一酶的作用和本質(zhì)

斯帕蘭札尼的實(shí)驗(yàn)說明，食物在胃中的消化，靠的是胃液中的某種物質(zhì)。然而這種物質(zhì)是什么，他始終未能得出結(jié)論。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)胃液中含有大量的鹽酸，于是推測鹽酸是使食物分解的物質(zhì)。1835年，德國科學(xué)家施旺通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，胃腺分泌物中有一種物質(zhì)，將它與鹽酸混合后，對肉類的分解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鹽酸的單獨(dú)作用，這種物質(zhì)就是胃蛋白酶

隨著對細(xì)胞研究的不斷深人，人們認(rèn)識到，細(xì)胞的生活需要物質(zhì)和能量。能量的釋放、儲存和利用，都必須通過化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。細(xì)胞中每時(shí)每刻都進(jìn)行著許多化學(xué)反應(yīng)，統(tǒng)稱為細(xì)胞代謝(cellular metabolism）。細(xì)胞代謝離不開酶（enzyme）。

酶在細(xì)胞代謝中的作用

細(xì)胞代謝是細(xì)胞生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，但細(xì)胞代謝中也會產(chǎn)生代謝廢物，甚至?xí)a(chǎn)生對細(xì)胞有害的物質(zhì)，如過氧化氫。幸而細(xì)胞中含有另一種物質(zhì)，能將過氧化氫及時(shí)分解為氧氣和水，這種物質(zhì)就是過氧化氫酶。下面我們就以過氧化氫在不同條件下的分解為例，探究酶的作用。

探究·實(shí)踐

比較過氧化氫在不同條件下的分解

新鮮肝臟中有較多的過氧化氫酶。經(jīng)計(jì)算，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的FeC1z溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的肝臟研磨液相比，每滴FeC1溶液中的Fe“數(shù)，大約是每滴研磨液中過氧化氫酶分子數(shù)的25萬倍。

目的要求

通過比較過氧化氫在不同條件下分解

的快慢，了解過氧化氫酶的作用。

材料用具

新鮮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的肝臟（如豬

肝、雞肝）研磨液。

量筒，試管，滴管，試管架，衛(wèi)生香，火柴，酒精燈，試管夾，大燒杯，三腳架，石棉網(wǎng)，溫度計(jì)。

新配制的體積分?jǐn)?shù)為3%的過氧化氫溶

液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的FeCl，溶液。

方法步驟

1.取4支潔凈的試管，分別編上序號1、2、3、4，向各試管內(nèi)分別加人2mL過氧化氫溶液，按序號依次放置在試管架上。

2.將2號試管放在90℃左右的水浴中加熱，觀察氣泡冒出的情況，并與1號試管作比較。

3.向3號試管內(nèi)滴入2滴FeCI，溶液，向4號試管內(nèi)滴入2滴肝臟研磨液，仔細(xì)觀

察，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.立即將點(diǎn)燃的衛(wèi)生香分別放人3號和4號試管內(nèi)液面的上方，仔細(xì)觀察，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

科學(xué)方法

控制變量和設(shè)計(jì)對照實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中的變化因素稱為變量。其中人為控制的對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行處理的因素叫作自變量，上述實(shí)驗(yàn)中加熱、加FeCI溶液、加肝臟研磨液，是對過氧化氫溶液的不同處理，溫度和催化劑都屬于自變量；因自變量改變而變化的變量叫作因變量，上述實(shí)驗(yàn)中過氧化氫分解速率就是因變量。除自變量外，實(shí)驗(yàn)過程中還存在一些對

實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的可變因素，叫作無關(guān)變量。

如上述實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)物的濃度和反應(yīng)時(shí)間等。除作為自變量的因素外，其余因素（無關(guān)變量）都保持一致，并將結(jié)果進(jìn)行比較的實(shí)驗(yàn)叫作對照實(shí)驗(yàn)。

對照實(shí)驗(yàn)一般要設(shè)置對照組和實(shí)驗(yàn)組，上述實(shí)驗(yàn)中的1號試管就是對照組，2號、3號和4號試管是實(shí)驗(yàn)組。本實(shí)驗(yàn)的對照組未作任何處理，這樣的對照組叫作空白對照。想一想，設(shè)置這樣的對照組有什么意義？

加熱能促進(jìn)過氧化氫分解，是因?yàn)榧訜崾惯^氧化氫分子得到了能量，從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀追纸獾幕钴S狀態(tài)。分子從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿菀装l(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活躍狀態(tài)所需要的能量稱為活化能activation energy

