探究酶的幾個(gè)疑難問(wèn)題

王隱甦

雖然酶大多是蛋白質(zhì)，但少數(shù)具有生物催化功能的分子并非為蛋白質(zhì)，有一些被稱為核酶的RNA分子和一些DNA分子同樣具有催化功能。此外，通過(guò)人工合成所謂人工酶也具有與酶類似的催化活性。 有人認(rèn)為酶應(yīng)定義為具有催化功能的生物大分子，即生物催化劑，則該定義中酶包含具有催化功能的蛋白質(zhì)和核酶。酶的催化活性可以受其他分子影響：抑制劑是可以降低酶活性的分子；激活劑則是可以增加酶活性的分子。有許多藥物和毒藥就是酶的抑制劑。酶的活性還可以被溫度、化學(xué)環(huán)境（如pH值）、底物濃度以及電磁波（如微波）等許多因素所影響。

一、 酶的化學(xué)本質(zhì)為蛋白質(zhì)，對(duì)嗎

從脲酶的發(fā)現(xiàn)，到較早發(fā)現(xiàn)的酶都是蛋白質(zhì)，所以在以前人們一直以為酶的化學(xué)本質(zhì)就是蛋白質(zhì)。但是，1982年有人在研究原生動(dòng)物四膜蟲(chóng)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)四膜蟲(chóng)核糖體RNA（rRNA）前體能在完全沒(méi)有蛋白質(zhì)的情況下進(jìn)行自我剪切加工，催化本身成為成熟的rRNA。這說(shuō)明在這個(gè)只有在酶催化下才能完成的核酸大分子的剪切處理過(guò)程中，RNA充當(dāng)了酶的催化作用。這在科學(xué)界引起了很大的震動(dòng)。無(wú)獨(dú)有偶，1983年又有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的合作研究表明RNA具有催化功能。當(dāng)時(shí)已知催化tRNA前體分子趨向成熟的核糖核酸酶P（RNaseP）是由蛋白質(zhì)和RNA兩部分組成的，然而從RNaseP中分離出的蛋白質(zhì)組分，在各種條件下均無(wú)獨(dú)立的催化活性；相反，其中的RNA部分，在一定的鎂離子濃度條件下，再加上亞精胺，可以具有與天然或重組RNaseP同樣的催化活性。并且該RNA組分的前體，即該基因轉(zhuǎn)錄的初始產(chǎn)物，在上述條件下亦具有酶的催化活性。這樣，這種RNA可被看作是酶。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者給具有催化活性的RNA定名為ribozyme，即酶性核酸。新近又發(fā)現(xiàn)了特異切割RNA的DNA分子，稱之為脫氧核酶（DNAzyme）。不難看出，隨著對(duì)酶研究的深入，以往對(duì)酶的許多看法都有必要改變了。

二、酶是如何實(shí)現(xiàn)其催化功能的

作為生物催化劑，酶具有極為高效的催化能力。其催化效率大約為普通化學(xué)催化劑的107～1013倍。但是，需要注意，酶只能改變相關(guān)反應(yīng)的速率，縮短反應(yīng)時(shí)間，卻不能改變其它的反應(yīng)特點(diǎn)，如反應(yīng)程度等。其對(duì)反應(yīng)速率的提高，是通過(guò)與反應(yīng)底物結(jié)合，降低反應(yīng)底物的活化能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就如同讓一個(gè)小球從一個(gè)半圓形弧面自由下滑運(yùn)動(dòng)，顯然，無(wú)論從弧面的哪一高度下滑，即無(wú)論其勢(shì)能大小如何，最終都是穩(wěn)定到最低點(diǎn)，使用了酶，就相當(dāng)于把球的起始位置放得低一些，穩(wěn)定下來(lái)（達(dá)到化學(xué)平衡）的就快一些。勢(shì)能則相當(dāng)于球（反應(yīng)底物）的活化能。

三、所有的生化反應(yīng)都需酶的催化嗎

為了說(shuō)明酶的重要性，許多老師在講解酶的生物催化功能時(shí)，往往容易強(qiáng)調(diào)酶促反應(yīng)，由于教材所涉及的生化反應(yīng)大多為酶促反應(yīng)，就使學(xué)生誤以為細(xì)胞內(nèi)所有的生化反應(yīng)都是酶促反應(yīng)。事實(shí)上，酶作為催化劑，與普通的化學(xué)無(wú)機(jī)催化劑一樣，僅能催化符合熱力學(xué)原理的相關(guān)反應(yīng)。比如光合作用光反應(yīng)階段水的光解（光化學(xué)反應(yīng)）等則不需酶的催化，也不可能借助酶的催化作用來(lái)提高其反應(yīng)速率。我們只能說(shuō)：“一般的生化反應(yīng)都需要酶的催化。”

四、誘導(dǎo)酶的合成有相關(guān)基因和誘導(dǎo)物就可以嗎

以大腸桿菌半乳糖苷酶的合成為例：當(dāng)只有葡萄糖存在或有葡萄糖和乳糖同時(shí)存在時(shí)，大腸桿菌只利用葡萄糖而不利用乳糖。通過(guò)大腸桿菌對(duì)葡萄糖的優(yōu)先利用可以知道催化分解葡萄糖的葡萄糖氧化酶為組成酶，而催化乳糖水解的半乳糖苷酶等為誘導(dǎo)酶。誘導(dǎo)酶基因和誘導(dǎo)物的存在是誘導(dǎo)酶合成的條件。誘導(dǎo)半乳糖苷酶合成的誘導(dǎo)物為乳糖。很多學(xué)生不理解在滿足條件的情況下，即有誘導(dǎo)酶基因和誘導(dǎo)物存在，如果有葡萄糖存在為什么就不能合成半乳糖苷酶。其實(shí)這種現(xiàn)象叫葡萄糖效應(yīng)或兩次生長(zhǎng)曲線。簡(jiǎn)單地說(shuō)，ATP在一種叫腺環(huán)化酶的作用下可形成cAMP（環(huán)腺苷酸），cAMP在磷酸二酯酶的作用下可形成AMP。研究發(fā)現(xiàn)，cAMP存在的條件下，mRNA聚合酶才可以結(jié)合到mRNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)合成半乳糖苷酶。當(dāng)有葡萄糖存在時(shí)，其代謝產(chǎn)物對(duì)腺環(huán)化酶有抑制作用，而對(duì)磷酸二酯酶卻具有激活作用。所以，葡萄糖的存在會(huì)造成cAMP的缺乏，從而使半乳糖苷酶的合成受到阻遏。

從以上例子可以看出，誘導(dǎo)酶的合成是受到多種因素影響的：有遺傳因素的影響，有誘導(dǎo)物的影響，有阻抑物的影響，等等。也正由于其復(fù)雜性，決定了其精確性，確保了微生物在保證代謝需要的前提下，避免物質(zhì)和能量的浪費(fèi)，增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

責(zé)任編輯 羅 峰e(cuò)ndprint