

摘要

乙酸激酶属于乙酸和糖激酶-Hsp70-肌动蛋白（ASKHA）酶超家族^1-5，可利用ATP作为底物，催化乙酸可逆地磷酸化生成乙酰磷酸。乙酸激酶广泛存在于细菌（Bacteria）中，在古菌（Archaea）的一个属中也有发现，并且在真核微生物（Eukarya）中同样存在⁶。目前研究最为深入的乙酸激酶来源于产甲烷古菌Methanosarcina thermophila^7-14。已从引起阿米巴痢疾的病原体溶组织内阿米巴（Entamoeba histolytica）中分离出一种乙酸激酶，该酶在生成乙酰磷酸的方向上只能利用PP_i而不能利用ATP，迄今为止仅在该属中发现此类酶^15,16。

在乙酰磷酸生成方向，乙酸激酶活性通常通过羟肟酸测定法来检测，该方法最早由Lipmann描述^17-20，是一种偶联测定法，其中ATP转化为ADP的过程通过丙酮酸激酶和乳酸脱氢酶的作用与NADH氧化为NAD⁺相偶联^21,22，或通过检测乙酰磷酸产物与羟胺反应后释放的无机磷酸的测定法²³。在相反的乙酸生成方向上的活性，则通过ADP生成ATP的过程与葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和己糖激酶催化NADP⁺还原为NADPH的反应相偶联来测定²⁴。

本文介绍一种检测乙酸激酶催化生成乙酸方向活性的方法，该方法无需使用偶联酶，而是基于对乙酰磷酸消耗量的直接测定。酶促反应结束后，剩余的乙酰磷酸被转化为铁-羟肟酸复合物，可通过分光光度法进行检测，类似于羟肟酸测定法。因此，与依赖ADP生成ATP的标准偶联测定法不同，这种直接测定法可用于检测生成ATP或PP_i的乙酸激酶。

方案

本方案的整体流程如图1所示。

1. 标准曲线和检测用溶液的配制

1. 配制 100 mL 浓度为 2 mol/L 的盐酸羟胺溶液。称取 13.9 g 盐酸羟胺（分子量 69.49 g/mol），溶于约 50 mL 去离子蒸馏水（ddH₂O）中。用氢氧化钾颗粒或浓溶液调节 pH 至 7.0，定容至 100 mL。该溶液可在室温下保存最多 30 天，或在 4 °C 下保存最多 90 天。
2. 配制 100 mL 氯化铁/盐酸溶液。称取 13.5 g 氯化铁（分子量 270.32 g/mol），溶于约 50 mL ddH₂O 中，加入 41.3 mL 浓盐酸（12.1 mol/L），定容至 100 mL。最终氯化铁浓度为 0.5 mol/L，盐酸浓度为 5 mol/L。该溶液在室温下保存。
3. 配制 100 mL 浓度为 1.84 mol/L 的三氯乙酸溶液。称取 30.0 g 三氯乙酸（分子量 163.39 g/mol），溶于 ddH₂O 中，定容至 100 mL。该溶液在室温下保存。
4. 配制 5 mL 浓度为 0.1 mol/L 的乙酰磷酸溶液。称取 0.092 g 乙酰磷酸（分子量 184.06 g/mol），溶于 ddH₂O 中，定容至 5 mL。将溶液分装至微量离心管中（每管 0.25 mL），于 -20 °C 冻存直至使用。解冻后的溶液应置于冰上，可使用约 1 小时。解冻后的乙酰磷酸溶液不得再次冷冻和重复使用。
5. 配制 5 mL 浓度为 0.1 mol/L 的 ADP 溶液。称取 0.24 g ADP（分子量 472.5 g/mol），溶于 ddH₂O 中，定容至 5 mL。将溶液分装至微量离心管中（每管 0.5 mL），于 -20 °C 冻存直至使用。使用前将解冻后的溶液置于冰上保存。
6. 配制 50 mL 浓度为 1 mol/L 的 Tris 溶液。称取 6.06 g Tris（分子量 121.14 g/mol），溶于 40 mL ddH₂O 中，用盐酸调节 pH 至 7.0，定容至 50 mL。该溶液在室温下保存。
7. 配制 10 mL 浓度为 1 mol/L 的氯化镁溶液。称取 2.03 g 氯化镁（分子量 203.31 g/mol），溶于 ddH₂O 中，定容至 10 mL。该溶液在室温下保存。
8. 通过等体积混合氯化铁/盐酸溶液和三氯乙酸溶液，配制 25 mL 显色液。显色液应每天新鲜配制，并在室温下保存。

