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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 蛋白质·酶·酶作用
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日13:08:58 星期六), 站内信件



　　　　　　       　　酶作用


　　酶在高效率和专一性两个方面都非常像催化剂。例如，有一
种叫做过氧化氢酶的酶，可以催化过氧化氢分解成水和氧。虽然
现在溶液中的过氧化氢也可以用铁屑或二氧化锰来催化，但是，
在相同重量的情况下，过氧化氢酶加快分解的速率要比任何无机
催化剂都快得多。在10℃时，每一分子的过氧化氢酶每秒钟能够
使44000分子的过氧化氢分解。所以，只要有浓度很小的酶就能
完成它的功能。

　　由于同样的原因，只要服用少量能干扰一种主要酶作用的物
质（毒物），就能结束生命。将重金属以氯化汞或硝酸钡等形式
给人服用后，它们就会与许多酶活性所必不可少的巯基发生反应。
那些酶停止作用，生物体就会中毒。像氰化钾或氰化氢一类的化
合物，用它们的氰基与其他主要酶的铁原子结合，很快就能使动
物死亡。

　　在常见的毒物中，一氧化碳是个例外。一氧化碳基本上不作
用于酶而与血红蛋白分子结合（血红蛋白是一种蛋白质，但不是
一种酶）。在一般情况下，血红蛋白把氧从肺运送给细胞，但是
被一氧化碳缠住后，就不能运送氧了。不使用血红蛋白的动物不
受一氧化碳的伤害。

　　酶具有高度专一性，过氧化氢酶就是一个很好的例子，它只
分解过氧化氢而不分解任何其他物质；而无机催化剂，如铁屑和
二氧化锰等，不仅可以分解过氧化氢，而且可以催化许多其他反
应。

　　怎样解释酶的高度专一性呢？隆哥和朗缪尔关于催化剂的行
为像中间人的学说提出了一种答案。假定我们认为一种酶和它的
底物（酶催化其反应的物质）形成一种暂时的结合，这样，这种
酶的形状或构型可能起着非常重要的作用。显然，每一种酶必定
有一个非常复杂的表面，因为它有许多不同的侧链从肽主链上突
出出来。这些侧链中有的带负电荷，有的不带电荷；有的大，有
的小。人们可以设想，每一种酶可能都有一个正好与某种底物相
配合的表面，换句话说，它与底物的配合就像钥匙配锁一样。因
此，它很容易与那种物质结合，而很难或根本不与其他物质结合。
这样就可以解释酶的高度专一性了：每一种酶都有一个定做的表
面（打个比方），用来和一种特殊的化合物结合。如果是那样的
话，蛋白质由那么多不同的单元组成，而且由活组织制造出那么
多的种类，就没有什么可奇怪的了。

　　酶作用的这种学说是英国生理学家贝利斯在他的著作中首先
提出的。他研究的是一种叫做胰蛋白酶的消化酶。1913年，德国
化学家米歇里斯和他的助手门腾利用这个学说研究出了米歇里斯
-门腾反应式，描述了酶执行其功能的方式，使这些催化剂变得
不那么神秘了。

　　人们发现，如果有一种在结构上与某种底物类似的物质存在
的话，就会减慢或抑制底物的这种酶促反应。这也证实了这种锁
钥观点。最有名的是关于琥珀酸脱氢酶的例子：这种酶能够催化
从琥珀酸中脱去两个氢原子的反应；如果有丙二酸（和琥珀酸非
常相似）存在，这个反应就不能进行。琥珀酸和丙二酸的结构式
如下：


　　这两个分子之间惟一的区别就是在琥珀酸的左侧多一个CH2
基。因为丙二酸的结构与琥珀酸相似，所以大概丙二酸可以附着
在琥珀酸脱氢酶的表面。一旦丙二酸在酶的表面上先占据了琥珀
酸要附着的点（打个比方说），它就会一直堵塞在那里，酶就失
去了作用。就酶的正常功能来说，丙二酸使酶中了毒。这种作用
叫做竞争性抑制。

　　支持酶-底物复合物学说的最确实的证据来自光谱分析。人
们推测，如果一种酶与它的底物结合的话，在吸收光谱方面应当
有变化：结合物所吸收的光应当不同于单独的酶或单独的底物所
吸收的光。1936年，英国生物化学家基林和曼，在过氧化氢酶溶
液中加入它的底物过氧化氢以后，探测到颜色的改变。美国生物
化学家钱斯进行了光谱分析，发现在吸收图样中有两种渐进的变
化，一个接着一个。他认为，图样的第一种变化是由于酶和底物
在以一定的速率形成复合物，而第二种变化是因为随着反应的完
成，这种结合在减慢。1964年，日本生物化学家八木宣称，他分
离出一种由D-型氨基酸氧化酶和它的底物丙氨酸松散结合而组成
的酶-底物复合物。

　　现在又出现了一个问题：催化作用是需要整个酶分子呢，还
是需要它的某一部分就够了呢？这在理论上和实践上都是一个重
要的问题。今天酶已被广泛应用：被用来制药、制造柠檬以及许
多其他化学品。如果不必用整个酶分子，而用它的某一小片段就
可完成反应，或许这一活性部分可以人工合成，从而使生产过程
不必依赖利用像酵母、霉菌和细菌一类的活细胞了。

　　已经朝着这个目标取得一些有希望的进展。例如，诺思罗普
发现，当在胃蛋白酶分子的酪氨酸的侧链上加上一些乙酰基的时
候，酶就失去部分活性；但是，当把乙酞基加在胃蛋白酶的赖氨
酸的侧链上时，酶的活性没有任何损失。因此，酪氨酸一定与胃
蛋白酶的活性有关，而赖氨酸显然无关。这是第一次表明，酶可
能含有其活性不需要的部分。

