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  huanglei6060 2017-12-16 00:00:00

  酶，指具有生物催化功能的高分子物質(zhì)。 在酶的催化反應(yīng)體系中，反應(yīng)物分子被稱為底物，底物通過(guò)酶的催化轉(zhuǎn)化為另一種分子。幾乎所有的細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)程都需要酶的參與，以提GX率。與其他非生物催化劑相似，酶通過(guò)降低化學(xué)反應(yīng)的活化能（用Ea或ΔG表示）來(lái)加快反應(yīng)速率，大多數(shù)的酶可以將其催化的反應(yīng)之速率提高上百萬(wàn)倍；事實(shí)上，酶是提供另一條活化能需求較低的途徑，使更多反應(yīng)粒子能擁有不少于活化能的動(dòng)能，從而加快反應(yīng)速率。酶作為催化劑，本身在反應(yīng)過(guò)程中不被消耗，也不影響反應(yīng)的化學(xué)平衡。酶有正催化作用也有負(fù)催化作用，不只是加快反應(yīng)速率，也有減低反應(yīng)速率。與其他非生物催化劑不同的是，酶具有高度的專一性，只催化特定的反應(yīng)或產(chǎn)生特定的構(gòu)型。 雖然酶大多是蛋白質(zhì)，但少數(shù)具有生物催化功能的分子并非為蛋白質(zhì)，有一些被稱為核酶的RNA分子 和一些DNA分子同樣具有催化功能。此外，通過(guò)人工合成所謂人工酶也具有與酶類似的催化活性。 有人認(rèn)為酶應(yīng)定義為具有催化功能的生物大分子，即生物催化劑。[1] 酶的催化活性會(huì)受其他分子影響：YZ劑是可以降低酶活性的分子；激活劑則是可以增加酶活性的分子。有許多藥物和就是酶的YZ劑。酶的活性還可以被溫度、化學(xué)環(huán)境（如pH值）、底物濃度以及電磁波（如微波）等許多因素所影響。 人體和哺乳動(dòng)物體內(nèi)含有5000種酶。它們或是溶解于細(xì)胞質(zhì)中，或是與各種膜結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，或是位于細(xì)胞內(nèi)其他結(jié)構(gòu)的特定位置上(是細(xì)胞的一種產(chǎn)物），只有在被需要時(shí)才被激活，這些酶統(tǒng)稱胞內(nèi)酶；另外，還有一些在細(xì)胞內(nèi)合成后再分泌至細(xì)胞外的酶──胞外酶。酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力叫酶活力（或稱酶活性）。酶活力可受多種因素的調(diào)節(jié)控制，從而使生物體能適應(yīng)外界條件的變化，維持生命活動(dòng)。沒有酶的參與，新陳代謝幾乎不能完成，生命活動(dòng)就根本無(wú)法維持。 所有的酶都含有C、H、O、N四種元素。 酶是一類生物催化劑，生物體內(nèi)含有數(shù)千種酶，它們支配著生物的新陳代謝、營(yíng)養(yǎng)和能量轉(zhuǎn)換等許多催化過(guò)程，與生命過(guò)程關(guān)系密切的反應(yīng)大多是酶催化反應(yīng)。但是酶不一定只在細(xì)胞內(nèi)起催化作用。 酶催化作用實(shí)質(zhì)：降低化學(xué)反應(yīng)活化能。 酶與無(wú)機(jī)催化劑比較： 1．相同點(diǎn)：1）改變化學(xué)反應(yīng)速率，本身幾乎不被消耗；2）只催化已存在的化學(xué)反應(yīng)；3）加快化學(xué)反應(yīng)速率，縮短達(dá)到平衡時(shí)間，但不改變平衡點(diǎn)；4）降低活化能，使化學(xué)反應(yīng)速率加快。5）都會(huì)出現(xiàn)中毒現(xiàn)象。 