什么是酶化學(xué)及酶化學(xué)發(fā)展的回顧
化學(xué)先生 / 2019-07-27
1: 酶化學(xué)的基本概念
酶化學(xué)是生物和化學(xué)的交叉學(xué)科，在生物化學(xué)教科書中，酶化學(xué)通常作為一章來(lái)論述。酶是一種生物催化劑，但生物催化劑不僅包括酶，還包括整細(xì)胞、非酶蛋白質(zhì)和催化抗體。酶的主要成分是蛋白質(zhì)，酶的催化作用不僅決定于蛋白質(zhì)的構(gòu)型，也受氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)的影響。酶催化反應(yīng)在活性中心上進(jìn)行，在很多情況下還需要金屬離子和輔酶的參與。和化學(xué)催化劑相比，酶的獨(dú)特催化性質(zhì)是反應(yīng)速率快、選擇性高、反應(yīng)可以在溫和條件下進(jìn)行。生命過(guò)程中的所有化學(xué)反應(yīng)都是在酶催化作用下完成的;換言之，生物酶可以催化任何一種化學(xué)催化反應(yīng)。在某種意義上講，酶化學(xué)在生物化學(xué)中處于中心地位，生物化學(xué)也可以看作是“集成酶學(xué)”。
2:酶化學(xué)發(fā)展的回顧
韓式酶化學(xué)的發(fā)展是化學(xué)家對(duì)生物酶的認(rèn)識(shí)、應(yīng)用、改造和模擬的過(guò)程。根據(jù)文獻(xiàn)記載，酶化學(xué)的研究始于19世紀(jì)上半葉，1833 年P(guān)ayen和Persoz首先發(fā)現(xiàn)一種對(duì)熱敏感的麥芽提取物可以催化淀粉的自然水解反應(yīng)。他們將這種提取物稱作"diastase",原意為“分離”，后來(lái)被命名為“淀粉酶”。繼之，Liebig和Woehler等又提出酶是組成未知的化學(xué)催化劑的觀點(diǎn)。這一發(fā)現(xiàn)激起了人們對(duì)發(fā)酵過(guò)程的研究興趣，但由于當(dāng)時(shí)受“活力論”的束縛，還意識(shí)不到生物催化劑的存在。1858 年手性有機(jī)化合物研究的先驅(qū)者Pasteur發(fā)現(xiàn)酒石酸銨在微生物酵母過(guò)程中會(huì)發(fā)生不對(duì)稱分解，認(rèn)為與酵母有關(guān)的發(fā)酵作用可能和活細(xì)胞中的酶活性有關(guān)，并提出“ferment"一詞，即“酵素”。直到1878年Kuhne才用"enzyme"表示“酶”，意即“在酵母中”。19 世紀(jì)末Fischer從無(wú)細(xì)胞抽提液首先制得糖苷酶，1894 年發(fā)表了有關(guān)酶催化立體選擇性的論文，并用鎖鑰模型來(lái)描述酶對(duì)底物的專一性: 1897 年Buchner又發(fā)現(xiàn)酵母的無(wú)細(xì)胞萃取物可以催化發(fā)酵過(guò)程。這樣才從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)發(fā)酵是一種酶催化反應(yīng)，作為生物催化劑的酶具有底物專一性和立體選擇性。
不難看出，從19世紀(jì)30~90年代的60多年間，酶化學(xué)的發(fā)展不只停留在細(xì)胞水平，對(duì)酶催化的化學(xué)本質(zhì)，特別是底物專一性和立體選擇性也有了初步認(rèn)識(shí)，通過(guò)化學(xué)分離方法已可以得到粗酶。20世紀(jì)初開(kāi)始，酶化學(xué)的研究逐步從細(xì)胞水平進(jìn)人酶和分子水平。1913 年Michaelis和Menten通過(guò)對(duì)水溶液中單底物酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，提出了著名的Michaelis Menten方程，并用過(guò)渡態(tài)理論解釋底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的機(jī)理，一直沿用至今。 20 世紀(jì)20年代Keilin報(bào)道了含卟啉的蛋白質(zhì)一-細(xì)胞色素的分離。 1926年Sumner從刀豆中純化出第一個(gè)酶結(jié)晶一脲酶結(jié)晶，1929 年Northrop又純化出胃蛋白酶結(jié)晶，從而證實(shí)了酶是具有催化功能的蛋白質(zhì)。由于他們?cè)诿笇W(xué)發(fā)展史上的劃時(shí)代貢獻(xiàn)，Sumner、Northrop和Stanly三人獲得了1946 年的諾貝爾獎(jiǎng)。
由于酶催化反應(yīng)機(jī)理的提出和陸續(xù)有新的酶結(jié)晶被純化出來(lái)并測(cè)定了其蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，自20世紀(jì)中期以后，酶化學(xué)的研究在基礎(chǔ)和應(yīng)用兩個(gè)方面都得到較快發(fā)展，產(chǎn)生了分子酶學(xué)和酶工程兩個(gè)分支。參與酶化學(xué)研究的交叉領(lǐng)城也從分離分析和有機(jī)化學(xué)逐步擴(kuò)展到物理化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)和生物無(wú)機(jī)化學(xué)等各分支學(xué)科。酶的固定化、非酶蛋白質(zhì)、催化抗體和模擬酶等新興研究領(lǐng)域的出現(xiàn)，對(duì)酶化學(xué)的傳統(tǒng)觀念提出了新的挑戰(zhàn)。
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