素材：酶研究中的三次諾貝爾獎 高一上學(xué)期生物人教版必修1

酶研究中的三次諾貝爾獎在生化研究中，大概有70項獲得諾貝爾獎，其中，酶學(xué)的研究具有重要的地位，也算是一大熱點。諾貝爾獎中，有三次是研究酶而得獎的。

教材中有酶的發(fā)現(xiàn)史內(nèi)容，但考查中很少出現(xiàn)，在近兩年生物學(xué)選考試題中出現(xiàn)的實驗題就是有關(guān)酶的研究過程。畢希納無細胞酵解的發(fā)現(xiàn)宣告現(xiàn)代生物化學(xué)的誕生。如果明確實驗思路，對解題肯定有較大的幫助。酶研究中的三次諾貝爾獎19世紀(jì)末，釀酒業(yè)在歐洲經(jīng)濟中占有重要地位。但是，釀出的葡萄酒經(jīng)常莫名其妙地變酸。1848年，當(dāng)時年僅26歲無名青年巴斯德在酒石酸研究上獲得了成功，贏得了化學(xué)界人士的欽佩。由于研究酒石酸，巴斯德結(jié)識了法國大莊園主，他用科學(xué)的分析頭腦和嫻熟的顯微鏡觀察，從中發(fā)現(xiàn)變酸是乳酸菌發(fā)酵造成的，并提出了改進措施，有效抑制了乳酸菌在發(fā)酵過程中的肆虐，挽救了發(fā)酵業(yè)。在研究酒質(zhì)變酸時，巴斯德明確提出發(fā)酵是由于酵母菌的存在，沒有活細胞的參與，糖類是不可能變成酒精的。但是德國化學(xué)家李比希卻堅持認(rèn)為引起發(fā)酵的是酵母菌細胞中的某些物質(zhì)，但這些物質(zhì)只有在酵母細胞死亡并裂解后才能發(fā)揮作用。結(jié)束這一爭論的是德國化學(xué)家畢希納，1897年，他用砂粒研磨酵母細胞，把所有的細胞全部研碎，并成功地提取了一種液體。他發(fā)現(xiàn)，這種液體能夠像活酵母細胞一樣完成發(fā)酵任務(wù)，畢希納將酵母細胞中引起發(fā)酵的物質(zhì)稱為釀酶，由于無細胞發(fā)酵理論，他獲得了1907年的諾貝爾化學(xué)獎。畢希納實驗示意圖但是酶究竟是什么物質(zhì)，仍是不解之謎。有些科學(xué)家試圖將酶從提取液中分離出來，得到純酶，但由于技術(shù)上的困難都沒有成功。1925年，美國奈爾大學(xué)獨臂青年化學(xué)家薩姆納不顧體殘病弱，在簡陋的地下室中歷經(jīng)9年，終于從刀豆種子中提取出了脲酶，這種結(jié)晶溶于水后能夠催化尿素分解成氨和二氧化碳。接著，美國化學(xué)家諾思羅普又把一系列酶提純出來，證明它們都是蛋白質(zhì)。1946年薩姆納與諾斯羅普因為研究酶本質(zhì)的貢獻獲得了諾貝爾化學(xué)獎。此后人們一直認(rèn)為酶的本質(zhì)就是蛋白質(zhì)，直到1978年和1981年美國的兩位化學(xué)家奧特曼和切赫分別發(fā)現(xiàn)了核糖核酸(RNA)不僅像過去所設(shè)想的那樣僅被動地傳遞遺傳信息，還能起酶的作用，能催化細胞內(nèi)生命所必需的化學(xué)反應(yīng)，這項研究不僅為探索RNA的復(fù)制能力提供了線索，而且說明了最早的生命物質(zhì)是同時具有生物催化能力和遺傳功能的RNA，打破了蛋白質(zhì)是生物起源的定論。這兩位科學(xué)家也因此獲得了1989年的諾貝爾化學(xué)獎。關(guān)于酶的本質(zhì)的研究總共頒發(fā)了3次諾貝爾科學(xué)獎，可見這項研究在科學(xué)界舉足輕重的地位。