2．不同點(diǎn)：即酶的特性，包括GX性，專一性，溫和性（需要一定的pH和溫度）等。 來(lái)源 所謂酶（Enzyme），在希臘語(yǔ)里，就是存在于酵母（zyme）中的意思。也就是，在酵母中各種各樣進(jìn)行著生命活動(dòng)的物質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，然后被這樣命名。此時(shí)，“酵母”始終是活著的生命體=微生物、“酶”是活著的物質(zhì) = 制造出生命活動(dòng)的不可思議的物質(zhì)（按影象來(lái)說(shuō)叫存活物質(zhì)可能更好）。 但是酶不等于酵母：只可以說(shuō)酵母是自然界所有生物體重單位體積內(nèi)含酶種類及酶Z豐富的！尤其是啤酒酵母！ 酵母是單細(xì)胞微生物，內(nèi)含有許多酶，酵母具備細(xì)胞組織，而酶則是蛋白質(zhì)，通常一個(gè)酵母菌里有數(shù)千種蛋白質(zhì)，所以說(shuō)酵母含有酶，但酶不等于酵母。 分類： 根據(jù)酶所催化的反應(yīng)性質(zhì)的不同，將酶分成六大類： 氧化還原酶類 （oxidoreductase）促進(jìn)底物進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的酶類，是一類催化氧化還原反應(yīng)的酶，可分為氧化酶和還原酶兩類。[6] 轉(zhuǎn)移酶類 （transferases）催化底物之間進(jìn)行某些基團(tuán)（如乙酰基、甲基、氨基、磷酸基等）的轉(zhuǎn)移或交換的酶類。例如，甲基轉(zhuǎn)移酶、氨基轉(zhuǎn)移酶、乙酰轉(zhuǎn)移酶、轉(zhuǎn)硫酶、激酶和多聚酶等。 水解酶類 （hydrolases ）催化底物發(fā)生水解反應(yīng)的酶類。例如，淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶、糖苷酶等。 裂合酶類 （lyases）催化從底物（非水解）移去一個(gè)基團(tuán)并留下雙鍵的反應(yīng)或其逆反應(yīng)的酶類。例如，脫水酶、脫羧酶、碳酸酐酶、醛縮酶、檸檬酸合酶等。許多裂合酶催化逆反應(yīng)，使兩底物間形成新化學(xué)鍵并消除一個(gè)底物的雙鍵。合酶便屬于此類。 異構(gòu)酶類 （isomerases）催化各種同分異構(gòu)體、幾何異構(gòu)體或光學(xué)異構(gòu)體之間相互轉(zhuǎn)化的酶類。例如，異構(gòu)酶、表構(gòu)酶、消旋酶等。 合成酶類 （ligase）催化兩分子底物合成為一分子化合物，同時(shí)偶聯(lián)有ATP的磷酸鍵斷裂釋能的酶類。例如，谷氨酰胺合成酶、DNA連接酶、氨基酸：tRNA連接酶以及依賴生物素的羧化酶等。 按照國(guó)際生化協(xié)會(huì)公布的酶的統(tǒng)一分類原則，在上述六大類基礎(chǔ)上，在每一大類酶中又根據(jù)底物中被作用的基團(tuán)或鍵的特點(diǎn)，分為若干亞類；為了更精確地表明底物或反應(yīng)物的性質(zhì)，每一個(gè)亞類再分為幾個(gè)組（亞亞類）；每個(gè)組中直接包含若干個(gè)酶。 功能： 催化 酸-堿催化（acid-base catalysis）：質(zhì)子轉(zhuǎn)移加速反應(yīng)的催化作用。 共價(jià)催化（covalent catalysis）：一個(gè)底物或底物的一部分與催化劑形成共價(jià)鍵，然后被轉(zhuǎn)移給第二個(gè)底物。許多酶催化的基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)都是通過(guò)共價(jià)方式進(jìn)行的。 