酶催化反應(yīng)-科普?qǐng)@地

1、<p><b>　　酶催化反應(yīng)</b></p><p>　　許多化學(xué)反應(yīng)都需要催化劑的參與，這些具有催化活性的物質(zhì)可以降低反應(yīng)所需的活化能，顯著的改變化學(xué)反應(yīng)速率，反應(yīng)后自身不發(fā)生變化。在生物體中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)幾乎全都需要催化劑的參與，但這些催化劑不是分子篩，不是金屬絡(luò)合物，而是能夠影響反應(yīng)中心的化學(xué)鍵的斷裂，穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)的蛋白質(zhì)、核酸及其復(fù)合物。這種具有生物催化功能的高分子物質(zhì)被稱

2、為酶[1]。酶在生物體中和細(xì)胞的其它組成及來(lái)源沒(méi)有區(qū)別，是具有生物活性的功能物質(zhì)。</p><p>　　核酸被發(fā)現(xiàn)具有催化功能是在二十世紀(jì)八十年代，Cech和Altman因?qū)NA催化劑研究的突出貢獻(xiàn)，獲得1989年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一般而言我們把在細(xì)胞中起催化作用的蛋白稱為酶，酶在字典中被解釋為“一種有機(jī)的膠狀物質(zhì)，由蛋白質(zhì)組成，對(duì)于生物化學(xué)變化起催化作用，發(fā)酵就是靠它的作用，又稱酵素。</p>&

3、lt;p>　　發(fā)酵是我們非常熟悉的過(guò)程，做饅頭需要面粉發(fā)酵，而發(fā)酵就是最早酶的利用。在公元前21世紀(jì)，中國(guó)的夏禹時(shí)代和古巴比倫都已經(jīng)有釀酒的記載，釀酒就是用酒曲把糧食中的淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)榫凭?，酒曲中含有豐富的微生物，如霉菌、細(xì)菌、酵母菌、乳酸菌等，霉菌中有曲霉菌、根霉菌、毛霉菌等有益的菌種，其本質(zhì)就是提供釀酒用各種酶的載體?！扒鸀榫浦?，曲為酒之骨，曲為酒之魂”，這是酶在釀酒這一復(fù)雜的化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中所處的地位的高度概括。</p&g

4、t;<p>　　酶在民間一直被廣泛使用。其實(shí)在公元前12世紀(jì)周代，人們就開(kāi)始利用酶制作飴糖，但是我們的祖先并不知道酶是什么物質(zhì)。對(duì)于這種具有神奇能力的物質(zhì)的認(rèn)識(shí)僅僅限于生活經(jīng)驗(yàn)水平，而缺少對(duì)于酶的本質(zhì)了解。我們知道任何物質(zhì)都是結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，從表觀的性質(zhì)來(lái)幫助我們認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的特殊性，而酶這種天然的催化劑也不例外。</p><p>　　18世紀(jì)晚期，西方國(guó)家開(kāi)始了對(duì)酶的探索。1783年，意大利科學(xué)家Spa

5、llanzani發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)的胃液能分解消化肉類，雖然他未說(shuō)明此物為酶，但后來(lái)有人還是把他看作是酶的最早發(fā)現(xiàn)者。1833年，Payen等從麥芽水提取物中，用酒精沉淀獲得了一種對(duì)熱不穩(wěn)定的物質(zhì)，他可以使淀粉水解為可溶性糖，這種物質(zhì)被稱為淀粉酶制劑,也是一個(gè)游離于細(xì)胞代謝活動(dòng)之外的制劑，可以完成特定的化學(xué)反應(yīng)，但是當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，它可能會(huì)失去此特性，Payen等的發(fā)現(xiàn)表明人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到酶的一些特點(diǎn)。直到1897年，德國(guó)化學(xué)家Buchner兄弟把酵母

