酶的研究与生命科学(一)：酶本质的理解和认识

郭晓强

讲师，中国人民解放军白求恩军医学院生化教研室，石家庄 050081

酶的研究与生命科学(一)：酶本质的理解和认识

郭晓强

讲师，中国人民解放军白求恩军医学院生化教研室，石家庄 050081

酶；诺贝尔奖；辅酶；蛋白质；催化性RNA；核糖核酸酶

酶是生物催化剂，通过催化化学反应而参与了几乎所有生命过程，因此对酶的研究既深化了对生命现象的理解和认识，又为相关疾病治疗提供了新方案。1897年无细胞酵母发酵的发现启动了现代酶学研究的序幕，随后几十年先后分离并合成辅酶，证明酶的本质为蛋白质，发现了具有催化功能RNA等，此外，通过解析核糖核酸酶结构而阐明一级结构决定高级结构以及结构与活性之间的关联等，这些成果极大地拓展了人们对酶本质的理解和认识，做出卓越贡献的科学家也因此荣获诺贝尔奖。

蛋白质、核酸和糖等生物大分子和维生素、无机离子等小分子构成了生命的物质基础，这些分子通过特定化学反应而实现生命基本过程，包括新陈代谢、生殖等。生命处于一个相对温和的环境，而许多化学反应又往往需要一个剧烈条件，为此就需要催化剂协助完成。酶(enzyme)就是生物体内的催化剂，通过有效降低反应活化能而加快反应速度。酶通过自身高效、专一和可调等特性有效保证生命的高度有序性和高度适应性，因此，酶构成了生命基础，它催化的各种生化反应保证了能量生成、物质转化、细胞增殖和物种繁殖等过程的正常进行。

人和哺乳动物体内有几千种酶，它们分布于血浆或细胞内，在细胞内可定位于细胞质、细胞膜、细胞核以及细胞器等位置。酶缺乏或功能异常可造成多种疾病发生，因此通过补充酶或酶活性调节分子可实现疾病治疗的目的，如通过补充胃蛋白酶可帮助消化等。

酶的重要性在生命科学发展过程中也得到了全面体现，相关进展一方面拓展了对生命过程的理解和认识，另一方面也对疾病诊断、预防和治疗的改进发挥了极大推动作用。酶的重要性也得到了诺贝尔奖的高度青睐，至今有二十余项获奖成果与酶的特性、新酶鉴定及酶的应用等密切相关。本文旨在通过对相关成果的介绍展现酶的重要性。

1 无细胞发酵的发现

虽然酶的应用具有悠久历史，如中国2 000年前就懂得酿酒，但真正意义上对酶的研究从19世纪开始。1833年，法国化学家佩恩(Anselme Payen)发现第一个酶——淀粉酶，随后多种蛋白酶亦被鉴定成功。1877年，德国生理学家屈内(Wilhelm Friedrich Kühne)首次将这类具有催化功能的物质命名为酶。另外，法国微生物学家巴斯德(Louis Pasteur)在研究酵母发酵的过程中发现在缺氧条件下酵母具有将蔗糖转化为酒精和二氧化碳的能力，将酵母内具有这种催化能力的物质称为酵素(ferment)。但巴斯德在随后研究中发现，酵母碾碎后丧失了催化能力，因此提出酵素只有在活细胞内才可发挥生物学作用。这个观点还被进一步扩展，认为代谢过程是生命特有现象，只有在活细胞内完成，而在体外无法实现，这就是活力论。因此，当时就存在两类“酶”，即体外发挥作用的“enzyme”和体内发挥作用的“ferments”。1897年，德国化学家毕希纳 (Eduard Buchner)的无细胞发酵现象的发现则实现了两类“酶”的统一，推动了酶学的快速发展。

毕希纳在哥哥资助下进入慕尼黑大学跟随著名化学家拜尔(Adolf von Baeyer，1905年诺贝尔化学奖获得者)学习，一方面掌握了化学相关知识，另一方面还开始研究酵母发酵，其目的并非发酵和酶，而是想探索酵母汁的医学价值。

毕希纳和助手汉恩(Martin Hahn)首先用沙子和硅藻土研磨酵母破坏外壁，随后将得到的混合物应用过滤法除去未粉碎酵母及酵母碎片，从而获得较纯净酵母汁。毕希纳采用物理法较传统方法(特殊溶剂或高压)破坏性小，可最大程度保持酵母汁内物质的活性。毕希纳可一次获得大量酵母汁，为了防腐将蔗糖放入其中，结果却总是会有气泡产生，进一步分析表明气泡是由于产生了二氧化碳；因此，毕希纳发现了单独酵母汁也具有催化蔗糖发酵的能力(图1)。这意味着酵素的作用不再需要活酵母的存在，在体外也具有活性[1]。毕希纳进一步将能催化糖分解为酒精和二氧化碳的物质称为酿酶(zymase)，从而实现两类酶的统一。

