科学家是怎样研究和探索酶的本质的?

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人类对酶的化学本质的认识历经了三次飞跃。

第一次飞跃

1926年美国科学家J.Sumner从刀豆种子中提取了脲酶的结晶,并且通过化学实验证实了脲酶是一种蛋白质。J.Sumner因此荣获了1964年的诺贝尔化学奖。

在此后的几十年中,人们所发现的几千种酶都是蛋白质,所以20世纪30年代,科学家对酶定义为:酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。

有的酶为单纯蛋白质,其分子组成全为蛋白质,不含非蛋白质物质,如大多数水解酶类;有的酶为缀合蛋白质(结合蛋白质),其分子中除蛋白质外,还有非蛋白质物质,如氧化还原酶类。

结合蛋白酶的蛋白质部分成为酶蛋白,非蛋白质部分成为辅酶或辅基,酶蛋白和辅基组成的完整分子成全酶。只有全酶方起催化作用,分开后的酶蛋白或辅酶皆无催化作用。

有些辅酶和酶蛋白结合紧密,不易分开;有的辅酶和酶蛋白结合疏松,前者一般称为辅基,后者一般称为辅酶。辅酶是指直接参与催化反应中的有机物。

按照近代意义,游离金属离子,如Mg2+﹑Mn2+等,不能称为辅酶,只能称为辅助因子,因为金属离子只是间接参与催化,有的仅仅是维持酶分子的--SH基的还原状态;有的只是帮助形成活性必需的立体构想。

辅酶相同而酶蛋白不同的几种酶能催化同一种化学反应,但各作用于不同的底物。例如乳酸脱氢酶与苹果酸脱氢酶有同样的辅酶(NAD),但酶蛋白不同,它们虽然同样催化脱氢作用,但前者只能催化乳酸脱氢,而后者只能催化苹果酸脱氢。

第二次飞跃:

20世纪80年代以来的科学研究表明,一些RNA也具有酶的催化作用。

例如一种叫做RNasep的酶,这种酶是由20%的蛋白质和80%的RNA组成的,科学家将这种酶的蛋白质完全出去以后,并且提高了Mg2+的浓度,他们发现留下来的RNA仍然具有与该种酶的催化 活性。

又如1982年,美国科罗拉大学T.ceeh等人发现了四膜虫的26SrRNA前体在鸟苷存在,但完全无蛋白质的情况下能进行自我拼接,因此T.ceeh首次提出了RNA具有酶活性的概念。

1983年S.Altman和Pace的实验分别证实了T.ceeh的发现,1986年T.ceeh又发现了L19RNA也有经典的酶促作用的特征,并且L19RNA在催化过程中既有核糖核酸酶活性,又有RNA聚合酶活性,于是他得出L19RNA也是一种酶的结论。T.ceeh和S.Altman为此荣获1989年的诺贝尔化学奖。

这以后发现的RNA催化剂愈来愈多,它们在tRNA﹑rRNA和mRNA的成熟以及其他一些重要生化反应中表现出催化活性。因此科学家又一次对酶定义为:酶是活细胞产生的具有生物催化功能的有机物,其中大部分是蛋白质,少数是RNA。

第三次飞跃:

1994年G.Toyce等人的研究证实了具有酶活性的DNA的存在。

最小的DNA催化剂是由47个核苷酸组成的单链DNA--E47,用于连接两段底物DNA:S1和S2,结果出现预期的连接产物。产物的形成还需要S1的3′--磷酸基团被活化。

由E47催化S1和S2的连接反应 比无模板的情况至少快1015倍,这样使人们认识到除了蛋白质和RNA具有酶的功能外,某些DNA也具有酶的功能。实现了人类对酶的化学本质认识的第三次        飞跃。

所以科学家再次对酶定义为:酶是活细胞产生的具有生物催化功能的有机物,其中大部分是蛋白质,少数是RNA或DNA。


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