無細胞酵解的發(fā)現(xiàn)

生物化學(xué)發(fā)展時期可以分為三階段，一是描述生物化學(xué)時期（20世紀(jì)以前）；二是經(jīng)典生物化學(xué)時期（20世紀(jì)上半葉）；三是分子生物學(xué)時期（1953年開始）。其中，第二階段的開始象征就是無細胞酵解，它直接帶動物質(zhì)代謝研究新高潮。1.無細胞酵解實驗過程畢希納采用沙子和硅藻泥研磨酵母破壞外壁使內(nèi)部液體釋放，然后過濾除去未粉碎酵母和部分碎片而獲得酵母汁。這種的方法的優(yōu)點是避免以前使用特殊的溶劑或高壓所產(chǎn)生的破壞性（如圖）。實驗組對照組由于酵母汁已經(jīng)經(jīng)過研磨和過濾，因此不存在活酵母，這說明活力物質(zhì)不需要酵母菌存在，在體外照樣可以發(fā)揮催化作用。畢希納認(rèn)為，實際發(fā)酵是一種被稱為酵素的酶催化完成。酵素既可以在活細胞內(nèi)催化發(fā)酵，又可以在細胞外發(fā)揮作用。2．對生物化學(xué)研究的推動作用（1）使科學(xué)家知道許多復(fù)雜生命問題可以在外實驗，使得許多科學(xué)家投身生物化學(xué)研究領(lǐng)域。（2）使一大批科學(xué)家研究發(fā)酵的機制。（3）酵母汁可以代替活酵母進行催化，為應(yīng)用帶來方便，打開了研究酶和蛋白質(zhì)的大門。試題解析

試題1：德國化學(xué)家畢希納把酵母菌細胞放在石英砂里用力研磨，加水?dāng)嚢柙龠M行過濾，得到不含酵母菌細胞的提取液。在這些汁液中加入葡萄糖，一段時間后就冒出氣泡且有酒味出現(xiàn)，他將酵母菌細胞中引起發(fā)酵的物質(zhì)稱釀酶。以下分析錯誤的是（

）A．汁液中酒味的原因是酵母菌提取液中酶參與無氧呼吸的結(jié)果B．汁液中氣泡的產(chǎn)生是酵母菌細胞的提取液中相關(guān)物質(zhì)進行有氧呼吸的結(jié)果C．若釀酶遇雙縮脲試劑變紫則說明其本質(zhì)是蛋白質(zhì)D．上述實驗應(yīng)該設(shè)置酵母菌的提取液相同處理實驗作為對照

解析：酵母菌是兼性厭氧型微生物，在有氧的條件下將葡萄糖徹底分為水和CO2，在無氧條件下將葡萄糖分解為酒精和CO2。

汁液中酒味的原因是酵母菌提取液中與無氧呼吸有關(guān)的酶參與無氧呼吸產(chǎn)生酒精的結(jié)果，A正確；酵母菌無氧呼吸也能產(chǎn)生二氧化碳，從而在汁液中產(chǎn)生氣泡，B錯誤；蛋白質(zhì)遇雙縮脲試劑會呈紫色，若釀酶遇雙縮脲試劑變紫則說明其本質(zhì)是蛋白質(zhì)，C正確；上述實驗應(yīng)該設(shè)置不加酵母提取液，在相同條件下進行實驗，作為對照，使實驗更有說服力，D正確。答案為B。

試題2：1897年德國科學(xué)家畢希納發(fā)現(xiàn)，利用無細胞的酵母汁可以進行乙醇發(fā)酵；還有研究發(fā)現(xiàn)，乙醇發(fā)酵的酶發(fā)揮催化作用需要小分子和離子輔助。某研究小組為驗證上述結(jié)論，利用下列材料和試劑進行了實驗。