图1 毕希纳和无细胞发酵

1907年，毕希纳由于“生物化学的研究和无细胞发酵的发现”而获得诺贝尔化学奖。毕希纳无细胞发酵(酿酶)的发现为现代生物化学打开了一扇大门，为20世纪生物化学的蓬勃发展奠定了坚实基础。无细胞发酵的重要性主要体现在以下几个方面：①打破活力论桎梏，是达尔文进化论否定神创论后又一重大进步，确立了生命是一个化学过程，不存在神秘力量，而这正是用化学方法研究生命问题(生物化学)的基础；②直接开创了酶学研究，应用无细胞体系研究酶的作用促使辅酶、糖酵解等的重要发现，也推动了对酶本质的研究；③推动了酶的应用，为酶在工业、农业和医学等领域的进一步应用提供了范例。

酿酶发现为20世纪酶学研究提出了许多问题，其中之一就是它的构成问题，不久辅酶的发现大大拓展了对酶的认识。

2 辅酶的分离和鉴定

哈登爵士(Sir Arthur Harden)是一位英国生物化学家，早期接受了系统化学培训。1897年，哈登加入新建立的英国预防研究所(1年后更名为詹纳研究所，1903年又更名为利斯特研究所)。研究所主要任务在于培训公共卫生官员，此外还进行少量科学研究。1897年酿酶的发现为哈登提供了研究课题。哈登最初认为酿酶可用于细菌区分，更多关注微生物方面的内容；但随着研究的深入，哈登对酿酶本身产生了浓厚兴趣，因为他惊奇地发现极少量酵母液就可将大量蔗糖转化为酒精，酶的催化高效性促使哈登将研究重点放在酿酶的特性方面。

1904年，哈登在与学生杨(William John Young)合作中发现一个奇特现象，将煮沸过的酵母汁与过期酵母汁(催化活性明显下降)混合可增加过期酵母汁的催化能力。当时已知煮沸可破坏酿酶活性而丧失催化能力，因此这个实验暗示酵母汁中含有一些耐热但对催化必需的物质，这些物质的特性就成为哈登接下来研究的重点。

哈登和杨利用过滤方法来解决该难题，将具有发酵活性的酵母汁通过过滤而分成两部分——滤液和沉淀。他们进一步研究后发现单独这两部分均不拥有催化能力，但混合后酶活性恢复。根据这一事实哈登得出结论，酵母的酿酶由两部分构成：一部分是不耐热大分子物质，为酶主要部分；而另一部分是耐热小分子物质，将其命名为酿酶辅酶，又称辅酶Ⅰ[2]。酿酶辅酶的发现拓展了对酶的理解，哈登进一步证明二磷酸是其重要组成部分，并且还确定无机磷酸在糖代谢过程中发挥关键性作用，鉴定出6–磷酸葡萄糖(被称为哈登–杨酯)，这对研究糖代谢具有重要意义。辅酶Ⅰ组成则由瑞典化学家冯奥伊勒(Hans von Euler-Chelpin)阐明。

冯奥伊勒早期主要接受了物理和化学的系统训练，进入哥廷根大学后开始了有机化学的研究，而第一次世界大战后他对酶及酶在糖代谢和发酵过程中的作用产生了浓厚兴趣。冯奥伊勒研究发现有毒物质如氟化合物等可抑制辅酶活性，从而影响糖代谢，在此基础上初步确定了糖酵解的早期反应。冯奥伊勒的另一个重点在于研究哈登发现的酿酶辅酶，进一步研究发现辅酶不仅在发酵过程中发挥关键作用，而且在人体和动植物中也广泛分布，这意味着对它们的深入研究具有重要的实际意义。冯奥伊勒发现酵母是辅酶制备的最理想来源，但从中纯化以确定其分子组成仍面临重大挑战，1 kg酵母只能得到几毫克粗制品，因此经过多次收集才能获得达到实验要求的较纯净产物。对其分析表明其分子量约490，在结构上与核苷酸非常类似，含有糖、磷酸和嘌呤碱基，深入研究后最终确定辅酶化学结构实际上是二磷酸嘌呤核苷酸(diphosphopyridine nucleotide, DPN)衍生物[3]。通过对辅酶在不同生物材料中功能的研究，发现辅酶在动物和植物的酶促反应中发挥极为重要的作用，特别是在一些器官如肌肉、视网膜等具有活跃糖代谢的部位往往含量更多，辅酶作用也远比参与发酵更广泛。