6、細(xì)胞放在石英砂中用力研磨，加水?dāng)嚢?，在進(jìn)行加壓過(guò)濾，得到不含酵母的提取液，在這些汁液中加入葡萄糖，一段時(shí)間后就冒出氣，糖液居然變成了酒，證明了不含細(xì)胞的酵母提取液也能使糖發(fā)酵，說(shuō)明發(fā)酵與細(xì)胞的活動(dòng)無(wú)關(guān)，而是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，為此Buchner獲得了1907年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1898年，Duelaux提出引用 “ase”作為酶命名的詞根。在酶這個(gè)概念傳人中國(guó)時(shí)，人們用“酉”與“每”結(jié)合起來(lái)表示，“每”意為“自身生長(zhǎng)出來(lái)并遍布于表面的物質(zhì)”。

7、 “酉”指“發(fā)酵腐敗”等最初發(fā)現(xiàn)的酶促反應(yīng)。這也表</p><p>　　隨著科技的發(fā)展人們逐漸認(rèn)識(shí)到酶在化學(xué)反應(yīng)中的重要地位，那么酶作為生物催化劑的特點(diǎn)又是什么？</p><p>　　酶催化反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)專一，高效，容易失活。</p><p>　　圖1 酶催化的鎖鑰模型</p><p>　　酶在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的反應(yīng)通常都不需要高溫，而高溫

8、經(jīng)常使酶失活。對(duì)于酶的反應(yīng)專一性，在1894年，德國(guó)化學(xué)家Emil Fisher提出了酶與底物分子作用的鎖鑰學(xué)說(shuō)（如圖1），</p><p>　　較好地解釋了酶的立體結(jié)構(gòu)的專一性，但卻不能解釋酶的專一性中的所有現(xiàn)象。直到1903年，Henri在研究蔗糖酶水解蔗糖的反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)酶與底物之間存在某種關(guān)系，并提出酶與底物的作用是通過(guò)酶與底物生成絡(luò)合物而進(jìn)行的，提出了酶與底物作用的中間復(fù)合物學(xué)說(shuō)，這是從分子水平最早對(duì)酶作用

9、機(jī)制的探討，開(kāi)始從酶結(jié)構(gòu)的本質(zhì)來(lái)認(rèn)識(shí)酶的功能。1913年Michaelis和Menten根據(jù)中間絡(luò)合物學(xué)說(shuō)，導(dǎo)出了著名的Michaelis- Menten方程，奠定了酶動(dòng)力學(xué)的最早基礎(chǔ)。1958年Koshland提出酶-底物反應(yīng)的誘導(dǎo)契合模型[2]。該模型認(rèn)為酶和底物結(jié)合時(shí)，結(jié)合力促使酶和底物分別發(fā)生一些構(gòu)象變化，從而更有利于催化反應(yīng)的發(fā)生（如圖2），后來(lái)科學(xué)家對(duì)羧肽酶等進(jìn)行了X射線衍射研究，研究的結(jié)果有力地支持了這個(gè)學(xué)說(shuō)。60-70年

10、代科學(xué)家們又提出了別構(gòu)理論及酶活性調(diào)節(jié)的相關(guān)理論，與此同時(shí)，Clealand發(fā)展了多底物多產(chǎn)物的酶動(dòng)力學(xué)原理和公式，20世紀(jì)成為酶學(xué)理論的快速發(fā)展期。進(jìn)入20世紀(jì)由于各種技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為認(rèn)識(shí)酶特性的本質(zhì)提供可能。具體而言就是我們有“看到”酶（蛋白）這樣大分子的結(jié)構(gòu)的工具。</p><p>　　圖 2 酶催化的誘導(dǎo)契合模型</p><p>　　1926年，James Sumner首次從

11、刀豆提取液中分離得到脲酶結(jié)晶，證明它具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)，首次提出酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)的觀點(diǎn)，從分子水平認(rèn)識(shí)了酶。1930-1936年Northrop和Kunitz也對(duì)多種酶進(jìn)行結(jié)晶并證實(shí)酶是一種蛋白質(zhì)后，人們就普遍接受此觀點(diǎn)，為此Summer與Northrop于1949年共同獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。</p><p>　　由于酶是蛋白質(zhì)大分子，維持大分子的結(jié)構(gòu)就是保證酶催化功能的基礎(chǔ)，酶所處的環(huán)境發(fā)生變化，酶就會(huì)失活，這是由

