阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第13部分
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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，它与底物的配合就像钥匙配锁一样。因此，它很
容易与那种物质结合，而很难或根本不与其他物质结合。这样就
可以解释酶的高度专一性了：每一种酶都有一个定做的表面（打
个比方），用来和一种特殊的化合物结合。如果是那样的话，蛋白
质由那么多不同的单元组成，而且由活组织制造出那么多的种类，
就没有什么可奇怪的了。
酶作用的这种学说是英国生理学家贝利斯在他的著作中首先
提出的。他研究的是一种叫做胰蛋白酶的消化酶。1913年，德国
化学家米歇里斯和他的助手门腾利用这个学说研究出了米歇里
斯…门腾反应式，描述了酶执行其功能的方式，使这些催化剂变得
不那么神秘了。
人们发现，如果有一种在结构上与某种底物类似的物质存在
的话，就会减慢或抑制底物的这种酶促反应。这也证实了这种锁
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
钥观点。最有名的是关于琥珀酸脱氢酶的例子：这种酶能够催化
从琥珀酸中脱去两个氢原子的反应；如果有丙二酸（和琥珀酸非常
相似）存在，这个反应就不能进行。琥珀酸和丙二酸的结构式如
下：
O
O
CH2 C
C
OH
OH
CH2
O
O
C
CH2 C
OH
OH
琥珀酸丙二酸
这两个分子之间惟一的区别就是在琥珀酸的左侧多一个
CH2
基。因为丙二酸的结构与琥珀酸相似，所以大概丙二酸可以附着
在琥珀酸脱氢酶的表面。一旦丙二酸在酶的表面上先占据了琥珀
酸要附着的点（打个比方说），它就会一直堵塞在那里，酶就失去了
作用。就酶的正常功能来说，丙二酸使酶中了毒。这种作用叫做
竞争性抑制。
支持酶…底物复合物学说的最确实的证据来自光谱分析。人
们推测，如果一种酶与它的底物结合的话，在吸收光谱方面应当有
变化：结合物所吸收的光应当不同于单独的酶或单独的底物所吸
收的光。1936年，英国生物化学家基林和曼，在过氧化氢酶溶液
中加入它的底物过氧化氢以后，探测到颜色的改变。美国生物化
学家钱斯进行了光谱分析，发现在吸收图样中有两种渐进的变化，
一个接着一个。他认为，图样的第一种变化是由于酶和底物在以
一定的速率形成复合物，而第二种变化是因为随着反应的完成，这
种结合在减慢。1964年，日本生物化学家八木宣称，他分离出一
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种由
D…型氨基酸氧化酶和它的底物丙氨酸松散结合而组成的
酶…底物复合物。
现在又出现了一个问题：催化作用是需要整个酶分子呢，还是
需要它的某一部分就够了呢？这在理论上和实践上都是一个重要
的问题。今天酶已被广泛应用：被用来制药、制造柠檬酸以及许多其
他化学品。如果不必用整个酶分子，而用它的某一小片段就可完
成反应，或许这一活性部分可以人工合成，从而使生产过程不必依
赖利用像酵母、霉菌和细菌一类的活细胞了。
已经朝着这个目标取得一些有希望的进展。例如，诺思罗普
发现，当在胃蛋白酶分子的酪氨酸的侧链上加上一些乙酞基的时
候，酶就失去部分活性；但是，当把乙酞基加在胃蛋白酶的赖氨酸
的侧链上时，酶的活性没有任何损失。因此，酪氨酸一定与胃蛋白
酶的活性有关，而赖氨酸显然无关。这是第一次表明，酶可能含有
其活性不需要的部分。
最近，另一种消化酶的活性部位被更准确地确定出来，这种酶
叫胰凝乳蛋白酶。胰腺最先分泌出它时不带活性，叫做胰凝乳蛋
白酶原。这个没有活性的分子通过扯裂一个单肽键（由胰蛋白酶
来完成）而转变成有活性的分子：好像是暴露出单个氨基酸就会给
胰凝乳蛋白酶以活性。现在已经证明，把一个
DFP（二异丙基氟
磷酸）分子附着在胰凝乳蛋白酶上，就会停止这个酶的活性。人们
推测，DFP附着在一种主要氨基酸上。由于
DFP的标记作用，已
经证认出那个氨基酸就是丝氨酸。事实上，人们发现
DFP还附着
在其他消化酶的丝氨酸上。在每次发现中，丝氨酸都是处在
4个
氨基酸排列顺序的同一个位置上：甘氨酸
…天门冬氨酸
…丝氨酸
…甘
氨酸。