1929年，哈登和冯奥伊勒由于“糖发酵和酿酶方面的重要工作”而分享诺贝尔化学奖(图2)。他们的研究拓展了人们对糖酵解和酶组成的理解，随后多种辅酶如金属离子、ATP和辅酶A等被鉴定成功并阐明生物学作用，进一步突出了辅酶的重要性。

图2 哈登、冯奥伊勒和辅酶的鉴定

3 辅酶的人工合成

随着研究深入，人们对辅酶有了较多理解和认识，可进一步分为无机离子和小分子有机化合物，而后者中又以核苷酸辅酶为主，包括三磷酸腺苷(ATP)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)、黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide, FAD)等。为了更好理解这些辅酶的作用机制，除需知道其组分外，分子结构的阐明也必不可少，英国科学家托德爵士(Sir Alexander Robertus Todd)就在该领域取得了一系列重大成就。

托德爵士在苏格兰格拉斯哥大学完成学业，并在这里接触到磷化学，从而为他将来从事核苷酸和辅酶的研究奠定了基础。20世纪30年代，托德主要进行维生素方面的研究，并成功完成维生素B1的化学合成。1943年，托德成为剑桥大学有机化学教授，开始核苷和核苷酸(辅酶的重要组分之一)的研究。当时已知核苷由一个糖和一种碱基(嘌呤或嘧啶)构成，再结合一个磷酸则构成核苷酸，但这些元件如何连接形成核苷酸尚不得而知。糖和碱基都是较复杂分子，糖上面有4个位置可与碱基或磷酸相连。三种不同元件形成大分子可有多种连接方式，但最终正确的只有一种，传统有机化学和无机化学对该问题都无能为力，托德决定解决这个问题。

理解元件间连接的一个重要方法就是通过降解来获取相关信息，而另一个更直接的方法则是合成，将合成后化合物与天然产物进行对比以确定结构正确与否。这项工作非常复杂，其中最关键是确定磷酸基团的位置，托德为了解决一系列难题，开发出多种新的合成方法，这些方法也为其他问题的研究带来巨大便利。最终，托德确定了核苷酸的结构，戊糖的1号位与碱基(嘌呤或嘧啶)相连，而5号位与磷酸相连，形成的核苷酸还可通过3号位与另一核苷酸5号位磷酸结合而形成二核苷酸，依次通过相同连接方式增加新的核苷酸最终形成多核苷酸分子。这些研究确定了核苷酸和核酸的结构。

托德在研究核苷酸时发现腺苷在许多辅酶中存在并发挥关键作用，因此决定对这些含腺苷化合物进行深入探索。1949年，托德成功合成腺苷并随后合成二磷酸腺苷(ADP)和三磷酸腺苷，此外还合成黄素腺嘌呤二核苷酸等[4]，这些化合物的合成进一步深化了对辅酶作用的理解和认识(图3)。

图3 托德和辅酶化学合成

1957年，托德由于“在核苷酸及核苷酸辅酶方面的研究成果”而获得诺贝尔化学奖，对推动辅酶的研究具有重要意义。

4 酶蛋白的结晶

酶的小分子组分研究取得一系列重大进展的同时，酶的大分子组分也在深入研究，1926年美国生物化学家萨姆纳(James Batcheller Sumner)的脲酶(urease)结晶实现重大突破。

萨姆纳在哈佛大学完成化学教育，并进一步跟随生物化学大师福林(Otto Folin)进行研究，选择“动物体尿素形成机制”作为博士课题，从而开始脲酶的科研生涯。1914年，萨姆纳加入康奈尔大学开始独立研究，决定选择脲酶纯化的课题。选择脲酶主要基于两个原因：一是萨姆纳曾用脲酶作为衡量肌肉、血液和尿液中尿素含量的一个重要指标，具有扎实的工作基础；二是1916年科学家发现一种植物刀豆中富含脲酶，为大量脲酶的制备提供了极大便利。当时，大多数科学家都认为纯化酶是个相当愚蠢的想法，根本不可能实现，但萨姆纳坚定地认为酶的纯化是一个非常重要的课题，一旦成功将具有十分重大的意义。

