酶学综述

酶学发展历程

在许多化学反应中，都会有催化剂的参与。这些具有催化活性的物质，可以降低发生化学反应的能垒以调控反应发生。在生命过程中，也存在有多种的催化剂催化复杂的生物化学进程。区别于一般的金属或其他化学催化剂，这些本身具有生物活性并具有生化反应催化活性的物质被称为酶。酶存在于生命活动生物方方面面，在人类生活过程中起着重要作用。

食品酶学的发展史可分为四个阶段：

一、早期经验积累阶段

从我国祖先在约公元前6000～5000年利用酶酿酒开始，酶在民间一直被广泛使用。早在4000多年前的夏禹时代，人类就懂得利用酵母酿酒；《书经》中有“若作酒醴，尔维麹蘖”的记载，其意为：若要酿酒，就必须使用麹和蘖。麹是指长了微生物的谷物，蘖是指发了芽的谷物，它们都含有丰富的酶。这些都说明了酶的应用首先是从食品生产开始的。到了周代，已经能用风干的麦芽粉制作饴糖和造酱，并发现用曲可以治疗消化不良。但是当时还不知道是酶的作用，对酶的利用也是一种不自觉的行为。

西方各国在17世纪也有了关于没得记载。1810年J.Gaylussac 发现酵母可将糖类转化为酒精，从此酶经历了一个被不断深入认识到被利用及用于生产的过程。

人们之前认为食物在胃中的消化是靠胃壁蠕动的机械碾磨。1752年有人做了一个实验，将肉片装在金属丝笼内，让老鹰吞下，经过一段时间取出小笼，肉片不见了。于是认识到胃液中有某种可以消化肉类的物质存在。这个实验动摇了蠕动消化的说法。

1857年微生物学家巴斯德等人认为酒精发酵是酵母细胞活动的结果，只有活酵母才能进行发酵。而持反对态度的李比希认为发酵是溶于酵母溶液中的酶引起的。直到1897年，Buchner兄弟通过石英砂磨碎酵母细胞，制备了不含酵母细胞却能使糖类发酵的提取液，从而认识到发酵是酶在起作用。

二、酶的性质及机理研究阶段

1835—1837年间，Berzelius提出了催化作用的概念，该概念对酶学和化学的发展都十分重要。可见对于酶的认识一开始就与它具有催化作用的能力联系在一起。1894年Fisher提出了酶与底物作用的“锁与钥匙”学说，用以解释没作用的专一性。20世纪中叶美国科学家的发展的“诱导契合假说”被提出，锁匙学说认为酶是一种刚性结构，和底物在结构上完全互补，而柯世兰的学说认为酶的结构是可变的，其活性中心会由于与酶的相互作用而改变。

在酶催化机理的研究方面，众多模型被不断提出、修正或推翻。1903年Henri提出了酶与底物作用的中间复合物学说。1913年Michal is和Menten根据中间复合物学说导出了米氏方程，1925年Briggs和Handane对米氏方程做出e对米氏方程做出一个重要修正，提出稳态学说。

三、解析酶的三维结构并阐释机理阶段

1914年的诺贝尔物理奖颁给了德国人Laue，晶体的X射线衍射这一重要的物理发现被迅速用于对物质结构进行解析。1965年，Phillips首次用X射线晶体衍射技术阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。1926年美国化学家Stanley从刀豆提取出了脲酶并结晶，证明了脲酶具有蛋白质性质。此后陆续得到了胃蛋白酶，胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶结晶，并证实酶是一种蛋白质后，酶的蛋白质属性才被人们所接受。后来人们发现绝大部分的酶是蛋白质，也有少部分具有催化作用的物质的主要成分是RNA。

从2级结构到3维构象，人们对蛋白质的认识不断加深，对蛋白催化功能的研究也更加深入。在3维结构解析出来后，更多的作用机制依据结构被提出并逐渐得以证实。很多酶被发现在体内不止于一种或一类反应相关，很多酶参与到总舵复杂的调控和信号通路中，共同形成一个网络发挥作用，完成对生物体精准有序的调节。

例如异柠檬酸脱氢酶在三羧酸循环中的作用。TCA循环中IDH 催化异柠檬酸生成α—酮戊二酸，将NAD﹢或NADP﹢还原成NADH 或NADPH，对于代谢具有重要作用。在三羧酸循环中，以NAD为辅酶的异柠檬酸脱氢酶（NAD-IDH），作用于底物异柠檬酸，产生能量并生成下一级产物α—酮戊二酸。在真核生物中，NAD-IDH是三羧酸循环中的重要的限速酶，催化异柠檬酸氧化脱羧成α—酮戊二酸并生成NADH等。三羧酸循环作为能量代谢的重要途径，对生物体的生命活动起着重要作用，能够提供比糖酵解更主要的能量；而且不仅仅是糖代谢的重要途径，也是脂质、蛋白质和核酸代谢最终氧化成二氧化碳和水的重要途径。

NADP-IDH是以2聚体的形式存在的，每个亚基各有一个活性中心、两个结合位点。其在2级结构和拓扑结构具有很高的保守性。以大肠杆菌IDH为例，同源2聚体每个亚基主要包含了3个重要的结构域，是一个典型的三明治结构，亚基间像钩子一样的结构将2个亚基链接在一起，并具有催化活性。IDH与底物相结合后，中心催化区域，构象整体不变，但是由于与底物相互作用的影响，部分氨基酸形成了一个α螺旋。IDH的催化位点位于大小结构域之间的深裂缝中，它由大小结构域及2个亚基共同组成，因此2聚体是没得活性形态。IDH的每个亚基包含1个催化位点，位于亚基的界面上，分别由来自

2个亚基的氨基酸共同形成IDH的底物结合口袋。研究发现，当用其他氨基酸吧这些残基置换后，IDH从以NADP为辅酶转换成以NAD 为辅酶。根据空间结构特点，分析得到NADP-IDH可分为同源2聚体IDH和单体IDH，它们对生物体的能量代谢、生物合成以及抗氧化胁迫起重要作用。

IDH是生物代谢过程中极其重要的酶。从三羧酸循环被发现开始，关于异柠檬酸脱氢酶结构与功能的关系、催化与调节机制、酶功能进化以及与疾病的关系等各方面的研究一直在持续并且不断有新的重大发现。

四、分子水平改造和利用酶的阶段

1969年Merrifield等人工合成了具有酶活性的胰RNase，完成了从提取到人工合成酶的巨大飞跃。在合成酶的基础上，人们更加要求对酶进行操控、改性并加以利用。随着DNA重组技术、聚合酶链式反应技术和核磁质谱等技术的不断发展和广泛应用，对酶结构与功能的研究进入新阶段。

酶学的发展对于生命科学的发展和人类健康水平的提高都有着十分重要的意义。酶和生命活动有着密不可分的联系，失去了酶，生命就无法正常运转。因此，研究细致阐明酶在细胞生长代谢过程中的作用、酶合成的机理和过程以及其活性和催化机制等方面，都对揭示生命的奥秘有极为重要的意义。