Fe”和過氧化氫酶能促進(jìn)過氧化氫分解，它們沒有給過氧化氫分子提供能量，而是降低了過氧化氫分解反應(yīng)的活化能。如果把化學(xué)反應(yīng)比作駕車翻越一座高山，“加熱”相當(dāng)于給汽車加大油門，用催化劑則相當(dāng)于幫司機(jī)找到穿山的隧道。與無機(jī)催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，催化效率更高（圖5-1）。

正是由于酶的催化作用，細(xì)胞代謝才能在溫和條件下快速有序地進(jìn)行。

酶的本質(zhì)

酶到底是什么物質(zhì)呢？19世紀(jì)以前，人們還不知道酶為何物。19世紀(jì)以后，隨著對釀酒中發(fā)酵過程的深入研究，科學(xué)家才逐漸揭開了酶的“面紗”。

思考·討論

關(guān)于酶本質(zhì)的探索

我國早在4000多年前的夏禹時(shí)代，就掌握了釀酒技術(shù)。1716年《康熙字典》收錄了酶字，并將“酶”解釋為“酒母也”。“酒母”就是現(xiàn)在所說的酵母。

19世紀(jì)，釀酒業(yè)在歐洲經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。但是，釀出的葡萄酒經(jīng)常莫名其妙地變酸。受這一問題困擾，科學(xué)界非常重視對發(fā)酵過程的研究。當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)知道，釀酒就是讓糖類通過發(fā)酵變成酒精和二氧化碳。糖類是怎么變成酒精的呢？許多化學(xué)家都相信這是一個(gè)純化學(xué)過程，與生命活動(dòng)無關(guān)。

1857年，法國微生物學(xué)家巴斯德（L. Pasteur,18221895）通過顯微鏡觀察，提出釀酒中的發(fā)酵是由醇母菌細(xì)胞的存在所致，沒有活細(xì)胞的參與，糖類是不可能變成酒精的。德國化學(xué)家李比希（J.V.Liebig,1803-1873）卻堅(jiān)持認(rèn)為引起發(fā)酵的是酵母菌細(xì)胞中的某些物質(zhì)，但這些物質(zhì)只有在酵母菌細(xì)胞死亡并裂解后才能發(fā)揮作用。兩種觀點(diǎn)爭執(zhí)不下。

結(jié)束這一爭論的是德國化學(xué)家畢希納（E. Buchner,1860—1917）。他把酵母菌細(xì)胞放在石英砂中用力研磨，加水?dāng)嚢?，再進(jìn)行加壓過濾，得到不含酵母菌細(xì)胞的提取液。在這些汁液中加入葡萄糖，一段時(shí)間后就冒出氣泡，糖液居然變成了酒。這一結(jié)果與糖液中含有活酵母菌細(xì)胞是一樣的。他將酵母菌細(xì)胞中引起發(fā)酵的物質(zhì)稱為釀酶。

畢希納雖然從細(xì)胞中獲得了含有酶的提取液，但是提取液中還含有許多其他物質(zhì)，無法直接對酶進(jìn)行鑒定。有些科學(xué)家推測酶是蛋白質(zhì)，并試圖將酶從提取液中分離出來，得到純酶，但由于技術(shù)上的困難都未成功。因此，酶究競是什么物質(zhì)，仍然是不解之謎。

美國科學(xué)家薩姆納（J.B.Sumner,1887-1955）也認(rèn)為酶是蛋白質(zhì)。1917年，他從資料中得知刀豆種子中脈酶含量相當(dāng)高（這種酶能使尿素分解成氨和二氧化碳），便決定從刀豆種子中提取純酶。他嘗試了多種方法，歷經(jīng)一次又一次的失敗，終于在1926年的一天清晨驚喜地發(fā)現(xiàn)，在用丙酮作溶劑的提取液中出現(xiàn)了結(jié)晶，這說明提取物達(dá)到了一定的純度。這種結(jié)晶溶于水后能夠催化尿素分解成氮和二氧化碳。然后他又用多種方法證明脲酶是蛋白質(zhì)。

后來，科學(xué)家又相繼獲得胃蛋白酶、胰蛋白酶等許多酶的結(jié)晶，并證明這些酶都是蛋白質(zhì)。

20世紀(jì)80年代，美國科學(xué)家切赫（T.R.Cech,1947一）和奧特曼（S.Altman,1939—）發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化功能。

“在科學(xué)上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達(dá)到光輝的頂點(diǎn)。”結(jié)合本節(jié)課的學(xué)習(xí)，談?wù)勀銓︸R克思這句話的理解。