前期工作并未像萨姆纳预期的顺利，到1921年酶的纯化工作依然没有显著进展，这更增加了同事的质疑，但他仍一如既往地坚持着自己的研究。功夫不负有心人，1926年，萨姆纳经过多次的摸索和尝试，终于将自己分离得到的脲酶结晶化，并且这种结晶的酶可以重新溶解，溶解后的酶仍具有较强的催化活性，从而说明脲酶的本质就是蛋白质[5]。

萨姆纳将自己分离并结晶脲酶的结果发表后并没有得到科学界的认可，相反却遭到一系列质疑，主要批评来自于1913年诺贝尔化学奖获得者维尔斯塔特(Richard Willstater)及其学生。他们的实验小组曾尝试获得一种纯化的蔗糖酶，但一直未获成功，因此一直怀疑酶为蛋白质。随后维尔斯塔特小组进一步将具有催化活性的溶液进行稀释，同时用化学方法检测其中的蛋白质含量，当溶液稀释到一定程度后无法再检测到蛋白质存在但溶液依然具有催化活性，据此他们得出结论，酶的本质不是蛋白质。其实该实验错误之处在于蛋白质检测方法的灵敏度不够，而由于酶本身的高效性，即使少量存在(检测不到)仍拥有大量酶活性。

维尔斯塔特质疑的一个主要依据是萨姆纳所得晶体不纯，可能由于少量非蛋白组分附着蛋白质表面而使整体具有催化能力。针对这些质疑，萨姆纳进一步对脲酶纯化和结晶，以获得更理想结果。随后几年中，萨姆纳发表十余篇论文来证明“酶的本质是蛋白质”。1932年，萨姆纳使用木瓜蛋白酶和胃蛋白酶(pepsin)降解酶溶液中的蛋白质，如果酶的本质不是蛋白质，这种处理将对酶催化能力无影响，结果却发现溶液酶活性完全丧失，从而否定维尔斯塔特的论断。此外，还有研究人员认为脲酶的纯化和结晶可能仅是个特例，不具普遍性。20世纪30年代，美国另一位生物化学家诺思罗普(John Howard Northrop)实验室大量酶结晶的制备进一步证明了萨姆纳的正确性。

诺思罗普在哥伦比亚大学进行动物学和化学等课程学习，最终于1915年获得化学哲学博士，主要进行糖代谢研究，因为当时的糖酵解研究是生物化学的一个重要内容。第一次世界大战期间，诺思罗普在美国军队服役，为了战争和工业的需要，开始研究乙醇发酵，并逐渐对酶产生了浓厚兴趣。由于当时酶的本质未知，因此他决定重点研究这个问题。

1896年，派克豪迎(Cornelis Pekelharing)从胃液中分离得到胃蛋白酶，曾打算将其纯化和结晶，但多次实验都以失败告终。1920年，诺思罗普重新开始胃蛋白酶结晶工作，经过多次努力也未能成功，从而对“酶的本质是蛋白质”这个推断产生动摇，同时维尔斯塔特等的结果对他也产生了一定影响，因此放弃酶纯化研究而转向其他方面。

1926年，萨姆纳脲酶结晶的成功给诺思罗普重新带来希望，尽管许多科学家对这个结论表示怀疑，但诺思罗普坚信这个结论完全正确，并且对自己当初的选择充满信心。随后诺思罗普重新投入胃蛋白酶的纯化和结晶，经过实验方法的改进和多次的尝试，最终于1929年实现结晶[6]。随后几年，诺思罗普扩展对酶的研究，到1934年又实现了将胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等的纯化和结晶，证明多种酶的本质都是蛋白质。萨姆纳的成功打开酶本质研究大门，而诺思罗普使酶本质结论更加坚实可信，并逐渐为科学界大部分同行所接受(图4)。

图4 萨姆纳、诺思罗普和酶的本质是蛋白质

1946年，萨姆纳由于酶结晶的发现而获得该年诺贝尔化学奖的1/2，诺思罗普则由于纯酶形式制备而与斯坦利(Wendell Meredith Stanley)分享另外1/2。萨姆纳的工作对化学、生物学和医学都具有十分重要的意义，推动生物化学尤其是酶化学的快速发展。诺思罗普的进一步工作拓展了人们对酶活性及作用机制的理解和认识，极大促进了酶学的研究和应用。

5 RNA也具催化活性

1926年酶蛋白的结晶表明酶本质是蛋白质，该论断在20世纪30年代被接受后成为生物化学领域一个基本原则，但20世纪80年代初具有催化活性的RNA的发现改变了对酶本质的认识。

