關(guān)于作者
辛勤，男， 研究員，博士生導(dǎo)師，催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)委會(huì)副主任（1992-1997），中國(guó)化學(xué)會(huì)催化專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)(1994-2009)，石油煉制學(xué)會(huì)催化劑分子篩學(xué)組副組長(zhǎng)（1993-1996），《光譜與光譜分析》，《分子催化》，《功能材料》,《工業(yè)催化》雜志編委，Applied Science，Electrochemistry Acta 客座編輯。第一批國(guó)務(wù)院政府津貼獲得者。主要研究領(lǐng)域：直接醇燃料電池及電極催化劑制備規(guī)律研究；過渡金屬氮化物，碳化物催化劑研究；納米發(fā)光材料、固體催化劑的原位表征研究等
酶催化反應(yīng)
辛勤
2014年07月16日
許多化學(xué)反應(yīng)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(yīng)所需的活化能，顯著地改變化學(xué)反應(yīng)速率，且反應(yīng)后自身不發(fā)生變化。在生物體中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)幾乎全都需要催化劑的參與，但這些催化劑不是分子篩，也不是金屬絡(luò)合物，而是能夠影響反應(yīng)中心的化學(xué)鍵的斷裂，穩(wěn)定過渡態(tài)的蛋白質(zhì)、核酸及其復(fù)合物的物質(zhì)。這種具有生物催化功能的高分子物質(zhì)被稱為酶[1]。酶在生物體中和細(xì)胞的其它組成及來(lái)源沒有區(qū)別，是具有生物活性的功能物質(zhì)。
核酸被發(fā)現(xiàn)具有催化功能是在二十世紀(jì)八十年代，Cech和Altman因?qū)?/span>RNA催化劑研究的突出貢獻(xiàn)，共獲1989年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一般而言，我們把在細(xì)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(jī)的膠狀物質(zhì)，由蛋白質(zhì)組成，對(duì)于生物化學(xué)變化起催化作用，發(fā)酵就是靠它的作用，又稱酵素?！?
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)酵就是最早的酶的利用。在公元前21世紀(jì)，中國(guó)的夏禹時(shí)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?/span>酒曲中含有豐富的微生物，如霉菌、細(xì)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(fù)雜的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中所處的地位的高度概括。
酶在民間一直被廣泛使用。其實(shí)在公元前12世紀(jì)的周代，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(duì)于這種具有神奇能力的物質(zhì)的認(rèn)識(shí)僅僅限于生活經(jīng)驗(yàn)水平，而缺少對(duì)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(lái)幫助我們認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的特殊性，而酶這種天然的催化劑也不例外。
18世紀(jì)晚期，西方國(guó)家開始了對(duì)酶的探索。1783年，意大利科學(xué)家Spallanzani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(lái)還是有人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(duì)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,也是一種游離于細(xì)胞代謝活動(dòng)之外的制劑，它可以完成特定的化學(xué)反應(yīng)，但是當(dāng)溫度過高時(shí)，它可能會(huì)失去此特性，Payen等的發(fā)現(xiàn)表明人們開始認(rèn)識(shí)到酶的一些特點(diǎn)。直到1897年，德國(guó)化學(xué)家Buchner兄弟把酵母細(xì)胞放在石英砂中用力研磨，加水?dāng)嚢瑁?/span>再進(jìn)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(shí)間后就冒出氣，糖液居然變成了酒，證明了不含細(xì)胞的酵母提取液也能使糖發(fā)酵，說明發(fā)酵與細(xì)胞的活動(dòng)無(wú)關(guān)，而是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，為此Bucher獲得了1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1898年，Duelaux提出引用？“ase”作為酶命名的詞根。在酶這個(gè)概念傳人中國(guó)時(shí)，人們用“酉”與“每”結(jié)合起來(lái)表示這一概念，“每”意為“自身生長(zhǎng)出來(lái)并遍布于表面的物質(zhì)”，“酉”指“發(fā)酵腐敗”等最初發(fā)現(xiàn)的酶促反應(yīng)。這也表現(xiàn)了當(dāng)這個(gè)概念傳入中國(guó)時(shí)人們對(duì)酶的認(rèn)識(shí)。
隨著科技的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到酶在化學(xué)反應(yīng)中的重要地位，那么酶作為生物催化劑的特點(diǎn)又是什么呢？
酶催化的反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)專一、高效，容易失活。
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(yīng)中發(fā)現(xiàn)酶與底物之間存在某種關(guān)系，提出酶與底物的作用是通過酶與底物生成絡(luò)合物而進(jìn)行的，并提出了酶與底物作用的中間復(fù)合物學(xué)說，這是從分子水平最早對(duì)酶作用機(jī)制的探討，開始從酶結(jié)構(gòu)的本質(zhì)來(lái)認(rèn)識(shí)酶的功能。1913年Michaelis和Menten根據(jù)中間絡(luò)合物學(xué)說，導(dǎo)出了著名的Michaelis-？Menten方程，奠定了酶動(dòng)力學(xué)的最早基礎(chǔ)。1958年Koshland提出酶-底物反應(yīng)的誘導(dǎo)契合模型[2]。該模型認(rèn)為酶和底物結(jié)合時(shí)，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(yīng)的發(fā)生（如圖2），后來(lái)科學(xué)家對(duì)羧肽酶等進(jìn)行了X射線衍射研究，研究的結(jié)果有力地支持了這個(gè)學(xué)說。60-70年代科學(xué)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(shí)，Clealand發(fā)展了多底物多產(chǎn)物的酶動(dòng)力學(xué)原理和公式，20世紀(jì)成為酶學(xué)理論的快速發(fā)展期。進(jìn)入20世紀(jì)后，由于各種技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為認(rèn)識(shí)酶特性的本質(zhì)提供了可能。具體而言，就是我們有了能夠“看到”酶（蛋白）這樣的大分子的結(jié)構(gòu)的工具。
