生物物理所  曾宗浩 

　　释柘羊：虽然19世纪30年代学术界就认识到有“酶”这种能够催化有机化学反应的物质的存在。但是围绕着酶是什么的问题，却发生了一场著名的争论，这场争论的核心问题包括：1.发酵的本质是微生物活动还是化学过程？离开了微生物，酶还有没有活性？2.起催化作用的是蛋白质还是像无机催化剂那样的小分子，而蛋白质只不过是催化剂的载体？ 

发酵是微生物的活动，还是化学过程 

　　薛鹦鹉：这个问题高中教科书中就有介绍了。我们现在知道，发酵是微生物活动导致的化学过程。所以，争论本不该发生。从根本上来说，这些争论与研究者对事物认知的局限性有关。况且，当时的研究者还习惯于把不同领域互相对立起来。 

　　笨笨鸭：巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）根据自己的研究经验发明了巴氏消毒法：把啤酒放在摄氏五六十度的环境里，保持半小时，就可杀死啤酒里的乳酸杆菌，使啤酒不再变酸。他正确地认为发酵是微生物活动产生的现象，“是酵母把大麦酿成啤酒，……是酵母把葡萄发酵为酒”。  

　　常翻雕：但是，凭什么他就断言酵素（酶的另一个名称）与活的细菌是不可分离的？仅凭巴氏消毒法， 只能证明细菌被杀死后，就不再存在有酶活性的物质。在啤酒内的细菌死后，原存体内的酶可能被降解、变性而失去活性。 

　　笨笨鸭：1897年，德国化学家Eduard Buchner用将酵母细胞破碎后得到的无细胞溶液，仍然能够催化糖到酒精的化学反应，这就证明了酶是可以与细胞分离的催化剂，其活性并不需要活的细胞。 

　　常翻雕：遗憾的是，巴斯德已经去世了。他在上帝面前一定还在喃喃自语：“李比希错了——蛋白不是必须的——使糖发酵的是酵母，是酵母的生长”。 

　　笨笨鸭：逝者为大，你这样嘲笑一个对科学有重大贡献的人太不厚道！多伟大的人，也不可能事事正确。做了一两件正确的事就应该肯定。毕竟他发明的巴氏消毒法至今还在使用；他发明的将病原体减毒以制造疫苗的方法，挽救了多少生命。我们应该记住他的功劳，尊敬他。 

　　薛鹦鹉：与巴斯德的观点针锋相对，德国化家李比希（Liebig, Justus von, 1803-1873）认为发酵是化学过程，糖转化为酒精这件事与酵母毫不相干，发酵必须有蛋白质存在。 

　　常翻雕：作为著名化学家，李比希当然知道催化剂在化学反应中的重要性。但是，他凭什么就断言这催化剂就与酵母毫不相干？ 

　　笨笨鸭：智者千虑，必有一失嘛。况且他还发生过把溴元素当成氯化碘，而错失发现溴元素机会的事呐。 

　　常翻雕：看来，这两人的共同错误，是把生物学过程和化学过程当成是互相对立、互相否定的。 

　　笨笨鸭：在当时的知识水平和人文环境下，这是难以避免的。 

具有催化活性的是蛋白质本身还是混入样品的小分子？ 

　　薛鹦鹉：由于技术条件所限，人们很难有效地纯化蛋白质样品，也很难从不纯的样品中检测出微量蛋白质，加上当时所了解的催化剂都是象金属离子那样的小分子，在对酶的化学身份的认识上出现了争论。 

　　小贴士：由于当时没有足够灵敏的试剂来检测蛋白质的有无，著名化学家维尔施泰特（Richard Willst tter，1873-1942）因此没有能够从有酶活性的酵母提取物中探测到蛋白质。于是，他认为酶是与激素类似的、有生物活性的小分子，与酶相联系的蛋白质则被认为是真正的酶的惰性携带物。当时一些也是有影响的化学家——比如因研究糖而获得诺贝尔奖的费舍尔（Emil Fisher， 1852－1919）——同样持有这样的观点。费舍尔认为，蔗糖酶的蛋白质成分并没有表现出专一性，并且可以用化学方法同酶的催化部分分开，因此，他认为蛋白质是一种被动的、与催化作用无关的载体。 

　　笨笨鸭：维尔施泰特和费舍尔都是著名科学家，他们认为酶是小分子与蛋白质无关的看法影响面很大。打破这种看法的进展之一是蛋白质结晶技术的完善。美国生物化学家萨姆纳（James Sumner，1887—1955）从1917年开始分离刀豆粉中的脲酶，经过多年的失败之后，最终于1926年，首先成功地制出了脲酶（脲酶能把尿素转化为二氧化碳和氨）晶体，并用化学方法证明他用结晶方法得到的纯脲酶是一种蛋白质。这是第一次得到纯化的蛋白质。1935年，美国化学家诺思洛普（J. H. Northrup，1891—1987）成功地得到了胃蛋白酶的结晶。由于脲酶和其它酶的工作，萨姆纳获得了诺贝尔化学奖。这表明，到20世纪中叶，酶是一种蛋白质的看法已获得科学界主流的承认。 

　　常翻雕：这么说来，酶是与小分子无关的蛋白质了。如果把小分子的作用全盘否定，恐怕也有问题。 

　　薛鹦鹉：是的。酶是蛋白质不错，但并不是与小分子无关。随着越来越多的蛋白质被认识，人们发现，在一些酶的结构中确实存在小分子和金属原子或离子。它们被称为“辅酶”。这里的“辅”字，并不表示它们一定只起辅助的作用。在一些涉及到较大能量变化的化学反应时，催化作用一定有金属原子或原子簇参与，并起关键的作用。 

　　小贴士：光合作用分两步完成。第一步为光反应（吸收光能的反应），两个水分子被光解为一个氧分子、4个质子和4个电子；质子、电子所携带的能量最终被用来合成ATP等携能分子。第二步为暗反应（不需要光能的反应），消耗第一步所产生的携能分子所携带的能量把二氧化碳还原为糖。这里，直接利用光能分解水的任务就是由称为“释氧复合物”的一个金属氧化物原子簇完成的。 

　　释氧复合物由一个钙（Ca⁺²）、4个锰和5个氧组成，其中1钙+3锰+4氧近似地分布在一个立方体的8个顶点上。水的光解就发生在这个原子簇上。基于激光脉冲实验的结果，光解过程包含5个步骤。第一步，两个水分子分别吸附在两个锰原子上。以后四步，每一步各吸收一个光子并释放一个电子和一个质子。最后一步释放一个氧分子，回到第一步。 

　　释氧复合物位于光系统II。光系统II是跨膜的蛋白复合物，含有25条以上的肽链，被众多叶绿素和无镁叶绿素所围绕。反应中心包含D1和D2两个蛋白，释氧复合物就位于D1上。图中上下取向的螺旋横跨内囊体膜，上端与膜外表面齐平，下部近似水平的螺旋紧贴膜的内表面，或在内腔中。释氧复合物释放的质子可以很方便地进入内腔，电子则需要用电子传输链送走，否则反应无法持续。 

　　薛鹦鹉：除了释氧复合物的例子，在固氮酶中我们也可以看到铁硫原子簇。 

　　常反雕：所以，金属原子簇总是在关键的地方起着关键的作用。 

　　笨笨鸭：可以这么说。它们在这些地方是先锋官。但蛋白质作为一个统领，再加上其他小分子的配合，也是必不可少的。 

　　释柘羊：回顾这段历史——蛋白质科学的历史，我们可以说，否定、否定之否定，这是科学进步的脚步。