催化機(jī)理 酶的催化機(jī)理和一般化學(xué)催化劑基本相同，也是先和反應(yīng)物（酶的底物）結(jié)合成絡(luò)合物，通過(guò)降低反應(yīng)的能來(lái)提高化學(xué)反應(yīng)的速度，在恒定溫度下，化學(xué)反應(yīng)體系中每個(gè)反應(yīng)物分子所含的能量雖然差別較大，但其平均值較低，這是反應(yīng)的初態(tài)。 S（底物）→P（產(chǎn)物）這個(gè)反應(yīng)之所以能夠進(jìn)行，是因?yàn)橛邢喈?dāng)部分的S分子已被激活成為活化（過(guò)渡態(tài)）分子，活化分子越多，反應(yīng)速度越快。在特定溫度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)的活化能是使1摩爾物質(zhì)的全部分子成為活化分子所需的能量（千卡）。 酶（E）的作用是：與S暫時(shí)結(jié)合形成一個(gè)新化合物ES，ES的活化狀態(tài)（過(guò)渡態(tài)）比無(wú)催化劑的該化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物活化分子含有的能量低得多。ES再反應(yīng)產(chǎn)生P，同時(shí)釋放E。E可與另外的S分子結(jié)合，再重復(fù)這個(gè)循環(huán)。降低整個(gè)反應(yīng)所需的活化能，使在單位時(shí)間內(nèi)有更多的分子進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)速度得以加快。如沒有催化劑存在時(shí)，過(guò)氧化氫分解為水和氧的反應(yīng)（2H2O2→2H2O+O2）需要的活化能為每摩爾18千卡（1千卡=4.187焦耳），用過(guò)氧化氫酶催化此反應(yīng)時(shí)，只需要活化能每摩爾2千卡，反應(yīng)速度約增加10^11倍。 反應(yīng) 特點(diǎn) 酶是GX生物催化劑，比一般催化劑的效率高107-1013倍。酶能加快化學(xué)反應(yīng)的速度，但酶不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，也就是說(shuō)酶在促進(jìn)正向反應(yīng)的同時(shí)也以相同的比例促進(jìn)逆向的反應(yīng)，所以酶的作用是縮短了到達(dá)平衡所需的時(shí)間，但平衡常數(shù)不變，在無(wú)酶的情況下達(dá)到平衡點(diǎn)需幾個(gè)小時(shí)，在有酶時(shí)可能只要幾秒鐘就可達(dá)到平衡。 酶和一般催化劑都是通過(guò)降低反應(yīng)活化能的機(jī)制來(lái)加快化學(xué)反應(yīng)速度的。 酶的催化特異性表現(xiàn)在它對(duì)底物的選擇性和催化反應(yīng)的特異性兩方面。體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)除了個(gè)別自發(fā)進(jìn)行外，絕大多數(shù)都由專一的酶催化，一種酶能從成千上萬(wàn)種反應(yīng)物中找出自己作用的底物，這就是酶的特異性。根據(jù)酶催化特異性程度上的差別，分為特異性(absolute specificity)、相對(duì)特異性(relative specificity)和立體異構(gòu)特異性(stereospecificity)三類。一種酶只催化一種底物進(jìn)行反應(yīng)的稱特異性，如脲酶只能水解尿素使其分解為二氧化碳和氨；若一種酶能催化一類化合物或一類化學(xué)鍵進(jìn)行反應(yīng)的稱為相對(duì)特異性，如酯酶既能催化甘油三脂水解，又能水解其他酯鍵。具有立體異構(gòu)特異性的酶對(duì)底物分子立體構(gòu)型有嚴(yán)格要求，如L乳酸脫氫酶只催化L-乳酸脫氫，對(duì)D-乳酸無(wú)作用。 