1960年，西德尼·奥尔特曼(Sidney Altman)从麻省理工学院毕业并获得物理学学士学位，首先在纽约哥伦比亚大学物理系获得一个教学助手的机会，从而有机会接触到真正的科研。在这里工作的两年期间，奥尔特曼接触到并深深喜欢上当时最新出现的一个生命科学交叉学科——分子生物学，从而决定从物理学转向该领域研究。

20世纪60年代，奥尔特曼先后跟随分子生物学大师梅塞尔森(Matthew Meselson，1958年证明了DNA半保留复制机制)、布雷内(2002年诺贝尔生理学或医学奖获得者)和克里克(DNA双螺旋结构的发现者之一，1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者)等进行DNA研究。20世纪60年代末，相对于DNA复制研究，DNA转录研究逐渐成为研究热门，主要原因之一在于鉴定出真核生物三种RNA聚合酶。奥尔特曼认为该领域的研究将会取得更大成就，因此将研究重心从DNA复制转向DNA转录。当时已知DNA转录可产生mRNA、tRNA和rRNA三种分子，奥尔特曼选择其中最短的tRNA作为研究对象。

奥尔特曼研究发现，不像大家所认为的那样DNA转录直接产生成熟tRNA，而是先产生一个比成熟tRNA长的中间产物——前体tRNA，该前体tRNA经过随后一系列加工而将额外部分切除才可转化为成熟tRNA。这个发现使人们对tRNA的转录过程认识理解更为深刻的同时也开始考虑前体tRNA的加工处理过程，因此奥尔特曼决定先从分离该前体tRNA方面入手。

奥尔特曼通过在大肠杆菌内添加有毒化学物质诱导突变而最终获得理想的突变菌株，该细菌丧失对前体tRNA的加工处理，从而使细菌内前体tRNA出现积累，因此有利于分离。奥尔特曼再借助电泳方法最终分离并纯化前体tRNA。对其加工机理的深入研究发现该过程需要细菌内的酶催化完成，随后其他科学家发现并分离得到这种酶，并命名为核糖核酸酶P，该酶可将前体tRNA中“多余”序列在精确位置切除形成成熟tRNA。

1971年，奥尔特曼加入美国哈佛大学，开始深入研究前体tRNA加工处理过程。1978年，奥尔特曼和一名研究生对核糖核酸酶P的研究发现，该酶由两部分组成，分别为蛋白质和RNA，当将RNA去除后，核糖核酸酶P活性丧失，而将RNA重新加入后该酶活性恢复。该实验表明RNA在酶的催化过程中发挥着关键性作用。这个结果的发表立刻引起了分子生物学界的广泛关注，因为该结论与传统的酶概念不一致。大家都认为酶的本质是蛋白质，尽管还需要辅酶发挥辅助作用，但它们都是小分子物质，而像RNA这样的大分子参与催化过程的现象还从未发现。尽管如此，这个发现对传统观念的冲击较小，因为奥尔特曼的结果仅表明RNA也参与了酶的催化作用[7]，但还没有排除其中的蛋白质的催化作用；因此当时的科学家认为其中的RNA可能仅发挥了辅助作用，发挥关键催化作用的还是蛋白质，这样还是与传统观念相一致。遗憾的是，奥尔特曼并没有继续研究以证明核糖核酸酶P的酶活性完全由RNA来负责，直到切赫(Thomas Robert Cech)首先证明单独RNA在体外也可发挥催化作用后才重新使该问题得到重视。

切赫在爱荷华州的格林内尔(Grinnell)学院完成其化学学业，期间对生物化学产生浓厚兴趣，生物化学的实验设计、现象观察和理论解释都给他留下了深刻印象，因此他决定选择生物化学作为未来的职业。事实证明这是一个非常明智的决定。

1970年，切赫进入加州大学伯克利分校进行研究生学习，导师是染色体功能和结构研究方面的专家，从而他开始进入遗传信息传递研究领域，熟悉DNA和RNA等生物大分子，并掌握了大量生物化学理论和操作技巧。

1978年，切赫进入科罗拉多大学开始独立的科学研究，重点是前体RNA拼接机制。由于三种RNA中，rRNA比例最大，因此他将rRNA定为研究目标。为了更好地实验，切赫选择了单细胞原生生物四膜虫作为研究对象。选择四膜虫基于两个原因：一是四膜虫繁殖快，材料容易获得，并且四膜虫是真核生物，而真核生物rRNA拼接比较多见；二是四膜虫易于进行RNA提取，大大简化了核酸操作。事实证明选择该材料是成功的关键因素之一。

