很久很久以前,由于一个偶然的契机,酶诞生了......

酶 的 研 究 史

两类生物催化剂(biocatalyst)
酶(enzyme)是由活细胞合成的、对其特异底物(substrate)起高效催化作用的蛋白质,是机体内催化各种代谢反应最主要的催化剂;
核酶(ribozyme)是具有高效、特异催化作用的核酸,是近年来发现的一类新的生物催化剂,其作用主要参与RNA的剪切。

酶具有一般催化剂的特征:
1. 只能进行热力学上允许进行的反应;
2. 可以缩短化学反应到达平衡的时间,而不改变反应的平衡点;
3. 通过降低活化能加快化学反应速度。

酶的定义:
酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂。

酶学的知识来源于生产实践

 

酶者,酒母也

4000 多年前的夏、禹时代,人们掌握了酿酒技术
3000多年前的周朝,会用麦曲做饴糖(麦曲中的淀粉酶水解淀粉产生麦芽糖)、用豆类做食酱(霉菌蛋白酶水解黄豆蛋白质)等食品。
2500多年前的春秋战国时期,懂得用麴(音“曲”)来治疗消化不良等疾病;
同时期,漆已被广为利用,那时所用的漆是漆树的树脂被漆酶作用的氧化产物 。
1773年,意大利科学家斯帕兰扎尼(L.Spallanzani)设计了一个巧妙的实验:将肉块放入小巧的金属笼中,然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出,发现肉块消失了。于是,他推断胃液中一定含有消化肉块的物质。
酶的系统研究始于19世纪中叶对发酵本质的探讨。
  • 1810年,Jaseph Gaylussac 发现酵母可将糖转化为酒精。
  • 1833年,佩恩(Payen)和帕索兹(Persoz)从麦芽的水抽提物中用酒精沉淀得到淀粉酶(Diastase)。并指出这种无细胞制剂的催化特性(可以将淀粉水解为糖)和不稳定性(对热不稳定),发现了酶。
  • 1835~1837年,贝采里乌斯(Berzelius)首次提出“催化”的概念。这一概念的提出对酶学的发展相当重要,因为对酶的研究,一开始就与它具有催化作用联系在一起。
  • 1836年,德国科学家施旺(T.Schwann)从胃液中提取出了消化蛋白质的物质。解开胃的消化之谜。
19 世纪中叶,法国微生物学家、化学家,微生物学的奠基人之一,“巴氏消毒法”发明人,路易斯·巴斯德(Louis Pasteur)研究酿酒酵母,断定在活酵母细胞内有一种可以将糖发酵生成酒精的物质,提出酒精发酵是由酵母细胞生命活动的结果,细胞破裂则失去发酵作用。这一观点当时受到了李比希(Liebig)等著名科学家的反对,后者认为发酵是由溶解于酵母细胞液中的酶引起的。
1897年,德国巴克纳(Büchner)兄弟用石英砂磨碎酵母细胞,制备了不含酵母细胞的抽提液,并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵,说明发酵与细胞的活动无关,发酵过程并不需要完整的细胞,是酶作用的化学本质。
这不仅彻底结束了巴斯德和李比希两派的争论,更重要的是打开了通向现代酶学与现代生物化学的大门,为此巴克纳获得了 1907 Nobel prize in chemistry
  • 1878年昆尼(Kühne)首次将酵母中进行酒精发酵的物质称为酶( Enzyme),这个词来自希腊文,其意思是“在酵母中”。
  • 1894年Fisher提出酶与底物作用的“锁与钥匙”学说。
  • 1896年,日本的高峰让吉首先从米曲霉中制得高峰淀粉酶,用作消化剂,开创了有目的的进行酶生产和应用的先例。
20世纪以来
  • 1904年,英国生物化学家亚瑟·哈登(Harden Arthur)发现辅酶I(NAD+),瑞典杰出生物化学家汉斯·冯·奥伊勒·凯尔平(Hons Von Euler-chelpin)发现辅酶I组分中含有1个糖基、1个腺嘌呤和1个磷酸基,并阐明了糖发酵的过程和酶在其中的作用,特别是提示了辅酶的存在和作用机理。两人因为在酶的组成结构研究及发酵机理研究中的成就而共享1929 Nobel prize in chemistry
  • 1913年,米彻利斯(Michaelis) 和曼吞(Menten)等提出酶动力学(Enzymatic kinetics),推导出著名的米氏方程。1925年Briggs等进一步修改米氏方程并提出稳态学说。
  • 1920年,德国化学家威尔斯塔特(Willstater)将过氧化物酶纯化12000

詹姆士·萨姆纳
(James Batcheller Sumner)

1926 年,美国生化学家詹姆士·萨姆纳成为第一个证明酶是蛋白质的人。17岁时因玩枪不慎失去左臂的他,以顽强的毅力和勇气,坚持他为自己确定的宏伟目标:纯化脲酶。尽管遭到权威教授的反对,他还是经过十余年的努力,与1926年从南美热带植物刀豆中纯化出脲酶结晶。纯化液的酶活性比原液高700倍。并通过化学实验证实脲酶具有蛋白质的所有性质,是一种蛋白质。3年后,美国化学家诺思罗普( J.H.Northrop)证实了萨姆纳的发现,并结晶出许多酶。后来美国生物化学家斯坦利 (W.M.Stanley)则利用他们的方法,将病毒结晶出来。由于当时检测技术的限制,无法确认他们得到的结晶的纯度,直到电泳和超离心技术发明后,他们的成果才被承认。20年后,这三人共享 1946 Nobel prize in chemistry
  • 20世纪30年代,科学家们相继提取出多种酶的蛋白质结晶,并指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。
  • 60年代,用小分子化合物修饰酶分子侧链基团,使酶性质发生改变。
  • 70年代,修饰剂的选用、修饰方法上又有了新的发展。此外,对抗体酶、人工酶、模拟酶等方面,以及酶的应用技术研究,在近20年中均取得了较大进展,使酶工程不断向广度和深度发展,显示出广阔而诱人的前景。

1982年,美国科学家切克(Thomas Cech)从四膜虫(Tetrahynena) rRNA前体的加工研究中首先发现rRNA前体本身具有自我催化作用,即自我剪接功能(Self-splicing),并将这种具有催化活性的RNA 称为核酶(ribozyme)。 1983年,阿尔特曼(Sidney Altman) 发现核糖核酸酶P(RNase P)的RNA部分M1 RNA 具有核糖核酸酶P的催化活性。由此引出“酶是具有生物催化功能的生物大分子(蛋白质或RNA)”的新概念。

两人的发现打破了酶是蛋白质的传统观念,开辟了酶学研究的新领域。

获得1989 Nobel prize in chemistry

阿尔特曼
切克
  • 1986年Schultz等人研制成了抗体酶(abzyme)。
  • 1995年,Jack W. Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段,称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。
  • 美国科学家博耶(Boyer)、英国科学家沃克尔(Walker)和丹麦科学家斯科(Skou)阐明了三磷酸腺苷合成酶合成和分解ATP的机理,获得 1997 Nobel prize in chemistry

现已鉴定出4000多种酶,数百种酶已得到结晶。

而且每年都有新酶被发现。