探究酶的幾個疑難問題

王隱甦

雖然酶大多是蛋白質，但少數具有生物催化功能的分子并非為蛋白質，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，通過人工合成所謂人工酶也具有與酶類似的催化活性。 有人認為酶應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、化學環境（如pH值）、底物濃度以及電磁波（如微波）等許多因素所影響。

一、 酶的化學本質為蛋白質，對嗎

從脲酶的發現，到較早發現的酶都是蛋白質，所以在以前人們一直以為酶的化學本質就是蛋白質。但是，1982年有人在研究原生動物四膜蟲的時候，發現四膜蟲核糖體RNA（rRNA）前體能在完全沒有蛋白質的情況下進行自我剪切加工，催化本身成為成熟的rRNA。這說明在這個只有在酶催化下才能完成的核酸大分子的剪切處理過程中，RNA充當了酶的催化作用。這在科學界引起了很大的震動。無獨有偶，1983年又有兩個實驗室的合作研究表明RNA具有催化功能。當時已知催化tRNA前體分子趨向成熟的核糖核酸酶P（RNaseP）是由蛋白質和RNA兩部分組成的，然而從RNaseP中分離出的蛋白質組分，在各種條件下均無獨立的催化活性；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，即該基因轉錄的初始產物，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。這一現象的發現者給具有催化活性的RNA定名為ribozyme，即酶性核酸。新近又發現了特異切割RNA的DNA分子，稱之為脫氧核酶（DNAzyme）。不難看出，隨著對酶研究的深入，以往對酶的許多看法都有必要改變了。

二、酶是如何實現其催化功能的

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催化劑的107～1013倍。但是，需要注意，酶只能改變相關反應的速率，縮短反應時間，卻不能改變其它的反應特點，如反應程度等。其對反應速率的提高，是通過與反應底物結合，降低反應底物的活化能來實現的。簡單地說，就如同讓一個小球從一個半圓形弧面自由下滑運動，顯然，無論從弧面的哪一高度下滑，即無論其勢能大小如何，最終都是穩定到最低點，使用了酶，就相當于把球的起始位置放得低一些，穩定下來（達到化學平衡）的就快一些。勢能則相當于球（反應底物）的活化能。

三、所有的生化反應都需酶的催化嗎

為了說明酶的重要性，許多老師在講解酶的生物催化功能時，往往容易強調酶促反應，由于教材所涉及的生化反應大多為酶促反應，就使學生誤以為細胞內所有的生化反應都是酶促反應。事實上，酶作為催化劑，與普通的化學無機催化劑一樣，僅能催化符合熱力學原理的相關反應。比如光合作用光反應階段水的光解（光化學反應）等則不需酶的催化，也不可能借助酶的催化作用來提高其反應速率。我們只能說：“一般的生化反應都需要酶的催化。”

四、誘導酶的合成有相關基因和誘導物就可以嗎

以大腸桿菌半乳糖苷酶的合成為例：當只有葡萄糖存在或有葡萄糖和乳糖同時存在時，大腸桿菌只利用葡萄糖而不利用乳糖。通過大腸桿菌對葡萄糖的優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酶。誘導酶基因和誘導物的存在是誘導酶合成的條件。誘導半乳糖苷酶合成的誘導物為乳糖。很多學生不理解在滿足條件的情況下，即有誘導酶基因和誘導物存在，如果有葡萄糖存在為什么就不能合成半乳糖苷酶。其實這種現象叫葡萄糖效應或兩次生長曲線。簡單地說，ATP在一種叫腺環化酶的作用下可形成cAMP（環腺苷酸），cAMP在磷酸二酯酶的作用下可形成AMP。研究發現，cAMP存在的條件下，mRNA聚合酶才可以結合到mRNA聚合酶結合位點合成半乳糖苷酶。當有葡萄糖存在時，其代謝產物對腺環化酶有抑制作用，而對磷酸二酯酶卻具有激活作用。所以，葡萄糖的存在會造成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，有誘導物的影響，有阻抑物的影響，等等。也正由于其復雜性，決定了其精確性，確保了微生物在保證代謝需要的前提下，避免物質和能量的浪費，增強了對環境的適應能力。

責任編輯 羅 峰endprint