1981年起，切赫和同事开始系统研究前体rRNA的拼接。首先分离并纯化了前体rRNA，然后制备了四膜虫细胞核提取液，因为切赫最初认为负责RNA中内含子切除的酶应存在于细胞核，然后将不同浓度细胞核提取液加入到前体rRNA中，还加入一定量的小分子量盐和能量分子(如ATP)等。此外，还设计一对照实验，不加细胞核提取液，以比较其他实验组与该对照组的区别。结果大大出乎切赫和同事的想象，对照组中也发生rRNA内含子切除反应。因为该试管中未添加任何的细胞核酶类物质，只有rRNA自身，因此唯一的解释就是rRNA实现了自我催化，说明RNA分子自身也具有催化能力。起初切赫和同事对自己的结果表示怀疑，他们认为实验用的rRNA在纯化过程中有部分蛋白质残存，因此可能存在酶类污染。切赫进一步强化了实验，在保证绝对不可能存在蛋白质的前提下进行rRNA拼接实验，结果和当初一样，前体rRNA仍将内含子切除。进一步研究证明，前体rRNA中的内含子发挥了催化剂作用，切赫将这类拥有催化能力的RNA称为核酶。

1982年，切赫发表这一结果[8]，成为第一个发现单独RNA具有催化能力的科学家。同时切赫的发现也引起了科学界一次热烈的大辩论，一部分怀疑论者努力想保持酶的本质是蛋白质这个观点，不愿意接受切赫的结果，提出一系列怀疑理由。他们认为切赫的核酶实际上不是真正意义上的酶，因为它只能作用于自身，并且在反应后发生改变，而真正的酶负责催化其他分子反应，并且反应前后不发生改变；他们还认为rRNA自身拼接可能只是四膜虫这种奇特生物所拥有的反常现象，在生物界不具有普遍性。

但随后的一系列发现使这些怀疑一一破产。世界各地科学家又在其他多个生物体中发现rRNA自我拼接现象，说明这一现象具有普遍性。切赫的发现又重新激发了奥尔特曼对早期核糖核酸酶P中RNA催化活性结论的再思考。奥尔特曼在耶鲁大学的一个同事对核糖核酸酶P深入研究后发现，单独RNA也可发挥催化活性。奥尔特曼随后又证明该RNA拥有经典酶所拥有的所有特性，更为重要的是，该酶不像切赫所研究的那样自我催化，而是催化其他分子反应，并且在反应前后未发生改变。这一系列结果使科学界接受了RNA也可具有催化活性的事实(图5)。

图5 奥尔特曼、切赫和催化RNA的发现

1989年，奥尔特曼和切赫由于“具有催化活性的RNA的发现”而分享诺贝尔化学奖。根据瑞典皇家科学院的评述，“两位科学家的发现对于基础科学不仅有概念上的重要影响——改变了人们对酶本质的认识”，诺贝尔委员会甚至将核酶发现看作1950年后生命科学领域最重要和最显著的两大发现之一(另一发现是沃森和克里克的DNA双螺旋结构的阐明)。核酶发现首先具有重要的理论意义，它扩展了对酶本质的认识，而且还为一个古老的争论提供了答案。生命起源中一直存在“地球上核酸和蛋白质哪一种是最早的生命形式”的争论。蛋白质具有催化性质，但它由核酸编码，而核酸尽管具有编码功能，但自身缺乏催化功能，单独存在无法实现复制，需要蛋白质协助；因此两者可以说相互依存，看起来不可能先产生任何一种。该争论也被形象描述为“先有鸡还是先有蛋”的问题。RNA拥有催化活性使科学家推断RNA是生命起源中的第一个生物大分子，这是因为RNA既可作为遗传模板，又可发挥催化剂作用。核酶的发现还具有重要的应用价值。催化性RNA分子为遗传学家提供了强有力的工具——基因“剪刀”，使用该“剪刀”可以将目标RNA在特定位置切开，在临床上可用于将导致感染或基因紊乱的RNA分子破坏的目的。

6 核糖核酸酶的研究

核糖核酸酶是一类催化RNA水解的酶，在细胞内RNA成熟和抵御RNA病毒感染方面发挥重要作用，而对它的研究也诞生了两项诺贝尔奖。

美国生物化学家安芬森(Christian Boehmer Anfinsen)1937年毕业于斯沃思莫尔学院(Swarthmore College)并获得文学士学位，1943年获哈佛医学院生物化学博士学位。1950年，安芬森成为美国国家卫生研究院心脏研究所细胞生理和代谢实验室主任，开始研究牛胰腺核糖核酸酶结构。

