问题

「酶是一类具有高度选择催化作用的蛋白质」是不是学术界共识?

回答
“酶是一类具有高度选择催化作用的蛋白质”这个说法,在学术界确实早已达成共识,并且是生物化学和分子生物学领域最基础、最重要的概念之一。要深入理解这一点,我们需要从酶的本质、催化机制、以及高度选择性这几个层面来详细阐述。

首先,让我们来剖析一下“酶的本质是蛋白质”。在发现酶的早期,人们对其分子本质曾有过很多猜测,比如可能是某些小分子、核酸,甚至是某种能量。然而,随着研究的深入,特别是蛋白质化学和结构生物学的发展,科学家们逐渐明确,绝大多数已知的酶都是由氨基酸组成的蛋白质分子。这些蛋白质分子通过特定的三维结构折叠形成一个被称为“活性位点”(active site)的区域。活性位点是酶发挥催化作用的核心,它由一系列特定的氨基酸残基组成,这些残基的排列方式和化学性质决定了酶的催化功能。

当然,这里需要稍作补充的是,近年来也发现了少数“核酶”(ribozymes),它们是由RNA分子组成,同样具有催化活性。但从数量和普遍性上来说,蛋白质酶仍然占据着绝对的主导地位。因此,“酶是一类蛋白质”这个说法在绝大多数情况下是完全准确的,也是最核心的定义。

其次,我们来看“催化作用”。生物体内的各种生命活动,从新陈代谢到基因复制,都涉及无数复杂的化学反应。这些反应在没有酶的帮助下,要么进行得极其缓慢,要么需要非常高的能量才能发生,这对于生命活动来说是不可接受的。酶的作用就是显著加速这些化学反应的速率,而且重要的是,它们能够降低反应所需的活化能。活化能可以理解为启动化学反应所需的能量门槛,酶就像一座能够大大降低这个门槛的“桥梁”,使得反应能够在体温、常压等温和的生理条件下高效进行。酶本身在反应过程中并不被消耗,而是“循环使用”,这正是催化的本质。

最后,也是酶最令人惊叹的特性之一,就是其“高度选择性”。这里的选择性可以从几个维度来理解:

底物选择性 (Substrate Specificity):酶通常只对特定的底物(也就是酶作用的分子)起催化作用。就像一把钥匙只能打开一把锁一样,酶的活性位点具有非常精密的立体结构和化学环境,能够精确地识别并结合特定的底物分子。这种识别和结合是基于分子间的非共价相互作用,例如氢键、离子键、范德华力以及疏水相互作用等。如果底物分子在形状、大小或化学性质上与酶的活性位点不匹配,就很难有效地结合,从而无法被催化。有些酶甚至对一种底物产生催化作用,而对结构非常相似但只有一个细微差别的其他分子则几乎没有活性,这种现象被称为“高度专一性”。
反应选择性 (Reaction Specificity):即使底物相同,一种酶通常也只催化该底物发生的某一个或几个特定的化学反应。例如,一个糖分子可以发生多种化学转化,但只有一种特定的酶会催化它发生一种特定的转化。这保证了复杂的生化途径能够按照预设的路径进行,避免了混乱。
立体选择性 (Stereoselectivity):许多生物分子都存在手性,即存在两种互为镜像但不能重叠的结构(就像左右手)。酶往往只对底物的某一种手性异构体起作用,而对另一种则活性很低甚至没有活性。这对于生命活动至关重要,因为生物体内的许多生物大分子(如蛋白质中的氨基酸)和信号分子都具有特定的手性。

这种高度的选择性是酶之所以能精确调控生命过程的关键。如果没有酶的高度选择性,细胞内的化学反应将是一片混乱,无法形成有序的生命活动。

为何这种说法成为学术共识?

这种共识的形成是无数科学家通过一代代的研究积累的结果。从费歇尔“锁钥模型”的提出,到科克兰德和纽曼的“诱导契合模型”(induced fit model)对选择性机制的更精细解释,再到现代的蛋白质工程和计算生物学能够设计和模拟酶的催化功能,都不断地印证和深化了“酶是具有高度选择催化作用的蛋白质”这一论断。

在任何一本权威的生物化学、分子生物学或酶学教材中,这都是开篇就点明的基础概念。学术论文、综述和教科书中,无论是在介绍酶的基本原理、讨论酶的功能、还是研究新型酶的设计时,这句话都是一个不言自明的起点。它就像“水是H₂O”一样,是该领域的基石性认知。