有些酶的催化活性可受許多因素的影響，如別構(gòu)酶受別構(gòu)劑的調(diào)節(jié)，有的酶受共價(jià)修飾的調(diào)節(jié)，激素和神經(jīng)體液通過(guò)第二信使對(duì)酶活力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及誘導(dǎo)劑或阻抑劑對(duì)細(xì)胞內(nèi)酶含量(改變酶合成與分解速度)的調(diào)節(jié)等。 作用機(jī)制 酶(E)與底物(S)形成酶-底物復(fù)合物(ES) 酶的活性ZX與底物定向結(jié)合生成ES復(fù)合物是酶催化作用的diyi步。定向結(jié)合的能量來(lái)自酶活性ZX功能基團(tuán)與底物相互作用時(shí)形成的多種非共價(jià)鍵，如離子鍵、氫鍵、疏水鍵，也包括范德華力。它們結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的能量稱為結(jié)合能（binding energy）。這就不難理解各個(gè)酶對(duì)自己的底物的結(jié)合有選擇性。 若酶只與底物互補(bǔ)生成ES復(fù)合物，不能進(jìn)一步促使底物進(jìn)入過(guò)渡狀態(tài)，那么酶的催化作用不能發(fā)生。這是因?yàn)槊概c底物生成ES復(fù)合物后尚需通過(guò)酶與底物分子間形成更多的非共價(jià)鍵，生成酶與底物的過(guò)渡狀態(tài)互補(bǔ)的復(fù)合物(圖4-8)，才能完成酶的催化作用。實(shí)際上在上述更多的非共價(jià)鍵生成的過(guò)程中底物分子由原來(lái)的基態(tài)轉(zhuǎn)變成過(guò)渡狀態(tài)。即底物分子成為活化分子，為底物分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需的基團(tuán)的組合排布、瞬間的不穩(wěn)定的電荷的生成以及其他的轉(zhuǎn)化等提供了條件。所以過(guò)渡狀態(tài)不是一種穩(wěn)定的化學(xué)物質(zhì)，不同于反應(yīng)過(guò)程中的中間產(chǎn)物。就分子的過(guò)渡狀態(tài)而言，它轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物(P)或轉(zhuǎn)變?yōu)榈孜?S)的概率是相等的。 當(dāng)酶與底物生成ES復(fù)合物并進(jìn)一步形成過(guò)渡狀態(tài)，這過(guò)程已釋放較多的結(jié)合能，現(xiàn)知這部分結(jié)合能可以抵消部分反應(yīng)物分子活化所需的活化能，從而使原先低于活化能閾的分子也成為活化分子，于是加速化學(xué)反應(yīng)的速度 1．鄰近效應(yīng)與定向排列 2．多元催化（multielement catalysis） 3．表面效應(yīng)(surface effect) 應(yīng)該指出的是，一種酶的催化反應(yīng)常常是多種催化機(jī)制的綜合作用，這是酶促進(jìn)反應(yīng)GX率的重要原因。 酶的應(yīng)用： 催化劑 在生物體內(nèi)的酶是具有生物活性的蛋白質(zhì)，存在于生物體內(nèi)的細(xì)胞和組織中，作為生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的催化劑，不斷地進(jìn)行自我更新，使生物體內(nèi)及其復(fù)雜的代謝活動(dòng)不斷地、有條不紊地進(jìn)行． GX性與專一性 酶的催化效率特別高（即GX性），比一般的化學(xué)催化劑的效率高10^7～10^18倍，這就是生物體內(nèi)許多化學(xué)反應(yīng)很容易進(jìn)行的原因之一． 酶的催化具有高度的化學(xué)選擇性和專一性．一種酶往往只能對(duì)某一種或某一類反應(yīng)起催化作用，且酶和被催化的反應(yīng)物在結(jié)構(gòu)上往往有相似性． 一般在37℃左右，接近中性的環(huán)境下，酶的催化效率就非常高，雖然它與一般催化劑一樣，隨著溫度升高，活性也提高，但由于酶是蛋白質(zhì)，因此溫度過(guò)高，會(huì)失去活性（變性），因此酶的催化溫度一般不能高于60℃，否則，酶的催化效率就會(huì)降低，甚至?xí)ゴ呋饔茫畯?qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子、紫外線等的存在，也都會(huì)影響酶的催化作用． 人體中的作用 人體內(nèi)存在大量酶，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類繁多，到目前為止，已發(fā)現(xiàn)3000種以上（即多樣性）．如米飯?jiān)诳谇粌?nèi)咀嚼時(shí)，咀嚼時(shí)間越長(zhǎng)，甜味越明顯，是由于米飯中的淀粉在口腔分泌出的唾液淀粉酶的作用下，水解成麥芽糖的緣故．因此，吃飯時(shí)多咀嚼可以讓食物與唾液充分混合，有利于消化．此外人體內(nèi)還有胃蛋白酶，胰蛋白酶等多種水解酶．人體從食物中攝取的蛋白質(zhì)，必須在胃蛋白酶等作用下，水解成氨基酸，然后再在其它酶的作用下，選擇人體所需的20多種氨基酸，按照一定的順序重新結(jié)合成人體所需的各種蛋白質(zhì)，這其中發(fā)生了許多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)．可以這樣說(shuō)，沒有酶就沒有生物的新陳代謝，也就沒有自然界中形形、豐富多彩的生物界．[7] 酶的生理醫(yī)學(xué)效應(yīng) 酶與某些疾病的關(guān)系 酶缺乏所致之疾病多為先天性或遺傳性，如白化癥是因酪氨酸羥化酶缺乏，蠶豆病或?qū)Σ编舾谢颊呤且?－磷酸葡萄糖脫氫酶缺乏．許多中毒性疾病幾乎都是由于某些酶被YZ所引起的．如常用的有機(jī)磷農(nóng)藥（如、敵敵畏、1059以及樂果等）中毒時(shí)，就是因它們與膽堿酯酶活性ZX必需基團(tuán)絲氨酸上的一個(gè)－OH結(jié)合而使酶失去活性．膽堿酯酶能催化乙酰膽堿水解成膽堿和乙酸，當(dāng)膽堿酯酶被YZ失活后，乙酰膽堿的水解作用受抑，造成乙酰膽堿推積，出現(xiàn)一系列中毒癥狀，如肌肉震顫、瞳孔縮小、多汗、心跳減慢等．某些金屬離子引起人體中毒，則是因金屬離子（如Hg2+）可與某些酶活性ZX的必需基團(tuán)（如半胱氨酸的－SH）結(jié)合而使酶失去活性。 酶在疾病診斷上的應(yīng)用 正常人體內(nèi)酶活性較穩(wěn)定，當(dāng)人體某些器官和組織受損或發(fā)生疾病后，某些酶被釋放入血、尿或體液內(nèi)．如急性炎時(shí)，血清和尿中淀粉酶活性顯著升高；肝炎和其它原因肝臟受損，肝細(xì)胞壞死或通透性增強(qiáng)，大量轉(zhuǎn)氨酶釋放入血，使血清轉(zhuǎn)氨酶升高；心肌梗塞時(shí)，血清乳酸脫氫酶和磷酸肌酸激酶明顯升高；當(dāng)有機(jī)磷農(nóng)藥中毒時(shí)，膽堿酯酶活性受YZ，血清膽堿酯酶活性下降；某些肝膽疾病，特別是膽道梗阻時(shí)，血清r－谷氨酰移換酶等等．因此，借助血、尿或體液內(nèi)酶的活性測(cè)定，可以了解或判定某些疾病的發(fā)生和發(fā)展。 酶在臨床ZL上的應(yīng)用 酶療法已逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，廣泛受到重視，各種酶制劑在臨床上的應(yīng)用越來(lái)越普遍．如胰蛋白酶、糜蛋白酶等，能催化蛋白質(zhì)分解，此原理已用于外科擴(kuò)創(chuàng)，化膿傷口凈化及胸、腹腔漿膜粘連的ZL等．