2. 乙酰磷酸标准曲线的制备

1. 使用已知量的乙酰磷酸生成乙酰磷酸标准曲线。六到八个点的标准曲线较为合适。标准品的浓度范围应为每300 μL含0.03 μmol至0.9 μmol，相当于终浓度为0.1至3 mmol/L。将乙酰磷酸储存液用100 mM Tris溶液稀释至适当的浓度，最终体积为300 μL。同时应制备一份不含乙酰磷酸的对照样品。
2. 将各标准品及对照样品置于37 °C金属浴中孵育1分钟。
3. 向每个标准品及对照样品中加入50 μL盐酸羟胺溶液，振荡混匀三次。将反应管转移至60 °C金属浴中，孵育5分钟。
4. 向各标准品及对照样品中加入100 μL显色液，振荡混匀三次，并在室温下显色至少1分钟。
5. 将所有标准品及对照样品在微量离心机中以18,000 × g离心1分钟。
6. 使用1 mL塑料比色皿，在540 nm处进行分光光度测定，以对照样品作为空白对照。
7. 使用合适的数据分析与绘图软件（例如Kaleidagraph，Synergy Software）生成标准曲线。理想情况下，R²值应达到0.99或更高。数据以540 nm处的吸光度对所含乙酰磷酸的微摩尔数（μmol）作图。

3. 乙酸激酶活性测定

1. 使用上述溶液配制反应体系，终浓度为 0.1 mol/L Tris 缓冲液、10 mmol/L 氯化镁、5 mmol/L ADP 和 2 mmol/L 乙酰磷酸。配制 10 mL 反应混合液需加入 8.2 mL ddH₂O、1.0 mL Tris 溶液、0.1 mL 氯化镁溶液、0.5 mL ADP 溶液和 0.2 mL 乙酰磷酸溶液。将反应混合液分装至微量离心管中，每管 300 μL。为测定动力学参数并优化底物浓度，可在反应中固定一种底物浓度，改变另一种底物浓度。
2. 将反应体系置于 37 °C 金属浴中预孵育 1 分钟。
3. 向反应体系中加入适量酶液，并立即将离心管放回 37 °C 金属浴中。同时设置不加酶的对照反应。若进行多个反应，应按特定时间间隔依次向各管中加入酶液，并准确记录时间。（注意：所用酶量需优化，以确保乙酰磷酸或 ADP 底物不会完全耗尽——详见讨论部分）
4. 反应 5 分钟后，向每个反应管及对照管中加入 50 μL 盐酸羟胺溶液，混匀后立即置于 60 °C 金属浴中。若进行多个反应，此步骤应与加酶时间保持相同的时间间隔。
5. 将反应管及对照管在 60 °C 下孵育 5 分钟。
6. 向每个反应管及对照管中加入 100 μL 显色液，混匀后置于实验台上的试管架中。室温静置至少 1 分钟，使颜色充分显色。
7. 将所有离心管在微量离心机中以 18,000 × g 离心 1 分钟。
8. 使用 1 mL 塑料比色皿，在 540 nm 波长下进行分光光度测定，通过与乙酰磷酸标准曲线比较，确定样品中乙酰磷酸的含量。
9. 乙酰磷酸底物的消耗量可通过对照组（无酶）中乙酰磷酸含量减去酶促反应后剩余的乙酰磷酸量来计算。使用合适的数据处理与绘图软件（如 Kaleidagraph、Synergy Software）进行数据分析，R² 值应大于 0.97 为宜。

4. 代表性结果：

本实验的目的是测定乙酸激酶在生成乙酸方向上的酶活性。由于乙酸的生成缺乏简便且直接的检测方法，因此通过测定乙酰磷酸底物的消耗量来实现。在酶促反应进行一定时间后，剩余的乙酰磷酸被转化为乙酰羟肟酸，再进一步形成高铁羟肟酸复合物，该复合物呈红褐色（图2），可在540 nm处测定其吸光度。通过绘制标准品中吸光度与乙酰磷酸微摩尔数（μmol）的关系标准曲线，可确定各反应中剩余的乙酰磷酸量。标准曲线应通过原点呈线性。图3所示的代表性标准曲线斜率为每微摩尔乙酰磷酸1.2332吸光度单位，R²值为0.99，表明数据与线性方程拟合良好。利用该标准曲线的线性拟合方程可计算反应中剩余的乙酰磷酸量。乙酰磷酸消耗的微摩尔数由不含酶的对照反应中的乙酰磷酸微摩尔数减去酶促反应后剩余的乙酰磷酸微摩尔数而得到。

采用所述方案对纯化的重组M. thermophila乙酸激酶进行酶活测定。在图4所示实验中，反应体系中ADP浓度保持恒定（5 mmol/L），并通过改变乙酰磷酸浓度以测定乙酰磷酸的K_m值。结果表明，该酶对每种底物均表现出典型的米氏动力学特征，酶活性随乙酰磷酸浓度增加呈现双曲线型饱和曲线。乙酰磷酸的表观K_m值为0.27 ± 0.01 mmol/L，与已报道的偶联测定法所得K_m值（0.47 ± 0.01 mmol/L）相比具有良好的一致性¹³。