已经证明，只有这
4个氨基酸组成的肽表现不出催化的活性。
显然，酶分子的其余部分也以某种方式起着作用。我们可以把这
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
4个氨基酸顺序（活性中心）看成是一把刀的刀刃，如果没有刀把，
它就毫无用处。
在氨基酸链上活性中心（刀刃）也不一定全都在一起。我们来
看一看核糖核酸酶。因为已经知道它的
124个氨基酸的准确顺
序，所以可以设想一些方法，有意地变换链上的某一个氨基酸，看
看这种变化对酶的作用有什么影响。结果发现，有
3个氨基酸是
酶作用所特别需要的，但是它们相隔很远。它们是第
12位的组氨
酸、第
41位的赖氨酸和第
119位的另一个组氨酸。
当然，这种分离的情况只存在于被看成是一长串的链中。在
工作分子中，链卷曲成一个特殊的立体构型，由跨越各圈的
4个胱
氨酸固定位置。在这样的分子中，
3个必要的氨基酸被聚集在一
起，形成一个紧密结合的单元。
在对溶菌酶的研究中，使活性中心的问题变得更加明确。许
多地方（包括眼泪和鼻涕）都有溶菌酶，它能催化分解组成细菌细
胞壁的某些物质的主要键，从而使细菌细胞溶解，就好像它能使细
胞壁破裂，使细胞里面的东西漏出来似的。
溶菌酶是第一个对结构进行全面立体分析的酶（
1965年）。
经过这种立体分析可以证明，受溶菌酶作用的细菌细胞壁的分子
正好与酶结构上的一个裂隙相符。人们发现主要键位于谷氨酸
（第
35位）侧链上的一个氧原子和天门冬氨酸（第
52位）侧链上的
另一个氧原子之间。这两个位置通过氨基酸的折叠而聚集在一
起，相隔的距离正好可以配上一个要攻击的分子。在这样的情况
下，断开键所需要的化学反应很容易发生。溶菌酶就是以这种方
式专门组织起来发生作用的。
此外，有时还会发生这样的情况，酶分子的刀刃根本不是一组
氨基酸，而是性质完全不同的一种原子结合物。我将在本书的后
面讲几个这方面的例子。
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我们不能随意改变刀刃，但是我们能否改变一下刀把而不损
害这一工具的使用价值呢？刀把有自己的用途，这是没有疑问的。
酶在其自然状态下似乎很不平稳，不用怎么扭曲就能呈现多种不
同的形状。当给活性部位增加底物时，酶就按照底物的形状调整
自己的形状，由于分子的非活性部分的“退让”，所以它们配合得非
常紧密，催化作用的效率也很高。形状稍微不同的底物就不会那
样充分地利用这种“退让”，因而不会受到什么影响——实际上，还
可以抑制酶作用。
而且，酶还可以简化，可能要以损失部分（而不是全部）效率为
代价。例如，像胰岛素一类的蛋白质就有许多不同的种类存在，这
就促使人们相信，简化是可能的。胰岛素是一种激素，而不是一种
酶，但是它的功能具有高度专一性。在胰岛素
G链的某一位置
上，有一段
3氨基酸顺序，在不同的动物体内排列顺序不同：在牛
体内为丙氨酸
…丝氨酸…缬氨酸；在猪体内为苏氨酸
…丝氨酸…异亮
氨酸；在羊体内为丙氨酸
…甘氨酸…缬氨酸；在马体内为苏氨酸
…甘
氨酸…异亮氨酸，等等。但是，这些胰岛素中的任何一种都可以代
替其他任何一种，而且都能执行同样的功能。
此外，有时把一个蛋白质分子切去一大段对它的活性没有什
么严重影响（如同把刀把或斧子把弄短一点不会使其效率损失多
少一样）。适当的例子是一种叫做促肾上腺皮质激素（
ACTH）的
激素。这是一种由
39个氨基酸组成的肽链，氨基酸的排列顺序现
在已经完全确定下来，从
C末端一直去掉
15个氨基酸也不会失
去这种激素的活性；而从
N末端（打个比方说，刀刃）去掉一两个
氨基酸，它就会立即失去活性。
对从木瓜树的果实和树液中提取的木瓜蛋白酶也进行了同样
的实验。它的酶作用与胃蛋白酶相似。从
N末端去掉胃蛋白酶
分子的
180个氨基酸，看不出它的活性有什么降低。
第十二章 蛋白质
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因此，至少可以设想，酶将会进一步简化到可以大量人工合
成的程度。那时候，合成酶就会以比较简单的有机化合物的形式
大规模生产，并应用于各个方面。这将是化学小型化的一种
方式。
新陈代谢
一个像人体这样的生物体就是一座种类繁杂的化工厂：它吸