12、于其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；酶作為大分子其結(jié)構(gòu)除與氨基酸殘基的性質(zhì)相關(guān)外同時(shí)與大分子內(nèi)空間纏繞所形成的特定形狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，而這種獨(dú)特形狀的結(jié)構(gòu)則決定了它的選擇性即專一性及其高效性，因此任何可以使酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的環(huán)境就有可能使酶失去催化功能，如高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿。</p><p>　　隨著對(duì)蛋白質(zhì)序列即分子組成到蛋白質(zhì)折疊成的二級(jí)結(jié)構(gòu)再到空間三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，使得人們對(duì)蛋白催化功能的研究也更加深入，1963年，Hirs，M

13、oore和Stein測(cè)定了RnaseA的氨基酸順序。用X射線研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)也在數(shù)十年間得到極大發(fā)展，1965年P(guān)hiitips首次用X射線衍射技術(shù)闡明了雞蛋清溶菌酶的三維結(jié)構(gòu)，時(shí)至今日已經(jīng)把研究酶的三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)作為認(rèn)識(shí)其功能的常規(guī)策略，相應(yīng)的技術(shù)包括X射線晶體衍射、NMR以及冷凍電鏡，這為在分子水平上深入了解酶的構(gòu)象與功能間的關(guān)系提供了可能。</p><p>　　圖 3 光合作用過(guò)程中負(fù)責(zé)電子傳遞與質(zhì)子運(yùn)輸?shù)耐?/p>

14、整膜蛋白復(fù)合物</p><p>　　圖 4 二聚體細(xì)胞色素b6f復(fù)合物作用過(guò)程圖3是細(xì)胞色素b6f復(fù)合物的結(jié)構(gòu)[3]，這個(gè)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了光合作用中起電子傳遞作用的細(xì)胞色素b6f在光系統(tǒng)I和II之間進(jìn)行電子傳遞過(guò)程、催化PQH2的氧化和PC的還原，并把質(zhì)子從類囊體的基質(zhì)轉(zhuǎn)移到類囊體腔，建立起質(zhì)子梯度，形成合成ATP動(dòng)力的過(guò)程。所有的這些反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行，圖4告訴我們?cè)鯓舆M(jìn)行的，左邊是示意圖，右邊是結(jié)構(gòu)圖。<

15、/p><p>　　酶作為一種天然的催化劑，最初以細(xì)胞為載體出現(xiàn)并被認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，20世紀(jì)之后可以用純酶直接進(jìn)行催化反應(yīng)而應(yīng)用。目前發(fā)現(xiàn)的酶已有近萬(wàn)種，其應(yīng)用范圍也愈來(lái)愈廣泛，比如有機(jī)合成，食品工業(yè)，紡織、制革，日用化學(xué)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，疾病治療，環(huán)境保護(hù)，能源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域]。我國(guó)首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的酶是1965年無(wú)錫酶制劑廠生產(chǎn)BF-7658淀粉酶，首先用在淀粉加工和紡織退漿上，但是從酶的使用量來(lái)看，到目前為止，酶的主要應(yīng)用

16、仍然是衣用洗滌劑行業(yè)，這方面的用量約占酶總量的30~40%。</p><p>　　人是自然的一部分，人類活動(dòng)是生物圈中最重要的活動(dòng)之一，但是隨著城市化發(fā)展速度逐漸加快，人類活動(dòng)和生態(tài)環(huán)境相互作用的過(guò)程給大自然帶來(lái)了嚴(yán)重的危害人與自然是“你中有我，我中有你”的關(guān)系，人與自然應(yīng)該友好相處，，而大力發(fā)展“酶”化工則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必經(jīng)之路。在對(duì)更多的酶的性質(zhì)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上使得酶應(yīng)用于人類的生產(chǎn)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展

17、。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] A. D. Smith, S. P. Datta, G. H. Smith et al. Oxford dictionary of biochemistry and molecular biology. Oxford University Press. 1997.</p>&

18、lt;p>　　[2] Koshland DE. Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis.Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1958.February, 44 (2): 98–104.</p><p>　　[3] Genji Kurisuet al.Photosynthesis: Tunin