阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第12部分
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助，这个反应只有在高温下才会发生。德贝赖纳甚至设计了一种
能够自动点火的灯，在灯里面把氢气流喷到一个涂有铂黑的面上，
灯就点着了。
因为这种“被加快的反应”通常是朝着由一种复杂物质分解为
一种比较简单物质的方向进行的，所以贝采利乌斯把这种现象命
名为催化作用（源自希腊语，原意主要是“分解”）。于是，铂黑被叫
做氢和氧化合的催化剂，而酸被叫做淀粉水解成葡萄糖的催化剂。
催化作用被证明在工业上具有头等的重要性。例如，硫酸是
一种仅次于空气、水和食盐的重要无机化合物，而制造硫酸的最好
方法就是将硫燃烧——先变成二氧化硫（
SO2），再变成三氧化硫
（SO3）。如果不加入铂黑一类的催化剂的话，从二氧化硫变成三
氧化硫这一步就进行得像蜗牛爬行一样慢。镍粉末（在大多数情
况下用它来代替铂黑，因为它比较便宜）以及铜
…铬铁矿、五氧化二钒、
三氧化二铁、二氧化锰等化合物也是重要的催化剂。事实上，在工
业上一个化学生产过程能否成功，在很大程度上取决于能否找到
正好适合有关反应的催化剂。正是由于齐格勒发现了一种新型的
催化剂，才使聚合物的生产发生了一场革命。
一种物质尽管有时用量很少，却能引起大量的反应，而自己本
身并不发生变化，这是怎么回事呢？
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有一类催化剂实际上是参加反应的，但它是以一种循环的方
式参加反应的，因此它能够连续不断地恢复到原来的形态。五氧
化二钒就是一个例子，它能够催化二氧化硫变为三氧化硫。五氧
化二钒把它的一个氧原子递给
SO2，把
SO2变成
SO3，而自身变成
四氧化二钒（
V2O4）。但是四氧化二钒很快与空气中的氧反应，又
恢复成
V2O5。这样五氧化二钒起了一个“中间人”的作用，把一个
氧原子递给二氧化硫，从空气中再另取一个，然后再递给二氧化
硫，如此循环不已。这个过程进行得非常快，因此，少量的五氧化
二钒就足以使大量的二氧化硫发生转变，而最终五氧化二钒看上
去并没有改变。
1902年，德国化学家隆哥提出，上述情况可以解释一般的催
化作用。1916年，朗缪尔又向前迈进了一步，他对像铂一类物质
的催化作用提出了一种解释：这类物质非常不容易起反应，因而不
可能指望它们参与一般的化学反应。朗缪尔认为，铂金属表面多
余的价键能够抓住氢分子和氧分子。当氢分子和氧分子被束缚在
非常靠近铂的表面时，比起它们作为一般的游离的气态分子更容
易化合成水分子。水分子一旦形成，就会被氢分子和氧分子从铂
的表面推开。铂捕捉住氢和氧，使氢和氧化合成水，把水释放掉，
再捕捉氢和氧，再形成水，这个过程可以无休止地进行下去。
这个过程叫做表面催化作用。自然，一定质量的金属，粉末越
细，所能提供的表面积就越大，因而进行催化作用的效率也就越
高。当然，如果有任何外来的物质牢固地附着在铂表面的键上，就
会使这种催化剂中毒。
所有的表面催化剂多少都具有选择性或专一性。有些容易吸
收氢分子，因而能够催化与氢有关的反应；另一些容易吸收水分
子，因而能够催化缩合反应或水解反应；等等。
表面普遍具有能够吸附多层分子的能力（吸附作用），这种能
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
力除了可以催化以外，还可以有其他用途。制成海绵状的二氧化
硅（硅胶）能吸收大量的水，把它放进电子设备里，可以起干燥剂的
作用，使湿度降低。在湿度高的情况下，电子设备的性能会受到损
害。
还有，研成细粒的木炭（活性炭）很容易吸附有机分子；有机分
子越大就越容易被吸附。活性炭可以用来使溶液脱色，因为它能
