阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第14部分
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种细胞和天然液体内，酶的含量都非常小，而且所得到的提取物总
是混合物，很难分清其中哪些是酶，哪些不是酶。
许多生物化学家曾经猜测酶就是蛋白质，因为稍微加热，酶的
特性很容易被破坏，就像使蛋白质变性一样。但是，在
20世纪
20
年代，德国生物化学家威尔施泰特报道说，某些纯化了的酶溶液
（他认为他已经从中去掉了所有的蛋白质），表现出明显的催化作
用。他的结论是：酶不是蛋白质，而是比较简单的化学物质，它
实际上可能是利用蛋白质作为载体分子。当时大多数生物化学家
都站在威尔施泰特一边，他是诺贝尔奖金获得者，享有很高的
威望。
可是，这个学说刚一提出，康奈尔大学的生物化学家萨姆纳几
乎马上就提出有力的证据予以反驳。萨姆纳从刀豆（一种美洲热
带植物的白色种子）中分离出一些结晶，溶解后显示出一种叫做脲
酶的酶的特性，即能够催化尿素分解成二氧化碳和氨。萨姆纳的
结晶显示出明显的蛋白质性质，而且他无法把蛋白质与酶的活力
分开。凡是使蛋白质变性的东西也都会破坏这种酶。这一切好像
都证明，他所得到的是一种纯的结晶状的酶，而且证明酶是一种蛋
白质。
由于威尔施泰特的巨大威望，在一段时间内萨姆纳的发现没
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
有受到重视。但是，
1930年，洛克菲勒研究院的化学家诺思罗普
和他的同事们证明萨姆纳的发现是正确的。他们结晶出了许多种
酶（包括胃蛋白酶在内），而且发现它们都是蛋白质。此外，诺思罗
普还证明，这些结晶都是纯蛋白质，即使溶解并稀释到一般化学试
验（如威尔施泰特所做的那些试验）不能再查到蛋白质存在的程
度，仍然会保持它们的催化活力。
酶就这样被证实是蛋白催化剂。到目前为止，人们已经识别
出大约
2 000种不同的酶，并对
200多种酶进行了结晶——全部
都是蛋白质，无一例外。
由于他们的工作，萨姆纳和诺思罗普分享了
1946年的诺贝尔
化学奖。
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
44 000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
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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
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
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：
O
O
CH2 C
C
OH
OH
CH2
O
O
C
CH2 C
OH
OH
琥珀酸丙二酸
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
阿西莫夫最新科学指南
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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、制造柠檬酸以及许多其
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酞基的时
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
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
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。
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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；�
