生活中的神燈–觸煤：生化反應的催化劑–酵素 - 科技大觀園

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 ... 跳到主要內容 展開搜尋 全站搜尋 熱門關鍵字： 半導體 精準醫療 太空 煙火 關閉搜尋 分類 分類項目 關閉分類項目 地理 天文 化學 醫學 科技 社會科學 人類文明 地科 心理 物理 數學 環境 生物 生活科學 醫療 地球科學 Menu 關於我們 文章 本月熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 TechTalk 影音&廣播 活動 學生專區 夥伴 認證 公務人員 教師 網站導覽 English 首長信箱 常見問答 雙語詞彙 關於我們 文章 文章 本月熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 影音 TechTalk 影音&廣播 活動 學生專區 夥伴 認證 認證 公務人員 教師 ::: 首頁 文章 最新文章 PleaceLogin! × 請先登入 登入 註冊 facebook twitter plurk line 中 列印 書籤 ::: 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 16855 吳昭燕｜ 義守大學化學工程學系 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inyeast；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（JamesB.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」（biologicalcatalysts）。

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。

資料來源 《科學發展》2003年10月，370期，40~47頁 催化劑(10) 推薦文章 110/11/09 放不放颱風假就看它！——幫助衛星精準氣象預測的「掩星技術」 曾繁安｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 111/02/26 從零基礎到獲得圖靈獎！提出資料抽象化，奠定程式設計基礎的BarbaraLiskov 沙珮琦｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 111/02/26 臺灣工程領域如何推動性別平權意識？專訪高雄科大造船及海洋工程系副教授洪文玲 廖珮君｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 110/10/20 如何證實史前琉球人來自臺灣？臺日合作的跨越黑潮航海實驗 寒波｜ 科技大觀園特約編輯 儲存書籤 OPEN 關於我們 關於我們 文章 本月熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 影音&廣播 TechTalk 活動 活動 學生專區 學生專區 回頂部