吸附有色的杂质（通常分子量很大），而留下所需要的物质（通常无
色，分子量也比较小）。
活性炭还被用于防毒面具。这个用途英国医生斯坦豪斯早就
预示到了，1853年，他首先制成了一个活性炭空气过滤器。空气
中的氧和氮通过这种物质时不受影响，但比较大的毒气分子则被
吸附。
发酵
有机界同样有自己的催化剂。实际上，其中有些催化剂已经
知道了几千年，虽然当时并不叫那个名称。它们同做面包和酿酒
一样源远流长。
生面团如果只有自身而不加任何东西，就会发不起来。加一
块酵母（源自拉丁语，原意为“发起来”），就会开始起泡，使面团膨
胀而变轻。
酵母还能使果汁和谷类加速转化成酒。在转化过程中同样也
形成气泡，因此人们把这个过程叫做发醉。酵母的制品通常称为
酵素。
直到
17世纪，人们才发现了酵母的本质。1680年，一位荷兰
研究者列文虎克第一次看到了酵母的细胞。为此，他使用了一种
使生物学产生革命的仪器——显微镜。显微镜是根据透镜可以使
光线折射和聚焦的原理制成的。早在
1590年，一位荷兰眼镜制造
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商
Z。 詹森就设计了用组合镜片组成的仪器（复显微镜），这些早
期的显微镜大体上是可以使用的，但由于镜片磨得不好，被放大的
物体成为模糊不清的斑点。列文虎克用的镜片很小，但磨得很细，
即使把物体放大
200倍仍很清晰。他使用的是单透镜（简单显微
镜）。
随着时间的推移，把好的镜片组合使用的做法越来越普遍（因
为复显微镜至少在潜力方面比简单显微镜大得多），微观世界进一
步被打开。在列文虎克以后一个半世纪，法国物理学家卡格尼亚
尔·德拉图尔使用一台优质的复显微镜，专心地研究酵母的细小斑
点，发现这些小斑点竟然是活的——它们正在进行繁殖。于是，在
19世纪
50年代，酵母成了一个研究的热门课题。
当时，法国的酿酒业正陷入困境。陈酒变酸，变得没法再喝，
损失达数百万法郎。这个问题被提到位于葡萄种植区中心的利尔
大学科学系的年轻系主任那里。这位年轻的系主任就是巴斯德。
他由于最先在实验室里分离出对映体，当时已经出了名。
巴斯德在显微镜下研究葡萄酒中的酵母细胞。他明显地看
到，酵母细胞有许多不同的种类。所有的葡萄酒都含有引起发酵
的酵母，但是那些变酸的葡萄酒还含有另外一种酵母。巴斯德认
为，葡萄酒是在发酵完成以后才开始变酸的。既然在必要的发酵
以后不再需要酵母，为什么不在这个时候把所有的酵母都去掉，以
免那个坏种捣乱呢？
因此，他向一家被吓坏了的酿酒厂建议，在葡萄酒发酵后稍微
加热，以杀死酒中所有的酵母。他预言，这样葡萄酒就能陈酿而不
变酸。那家酿酒厂勉强试验了他这个令人难以接受的建议，高兴
地发现酒不再变酸了，而且酒的味道并没有因为加热而受到任何
损害。酿酒业得救了。此外，这种稍微加热法（巴氏杀菌）后来也
用于牛奶，以杀死牛奶里的细菌。
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
除了酵母以外，其他生物体也能加速分解过程。实际上，在肠
道里就进行着类似于发酵的过程。第一个以科学的方法研究消化
的人是法国物理学家列奥米尔。他用鹰作为实验对象。1752年，
他让鹰吞下几个里面装有肉的小金属管；金属管保护肉不受任何
机械研磨作用，但是管上都有用格栅挡着的小孔，使胃里的化学过
程能够作用到肉上。列奥米尔发现，当鹰吐出这些管子的时候，肉
已经部分地分解了，而且管中有一种带黄色的液体。
1777年，苏格兰医生史蒂文斯从胃里分离出一种液体（胃
液），并且证明分解过程可以在体外进行，从而把分解过程与生命
的直接影响分离开来。
显然，胃液里含有某种能加速肉分解的东西。1834年，德国
博物学家施万把氯化汞加入胃液，结果沉淀出一种白色粉末。把
汞化物从粉末中除去，再把剩下的粉末溶解，此时他得到一种浓度
