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生活中的神燈–觸煤:生化反應的催化劑–酵素

92/10/15 瀏覽次數 18605
人為什麼不能吃草

小時候住在農村,放學後常常跟著同學到農田裡。我是無所事事,但同學們通常是另有任務在身,不是去幹活,就是幫著看牛吃草。有一天,一群小毛頭突發奇想,竟學起牛吃草,結果當然是可想而知。此後雖然不再做這種令人發笑的嘗試,可是有一個問題一直存在心中,「為什麼牛可以吃草過日子,而我們卻不行?」

很多年以後,偶然在一本書上看到關於牛羊等反芻動物的報導,終於知道,原來在牛羊的胃裡,有某些微生物與之共生。這些小生物能夠分泌某些功能強大的「東西」,靠著這些「東西」的幫助,牛羊可以將吃進肚子裡的草,分解為本身可吸收應用的養分,進而維持其生命。更多年之後,我才了解,原來那些功能強大的「東西」,有個稱呼叫做「酵素」(enzyme)。

小時候,鄉間道路旁常有從圍籬伸出來的桑樹枝,假裝主人樂於分享,我們總是自作主張地幫忙採收桑葉跟桑椹,前者奉獻給蠶寶寶,後者用來照顧發饞的嘴。有時候採了太多的桑椹,怎麼辦?只好央著大人要一點點糖,跟桑椹和在一起,學著大人製酒。雖偶有佳作,但大多數的時候,都是不甚滿意,現在偶爾回想起來,總有種幸福的感覺!

根據西方史學家的研究,埃及與地中海附近的歐洲人,在史前時代就已經知道利用蜂蜜或果汁釀酒;中國的古書中亦有儀狄作酒醪、杜康作秫的記載,而這至少也是四、五千年以前的事了。

事實上,所謂的自然酒在遙遠的古代即已存在,野生水果表皮破裂後,因自然界中普遍存在的酵母菌的作用而行發酵產生酒香,在人類發展的歷史中,因發現、喜愛,進而觀察、學習,是一種相當自然的過程。只是,古人無法理解酒精從何而來?因此,將造酒的過程歸因於神奇轉換力量的協助。一直到了十九世紀以後,人們才知道釀酒原來是微生物的代謝作用所產生的結果。但是微生物如何能將不同的原料加以轉化?則非得歸功於「酵素」的貢獻不可。

生物觸媒的本質

Enzyme 一字源自希臘文,原意為in yeast;所指的是在酵母菌中,含有某種神奇的催化活力,可以將糖轉變為酒精,故名為酵素。一九二六年桑那(James B. Sumner)首度從傑克豆的抽取物中將一種尿素水解酵素結晶出來,這可說是生物化學發展上的一個重大里程碑;因為具有神奇催化能力的物質,居然也可以像一般有機化合物一樣,在試管燒杯中結晶出來。這個結果蓬勃了數十年的酵素化學研究,科學家也因而更進一步發現細胞內含有各種不同的代謝途徑。

如果將生物體內進行的化學反應直接拿到試管中進行,我們會發現其反應速率奇慢無比。為了加速反應,以維持生存的需求,生物體內部會自行製造因應的催化劑以催化反應的進行,這些催化劑就叫做酵素,亦即所謂的「生物觸媒」(biological catalysts)。我們的細胞中有成千上萬種酵素,實際上生物體內每一個代謝反應,幾乎都有一個對應的酵素負責催化的工作,不同的酵素各司其職,生命的多重面貌於焉誕生。

自然界中所有生命的活動均與酵素有密切的關聯,雖然目前的研究顯示,部分的核醣核酸(RNA)亦具有催化功能,但我們仍可說,世上若無酵素,就不可能有生命的存在。雖然部分酵素須有其他輔助因子或輔助酵素的協助,才能成為功能健全的催化劑,但大部分酵素在本質上是一種蛋白質,也由於蛋白質特有的四級結構,使得酵素具有許多得天獨厚的特異功能。

