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1、ATP与酶拓展阅读有关ATP1997年诺贝尔化学奖的一半授予了美国的保罗博耶和英国的约翰沃克，以表彰他们在研究腺苷三磷酸合成酶如何利用能量进行ATP再生方面所取得的成就。HCH2HHOHHOHOHNNNN OH |OPO ONH2 OH OH | |HOPOP O O三磷酸腺苷（ATP）的分子结构很复杂，它的结构简式如下：ATP的分子为C10H16O13N5P3，分子量是507，ATP与ADP的转化式可表示为：ATP ADP+Pi+能量。ADP再脱去一个磷酸根形成一磷酸腺苷（简称AMP），AMP是构成RNA的一种腺嘌呤核糖核苷酸。磷酸在ATP的功能中起着非常重要的作用。两个磷酸之间（也就是P与
2、P之间）用“”符号表示的化学键，是一种特殊的化学键。这种化学键断裂时，放出的能量是正常的化学键放出的能量的2倍以上（如每摩尔的高能磷酸键放出的能量约29.2941.84千焦，而一般的PO键只放出能量8.3720.92千焦. 从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮存和利用，都是以ATP为中心的。生物体进行各项生理活动所需要的能量，大都直接地来自于ATP，有些则间接地来源于ATP。总之，它们都通过ATP来供应能量。生物体的各种组织细胞中，各含有一定数量的ATP。而当细胞中的ATP浓度过高是时，生物体可以将ATP的高能磷酸键中的能量转移给肌酸，以生成磷酸肌酸（CP）这种化合物。此反应可简写成
3、：ATP+C ADP+CP。磷酸肌酸可作为一种辅助能源在动物的肌肉中贮存。让纤维素焕发青春为什么纤维素没有像蔗糖、淀粉一样被人类广泛利用呢？原来，这与它的结构有关。纤维素分子中的葡萄糖是由-1，4糖苷键连接而成的。一个纤维素分子大约含有几百个到15 000个葡萄糖分子。依靠纤维素酶酶解，纤维素能逐渐被分解成为寡糖、双糖和单糖，但人体内缺乏纤维素酶，因而人体无法直接利用纤维素。要想充分利用纤维素，首先需要有大量的纤维素酶。好在纤维素酶在自然界分布很广，许多微生物（主要是霉菌和细菌）都能生产纤维素酶。目前，微生物发酵已经是大规模生产纤维素酶的主要途径。目前，各国科学家在纤维素酶解工艺方面的研究非常
4、活跃。实验表明，这些工艺一方面需要创造较好的水解条件，如将原料充分粉碎，加强酶与底物的接触，使酶解过程更加容易，另一方面需要有活力较高的纤维素酶。为了进一步提高纤维素酶解的产量和质量，现在的关键是选育纤维素酶的高产菌种，从而让纤维素也像蔗糖、淀粉一样被人类广泛利用，焕发青春。蛋白催化剂现在我们可以把酶简单地定义为有机催化剂。化学家们开始着手分离酶，想看看它们究竟是些什么样的物质。麻烦的是，在各种细胞和天然液体内，酶的含量都非常小，而且所得到的提取物总是混合物，很难分清其中哪些是酶，哪些不是酶。许多生物化学家曾经猜测酶就是蛋白质，因为稍微加热，酶的特性很容易被破坏，就像使蛋白质变性一样。但是，在
5、20世纪20年代，德国生物化学家威尔施泰特报道说，某些纯化了的酶溶液（他认为他已经从中去掉了所有的蛋白质），表现出明显的催化作用。他的结论是：酶不是蛋白质，而是比较简单的化学物质，它实际上可能是利用蛋白质作为载体分子。当时大多数生物化学家都站在威尔施泰特一边，他是诺贝尔奖金获得者，享有很高的威望。可是，这个学说刚一提出，康奈尔大学的生物化学家萨姆纳几乎马上就提出有力的证据予以反驳。萨姆纳从刀豆（一种美洲热带植物的白色种子）中分离出一些结晶，溶解后显示出一种叫做脲酸的酶的特性，即能够催化尿素分解成二氧化碳和氨。萨姆纳的结晶显示出明显的蛋白质性质，而且他无法把蛋白质与酶的活力分开。凡是使蛋白质变性
6、的东西也都会破坏这种酶。这一切好像都证明，他所得到的是一种纯的结晶状的酶，而且证明酶是一种蛋白质。由于威尔施泰特的巨大威望，在一段时间内萨姆纳的发现没有受到重视。但是，1930年，洛克菲勒研究院的化学家诺思罗普和他的同事们证明萨姆纳的发现是正确的。他们结晶出了许多种酶（包括胃蛋白酶在内），而且发现它们都是蛋白质。此外，诺思罗普还证明，这些结晶都是纯蛋白质，即使溶解并稀释到一般化学试验（如威尔施泰特所做的那些试验）不能再查到蛋白质存在的程度，仍然会保持它们的催化活力。酶就这样被证实是蛋白催化剂。到目前为止，人们已经识别出大约 2000种不同的酶，并对 200多种酶进行了结晶全部都是蛋白质，无一例
