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第36章 技艺高超的酶

第一篇第三十四章技艺高超的酶

 悠久的历史

自从我们这个星球有了生物,酶就存在了。毫不夸张地说,我们的生命无时无刻都离不开酶

,它遍布了细胞的各个角落里,有1 300多种,生物体内的各种化学反应,没有它的参

与就难以进行。所以说,酶是生命的钥匙。我们的生活也与酶的应用息息相关。早在4 00

0年前,我国人民就开始利用大麦芽中的

酶制造饴糖,利用发酵法酿酒,制醋和酱。但那时人们并不是有意地利用酶,而是一种只知

结果,不知原理的自然行为,人们就在这种状态下使用了几千年的酶。直到100多年前的185

7年,法国的微生物学家巴斯德在研究酒精发酵时发现:把活的酵母与糖放在一起,在一定

的条件下它们会发酵并产生酒精。又过了40年,德国的毕希纳进一步研究发现,如果将能够

引起酒精发酵的活酵母研碎后再与糖混合,仍然可以使糖发酵形成酒精。这说明即使酵母细

胞不存在了,但细胞内的物质仍然能够使糖发酵成为酒精,他把这种具有发酵能力的物质称

为酶。到20世纪初,人们发现了更多的酶,对它们的催化反应进行了大量研究,并把它们从

细胞中分离出来并进行纯化。1926年桑讷首先得到了能够分解尿素的脲酶结晶,并且研究证

明它是蛋白质,具有蛋白质的一切性质,为此他荣获1947年度的诺贝尔奖。此后有关酶的研

究继续发展,成为一门独立的学科。到60年代以后,物理和化学的发展为酶的研究和应用

提供了强有力的技术手段,酶的研究和应用真正进入了迅速发展时期。淀粉酶和葡萄糖淀

粉酶在工业上首先用于生产葡萄糖酶。70年代初,日本的千佃一郎将固定化氨基酸酰化酶用

于工业生产L-氨基酸,开创了应用固定化酶的新时代。随着酶的应用的不断扩大,生物技

术的发展,人们将有关酶的开发、研究、制备、加工及应用统称为酶工程。80年代初人们发

现酶也可以在有机溶剂中催化反应,这改变了酶不能在有机溶剂中使用的传统观念,使酶学

、酶工程和酶的应用进入了新阶段。现代日常生活中,人们离不开的加酶洗衣粉,嫩肉粉

,多酶片等酶制剂,便是酶工程最直接的体现。

 令人惊叹的速度

细菌繁殖一代只需要20分钟,一个大肠杆菌在20分钟内能从容地合成包括2 000多种蛋

白质、1 000多种核酸在内的5 000多种物质,并把它们组装起来,成为一个新个体

。这些惊人的化学反应来实现,这些反应是在生物体内悄然无声的,有条不紊地进行着,而

且是在极其温和的温度和酸碱度下高速的、以100%的生产率进行着,这是多么奇妙的本领!

