1.5.2　酶的诱导

1900年迪纳（F.Diener）发现，当酵母依靠乳糖或半乳糖提供碳源和能源时，酵母细胞就含有与乳糖的利用和代谢有关的酶，而一旦移至以葡萄糖为碳源的培养基上，这些酶就会渐渐消失。20世纪20年代，卡思托姆（H.Karstrom）研究了在细菌中发现的类似现象，他把细菌中的酶分成两大类：一类叫组成酶，这类酶的出现和培养条件无关；另一类叫适应酶，这类酶只有在培养基中存在相应的底物时才能合成。大肠杆菌的β半乳糖苷酶是研究得较多的一种适应酶。1946—1961年，法国的微生物遗传学家莫诺研究这个酶长达15年之久，他发现这个酶是研究基因表达调控的良好实验研究系统，原因是这个酶的合成速率可以直接通过改变培养基的成分来调节，如培养基中乳糖的存在可以诱导β半乳糖苷酶的合成。莫诺把酶的适应现象改称为酶的诱导现象，把能诱导酶合成的化合物（包括底物）称为诱导物，把适应酶改称为诱导酶。

莫诺的第一个发现是，某些具有很强的诱导作用的诱导物不一定是诱导酶的底物。例如，β半乳糖苷酶的正常底物是带有半乳糖苷的乳糖：

但是，β半乳糖苷的一种含硫类似物异丙基硫代半乳糖苷（isopropyl thiogalactoside，IPTG）虽不能为细菌所利用，却是β半乳糖苷酶的高效诱导物，其结构式为：莫诺由此想到诱导物不一定是诱导酶的底物，而只是给细胞一个合成β半乳糖苷酶的化学信息。这个发现不仅使莫诺把适应酶改为诱导酶的理由更加充分，而且使他获得了一个极好的实验模型。在这个模型中，他以甘油为碳源和能源，以IPTG为诱导物，以β半乳糖苷酶为研究对象，因为细菌并不能利用IPTG，就有可能在诱导物浓度恒定不变的条件下，研究酶诱导的生化动力学。他发现在加入诱导物后几分钟，酶的合成可达到最高速率。在去除诱导物后，酶的合成即告停止（图1-26）。

对于这种快速诱导，有两种可能的解释：①在诱导物的存在和作用下，早先就在细胞内的“前酶”被激化为有活性的酶；②诱导物的存在使细胞的调控系统作用于酶合成机构，促使酶的大量合成。

为了确定孰是孰非，莫诺做了一个判断性实验。他先把细菌培养在含放射性35S的培养基中，但不加诱导物。经几代增殖后，把被放射性同位素标记的细菌移至不含35 S的培养基中，再加入诱导物。细菌开始形成β半乳糖苷酶。最后从细菌中分离并纯化这种酶，测定其是否含有35s。结果表明，诱导产生的酶并不含有放射性硫，表明酶并非由先前存在于细胞的前酶活化而来，而是在诱导物出现后新合成的。

不久，莫诺和他的同事发现乳糖或IPTG等诱导物诱导细菌产生的不仅是β半乳糖苷酶，还有另外两种酶，即半乳糖透性酶和半乳糖苷乙酰转移酶被同时诱导，这两种酶也都和乳糖的吸收利用有关，即三种酶在诱导物出现时同时被诱导合成，去除诱导物后又一起被阻遏，这种诱导多效性是诱导现象的又一个重要特征。