人类对酶的化学本质认识的三次重大突破

美国的科学家萨姆纳（J.B.Sumner，1887—1955）认为脲酶是具有蛋白质性质的物质。1917年，他查阅资料从中知道了刀豆种子中脲酶的含量比较高（这种酶能使尿素分解为氨和二氧化碳），于是就决定利用刀豆的种子来提取脲酶。他曾尝试了很多种提取的方法，历经一次又一次的失败后，终于在1926年的一个清晨，他惊喜地发现，在用丙酮作为溶剂的提取液中出现了一些结晶。这一发现足够说明，提取物已经达到了一定的纯度。通过进一步实验发现，这种结晶在溶于水后能够将尿素催化分解为氨和二氧化碳，这就证明了他所提取到的物质确实是脲酶。然后，他又使用了多种方法来证明出，脲酶的化学本质是蛋白质。这一发现使人们认识到了酶的本质，这是人们对酶化学本质认识的一次重大突破。

加拿大生物学家奥尔特曼（Sidney Altman），曾在1978年对前体tRNA的加工处理过程进行过深入的研究。研究发现了催化这一过程的“核糖核酸酶P”，这种酶由两部分构成，一部分是蛋白质，另一部分是RNA。他通过某种特殊的技术手段切除掉RNA后，发现没有RNA的“核糖核酸酶P”的活性丧失，但在重新添加上RNA后，酶的活性又得以恢复。该实验结果证明了，RNA参与了“核糖核酸酶”的催化作用。然而，由于在整个实验过程中，并未排除蛋白质在“核糖核酸酶P”中是否能够发挥作用，因此这一观点当时尚未被学术界的人们所接受。

图2-41　奥尔特曼和切赫(https://www.daowen.com)

1981年，切赫（T.R.Cech）在着手研究一种名叫“四膜虫”的单细胞真核生物，主要研究他的前体rRNA拼接的机制。也就是我们现在所了解到，DNA转录后的前体RNA，是需要进行剪接的，即把内含子的部分切去，然后将外显子部分拼接起来，这个过程需要多种酶的参与。最先，切赫分离纯化出了“四膜虫”的前体rRNA，然后制备出“四膜虫”细胞核的提取液，目的是想要找到能够负责切除RNA的内含子的酶。然而，在当时大家都普遍认为这种酶应该存在于细胞核内。所以，做该实验的时候就将前体rRNA与细胞核的提取液混合，再加入所需的物质条件，如：适量的小分子盐和能量物质（ATP）。与此同时，机智的切赫还设计了一组对照实验，对照实验为：在上述操作中，不加入细胞核的提取液，也就是不提供细胞核内的酶类物质，其他操作与上述一致，然后观察对比内含子的切除反应。令切赫和其他的同事都大为震惊的结果出现了，他们发现，不管他们是否加入了细胞核的提取液（细胞核内的酶类物质），都能完成RNA分子的切割和拼接，这说明了“四膜虫”的前体rRNA可能实现了自我催化，也就是说明RNA分子自身也具备催化的能力。得到这个结果，就连切赫自己都不敢相信，他甚至觉得，有可能是自己在提取前体rRNA的过程中，还含有少部分的蛋白质残留在提取液中。于是他进一步改进了实验，目的是排除实验的其他所有干扰。然后，在保证绝对不可能存在残留的蛋白质影响的前提条件下，再次重复了之前的实验，得到的结果却还是和之前的实验结果一样。在不含有细胞核内任何酶的情况下，也一样可以发生切除内含子的反应。这就进一步验证了，单独的RNA液可以有酶的催化功能。于是，切赫就把这类具有催化功能的RNA，称之为“核酶”。所以，当切赫高兴地把他所得到的结论公之于众时，引起了科学界的激烈争论。有部分科学家还是无法接受切赫的这个结论，他们质疑：切赫所发现的“核酶”，并不是真正的酶，原因是它只能作用于自身，而且反应后它自身的结构发生了改变，而真正的酶催化的是其他物质的反应，而且反应前后自身根本不会发生改变；他们还认为，这种现象，有可能只是“四膜虫”这种特殊生物所特有的反常现象，在生物界并不具有普遍性。

然而，切赫的发现却激发了奥尔特曼的思维，于是，他重新开始了对“核糖核酸酶P”的研究。最终他成功地证实了：单独的RNA确实可以催化其他物质发生反应，且反应前后RNA自身也不发生改变。这样，就可以解释之前科学家们两方面的质疑了。为此，这两位科学家，一起荣获了1989年的诺贝尔化学奖。这个发现与DNA双螺旋结构的发现，一同被诺贝尔委员会评为1950年后生命科学领域中最重要和最显著的两大发现。于是，将酶的概念改为：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，其中绝大多数是蛋白质。这就标志着人类对酶的化学本质认识又有了新的突破。

1994年12月，乔伊斯（G.Joyce）等科学家通过研究后发现，有一个人工合成的单链多聚脱氧核糖核苷酸链也有酶一样的催化功能，它能够催化水解某一特定的磷酸二酯键（由核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸缩合形成的）。由此他证实了具有酶活性的DNA分子的存在，只是它是人工合成的。这种DNA型的催化剂，是由47个核糖核苷酸脱水缩合而成的单链DNA——E47，可以用于连接两段底物DNA（S1和 S2）。通过实验发现确实能得到预期的连接产物，加入E47催化的S1和S2的连接反应，比没有加入E47的情况下至少要快105倍。乔伊斯等科学家们把这种具有酶活性的DNA称之为“酶性DNA（DNA enzyme）”。这就实现了人类对酶的化学本质认识的第三次重大突破。科学家再次将酶的定义修改为：酶是由活细胞产生的具有生物催化功能的有机物，其中大部分是蛋白质，少数是 RNA或DNA。