1954年，安芬森确定了核糖核酸酶是一个单链蛋白，包含8个带巯基的半胱氨酸，它们可形成4对二硫键。当时已知二硫键对蛋白质活性具有重要影响，因此安芬森决定研究核糖核酸酶中二硫键的作用。1957年，安芬森和同事发现用还原剂β–巯基乙醇处理核糖核酸酶后可部分破坏二硫键，酶的活性下降，而进一步添加变性剂尿素(破坏氢键)可造成酶活性完全丧失，这个结果说明二硫键和氢键都对核糖核酸酶活性的发挥具有重要影响。进一步研究发现，当去除这些因素后，酶的活性可以部分恢复，意味着酶具有部分自我复性能力。

不久后，安芬森发现利用氧化去除β–巯基乙醇效应(恢复二硫键)但保留尿素情况下可使核糖核酸酶活性恢复到1%。由于8个半胱氨酸具有形成105种二硫键的可能性(7×5×3)，因此随机形成正确二硫键只有约1%的概率，安芬森证实了这个结果。进一步研究还发现利用透析先除去尿素，氧化恢复二硫键，核糖核酸酶的活性可恢复到90%以上，说明所有酶的构象都基本完全恢复(图6)[9]。安芬森根据核糖核酸酶的研究结果及其他蛋白质数据，得出著名的安芬森定则，即氨基酸序列(蛋白质一级结构)决定蛋白质构象(蛋白质高级结构)，而构象又决定生物学活性。

图6 安芬森和安芬森定则

1972年，安芬森由于“在核糖核酸酶特别是氨基酸序列与生物活性构象关联的研究”而分享诺贝尔化学奖的1/2。

美国科学家穆尔(Stanford Moore)从范德堡大学获得化学学位后，又于1938年从威斯康星大学获得有机化学博士学位，掌握了微量化学分析法。1939年，穆尔加入洛克菲勒研究所德裔美国生物化学家贝格曼(Max Bergmann)的实验室，在这里结识了后来的科研挚友——斯坦(William Howord Stein)。斯坦先从哈佛大学获得化学学位，后于1938年从哥伦比亚大学获得生物化学博士学位，主要研究蛋白质的氨基酸分析，毕业后也进入贝格曼实验室。贝格曼是当时世界上最伟大的蛋白质化学家之一，周围聚集了大量天才的研究人员，主要进行氨基酸组成的精确分析。穆尔和斯坦在这里掌握了大量蛋白质研究相关理论和技术，为进一步研究奠定了基础。

第二次世界大战后，纸层析技术的发明和蛋白质测序方法的进展为穆尔和斯坦的蛋白质研究带来重要的推动作用，加速了氨基酸分析和蛋白质结构测定的进程。斯坦和穆尔发展了离子交换层析和自动氨基酸分析仪，极大地革新了氨基酸分析手段，进入20世纪50年代后，他们决定测定核糖核酸酶的一级结构。

图7 穆尔、斯坦和酶的结构与功能研究

斯坦和穆尔首先用胰蛋白酶(或凝乳蛋白酶、胃蛋白酶)将核糖核酸酶水解，用层析对获得的多肽进行分离，然后使用埃德曼降解进行多肽序列分析，将所得肽段信息利用重叠分析法推导出所有氨基酸信息。1960年，斯坦和穆尔完成了包含124个氨基酸残基的核糖核酸酶一级结构(图7)，成为继胰岛素后第二个被解析的蛋白质结构。随后，斯坦和穆尔还确定了核糖核酸酶中4对二硫键的正确连接方式，为安芬森研究提供了重要信息[10]。在测序完成和二硫键位置确定的基础上，斯坦和穆尔应用碘乙酸等造成蛋白质变性(化学修饰氨基酸)的方法研究酶活性中心，确定活性中心内部和附近多个氨基酸残基[11]，为理解酶催化机理奠定基础。

1972年，穆尔和斯坦由于“对核糖核酸酶化学结构和活性中心催化活性之间关联的贡献”而分享诺贝尔化学奖的另外1/2。

从酶可在体外发挥活性，到酶由酶蛋白质和辅酶两部分构成，再到催化性RNA(核酶)的发现，人们对酶的本质有了越来越深的理解和认识，而核糖核酸酶研究中阐明的结构与活性关系以及活性中心的概念都为酶学的蓬勃发展奠定了基础。在此过程中多种酶包括氧化酶、ATP酶类和分子生物学酶等的鉴定成功，进一步凸显了酶的重要性，也使其应用领域获得了极大拓展。