7、外。由于他们的工作，萨姆纳和诺思罗普分享了1946年的诺贝尔化学奖酶工程技术动物、植物和细菌的活细胞都是一个特殊的化工厂。在亿万年的漫长进化过程中，这些活细胞获得了一种惊人的本领，它们不仅能合成生命活动所必须的一切物质，而且一些细菌还能在极端环境条件下生存。如有的细菌能在近冰点的水中生存，有的则生长在几乎沸腾的水中；有的细菌适应低pH（12）环境，而有的则适应于高pH（911）环境；还有些细菌能够抵抗高渗透压的环境而生活在高盐环境中。无论在哪种情况下，活细胞里生物合成的经济性和有效性都是现代化工业所不能比的。据估算，一个活细胞内可以同时发生15002000个化学反应，这些反应都是由酶来催化完成
8、的，由此构成了生命物质代谢的基础。一个活细胞内大约含有几千种酶，现已知道的超过1000种，它们大都是蛋白质（少数情况下可以是核酸）。酶有人们非常感兴趣的独特性能：化学催化能耗低、污染少，不仅能完成普通化学催化剂不能完成的反应，且具更高的专一性，即一种酶只能催化一种或一类反应。这给了人们很大的启示即如何有效地借用酶的这些特性和生化反应原理为人类服务。20世纪70年代以来，随着现代生物技术的兴起，酶工程技术亦应运而生，并在制药业、食品工业、诸多基本化学工业和农业生产中显示出强大的生命力。实际上早在4000多年前，我国劳动人民就掌握了运用酶的技术，如酿酒技术中使用的酒曲就含有大量生醇发酵的酶，只不过
9、以前的人们不知道罢了。近百年来，由于人们对酶在生物体内的作用机制有了突飞猛进的认识，不仅从各种生物体内提取鉴定了众多的酶广泛用于工农业生产，在一定程度上还能创造出在选择性和活性上模拟酶性质的聚合物催化剂，并在分子仿生学领域占有重要一席之地。现在全世界工业用酶的市场已超过15亿美元，专家们预计其销售额每年将以10%比率增长。食品工业中酶主要用于淀粉转化、奶制品及食物和饮料生产。如葡萄糖异构酶应用于饮料工业生产高果糖玉米甜味剂；以麦芽糖淀粉酶代替化学品单酸甘油脂作为面包制造抗腐变用。纺织品工业中酶在漂白、除垢、脱浆和牛仔裤的现代“石洗”等工艺中正发挥越来越大的作用。造纸工业中纸浆漂白氯的用量是环境
10、污染的主要因素。业已开发出的聚糖酶和-甘露聚糖酶被证明具有更为高效的漂白性能。酶添加剂应用于动物饲料也具有重大价值。大量的动物饲料是植物组织，其中含有不能消化的，甚至抗营养的成分。特别是单胃动物（如猪、家禽等）不易消化非淀粉的多聚糖，如-葡聚糖和木糖。用-葡聚糖酶和木糖酶事先处理饲料，就可解决不易消化问题，从而减少粮食的消耗量。植酸是一种抗营养性的物质，它能结合多种矿物质（磷、钙、铁、锌）和蛋白质，造成主要营养物质吸收不良。研究证明，植酸酶可克服这一障碍。可是自然提取的植酸酶产量低、价格昂贵，限制了它的应用。科学家们正在通过基因工程方法来解决这一难题。此外，化妆品工业也正在介入酶工程这一领域，
11、希望能用一些酶（如超氧化物歧化酶能消除皮肤表面的自由基）和生物表面活化剂（如糖脂）作为刺激性化学品的温和的替代品；环境污染中的许多问题看来有可能通过微生物和酶的途径来解决；作为药物来治疗疾病的酶，临床上已20余种，例如用链激酶治疗血栓病、用凝血因子和治疗血友病等功效显著。从这些资料我们可以粗略地看到酶与我们生活的关系是多么的密切。但是，上述所用的传统酶存在着局限性。从细菌、酵母、植物和动物细胞中分离提取酶是一个复杂而造价昂贵的事，从而影响了它的大量供应；不少酶即使提取了出来，其稳定性却很差，因为酶的活性依赖其天然的大分子生理构象，而这种构象必须在有限的温度、pH、盐浓度范围内才能保持，因此环境
12、条件稍有所变化，就很容易使酶失去活性，这大大限制了酶的应用；再者，工业流程中酶必须与反应物混合，在水溶液中才能实现其功能，因此产品最后还存在一个分离纯化的问题，这也是一个比较棘手的问题。然而近30年来，由于生物技术的发展，这些问题正在逐渐被克服。首先，基因工程重组酶技术有望解决酶的来源问题。1991年第一个酶基因工程产品凝乳酶在美国面世。其次，探索极端环境下生活的微生物，分离其中在极端条件下仍有活性的酶及其基因，或通过蛋白质工程定点突变或随机突变技术定向改造酶，则可望扩展酶的应用范围。另外，酶固定化技术的出现，为酶制剂在工农业生产和医药实践上的应用开拓了广阔的前景。固定化酶是借助物理方法（如吸附作用）或化学方法（如共价偶联法）将酶固定于水不溶性或水溶性载体而制成的一种酶制剂形式。它能反复使用，因此大大降低了生产成本；酶经固定化后往往会获得对有机溶剂等的抵抗能力，因此可用于进行某些非水系统的反应，从而大大扩展了酶的应用范围。木糖异构酶是第一个开发出来的固定化酶，已用于工业化生产高果糖玉米糖浆。在这世纪之交，酶工程技术正在蓬勃发展，尤其是酶模拟技术的发展，将使21世纪人们的生活更多地受益于生物催化剂酶。3
