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酶学讲座

酶的定义

为了维持生命,生命体必须不断进行新陈代谢,新陈代谢是由许许多多的化学反应组成,也就是说生物体内不断地进行着各种各样的化学变化:

有机物←—→H2O+CO2+能量

这些化学反应,在体外反应通常是在高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件下才能发生,一些反应在实验室根本就不能进行。但它们在生物体内,一个极为温和的条件下却可以进行,而且进行得还很快,为什么?这是因为生物体内存在一种特殊的催化剂——酶。人们对酶的认识起源于生产与生活实践。夏禹时代,人们掌握了酿酒技术。公元前十二世纪周朝,人们酿酒,制作饴糖和酱。春秋战国时期已知用麴治疗消化不良的疾病。近代酶制剂是1833年由库恩提出,是指生活的酵母可使糖类发酵成酒精的催化物质,也称为酵素。

我们在生活中常常接触到酶。例如:吃馒头时多嚼一会,就会感觉到甜味。这是因为我们口腔里唾液的淀粉酶。能把馒头中的淀粉水解成麦芽糖和糊精。医生常用多酶片给病人治疗消化不良。多酶片含有蛋白酶、淀粉酶、以及脂肪酶。蛋白酶能将蛋白质水解成氨基酸;淀粉酶能把淀粉水解成葡萄糖;脂肪酶能将脂肪水解成脂肪酸和甘油。那么,酶是什么呢?酶是由细胞产生的具有催化能力的生物催化剂,生物体内一切生化反应都需要酶催化才能进行。酶的定义为:由活细胞产生的、有高度专一性和高效催化作用的生物大分子。

酶的化学本质的发现

对酶的研究可以认为是贯穿生物化学的发展历史。人们对于生物催化的认识和描述始于18世纪对胃分泌物消化食物的研究。此研究一直持续到19世纪。

在此前,大多人们认为胃消化是物理反应,是胃将食物磨碎的。而在1783年,意大利科学家斯巴兰让尼设计了一个巧妙的实验:将肉块放入小巧的金属笼内,然后让老鹰把小笼子吞下去,这样,肉块就可以不受胃的物理性消化的影响,而胃液却可以流入内。过一段时间后,他把小笼子取出来,发现笼内的肉块消失了。于是,他推断胃液中一定含有消化肉的物质。1836年德国,施旺胃液中提取了消化蛋白质的物质揭开了胃的消化之谜。1897年,Buchner兄弟用不含细胞的酵母汁成功实现了发酵。提出了发酵与活细胞无关,而与细胞液中的酶有关。在酶发现的历史上,人类对酶的化学本质认知经历了三次重大的飞跃。

1.第一次飞跃

1926年,Jame Summer由刀豆制出脲酶结晶,对脲酶的分离和结晶是早期酶学研究的重大突破。Summer通过化学实验证实了脲酶是一种蛋白质,从而确立酶是蛋白质的观念,因为其具有所以蛋白质性质。但由于缺乏更多的例证,这个观点在那时是由争议的。直到20世纪30年代,John Northrop和Moses Kunitz结晶出胃蛋白酶、胰蛋白酶及其他消化酶发现它们都是蛋白质以后,Summer的结论才被广泛接受。Summer也因此荣获了1964年诺贝尔化学奖。在1926年Summer首次证明脲酶具有蛋白性质以来,人们普遍认为所有的酶都是蛋白质。并且发现的几千种酶都是蛋白质,所以20世纪30年代,科学家对酶定义为:酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。

按照化学成分组成,蛋白质可以分为简单蛋白质和结合蛋白质;同理,酶也可以分为单纯酶和结合酶。有些酶如脲酶、胃蛋白酶、脂肪酶等,其活性仅仅取决于它的蛋白质结构。这类酶属于单纯酶。另一些酶如乳酶脱氢酶、细胞色素氧化酶等,除了需要蛋白质外,还需要非蛋白质的小分子物质,才有催化活性。这类酶属于结合酶。前者称为酶蛋白,后者称为辅助因子。酶蛋白与辅助因子结合之后所形成的复合物,称为“全酶”。只有全酶才有催化活性。

2.第二次飞跃

1982、1983年,Ceeh发现四膜虫的25S rRNA前体在有鸟苷存在,而完全无蛋白质的情况下能进行自我拼接,因此Ceeh首次提出了RNA具有酶活性的概念。1983年Altman和Pace的实验分别证实了Ceeh的发现,1986年Ceeh又发现了L19RNA也有经典的酶促作用的特征,并且L19RNA在催化过程中既有核糖核酸酶活性,又有RNA聚合酶活性。于是他得出L19RNA也是一种酶的结论。Ceeh和Altman为此荣获1989年的诺贝尔化学奖。

在这之后发现RNA催化剂愈来愈多,它们在tRNA、rRNA和mRNA的成熟以及其他一些重要生化反应中表现出催化活性。因此,科学家又一次对酶定义为:酶是活细胞产生的具有生物催化功能的有机物,其中大部分是蛋白质,少数是RNA。

3.第三次飞跃

1994年Toyce等人的研究证实了具有酶活性的DNA的存在。最小的DNA催化剂是由47个核苷酸组成的单链DNA-E47,用于连接两段底物DNA;S1和S2,结果出现预期的连接产物。产物的形成还需要S13’-磷酸基团被活化。由E47催化的连接反应比无模板的情况至少快1015倍。这样使人们认识到除了蛋白质和RNA具有酶的功能外,某些DNA也具有酶的功能,实现了人类对酶的化学本质的认识的第三次重大飞跃。科学家再次对酶定义:酶是活细胞产生的具有生物催化功能的有机物,其中大部分是蛋白质,少数是RNA或DNA。

酶的命名

国家酶学委员会建议,每一种具体的酶都有其推荐名和系统命名。

推荐名:酶的推荐名一般由两部分组成:第一部分为底物名称,第二部分为催化反应的类型。后面加一个酶字。不管酶催化的反应是正反应还是逆反应,都用同一个名称。例如,葡萄糖氧化酶,表明该酶的作用底物是葡萄糖,催化反应类型属于氧化反应。对于水解酶类,其催化的是水解反应,在命名时可以省去说明反应类型的水解字样,只在底物名称之后加上酶字即可。例如淀粉酶,蛋白酶,乙酰胆碱酶等,必要时还可以再加上酶的来源或其特性,如木瓜蛋白酶,酸性磷酸酶等。

    系统命:酶的系统名称包括了酶的作用底物、酶作用的基团及催化反应的类型。例如,上述葡萄糖氧化酶的系统命名为“β-D-葡萄糖为氢的供体,氧为氢受体,催化作用在第一个碳原子的基团上进行,所催化的反应属于氧化还原反应,是一种氧化还原酶。

    蛋白类酶的分类原则为:

①按照酶催化作用的类型,将蛋白类酶分为6大类。即第1大类,氧化还原酶;第2大类,转移酶;第3大类,水解酶;第4大类。裂合酶:第5大类,异构酶;第6大类,合成酶或连接酶。

②每个大类中,按照酶作用底物、化学键或基团的不同,分为若干亚类。

③每一亚类中再分为若干小类。

④每一小类中包含若干个具体的酶。

    根据系统命名法,每一种具体的酶,除了有一个系统名称以外,还有一个系统编号。系统编号采用四码编号方法。第一个号码表示该酶属于6大类酶中的某一大类,第二个号码表示该酶属于该大类中的某一亚类,第三个号码表示属于亚类中的某一小类,第四个号码表示这一具体的酶在该小类中的序号。每个号码之间用圆点(· )分开。