所以,“酶是一类具有高度选择催化作用的蛋白质”不仅是学术界的共识,更是理解生命活动如何以如此高效和精确的方式运行的钥匙。它完美地概括了酶在生物化学中所扮演的至关重要的角色。

网友意见

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这显然是一位选了A的同学或利益相关人士提的问题。

这是全世界生化学界在知乎被黑得最惨的一次。

酶的准确定义应该是具有催化作用的生物大分子。

下面有个自称题主的回答无视学界众多专著的提法,声称ribozymes字面上不属于enzymes,可惜这种说法我无法认同。ribozymes本身是一个简略名字,学界也称ribonucleic acid enzymes,可见是作为一种新型的酶被认知的,诺奖得主Thomas Cech在《Exploring the New RNA World》一文中描述'We named these RNA enzymes "ribozymes."',显然是将ribozyme视为平行且区别于protein enzyme的概念,看作enzyme家族的新成员。“题主”张口就拿“科学传承的厚度”说事儿,却没有任何引用和查证,要说厚度恐怕题主也厚不过Thomas Cech。从学术意义出发,ribozyme和protein enzyme被认为是进化中先后出现的在细胞内外行使催化作用的生物大分子,在本质和功能上存在内在统一性,相信这也是众多教材接纳ribozyme作为酶的重要原因。

不排除有人非要杠核酶不是酶的,可以,这里没有人逼着一定要接受哪些专著、课本或科学工作者的观点,就算自己发明一套定义也无所谓。但也改变不了“酶只是蛋白质”不是学界共识和主流观点的事实。

有朋友提出来说dnazyme是否和我支持的以生物大分子界定酶的标准不兼容问题。我认为不存在,按照上述定义,人工设计或合成的具有催化活性的生物大分子显然也属于酶,而人工设计或合成的非生物大分子催化剂则不属于酶,并无任何冲突之处。当然像合成生物学的进展,高中课本显然还来不及照顾到。之所以说有催化活性的生物大分子这一定义很合理,是因为我并不认为来自理性设计和来自自然进化在这类问题上体现了某种本质的差异。合成生物学的一些研究强调理性设计,强调正交的生命系统,但是否要将人造生命体系做割裂式地看待,我持保留态度。我个人不赞成把理性设计的产物在这类基础概念上一一做特殊化区分。虽然那样做实际上或许对突出合成生物学研究的地位有利。

题主在问题说明里写:

酶是具有高度选择催化作用的蛋白质,这句话你放到全世界生化学界都不会有人说错。然而高考选B的竟然给分了,还是经不住家长闹,这是不是可以说是一种不尊重学术的做法?高考到底应该站在高中生的狭隘应试角度看问题,还是应该站在高等教育的广博科学角度看问题?

这真是每一句话都在黑人呢,我很欣赏这个问题解释的撰写水平,甚至疑惑这也许不是学生而是家长提的问题:

第一句就黑了全世界生化学界,打击面Max,第二句“竟然”用得也很妙,加强了前一句的说服力,当然在专业人士看来很有挑衅意味,相当于说“地球竟然不是方的,大海竟然没有枯竭,全世界生化学界竟然不是蠢货”。再给真正尊重知识和科学事实的行为扣上了“不尊重学术”的帽子。

“经不住家长闹”我觉得是神来之笔,不经意间6个字就把学术问题政治化了,给“不尊重学术”的行为捏造出动机和“合理”解释,完成逻辑上的自洽。最后再退一步,指出(不管事实如何)是高考题目出得不好,诱导阅读者以为高中生不一定知道(实际根据课本应该知道)酶的准确定义。

”高等教育的广博科学角度“先不谈,所谓高中生的狭隘应试角度,高中课本这样写道:

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。

尊不尊重学术再说了,先尊重一下高中课本,不要动不动就说高中生应试角度狭隘虽然高中生物课本内容确实很狭隘。

但是这一次,去问任何一个上课有认真听讲的高中生,都会告诉你B是错的,用不着全世界生化学界出马。


最后几句话科普一下:

核酶的发现是生命科学史上的重大事件,重大到连高中课本都不敢像其它知识点一样随便省略过去的程度。

核酶的存在很大程度上改变了人类对于生命起源、生命活动本质的认知。是目前被主流生物学界普遍引用的RNA世界假说最重要的支撑。核酶存在于目前已知所有门类的生物中(包括病毒)并在细胞中发挥维持生命活动的关键作用(比如催化肽链合成和RNA剪接)。

核酶种类虽然少,但是细胞里所有蛋白质的合成都依赖核酶,没有核酶,没有蛋白,没有生命。

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