非常高的消化液。他把他发现的这种粉末叫做胃蛋白酶（源自希
腊语“消化”）。
同时，两位法国化学家帕扬和佩索兹发现，麦芽提取物中有一
种物质，能够把淀粉转变成糖，而且比酸还要快。他们称这种物质
为淀粉酶制剂（源自希腊语“分离”），因为这种物质是从麦芽中分
离出来的。
在很长一段时间里，化学家们对像酵母细胞一类的活体酵素
和像胃蛋白酶一类的非活体（即无细胞结构的）酵素作了明确的区
分。1878年，德国生理学家库恩提出把后者称做酶（源自希腊语
“在酵母中”）。库恩当时没有意识到，“酶”这个词以后会变得多么
重要，多么普遍。
1897年，德国化学家毕希纳用砂粒研磨酵母细胞，把所有的
细胞全部研碎，并成功地提取了一种液体。他发现，这种液体能够
像原酵母细胞一样完成发酵任务。活体酵素与非活体酵素之间的
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区别一下子消失了。这对于活力论者又是一次打击，活力论者对
生命和非生命进行了带有神秘色彩的区分。“酶”这个词现在用于
所有的酵素。
由于这项发现毕希纳获得了
1907年的诺贝尔化学奖。
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
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
酶的酶的特性，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
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
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
2 000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。
酶作用
酶在高效率和专一性两个方面都非常像催化剂。例如，有一
种叫做过氧化氢酶的酶，可以催化过氧化氢分解成水和氧。虽然
现在溶液中的过氧化氢也可以用铁屑或二氧化锰来催化，但是，在
相同重量的情况下，过氧化氢酶加快分解的速率要比任何无机催
化剂都快得多。在
10℃时，每一分子的过氧化氢酶每秒钟能够使
44 000分子的过氧化氢分解。所以，只要有浓度很小的酶就能完
成它的功能。
由于同样的原因，只要服用少量能干扰一种主要酶作用的物
质（毒物），就能结束生命。将重金属以氯化汞或硝酸钡等形式给
人服用后，它们就会与许多酶活性所必不可少的巯基发生反应。
那些酶停止作用，生物体就会中毒。像氰化钾或氰化氢一类的化
合物，用它们的氰基与其他主要酶的铁原子结合，很快就能使动物
死亡。
在常见的毒物中，一氧化碳是个例外。一氧化碳基本上不作
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用于酶而与血红蛋白分子结合（血红蛋白是一种蛋白质，但不是一
种酶）。在一般情况下，血红蛋白把氧从肺运送给细胞，但是被一
氧化碳缠住后，就不能运送氧了。不使用血红蛋白的动物不受一
氧化碳的伤害。
酶具有高度专一性，过氧化氢酶就是一个很好的例子，它只分
解过氧化氢而不分解任何其他物质；而无机催化剂，如铁屑和二氧
化锰等，不仅可以分解过氧化氢，而且可以催化许多其他反应。
怎样解释酶的高度专一性呢？隆哥和朗缪尔关于催化剂的行
为像中间人的学说提出了一种答案。假定我们认为一种酶和它的
底物（酶催化其反应的物质）形成一种暂时的结合，这样，这种酶的
形状或构型可能起着非常重要的作用。显然，每一种酶必定有一
个非常复杂的表面，因为它有许多不同的侧链从肽主链上突出出
来。这些侧链中有的带负电荷，有的不带电荷；有的大，有的小。
人们可以设想，每一种酶可能都有一个正好与某种底物相配合的
表面，换句话说，它与底物的配
