酶——生物的催化剂 [复制链接]

第6版()
专栏：

酶——生物的催化剂
戚正武
酶和生物体的一切活动，包括生长、发育、繁殖、进化等有着密切的关系。自然界一切生命现象的本质问题，都与酶有关。例如，为什么牛羊吃青草不但能维持自己的生存，还能生出脂肪和蛋白质？为什么植物能把二氧化碳和水借光合作用转变成粮食？为什么人们把米饭或馒头放在口内慢慢细嚼会产生甜的感觉？这里都是酶在起着重要的作用。
酶是具有高度催化能力和专一性的蛋白质或蛋白质的络合物。目前，蛋白质还不能用人工合成，因而所有的酶都是由生物体内产生的，从这个意义上说，酶是生物的催化剂。
生物体内的化学反应非常复杂。要使这些反应迅速及时地完成，是生物体维持生命必不可少的。在这里酶就显示出它特殊的非凡的功能。如食物的消化、吸收和重新合成有机体内有用的蛋白质、脂肪、醣类等，是通过一系列千变万化的化学反应来完成的，在每一个具体的反应中都有酶的参与。这些反应在体内借酶的催化作用可以在非常缓和的条件下迅速完成。
在生物体内，酶不仅起简单的催化作用，实际上它们的作用是互相协调制约，成为有机的统一，保证体内的物质按一定的代谢途径进行。
酶和一般催化剂最重要的区别，在于它有高度的催化效率和专一性，到目前为止，还没有一种人工合成的催化剂能与酶相比。工业上在合成氨时，借助催化剂，还需要在摄氏五百五十度的高温和二百大气压下才能进行，而土壤中的固氮菌在酶的催化作用下，却能迅速地把空气中的氮固定下来，并不需要高温和高压。
酶还有着高度的专一性。酯类、肽键、糖苷、酰胺等的水解，都能被氢离子催化，但在生物体内，这些物质却只能被一定的酶所作用。一定的酶只能催化一定的物质或具有相同化学键的一类物质。在生物体内的代谢过程中，包括着无数物质的转化，与此相应，就有数以千计的酶存在。到目前为止，在生物体内已被发现的酶约有一千种，实际上还远不止这个数目。
为什么酶具有这么高的催化效率和专一性？这是生物化学家正在研究的重要问题。据现有材料证实，这个问题关系到酶本身的结构。大家知道，所有酶或酶的主要部分都是蛋白质，而蛋白质是结构非常复杂的高分子，它们由约二十种不同的氨基酸相互缩合而成。一般蛋白质都有上百的不同氨基酸组成。蛋白质中，氨基酸排列的可能性几乎是无穷的，不同数量的氨基酸和它们之间不同的排列次序，决定了各种不同的蛋白质，也决定了它们之间不同的生物学功能。
要阐明酶的功能，先要了解酶本身的结构，也就是蛋白质本身的结构。1960年，继胰岛素的蛋白质化学结构（一种激素蛋白）被阐明之后，又弄清了核糖核酸酶的全部化学结构，它是由一百二十四个氨基酸和四对二硫键组成的。酶本身结构的另一重要方面，是蛋白质分子的空间构型问题。蛋白质除了须有一定的组成氨基酸排列次序外，还必须把这样一个很长的分子以一定的空间构型盘曲起来，假使破坏了这种构型，即使有完整的化学结构，蛋白质的生物功能也就随之消失。近年来在研究蛋白质的空间构型问题上、也同样取得了巨大的成就。结合血红蛋白分子的全部化学结构已基本上搞清楚了它的空间构型。可以相信许多其他酶的化学结构和空间构型也将逐渐被人们所认识。当我们一旦认识了酶的结构和功能关系后，我们进一步就可从认识的阶段进化到改造的阶段。亦即如何以较简便的方法人工合成具有类似酶活力的“模拟酶”，并使之应用于工业生产。
酶的分子量要比被它催化的物质的分子量大得多，酶在参加反应的时候，起作用的是它的全部呢，还是其中主要的一部分？实验证明，在酶的催化过程中，起决定作用的活动中心可能只占酶分子中很小的一部分，但它必须由酶分子的其他部分维持其一定的严格的空间构型。如果我们把酶分子切去一部分，既不触动它的活动中心，又不破坏维持其活动中心的空间构型，酶就仍然能够维持其全部活力。人们正在研究用更简单的分子来维持酶活动中心的空间构型，人工合成类似酶的模型，也就是所谓模拟酶。例如三价铁离子能够催化过氧化氢分解，而在经过处理使铁离子维持一定的空间构型以后，它的催化效率可以增高一百万倍。虽然这比过氧化氢酶的活力还差一千倍，但这显然已经是一个不小的成就。由此可见，如果我们能够阐明酶的作用机制，从而合成模拟酶，在实践中应用，就必然会引起根本性的技术革命。
酶的应用正在许多方面逐渐推广。在制革工业中利用蛋白水解酶代替强碱，消化生革上的细毛，既不损坏皮革，又使皮革的鞣性大大增强。在纺丝工业上，将蚕茧先用蛋白水解酶处理，抽丝就非常容易。在制糖工业中，利用淀粉酶水解淀粉制饴糖。在纺织工业中利用淀粉酶来脱浆。在临床诊断上，有利用测定体内某一酶活力的显著改变，来推测病源的发生，如心脏病的发生，往往随伴着体内转氨酶活力的显著提高。有用蛋白酶来治疗消化不良症，用凝血酶来制止创伤时大量流血，用溶血酶来医治血栓病，使血管中凝结的血块溶化。最近眼科手术用胰凝乳酶来切除眼球上的韧带，获得卓越的成就。在药理设计上，设法破坏病菌体内某些重要酶的活力，来消灭病菌，一般常用的磺胺药，就是根据这个原理设计的。
由于酶的高度专一性，有时可用作对某一物质的检定，例如用葡萄糖氧化酶来测定体内的葡萄糖含量。在研究蛋白质的化学结构时，利用蛋白水解酶的专一性局部水解，是一种很重要的方法。也可以直接应用微生物来完成催化作用，在这种情况下，微生物就可以看作制造酶的小工厂。
酶的应用十分广泛，一切发酵工业都是靠微生物的作用来完成的。至于用固氮菌固定空气中的氮作为植物的氮素营养的来源，则是农业上的一个显著的例子。
可以预见，随着科学技术的发展，酶对人类的作用也将越来越大。