材料和試劑：酵母菌、酵母汁、A溶液（含有酵母汁中的各類生物大分子）、B溶液（含有酵母汁中的各類小分子和離子）、葡萄糖溶液、無菌水。實驗共分6組，其中4組的實驗處理和結(jié)果如下表。注:“+”表示有乙醇生成,“-”表示無乙醇生成回答下列問題:（1）除表中4組外，其它2組的實驗處理分別是:

。本實驗中，這些起輔助作用的小分子和離子存在于酵母菌、

。（2）若為了確定B溶液中是否含有多肽，可用

試劑來檢測。若為了研究B溶液中離子M對乙醇發(fā)酵是否是必需的，可增加一組實驗，該組的處理是

。（3）制備無細胞的酵母汁，酵母菌細胞破碎處理時需加入緩沖液，緩沖液的作用是

，以確保酶的活性。（4）如何檢測酵母汁中是否含有活細胞?（寫出2項原理不同的方法及相應(yīng)原理）

。

答案：（1）葡萄糖溶液+酵母汁

葡萄糖溶液+A溶液+B溶液

酵母汁和B溶液

（2）雙縮脲

葡萄糖溶液+A溶液+去除了離子M的B溶液

（3）保護酶分子空間結(jié)構(gòu)和提供酶促反應(yīng)的適宜pH

（4）染色后鏡檢，原理是細胞膜具有選擇透性；酵母汁接種培養(yǎng)觀察，原理是酵母菌可以繁殖。

解析：本實驗的目的是為驗證“無細胞的酵母汁可以進行乙醇發(fā)酵”及“乙醇發(fā)酵的酶發(fā)揮催化作用需要小分子和離子輔助”。（1）為驗證上述“無細胞的酵母汁可以進行乙醇發(fā)酵”及“乙醇發(fā)酵的酶發(fā)揮催化作用需要小分子和離子輔助”的結(jié)論，還需要加設(shè)兩組實驗，一組為葡萄糖溶液＋酵母汁（預(yù)期實驗結(jié)果為有乙醇生成），另外一組為葡萄糖溶液＋A溶液（含有酵母汁中的各類生物大分子，包括相關(guān)酶）＋B溶液（含有酵母汁中的各類小分子和離子），此組預(yù)期結(jié)果為有乙醇生成。

本實驗中，起輔助作用的小分子和離子可在酵母菌（細胞中含有各類物質(zhì)）、酵母汁和B溶液（含有酵母汁中的各類小分子和離子）中存在。拓展：酵母汁中的各類小分子和離子，可以理解為激活劑。凡是能提高酶活性的物質(zhì)都稱為激活劑，其中大部分是離子或簡單有機化合物。（2）多肽用雙縮脲試劑進行檢測；據(jù)題干信息可知，M離子存在于B溶液中，故為驗證M對乙醇發(fā)酵的是否為必需的，則應(yīng)加設(shè)一組實驗，即葡萄糖溶液＋A溶液＋去除了離子M的B溶液：若有乙醇生成，則證明B不是必須的，若無乙醇生成，則證明B是必須的。另外，為什么同時要加入A溶液，原因是提供酶分子，否則得不出實驗的結(jié)論。（3）酶的作用條件溫和，需要適宜的溫度和pH等條件，實驗中緩沖液的作用是保護酶分子空間結(jié)構(gòu)和提供酶促反應(yīng)的適宜pH。拓展：按照高中生物知識的話，個人認(rèn)為，只要答出提供答案中的一個即可。但是，按照《生物化學(xué)》（沈同主編），pH影響酶的活性可能有以下方面：（1）過酸或過堿會影響酶蛋白的構(gòu)象，甚至使酶變性而失活；（2）pH會影響底物或酶分子的解離狀態(tài)，也可能會影響中間產(chǎn)物ES的解離狀態(tài)，從而影響ES的形成，從而降低酶的活性。由此可