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(chǔ)，酶所處的環(huán)境發(fā)生變化，酶就會(huì)失活，這是由于其分子結(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(shí)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(dú)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)境都有可能使酶失去催化功能，如高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿。
隨著對(duì)蛋白質(zhì)的序列即分子組成到蛋白質(zhì)的折疊成二級(jí)結(jié)構(gòu)再到空間三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，人們對(duì)蛋白催化功能的研究也更加深入，1963年，科學(xué)家們測(cè)定了第一例蛋白酶的氨基酸順序。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Phiitips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(shí)至今日，酶三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)成為了常規(guī)手段，相應(yīng)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)象與功能的關(guān)系提供了可能。
下圖是細(xì)胞色素b6f復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了我們所知道的光合作用中細(xì)胞色素b6f在光系統(tǒng)I和II之間起的電子傳遞的連接作用、光合放氧的過程以及為合成ATP質(zhì)子梯度的形成。所有的這些反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行的，圖3告訴我們這些反應(yīng)怎樣進(jìn)行的，左邊是示意圖，右邊是結(jié)構(gòu)圖。
作為自然界的一部分，人的行為活動(dòng)應(yīng)該與自然友好，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，大力發(fā)展“酶”化工是必然途徑。在認(rèn)識(shí)更多酶的性質(zhì)基礎(chǔ)上，要使得酶的應(yīng)用參與人的活動(dòng)的各個(gè)方面。
核酸被發(fā)現(xiàn)具有催化功能是在二十世紀(jì)八十年代，Cech和Altman因?qū)?/span>RNA催化劑研究的突出貢獻(xiàn)，共獲1989年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一般而言，我們把在細(xì)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(jī)的膠狀物質(zhì)，由蛋白質(zhì)組成，對(duì)于生物化學(xué)變化起催化作用，發(fā)酵就是靠它的作用，又稱酵素?！?
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)酵就是最早的酶的利用。在公元前21世紀(jì)，中國(guó)的夏禹時(shí)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?/span>酒曲中含有豐富的微生物，如霉菌、細(xì)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(fù)雜的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中所處的地位的高度概括。
酶在民間一直被廣泛使用。其實(shí)在公元前12世紀(jì)的周代，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(duì)于這種具有神奇能力的物質(zhì)的認(rèn)識(shí)僅僅限于生活經(jīng)驗(yàn)水平，而缺少對(duì)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(lái)幫助我們認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)的特殊性，而酶這種天然的催化劑也不例外。
18世紀(jì)晚期，西方國(guó)家開始了對(duì)酶的探索。1783年，意大利科學(xué)家Spallanzani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(lái)還是有人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(duì)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,也是一種游離于細(xì)胞代謝活動(dòng)之外的制劑，它可以完成特定的化學(xué)反應(yīng)，但是當(dāng)溫度過高時(shí)，它可能會(huì)失去此特性，Payen等的發(fā)現(xiàn)表明人們開始認(rèn)識(shí)到酶的一些特點(diǎn)。直到1897年，德國(guó)化學(xué)家Buchner兄弟把酵母細(xì)胞放在石英砂中用力研磨，加水?dāng)嚢瑁?/span>再進(jìn)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(shí)間后就冒出氣，糖液居然變成了酒，證明了不含細(xì)胞的酵母提取液也能使糖發(fā)酵，說明發(fā)酵與細(xì)胞的活動(dòng)無(wú)關(guān)，而是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，為此Bucher獲得了1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1898年，Duelaux提出引用？“ase”作為酶命名的詞根。在酶這個(gè)概念傳人中國(guó)時(shí)，人們用“酉”與“每”結(jié)合起來(lái)表示這一概念，“每”意為“自身生長(zhǎng)出來(lái)并遍布于表面的物質(zhì)”，“酉”指“發(fā)酵腐敗”等最初發(fā)現(xiàn)的酶促反應(yīng)。這也表現(xiàn)了當(dāng)這個(gè)概念傳入中國(guó)時(shí)人們對(duì)酶的認(rèn)識(shí)。
