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催化科学与技术的里程碑6酶催化
酶催化反应许多化学反应都需要催化剂的参与,这些具有催化活性的物质可以降低反应所需的活化能,显著的改变化学反应速率,反应后自身不发生变化。在生物体中发生的化学反应几乎全都需要催化剂的参与,但这些催化剂不是分子筛,不是金属络合物,而是能够影响反应中心的化学键的断裂,稳定过渡态的蛋白质、核酸及其复合物。这种具有生物催化功能的高分子物质被称为酶[1]。酶在生物体中和细胞的其它组成及来源没有区别,是具有生物活性的功能物质。核酸被发现具有催化功能是在二十世纪八十年代,Cech和Altman因对RNA催化剂研究的突出贡献,共获1989年度诺贝尔化学奖。一般而言我们把在细胞中起催化作用的蛋白称为酶,酶在字典中被解释为“一种有机的胶状物质,由蛋白质组成,对于生物化学变化起催化作用,发酵就是靠它的作用,又称酵素。发酵是我们非常熟悉的过程,做馒头需要面粉发酵,而发酵就是最早酶的利用。在公元前21世纪,中国的夏禹时代和古巴比伦都已经有酿酒的记载,酿酒就是用酒曲把粮食中的淀粉转变为酒精,酒曲中含有丰富的微生物,如霉菌、细菌、酵母菌、乳酸菌等,霉菌中有曲霉菌、根霉菌、毛霉菌等有益的菌种,其本质就是提供酿酒用各种酶的载体。“曲为酒之母,曲为酒之骨,曲为酒之魂”,这是酶在酿酒这一复杂的化学转化过程中所处的地位的高度概括。酶在民间一直被广泛使用。其实在公元前12世纪周代,人们就开始利用酶制作饴糖,但是我们的祖先并不知道酶是什么物质。对于这种具有神奇能力的物质的认识仅仅限于生活经验水平,而缺少对于酶的本质了解。我们知道任何物质都是结构决定性质,从表观的性质来帮助我们认识结构的特殊性,而酶这种天然的催化剂也不例外。18世纪晚期,西方国家开始了对酶的探索。1783年,意大利科学家Spallanzani发现鸟的胃液能分解消化肉类,虽然他未说明此物为酶,但后来有人还是把他看作是酶的最早发现者。1833年,Payen等从麦芽水提取物中,用酒精沉淀获得了一种对热不稳定的物质,他可以使淀粉水解为可溶性糖,这种物质被称为淀粉酶制剂,也是一个游离于细胞代谢活动之外的制剂,可以完成特定的化学反应,但是当温度过高时,它可能会失去此特性,Payen等的发现表明人们开始认识到酶的一些特点。直到1897年,德国化学家Buchner兄弟把酵母细胞放在石英砂中用力研磨,加水搅拌,在进行加压过滤,得到不含酵母的提取液,在这些汁液中加入葡萄糖,一段时间后就冒出气,糖液居然变成了酒,证明了不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵,说明发酵与细胞的活动无关,而是酶作用的化学本质,为此Bucher获得了1911年诺贝尔化学奖。1898年,Duelaux提出引用“ase”作为酶命名的词根。在酶这个概念传人中国时,人们用“酉”与“每”结合起来表示,“每”意为“自身生长出来并遍布于表面的物质”。“酉”指“发酵腐败”等最初发现的酶促反应。这也表现了当这个概念传入中国时人们对酶的认识。随着科技的发展人们逐渐认识到酶在化学反应中的重要地位,那么酶作为生物催化剂的特点又是什么?酶催化反应条件温和,反应专一,高效,容易失活。图1酶催化的锁钥模型酶在细胞内和细胞外的反应通常都不需要高温,而高温经常使酶失活。对于酶的反应专一性,在1894年,德国化学家Emil Fisher提出了酶与底物分子作用的锁钥学说(如图1),较好地解释了酶的立体结构的专一性,但却不能解释酶的专一性中的所有现象。直到1903年,Henri在研究蔗糖酶水解蔗糖的反应中发现酶与底物之间存在某种关系,并提出酶与底物的作用是通过酶与底物生成络合物而进行的,提出了酶与底物作用的中间复合物学说,这是从分子水平最早对酶作用机制的探讨,开始从酶结构的本质来认识酶的功能。1913年Michaelis和Menten根据中间络合物学说,导出了著名的Michaelis- Menten方程,奠定了酶动力学的最早基础。1958年Koshland提出酶-底物反应的诱导契合模型[2]。该模型认为酶和底物结合时,结合力促使酶和底物分别发生一些构象变化,从而更有利于催化反应的发生(如图2),后来科学家对羧肽酶等进行了X射线衍射研究,研究的结果有力地支持了这个学说。60-70年代科学家们又提出了别构理论及酶活性调节的相关理论,与此同时,Clealand发展了多底物多产物的酶动力学原理和公式,20世纪成为酶学理论的快速发展期。进入20世纪由于各种技术突飞猛进的发展,为认识酶特性的本质提供可能。具体而言就是我们有“看到”酶(蛋白)这样大分子的结构的工具。图 2 酶催化的诱导契合模型1926年,James Sumner首次从刀豆提取液中分离得到脲酶结晶,证明它具有蛋白质的性质,首次提出酶的本质是蛋白质的观点,从分子水平认识了酶。1930-1936年Northrop和Kunitz也对多种酶进行结晶并证实
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