　　最近，另一种消化酶的活性部位被更准确地确定出来，这种
酶叫胰凝乳蛋白酶。胰腺最先分泌出它时不带活性，叫做胰凝乳
蛋白酶原。这个没有活性的分子通过扯裂一个单肽键（由胰蛋白
酶来完成）而转变成有活性的分子：好像是暴露出单个氨基酸就
会给胰凝乳蛋白酶以活性。现在已经证明，把一个DFP（二异丙
基氟磷酸）分子附着在胰凝乳蛋白酶上，就会停止这个酶的活性。
人们推测，DFP附着在一种主要氨基酸上。由于DFP的标记作用，
已经证认出那个氨基酸就是丝氨酸。事实上，人们发现DFP还附
着在其他消化酶的丝氨酸上。在每次发现中，丝氨酸都是处在4
个氨基酸排列顺序的同一个位置上：甘氨酸-天门冬氨酸-丝氨酸
-甘氨酸。

　　已经证明，只有这4个氨基酸组成的肽表现不出催化的活性。
显然，酶分子的其余部分也以某种方式起着作用。我们可以把这
4个氨基酸顺序（活性中心）看成是一把刀的刀刃，如果没有刀
把，它就毫无用处。

　　在氨基酸链上活性中心（刀刃）也不一定全都在一起。我们
来看一看核糖核酸酶。因为已经知道它的124个氨基酸的准确顺
序，所以可以设想一些方法，有意地变换链上的某一个氨基酸，
看看这种变化对酶的作用有什么影响。结果发现，有3个氨基酸
是酶作用所特别需要的，但是它们相隔很远。它们是第12位的组
氨酸、第41位的赖氨酸和第119位的另一个组氨酸。

　　当然，这种分离的情况只存在于被看成是一长串的链中。在
工作分子中，链卷曲成一个特殊的立体构型，由跨越各圈的4个
胱氨酸固定位置。在这样的分子中，3个必要的氨基酸被聚集在
一起，形成一个紧密结合的单元。

　　在对溶菌酶的研究中，使活性中心的问题变得更加明确。许
多地方（包括眼泪和鼻涕）都有溶菌酶，它能催化分解组成细菌
细胞壁的某些物质的主要键，从而使细菌细胞溶解，就好像它能
使细胞壁破裂，使细胞里面的东西漏出来似的。

　　溶菌酶是第一个对结构进行全面立体分析的酶（1965年）。
经过这种立体分析可以证明，受溶菌酶作用的细菌细胞壁的分子
正好与酶结构上的一个裂隙相符。人们发现主要键位于谷氨酸
（第35位）侧链上的一个氧原子和天门冬氨酸（第52位）侧链上
的另一个氧原子之间。这两个位置通过氨基酸的折叠而聚集在一
起，相隔的距离正好可以配上一个要攻击的分子。在这样的情况
下，断开键所需要的化学反应很容易发生。溶菌酶就是以这种方
式专门组织起来发生作用的。

　　此外，有时还会发生这样的情况，酶分子的刀刃根本不是一
组氨基酸，而是性质完全不同的一种原子结合物。我将在本书的
后面讲几个这方面的例子。

　　我们不能随意改变刀刃，但是我们能否改变一下刀把而不损
害这一工具的使用价值呢？刀把有自己的用途，这是没有疑问的。
酶在其自然状态下似乎很不平稳，不用怎么扭曲就能呈现多种不
同的形状。当给活性部位增加底物时，酶就按照底物的形状调整
自己的形状，由于分子的非活性部分的“退让”，所以它们配合
得非常紧密，催化作用的效率也很高。形状稍微不同的底物就不
会那样充分地利用这种“退让”，因而不会受到什么影响——实
际上，还可以抑制酶作用。

　　而且，酶还可以简化，可能要以损失部分（而不是全部）效
率为代价。例如，像胰岛素一类的蛋白质就有许多不同的种类存
在，这就促使人们相信，简化是可能的。胰岛素是一种激素，而
不是一种酶，但是它的功能具有高度专一性。在胰岛素G链的某
一位置上，有一段3氨基酸顺序，在不同的动物体内排列顺序不
同：在牛体内为丙氨酸-丝氨酸-缬氨酸；在猪体内为苏氨酸-丝
氨酸-异亮氨酸；在羊体内为丙氨酸-甘氨酸-缬氨酸；在马体内
为苏氨酸-甘氨酸-异亮氨酸，等等。但是，这些胰岛素中的任何
一种都可以代替其他任何一种，而且都能执行同样的功能。

　　此外，有时把一个蛋白质分子切去一大段对它的活性没有什
么严重影响（如同把刀把或斧子把弄短一点不会使其效率损失多
少一样）。适当的例子是一种叫做促肾上腺皮质激素（ACTH）的
激素。这是一种由39个氨基酸组成的肽链，氨基酸的排列顺序现
在已经完全确定下来，从C末端一直去掉15个氨基酸也不会失去
这种激素的活性；而从N末端（打个比方说，刀刃）去掉一两个
氨基酸，它就会立即失去活性。

　　对从木瓜树的果实和树液中提取的木瓜蛋白酶也进行了同样
的实验。它的酶作用与胃蛋白酶相似。从N末端去掉胃蛋白酶分
子的180个氨基酸，看不出它的活性有什么降低。

　　因此，至少可以设想，酶将会进一步简化到可以大量人工合
成的程度。那时候，合成酶就会以比较简单的有机化合物的形式
大规模生产，并应用于各个方面。这将是化学小型化的一种方式。




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