任何现代化的化工厂也达不到这种水平的1%。这是由于生物在亿万年进化的长河中形成的

一种特殊的手段,发展出的一系列生物催化剂—酶。

酶分子为什么会有这么高超的技艺呢?酶是活分子产生的一种具有催化功能的蛋白质,

就像一把锋利的宝刀,它可以任意切割与缝合化学物质的键和链。这宝刀的刀刃,叫做活性

中心。比如,人的眼泪和鼻涕分泌物中有一种溶菌酶,它的第35位谷氨酸侧链的一个氧原子

和第52位天门冬氨酸侧链另一氧原子的连接链,就是锋利的刀刃,恰好在这空隙中把细菌细

胞壁的糖分子装进去,就从这里切断糖链,打开细菌的“肚皮”,使其物质流尽致死。还有

一种核糖核酸酶,共有124个氨基酸组成,其中只有第12位组氨酸、第41位赖氨酸以及第119

位组氨酸是活性中心。其他氨基酸都可调换位置或替代仍不失去酶的活性,但这三个最关键

的氨基酸却不能动。当然,酶分子的其他氨基酸也不是多余的,没有刀把的宝刀也不好使。

酶分子还有一个特性就是它的高度专一性,一把钥匙开一把锁,一种酶只催化一种化学

物质。例如,淀粉酶只作用于淀粉,脂肪酶只作用脂肪。同是蛋白酶,对不同的蛋白质也有

专一性。脲酶只能分解尿素的肽键,对蛋白质的肽键就不发生作用。胃肠蛋白酶水解食物中

的一切蛋白质,但寄生在人肠道里的蛔虫虽是蛋白质,却不能消化它。然而用木瓜树果实中

提取的木瓜蛋白酶,却能将蛔虫分解得支离破碎。由此可见,钥匙与锁的配合多么的准确而

又巧妙啊。

 酶是怎么产生的

酶是由活细胞产生的,但是它能脱离生物体而发挥作用,于是人们想到了以动植物为原料来

提取它,但是所得却是微乎其微。后来科学家在微生物中也发现了酶。由于微生物繁殖速度

惊人,培养过程易于控制,加上微生物本身容易改造,因此实现了酶生产的工业化。

在工业上生产我们所需要的酶,大多数是在含有营养物的液体培养基中,在适当的条件下培

养微生物菌种,让它生长,从而产生我们所需要的酶,这就是发酵。用于进行微生物发酵的

容器通常称为发酵罐。在工业酶的生产中,大多数使用20~50立方米大小的发酵罐。

不是任何一种微生物都可以用来生产一种酶,只有具有高产能力,经过长期的严格选择

和研究的微生物才能使用。所以发酵必须使用“纯种”。如果发酵时其他微生物进入了发酵

罐,也会迅速生长,在发酵工业上称为“污染”,轻者使酶产量大幅度下降,严重的将一无

所获,使生产失败。一旦发生污染,其损失非常大。所以,发酵工业的无污染控制非常重要

。

在工业中,用于生产淀粉酶的微生物叫做枯草芽孢杆菌,它是一种细菌;用于生产葡萄

糖淀粉酶的叫做黑曲霉,是一种真菌,它们产生的酶都不在细胞里,而是释放到发酵液里。

所以发酵结束时,要将微生物通过过滤或其他方法除去,得到含酶的发酵液,由于发酵液中

酶的浓度非常低,需要进行浓缩。

 酶的广泛应用

到现代,酶有了广阔的用武之地。由于酶工程反应产物污染小、能耗低,反应又容易控制,

所以在食品加工、饲料生产、医药和化工等领域有着广泛的应用。

在工农业生产和日常生活中,蛋白酶是一种用途很广的微生物酶。洗衣粉里加了蛋白酶

,衣物上的各种污渍,不论是血渍、汗渍,还是油渍、食渍,都能洗得干干净净。制革工业

中,用蛋白酶法脱毛,不仅减轻了劳动强度,简化了工序,也使原来污染环境,对农作物有

害的废水变成了肥料。

传统制糖业生产的蔗糖几乎全部是通过对甘蔗或甜菜加工得到的。但甘蔗和甜菜的种植

受到耕地面积、气候条件等多种限制,因此蔗糖的产量容易受到影响。

另外,人体吸收过量的蔗糖会增加脂肪的积累,会引起肥胖、高血压、糖尿病、心血

管等疾病。对此,人们另找出路,以高果糖浆代替蔗糖。但是果糖作为一种单糖在自然界存

在较少,通常以游离状态存在于水果中。我国科学家们研究利用葡萄糖异构酶生产的高果糖

浆,含果糖在40%以上,堪称“人工蜂蜜”,现已被广泛应用于面包、糕点、糖果等食品工

业中。可以说高果糖浆的生产是食糖工业的一场革命,又是酶工程在工业生产中最成功、规

模最大的应用。

人们很早以前便知道木瓜叶、果中的乳汁含有使肉嫩化的酶。经过多年的研究,现在人

们已可以从木瓜果实中采集乳汁,加工处理制成木瓜蛋白酶。目前以木瓜蛋白酶为原料开发

的主要产品有饼干松化剂、饲料添加剂、啤酒(饮料)澄清剂和肉类嫩化剂等。市场上的嫩肉

粉就是以木瓜蛋白酶为主要原料,混以激活剂、稳定剂和食盐、淀粉等填充剂。由于木瓜蛋

白酶能部分水解肉类的蛋白质,故可以使肉丝、肉片等烹调后吃起来嫩滑可口。

在医疗方面,许多酶本身就是有效的药物。有些消化不良的患者,医生常要他吃一些

多酶片,因为多酶片中有帮助消化的各种酶,如胰淀粉酶、胰蛋白酶和胰脂肪酶等。又如溶

菌酶,顾名思义它的作用是溶解细菌的细胞壁,引起细菌死亡,外科医生常用它来治疗慢性

副鼻窦炎、口腔炎、中耳炎和咽喉炎等病症。另外,临床上的许多生化分析也用酶方法进行

。如要判断一个人是否患上肝炎,医生往往要检验谷丙转氨酶(俗称GPT)的活性大小。因为

在正常情况下,肝组织中谷丙转氨酶的含量较高,它参与氨基酸代谢,而正常血清中谷丙转

氨酶的含量很低(40单位以下)。感染肝炎病毒后,肝细胞遭到破坏,谷丙转氨酶被释放到血

液里,使血液中谷丙转氨酶的活性迅速增大。这样,医生就能根据血清里谷丙转氨酶的活性

大小,确诊患者是否患了肝炎。

近年来,各种酶反应器在食品、酿造、发酵、医药工业以及能源开发、三废处理中得到

广泛应用。酶反应器是指根据酶的催化原理,在一定的生物反应装置中将原料转变成有用物

质的设备。目前许多生物制品可以利用酶反应器进行生产。例如在纺织工业中,天然蚕丝的

外表有一层丝胶,丝胶直接影响天然蚕丝的使用。现在,人们可以在温和的条件下,利用蛋

白酶对天然蚕丝进行脱胶,脱胶后的蚕丝具有鲜亮的色泽和柔滑的手感。在医药工业方面,

现在,制药厂已经能够利用酶反应器,成批地生产青霉素、L-氨基酸、核苷酸、甾体药物及

氨基酸混合液等临床药物。此外,以酶反应器与分析仪器、传感器连合组成的各种临床诊断

反应器更可用于临床治疗与诊治。成为病患者的一大福音。

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