一級結構僅呈現胺基酸序列的排列方式,其實很難想像它所能賦予的功能,但當胺基酸序列捲成二級結構,形成所謂螺旋及β-摺板等固定結構,二級結構經由適當的堆疊而成為三級的獨立單位時,蛋白質因為有了固定的構形,產生了特定的催化活性或生理功能。當一個蛋白質分子包含兩個以上的三級結構單元時,其三級結構進一步組成四級結構。蛋白質的特殊結構方式,使得分子似乎具有思考的能力,知道何時該表現,何時該沈潛。因此,也有人說:「蛋白質具有結構的辨別能力,它似乎是具有智慧的。」

受酵素催化的反應物有一個特別名稱,稱為受質,在反應催化過程中,酵素提供受質一個穩定的空間,有利於穩定其過渡狀態,並快速轉變成為產物。在反應之初,酵素會和受質結合形成酵素-受質複合體,在反應終了時,酵素會回復原狀,而後可以再度從事新的反應。由於反應過程中並不會消耗酵素,且藉由酵素的參與,可以降低反應的活化能,反應速率得以加快,但是並不會改變反應的平衡關係,這也就是酵素被歸類為觸媒(或稱催化劑)的原因。

酵素的優勢與不足

基本上酵素是一種蛋白質,由於蛋白質特有的性質,使其具有智慧型的表現,與一般無機觸媒相較,酵素具有下列明顯優點。

酵素具有能準確辨識其特定受質的能力,這種能力或有可能是酵素最重要特性之一,稱之為「專一性」。一般而言,酵素的專一性可分為「反應專一性」與「受質專一性」。反應專一性:一種酵素通常只能催化某一種或某一類相同類型的化學反應,且其催化的反應幾乎不產生副反應。受質專一性:一種酵素通常只能催化某一種或某一類結構和性質相似的物質,依酵素對受質專一性要求的程度,還可分為數種不同等級。

某些酵素僅催化特定基質進行反應,即使面對同分異構物這類構造非常相似的分子,也能清楚地加以區別。如葡萄糖氧化酵素只催化葡萄糖的氧化反應,對於同為六個碳的果糖則毫無作用。有些酵素則對特定類別的化合物或某特定化學鍵進行催化,這種專一性則被稱為「官能基專一性」,如醇類去氫酵素僅對一級醇,酯解酵素僅對酯鍵具催化作用。

而有的酵素具有辨識光學異構物的能力,可選擇性地僅催化或優先催化某光學異構物。如L-胺基酸氧化酵素只能氧化L-胺基酸;而D-胺基酸氧化酵素則只能氧化D-胺基酸。

光學活性是物種一個非常有趣的特性,一個具光學活性的物質有它的鏡像物存在,但兩者結構無論如何旋轉都不能互相重疊,這兩個互為鏡像的異構物即稱之為「光學異構物」。

若以一般化學反應合成光學活性物質時,通常會獲致相同比例的光學異構物。光學異構物在物理特性上完全相同,因此,一般單純利用物理性質差異進行分離的操作(如蒸餾、萃取等),對於這些物質的分離可以說是「英雄無用武之地」。更麻煩的是,光學異構物與一般非光學活性物質反應時,其反應性亦難分軒輊,因此,如何將光學異構物分離純化,常常是光學活性物質生產製造上一個重大的挑戰。酵素對於不同光學異構物所特有的超凡辨識催化能力,使其得以成為光學異構物分離重點技術之一。

某些酵素只能選擇性地催化某種幾何異構物的反應,但對另一形態則不具催化能力。例如福馬酸與馬來酸是幾何異構物,福馬酸水合酵素只能催化福馬酸水和作用而生成蘋果酸,但對馬來酸則不起作用。