隨著科技的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到酶在化學(xué)反應(yīng)中的重要地位，那么酶作為生物催化劑的特點(diǎn)又是什么呢？
酶催化的反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)專一、高效，容易失活。
圖1 酶催化的鎖鑰模型
酶在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外的反應(yīng)通常都不需要高溫，而高溫經(jīng)常使酶失活。對(duì)于酶的反應(yīng)專一性，在1894年，德國(guó)化學(xué)家Emil？Fisher提出了酶與底物分子作用的鎖鑰學(xué)說（如圖1），
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(yīng)中發(fā)現(xiàn)酶與底物之間存在某種關(guān)系，提出酶與底物的作用是通過酶與底物生成絡(luò)合物而進(jìn)行的，并提出了酶與底物作用的中間復(fù)合物學(xué)說，這是從分子水平最早對(duì)酶作用機(jī)制的探討，開始從酶結(jié)構(gòu)的本質(zhì)來(lái)認(rèn)識(shí)酶的功能。1913年Michaelis和Menten根據(jù)中間絡(luò)合物學(xué)說，導(dǎo)出了著名的Michaelis-？Menten方程，奠定了酶動(dòng)力學(xué)的最早基礎(chǔ)。1958年Koshland提出酶-底物反應(yīng)的誘導(dǎo)契合模型[2]。該模型認(rèn)為酶和底物結(jié)合時(shí)，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(yīng)的發(fā)生（如圖2），后來(lái)科學(xué)家對(duì)羧肽酶等進(jìn)行了X射線衍射研究，研究的結(jié)果有力地支持了這個(gè)學(xué)說。60-70年代科學(xué)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(shí)，Clealand發(fā)展了多底物多產(chǎn)物的酶動(dòng)力學(xué)原理和公式，20世紀(jì)成為酶學(xué)理論的快速發(fā)展期。進(jìn)入20世紀(jì)后，由于各種技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，為認(rèn)識(shí)酶特性的本質(zhì)提供了可能。具體而言，就是我們有了能夠“看到”酶（蛋白）這樣的大分子的結(jié)構(gòu)的工具。
圖 2 酶催化的誘導(dǎo)契合模型
1926年，James？Sumner首次從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(diǎn)，從分子水平認(rèn)識(shí)了酶。1930-1936年Northrop和Kunitz也對(duì)多種酶進(jìn)行結(jié)晶并證實(shí)酶是一種蛋白質(zhì)后，人們就普遍接受了此觀點(diǎn)，為此Summer與Northrop于1949年共同獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
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(chǔ)，酶所處的環(huán)境發(fā)生變化，酶就會(huì)失活，這是由于其分子結(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(shí)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(dú)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)境都有可能使酶失去催化功能，如高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿。
隨著對(duì)蛋白質(zhì)的序列即分子組成到蛋白質(zhì)的折疊成二級(jí)結(jié)構(gòu)再到空間三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，人們對(duì)蛋白催化功能的研究也更加深入，1963年，科學(xué)家們測(cè)定了第一例蛋白酶的氨基酸順序。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Phiitips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(shí)至今日，酶三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)成為了常規(guī)手段，相應(yīng)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)象與功能的關(guān)系提供了可能。
下圖是細(xì)胞色素b6f復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了我們所知道的光合作用中細(xì)胞色素b6f在光系統(tǒng)I和II之間起的電子傳遞的連接作用、光合放氧的過程以及為合成ATP質(zhì)子梯度的形成。所有的這些反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行的，圖3告訴我們這些反應(yīng)怎樣進(jìn)行的，左邊是示意圖，右邊是結(jié)構(gòu)圖。
圖三
酶作為一種天然的催化劑，最初以細(xì)胞為載體出現(xiàn)并被認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，20世紀(jì)后可以用純酶直接進(jìn)行催化反應(yīng)并應(yīng)用。目前發(fā)現(xiàn)的酶已有近萬(wàn)種，其應(yīng)用范圍也愈來(lái)愈廣泛，比如有機(jī)合成，食品工業(yè)，紡織、制革，日用化學(xué)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，疾病治療，環(huán)境保護(hù)，能源開發(fā)等領(lǐng)域[3]。我國(guó)首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的酶是1965年無(wú)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(lái)看，到目前為止，酶的主要應(yīng)用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%。
作為自然界的一部分，人的行為活動(dòng)應(yīng)該與自然友好，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，大力發(fā)展“酶”化工是必然途徑。在認(rèn)識(shí)更多酶的性質(zhì)基礎(chǔ)上，要使得酶的應(yīng)用參與人的活動(dòng)的各個(gè)方面。