20世纪20年代,萨姆纳相信酶是蛋白质 。他从1917年开始用刀豆粉为原料,分离提纯其中的脲酶(刀豆中脲酶多,易于测定)。1926年他成功地分离出一种脲酶活性很强的蛋白质。这是生物化学史上首次得到的结晶酶,也是首次直接证明酶是蛋白质,推动了酶学的发展。1937年他又得到了过氧化氢酶的结晶,还提纯了几种其他的酶。由于脲酶和其他酶的工作,他于1946年获得诺贝尔化学奖。他的著作有《生物化学教本》、《酶的化学和方法》(与G.F.萨默斯合著)、《酶-化学及其作用机制》(与K.迈尔巴克共同主编)等,后两种已被译成俄文等其他文字。
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