除了具有上述專一性外,經過酵素催化作用的化學反應,尚具有「產物專一性」,這與一般無機觸媒催化的化學反應經常會發現產生副產物的情況,具有相當程度的差別。

由於酵素來自生物體,其原生環境溫和,因此催化反應所需條件溫和。再者,因其催化力強,催化劑的添加量甚低。酵素的催化能力到底有多強?以雙氧水分解成氧氣和水為例:若以室溫下雙氧水的自然分解速率為一,加入無機觸媒氯化鐵後其分解速率大約為一千,但若以專門分解過氧化氫的過氧化氫分解酵素進行處理,其分解速率可高達十億,亦即反應加速了十億倍之多。另一方面,因為通常在溫和條件下即可催化反應的進行,對於能源節約亦有其正面效益。

酵素分子本身是自然界生物體的一員,具生物可分解性,環境相容性高,與一般利用無機觸媒催化的製程比較,利用酵素催化反應的製程對於環境的負面影響低得多。

不過,酵素也不是到哪裡都吃得開。雖然具有上述的特徵與優勢,酵素還是有其潛在的缺點,而使得在應用上受到相當多的限制。

酵素來自於內涵複雜的生物體,目前酵素的取得主要是靠微生物酉發酵,約占市場總量的80%。酵素依其為貯存在生物體中,或分泌至生物體外的特性,分為胞內或胞外酵素,二者在分離純化處理程序上有所差異。但一般而言,所需的生產、分離、純化操作均耗費不貲,其價格通常較一般化學觸媒高。

酵素對周圍環境的影響非常敏感,每一個酵素都有其最理想的環境條件,酸鹼值、溶劑、溫度、壓力等因素的變化,都可能對其催化能力產生明顯的影響。環境中存在的其他物質,亦有可能對其產生抑制或毒化的作用,進而影響其活性表現。

生物觸媒應用的型態

一般而言,工業生產流程有三個重點部分:反應、產品分離純化及廢棄物排放處理。由於酵素的催化能力超強,不受歡迎的副產物少,且具有自然環保的優點,如何利用酵素催化工業化的生產流程,一直是酵素應用的重點研究方向之一。

惟酵素雖發現於一九二○年代,後續的研究也開發了多種可能的應用,但由於單價不低,若無法重複使用,將其應用於生產流程尚不具經濟誘因,是以實務上的應用,一直受到相當大的局限。近幾十年來,由於酵素固定化技術的發展,使得其應用已向前跨進了一大步。

所謂的「酵素固定化」,意為利用物理或化學的方法,將酵素局限在某特定空間,且維持其催化能力,並能達到重複使用的目的。化學法是利用化學鍵結的方式,將酵素與用來固定酵素的載體連結在一起,物理法則僅利用物理的方式,將酵素吸附在載體上或包覆在特定的空間內。固定化的技術除了使生物觸媒容易與產物分離,得以重複使用外,亦使製造程序得以連續操作,提供大量生產的可能性,且能同時提升酵素的穩定性及環境的耐受性,可以說是酵素應用上的關鍵技術。

酵素雖具有超凡的功能,但由於獲致純酵素所需付出的努力與代價甚高,實際應用上採精製酵素的案例仍然有限。由於酵素取自生物體,因此,廣義的生物觸媒同時亦包含全細胞的應用。在酵素應用上,最常遭遇的問題是酵素的穩定性及純化所需的代價,因而在某些情況下,利用含適當酵素的全細胞,反而可獲致較佳的效果,尤其是當系統涵蓋多個複雜反應時。

全細胞的成本通常較低廉,惟因細胞中所含的酵素眾多,新陳代謝路徑繁雜,用來做為催化劑時,較易產生副產物。粗製酵素,因酵素尚未完全分離純化,通常仍有其他種類的酵素殘留,亦容易有副反應的發生,惟其程度應較前者稍減。