直接测定法还可用于测量利用除ATP以外底物的乙酸激酶活性，而标准偶联测定法无法实现这一点。将产生PP_i而非ATP的重组纯化E. histolytica乙酸激酶¹⁶用于本测定，以磷酸钠替代ADP。反应中磷酸钠浓度保持恒定在0.2 mol/L，乙酰磷酸浓度则进行梯度变化。与M. thermophila乙酸激酶类似，E. histolytica乙酸激酶对乙酰磷酸表现出类似米氏-门顿（Michaelis-Menten）的动力学特征，并观察到双曲线型饱和曲线（图5）。乙酰磷酸的表观K_m值为0.50 ± 0.006 mmol/L。Reeves和Guthrie¹⁵测定天然酶的乙酰磷酸K_m值为0.06 mmol/L；然而，他们的酶仅部分纯化，且其测定方法涉及四种偶联酶，这些酶也仅为部分纯化。因此，这些数值难以直接比较。

实验方案示意图

1. 制备乙酰磷酸标准曲线
2. 将酶稀释至所需浓度
3. 配制反应混合液，并分装 300 μl 至微量离心管中
4. 在 37 °C 预孵育反应体系 1 分钟
5. 按特定时间间隔加入酶以启动反应
6. 在相同时间间隔加入羟胺终止反应，并在 60 °C 孵育 5 分钟
7. 加入三氯化铁/三氯乙酸溶液以显色
8. 在 18,000 × g 离心 1 分钟
9. 在 540 nm 处测定吸光度
10. 通过与标准曲线比较，确定消耗的乙酰磷酸量

图1. 实验方案示意图

图 2. 乙酰磷酸盐标准品。将不同浓度的乙酰磷酸盐与羟胺反应，并按所述方法显色。不含乙酰磷酸盐的对照组呈亮黄色，而含有逐渐增加量乙酰磷酸盐的反应体系颜色依次加深。该颜色变化在 540 nm 处进行测定。

图 3. 乙酰磷酸盐标准曲线示例。将不同量的乙酰磷酸盐与羟胺及显色溶液反应，于540 nm处测定吸光度。以540 nm处的吸光度对乙酰磷酸盐的微摩尔数（μmoles）作图，并对数据进行线性拟合。

图 4. 产ATP的M. thermophila乙酸激酶对乙酰磷酸的利用。在含有5 mmol/L ADP且乙酰磷酸浓度不同的条件下，测定酶在生成乙酸方向上的活性。乙酰磷酸的消耗量通过反应开始时的乙酰磷酸量与酶促反应结束后剩余的乙酰磷酸量之差来确定。实验均设三个重复，误差线已标出。

图5. 乙酰磷酸在PP中的利用_i生产 E. histolytica 乙酸激酶在含有0.2 mol/L磷酸钠及不同浓度乙酰磷酸的反应体系中测定酶在乙酸生成方向上的活性。乙酰磷酸的消耗量通过反应开始时的乙酰磷酸量与酶促反应结束后剩余的乙酰磷酸量之差确定。实验均设三个重复，误差线表示结果波动范围。

讨论

本实验中乙酰磷酸的检测依赖于足够浓度的盐酸羟胺，以及氯化铁溶液的浓度和酸度。若改变实验体系的体积，则需重新评估这两个组分的用量。本文所述的酶促反应在37°C下进行，而羟胺终止反应则在60°C下持续5分钟。较高的温度对于将残留的乙酰磷酸快速转化为乙酰羟肟酸至关重要。显色步骤的时间以及吸光度的测定相对不敏感，可在加入羟胺溶液后5至15分钟内完成。在测定吸光度前，样品应进行离心处理，因为样品的酸性可能导致酶沉淀，从而因浊度而非真实的颜色变化导致吸光度读数偏高。显色反应产物在10至15分钟后开始降解。

该酶动力学分析实验的主要难点在于确定所用酶的用量以及反应第一步的运行时间。这些参数必须针对每种酶通过实验经验来确定，以确保酶活性不会过高而导致所有乙酰磷酸底物被完全消耗。在绘制动力学曲线时，应对每个反应时间点的乙酰磷酸消耗百分比给予仔细关注。通常情况下，在动力学曲线中浓度较低的变量组分应导致乙酰磷酸消耗达到90%或略高，而在底物浓度达到饱和时，乙酰磷酸的消耗应接近10%或略低。一旦确定了最优酶浓度，即可进一步确定用于测定动力学常数的底物浓度范围。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
乙酰磷酸	Sigma-Aldrich	01409	锂盐（97%）
磷酸二氢钠（二水合物）	Thermo Fisher Scientific, Inc.	S381
磷酸氢二钠（无水）	Thermo Fisher Scientific, Inc.	S374
氯化镁（六水合物）	Thermo Fisher Scientific, Inc.	M33
Tris碱	Thermo Fisher Scientific, Inc.	B152
氯化铁（六水合物）	Thermo Fisher Scientific, Inc.	I88
三氯乙酸	Thermo Fisher Scientific, Inc.	A324
盐酸羟胺	Thermo Fisher Scientific, Inc.	H330
5’-二磷酸腺苷 钠盐	Sigma-Aldrich	A2754
Biomate III 分光光度计	Thermo Fisher Scientific, Inc.	142982082	标准紫外/可见光分光光度计