(2013年9月22日收稿)■

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(编辑：沈美芳)

自然信息

无线装置把“失去”的能量转化为电力：超材料电池可以与太阳能电池媲美

据2013年11月7日报道，使用低成本的材料配制来捕捉微波信号，Duke大学Pratt能源研究室的研究者们已经设计出一种强力的聚能装置可以与现代的太阳能电池板一样有效。

据2013年12月的《Applied Physics Letter》报道，一种无线电装置可以把微波信号转变为可以给移动电话电池或其他小型电子设备充电的直流电压。

它根据一种与太阳能电池板把光能转变为电能相类似的基本原理工作的。但是这种多功能的聚能装置还可以翻过来变为从其他能源获取信息的装置，例如从卫星信号、声音信号或者Wi-Fi信号获取信号。研究者如是说。

聚能装置的关键在于采用了超材料（metamaterial），这种材料经过设计，改变了结构，使之能够获取各种形式的微波能量，把它们用到有用的地方。

工科学生Allen Hawkes和研究生Alexander Katko在电子和计算机工程教授Steven Cummer的研究指导下，设计了一种能够聚集微波能量的电子回路。

他们采用一组由5条玻璃纤维和若干个固定在一块电路板上的铜质能量导体把微波转变成为电压为7.3 V的电能。相比较而言，小型电子设备的USB充电器提供的是5 V的电力。

“我们认准了我们能够获得最高的能效。”Hawkes说，“我们已能够获得的能效在6%～10%范围，但是，采用这种设计，我们能够改进能量交换，把能效提高到37%，这可以与我们从太阳能电池获得的能效相媲美了。”

“这种设计方案对于不同频率和形式的能源都有效，其中包括振动和声能的聚集。”Katko说，“时至今日，超材料的大量工作还只是停留在理论上。我们展示其中的一小部分工作，这些材料对于消费者使用来说十分有用。”

例如，一种超材料的涂料可以刷在房间的天花板上用来反射或覆盖Wi-Fi信号，否则这些信号也就流失了，Katko说。另一种用途是通过无线覆盖的方法把家用电器原先在使用过程中流失的能量罩起来，从而提高它的能效。

“超材料的特性使设计具有灵活性，而用一般的类似天线的设备是做不到的。”Katko说，“当传统的天线在空中相互靠近时，它们会彼此“讲话”，互相对对方的工作产生干涉。然而，创制我们超材料阵的设计过程已经把这些效果考虑在内，允许电池彼此组合起来工作。”

研究者们说，通过进一步修改，把聚能的超材料用在手机上，可以让手机在不用的时候无线充电。理论上，这个功能还可以让人们在不备有常规电源插座的场所时能够从附近的手机信号塔汲取电能。

“我们的工作展示了一种简单的、廉价的电磁能量收集方法。”Cummer说，“设计之美表现在基本的构造模块是独立的和可添加的，可以简单地通过增加更多的模块来提高所获得的功率。”

例如，一组聚能模块组合起来可以从经过我们头顶的人造卫星中截获信号，研究者解释说。从这些信号里截获的少许电量可以给位于偏远地区如山顶或沙漠的一套传感器网络充电，以维持一项长期研究工作的数据收集工作。

[双木 据《Applied Physics Letters》

2013-11-07]

Enzymes and life sciences (I): understanding the nature of enzyme

GUO Xiao-qiang
Lecturer, Department of Biochemistry, Bethune Military Medical College, Shijiazhuang 050081, China

Enzymes are biological catalysts and involved in almost all life processes by catalyzing chemical reactions. So the studies on enzyme do not only deepen the understanding of life phenomenon, but also provide new treatments for related diseases. It is the discovery of cell-free fermentation in 1897 that initiates modern enzymology. From then, several achievements were made including separation and synthesis of coenzyme, identification on protein nature of enzyme, discovery of catalytic RNA in the following several decades. In addition, the elucidation of primary structure of ribonuclease is important for connection between the amino acid sequence and the biologically active conformation, and connection between chemical structure and catalytic activity. These achievements greatly expand the understanding the nature of enzyme, and scientists who contributed to these were awarded the Nobel Prize.

enzyme, Nobel Prize, coenzyme, protein, catalytic RNA, ribonuclease

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.009