概括言之,廣義的生物觸媒可以是精製酵素、粗製酵素、全細胞,以游離態或固定化的狀態進行相關的應用。在一般應用上,採取何種類型的生物觸媒來催化反應的進行,須考量製程反應步驟數、輔酵素的需求、副反應的發生、催化效率、成本及穩定性等多項因素。前人造酒所採用的方式,即為應用全細胞的方法。

生物觸媒的應用範圍廣泛,依其使用領域,主要可分為工業用觸媒、醫藥、檢驗分析及基因轉殖等用途。在現代人的生活中,處處可見借助生物觸媒的地方:可保護牙齒的牙膏、洗衣用的清潔劑、早餐吃的麵包、乳酪、喝的低乳糖牛奶、取代蔗糖的低卡路里代糖、清洗隱形眼鏡的酵素片、書寫用的紙張、酷酷的皮衣、可分解的塑膠製品、糖尿病患者自行檢測血糖的試紙或檢測裝置……實在不勝枚舉。

簡而言之,生物觸媒已融入我們的生活之中,且其影響仍在持續擴大當中,最後列舉數種極具發展潛力的生物觸媒應用領域,以進一步了解它對人類的影響。

再生資源的利用

自工業革命以來,化石燃料一直是地球能量的主要來源,惟其貯藏量畢竟有限,能源危機的發生是可以預見的。自一九七三年發生第一次石油危機後,生質能源的開發成為太陽能運用之外的另一重點。

利用生物觸媒進行生化轉換,是將生質轉化成能源的可行方法之一,藉由適當生物觸媒的選擇及操作,可將生質轉化成沼氣(甲烷)、酒精或其他類型的燃料,如生物柴油等。利用生物觸媒進行生質能源的開發,目前已稍具成效,巴西利用酒精做為汽車燃料已有一段時間,不但可解決能源問題,亦有減少環境污染的效用。

纖維是地球上最大量的生質資源,天然纖維物中纖維素的含量約40~45%,半纖維素約30~40%,其餘則為木質素。纖維是一種葡萄糖的聚合物,若將之降解,可得到與來自澱粉相同的葡萄糖。由於人體中欠缺纖維水解酵素及半纖維水解酵素,因此無法直接以纖維維生,在牛、羊的胃中,因存在可分泌此酵素的微生物,而得以食草維生。若能利用生物觸媒將纖維物分解得到葡萄糖,再將葡萄糖進一步運用,亦是利用再生資源的另一種方法。

己二酸是合成目前廣被使用的聚醯胺纖維與尼龍6,6的主要原料之一。現行己二酸製程的原料–苯,來自化石燃料,且為毒性化學物質,而製造過程中所產生的氮氧化物,不僅會造成溫室效應,且為形成酸雨的主要成分之一,對工業安全及自然環境均存有潛在威脅。目前已研發出以微生物為觸媒,生產己二酸的前驅物己二烯二酸,取代以苯為原料的製程,具兼具環保與利用再生資源的功能。

生物感測器

所謂生物感測器,乃利用生物觸媒與其所能選擇的特定物質作用,產生物理量或化學量的改變,再藉由換能器將訊號轉變至放大器放大後,進入資料處理系統,整理出我們可以理解的訊號,藉以進行特定物質的定量分析。生物感測器通常具有高靈敏度、快速、所需試樣少等優點,是目前生物觸媒應用的熱門研究方向之一,除了可以用於不同化學物質的分析外,亦可進行免疫方面的分析等工作。

有人說,基因工程是近五十年來人類科技文明最重要的成就,其重點技術在基因轉殖的操作。酵素因具有專一性而得以催化特定核酸序列的切割與連結,在現今基因工程研究上占有不容忽視的地位,在基因工程的發展中扮演舉足輕重的角色。

生物觸媒對於生活及科技影響之廣,實在難以盡書,如果說二十一世紀是生物科技的世紀,那麼生物觸媒必將是其中閃亮的一員。
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