入氧气并喝水；它把碳水化合物、脂肪、蛋白质以及其他原料作为
食物吃进去，又把各种未消化的东西和细菌以及由细菌引起的腐
败产物排出来；它还通过肺排出二氧化碳，通过肺和汗腺排出水，
并排泄尿，由尿带出许多溶解的化合物，其中主要是尿素。这些化
学反应决定着身体的新陈代谢。
通过检查进入身体的原料和排出的废物，我们就可以知道体
内发生的一些情况。例如，由于进入体内的氮大部分是由蛋白质
供给的，所以我们知道，尿素一定是蛋白质新陈代谢的一种产物。
但是，在蛋白质和尿素之间，有着一条漫长而又曲折复杂的路径。
身体的每一种酶只能催化一种特殊的微弱反应，大概只能重新排
列两三个电子。身体的每一个大的转变都要涉及到许多步骤和许
多酶，即使看上去像微小的细菌那样的生物，也必须利用几千种不
同的酶和化学反应。
这一切可能看上去极其复杂，但这正是生命的本质。通过增
加或减少适当的酶的产生，就可以微妙地控制各种组织中的大量
复杂的反应。酶控制体内的化学反应，就像手指在弦上的复杂动
作控制小提琴的演奏一样；没有这种复杂性，身体就不能完成它的
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多种功能。
组成身体新陈代谢的反应不计其数，要追踪这些反应的过程
就等于要追踪生命的轮廓。企图详细追踪这个过程，企图弄明白
同时发生的无数个反应之间的相互紧密配合，看来可能确实是一
件极其艰巨甚至没有希望的工作。艰巨是事实，但并不是没有希
望。
把糖变成乙醇
化学家们对新陈代谢的研究，是从努力查明酵母细胞怎样把
糖变成乙醇开始的。1905年，两位英国化学家哈登和
W。 J。扬提
出，这个过程与含磷酸基糖类的形成有关。哈登和
W。 J。扬最先
注意到，磷在新陈代谢中起着重要作用（从那时起磷的作用日益突
出）。哈登和
W。 J。扬甚至在活组织里发现了一种由含有两个磷
酸基（
PO3H2）的果糖组成的糖基磷酸醋。这种二磷酸果糖（有时
仍叫做哈…扬二氏酯）是被明确证认出来的第一种代谢中间物，即
在从化合物被摄入体内到化合物被排出体外的过程中，被认识到
的第一种暂时形成的化合物。哈登和
W。 J。扬就这样创立了中间
代谢的学科，专门研究这些中间产物的性质及与它们有关的反应。
由于这项工作以及对在酵母使糖转化成乙醇过程中有关酶的进一
步研究工作，哈登分享了
1929年的诺贝尔化学奖。
1918年，德国化学家迈尔霍夫证明，动物细胞（如肌肉细胞）
分解糖的方式和酵母基本相同，从而使开始时只涉及酵母细胞的
问题具有了更加广泛的重要性。主要差别是：在代谢这一特殊的
过程中，动物细胞的分解作用不如酵母细胞彻底。例如，它不是把
6个碳的葡萄糖分子一直分解成
2个碳的乙醇（
CH3CH2OH），而
只是分解成
3个碳的乳酸（CH3CHOHCOOH）。
迈尔霍夫的研究首次说明了一个普遍的原理：在一切生物（从
第十二章 蛋白质
第十二章 蛋白质
最简单的到最复杂的）体内，新陈代谢所经历的途径是一样的，只
有一些微小的差别。从此这个原理为世人所公认。由于迈尔霍夫
对肌肉中乳酸方面的研究，他和英国生理学家希尔一起分享了
1922年的诺贝尔医学与生理学奖。希尔是从肌肉产生热的角度
研究肌肉的，他所得出的结论与迈尔霍夫从化学研究中得到的结
论非常相似。
在
1937～1941年期间，在圣路易华盛顿大学工作的科里夫妇
（C。 F。科里和
G。 T。科里），研究出了从糖转化成乳酸过程中的各
个步骤的细节。他们利用组织提取液和提纯的酶来使各种糖磷酸
醋发生变化，然后像玩拼板游戏一样把所有这些变化拼集在一起。
他们提出的各个步骤变化的图式至今仍然没有什么改动。科里夫
妇分享了
1947年的诺贝尔医学与生理学奖。
在糖转化成乳酸的过程中，产生一定的能量，这种能量为细胞
所利用。酵母细胞在使糖发酵时就靠这种能量来生活，肌肉细胞
在必要的时候也是如此。重要的是，要记住这种能量是在不使用
空气中的氧的条件下得到的，因此，即使当肌肉需要消耗较多的能
量，而通过血流较慢的速率给肌肉供氧的反应满足不了这种需要
时，肌肉仍能工作。然而，随着乳酸的积聚，肌肉就会越来越疲劳，
最后肌肉必须休息，直到氧把乳酸分解掉。
代谢能量
下一个问题是：由糖分解成乳酸所产生的能量是以什么方式
供给细胞，而细胞又是怎样利用这种能量的呢？德国出生的美国
化学家
F。 A。李普曼从他
1941年开始
