酶催化反應-科普園地

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

2、為酶[1]。酶在生物體中和細胞的其它組成及來源沒有區(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八十年代，Cech和Altman因?qū)NA催化劑研究的突出貢獻，獲得1989年度諾貝爾化學獎。一般而言我們把在細胞中起催化作用的蛋白稱為酶，酶在字典中被解釋為“一種有機的膠狀物質(zhì)，由蛋白質(zhì)組成，對于生物化學變化起催化作用，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，中國的夏禹時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魄泻胸S富的微生物，如霉菌、細菌、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雜的化學轉(zhuǎn)化過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。其實在公元前12世紀周代，人們就開始利用酶制作飴糖，但是我們的祖先并不知道酶是什么物質(zhì)。對于這種具有神奇能力的物質(zhì)的認識僅僅限于生活經(jīng)驗水平，而缺少對于酶的本質(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)來幫助我們認識結(jié)構(gòu)的特殊性，而酶這種天然的催化劑也不例外。</p><p>　　18世紀晚期，西方國家開始了對酶的探索。1783年，意大利科學家Spa

5、llanzani發(fā)現(xiàn)鳥的胃液能分解消化肉類，雖然他未說明此物為酶，但后來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,也是一個游離于細胞代謝活動之外的制劑，可以完成特定的化學反應，但是當溫度過高時，它可能會失去此特性，Payen等的發(fā)現(xiàn)表明人們開始認識到酶的一些特點。直到1897年，德國化學家Buchner兄弟把酵母

6、細胞放在石英砂中用力研磨，加水攪拌，在進行加壓過濾，得到不含酵母的提取液，在這些汁液中加入葡萄糖，一段時間后就冒出氣，糖液居然變成了酒，證明了不含細胞的酵母提取液也能使糖發(fā)酵，說明發(fā)酵與細胞的活動無關(guān)，而是酶作用的化學本質(zhì)，為此Buchner獲得了1907年諾貝爾化學獎。1898年，Duelaux提出引用 “ase”作為酶命名的詞根。在酶這個概念傳人中國時，人們用“酉”與“每”結(jié)合起來表示，“每”意為“自身生長出來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。這也表</p><p>　　隨著科技的發(fā)展人們逐漸認識到酶在化學反應中的重要地位，那么酶作為生物催化劑的特點又是什么？</p><p>　　酶催化反應條件溫和，反應專一，高效，容易失活。</p><p>　　圖1 酶催化的鎖鑰模型</p><p>　　酶在細胞內(nèi)和細胞外的反應通常都不需要高溫，而高溫

8、經(jīng)常使酶失活。對于酶的反應專一性，在1894年，德國化學家Emil Fisher提出了酶與底物分子作用的鎖鑰學說（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酶與底物生成絡合物而進行的，提出了酶與底物作用的中間復合物學說，這是從分子水平最早對酶作用

9、機制的探討，開始從酶結(jié)構(gòu)的本質(zhì)來認識酶的功能。1913年Michaelis和Menten根據(jù)中間絡合物學說，導出了著名的Michaelis- Menten方程，奠定了酶動力學的最早基礎。1958年Koshland提出酶-底物反應的誘導契合模型[2]。該模型認為酶和底物結(jié)合時，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的發(fā)生（如圖2），后來科學家對羧肽酶等進行了X射線衍射研究，研究的結(jié)果有力地支持了這個學說。60-70年

10、代科學家們又提出了別構(gòu)理論及酶活性調(diào)節(jié)的相關(guān)理論，與此同時，Clealand發(fā)展了多底物多產(chǎn)物的酶動力學原理和公式，20世紀成為酶學理論的快速發(fā)展期。進入20世紀由于各種技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，為認識酶特性的本質(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，從分子水平認識了酶。1930-1936年Northrop和Kunitz也對多種酶進行結(jié)晶并證實酶是一種蛋白質(zhì)后，人們就普遍接受此觀點，為此Summer與Northrop于1949年共同獲得了諾貝爾化學獎。</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，酶所處的環(huán)境發(fā)生變化，酶就會失活，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、強酸、強堿。</p><p>　　隨著對蛋白質(zhì)序列即分子組成到蛋白質(zhì)折疊成的二級結(jié)構(gòu)再到空間三維結(jié)構(gòu)的認識，使得人們對蛋白催化功能的研究也更加深入，1963年，Hirs，M

13、oore和Stein測定了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)，時至今日已經(jīng)把研究酶的三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)作為認識其功能的常規(guī)策略，相應的技術(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 光合作用過程中負責電子傳遞與質(zhì)子運輸?shù)耐?/p>

14、整膜蛋白復合物</p><p>　　圖 4 二聚體細胞色素b6f復合物作用過程圖3是細胞色素b6f復合物的結(jié)構(gòu)[3]，這個結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了光合作用中起電子傳遞作用的細胞色素b6f在光系統(tǒng)I和II之間進行電子傳遞過程、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動力的過程。所有的這些反應都是在酶催化下進行，圖4告訴我們怎樣進行的，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，最初以細胞為載體出現(xiàn)并被認識和應用，20世紀之后可以用純酶直接進行催化反應而應用。目前發(fā)現(xiàn)的酶已有近萬種，其應用范圍也愈來愈廣泛，比如有機合成，食品工業(yè)，紡織、制革，日用化學，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，疾病治療，環(huán)境保護，能源開發(fā)等領(lǐng)域]。我國首次應用于工業(yè)生產(chǎn)中的酶是1965年無錫酶制劑廠生產(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看，到目前為止，酶的主要應用

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，人類活動是生物圈中最重要的活動之一，但是隨著城市化發(fā)展速度逐漸加快，人類活動和生態(tài)環(huán)境相互作用的過程給大自然帶來了嚴重的危害人與自然是“你中有我，我中有你”的關(guān)系，人與自然應該友好相處，，而大力發(fā)展“酶”化工則是實現(xiàn)這一目標的必經(jīng)之路。在對更多的酶的性質(zhì)認識的基礎上使得酶應用于人類的生產(chǎn)活動，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展

17、。</p><p><b>　　參考文獻：</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