在血栓性靜脈炎、心肌梗塞、肺梗塞以及彌漫性血管內(nèi)凝血等病的ZL中，可應(yīng)用纖溶酶、鏈激酶、尿激酶等，以溶解血塊，防止血栓的形成等． 一些酶，不僅可用于腦、心、肝、腎等重要臟器的輔助ZL，在腫瘤方面的使用也取得了顯著的成效．另外，還利用酶的競(jìng)爭(zhēng)性YZ的原理，合成一些化學(xué)藥物，進(jìn)行YJ、殺菌和抗腫瘤等的ZL。如酶補(bǔ)脾補(bǔ)腎在不孕不育等問題上，也有較好的調(diào)理。而磺胺類藥和許多KJ素能YZ某些細(xì)菌生長(zhǎng)所必需的酶類，故有YJ和殺菌作用；許多抗腫瘤藥物能YZ細(xì)胞內(nèi)與核酸或蛋白質(zhì)合成有關(guān)的酶類，從而YZ瘤細(xì)胞的分化和增殖，以對(duì)抗腫瘤的生長(zhǎng)；硫氧嘧啶可YZ碘化酶，從而影響甲狀腺素的合成，故可用于ZL甲狀腺機(jī)能亢進(jìn)等。 酶在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用 如釀酒工業(yè)中使用的酵母菌，就是通過(guò)有關(guān)的微生物產(chǎn)生的，酶的作用將淀粉等通過(guò)水解、氧化等過(guò)程，Z后轉(zhuǎn)化為酒精；醬油、食醋的生產(chǎn)也是在酶的作用下完成的；用淀粉酶和纖維素酶處理過(guò)的飼料，營(yíng)養(yǎng)價(jià)值提高；洗衣粉中加入酶，可以使洗衣粉效率提高，使原來(lái)不易除去的汗?jié)n等很容易除去等等…… 由于酶的應(yīng)用廣泛，酶的提取和合成就成了重要的研究課題．此時(shí)酶可以從生物體內(nèi)提取，如從菠蘿皮中可提取菠蘿蛋白酶．但由于酶在生物體內(nèi)的含量很低，因此，它不能適應(yīng)生產(chǎn)上的需要．工業(yè)上大量的酶是采用微生物的發(fā)酵來(lái)制取的．一般需要在適宜的條件下，選育出所需的菌種，讓其進(jìn)行繁殖，獲得大量的酶制劑．另外，人們正在研究酶的人工合成．總之隨著科學(xué)水平的提高，酶的應(yīng)用將具有非常廣闊的前景． 學(xué)科意義： 生物學(xué) 在生物體內(nèi)，酶發(fā)揮著非常廣泛的功能。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞活動(dòng)的調(diào)控都離不開酶， 酶分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng) (12張) 特別是激酶和磷酸酶的參與。酶也能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，通過(guò)催化肌球蛋白上ATP的水解產(chǎn)生肌肉收縮，并且能夠作為細(xì)胞骨架的一部分參與運(yùn)送胞內(nèi)物質(zhì)。一些位于細(xì)胞膜上的ATP酶作為離子泵參與主動(dòng)運(yùn)輸。一些生物體中比較奇特的功能也有酶的參與，例如熒光素酶可以為螢火蟲發(fā)光。病毒中也含有酶，或參與侵染細(xì)胞（如HIV整合酶和逆轉(zhuǎn)錄酶），或參與病毒顆粒從宿主細(xì)胞的釋放（如流感病毒的神經(jīng)氨酸酶）。 復(fù)合酶的一個(gè)非常重要的功能是參與消化系統(tǒng)的工作。以蛋白酶為代表，可以將進(jìn)入消化道的大分子（淀粉和蛋白質(zhì)）降解為小于15微米的小分子，以便于腸道毛細(xì)血管充分吸收。淀粉不能被腸道直接吸收，而酶可以將淀粉水解為麥芽糖或更進(jìn)一步水解為葡萄糖等腸道可以吸收的小分子。不同的酶分解不同的食物底物。在草食性反芻動(dòng)物的消化系統(tǒng)中存在一些可以產(chǎn)生纖維素酶的細(xì)菌，纖維素酶可以分解植物細(xì)胞壁中的纖維素，從而提供可被吸收的養(yǎng)料。 在代謝途徑中，多個(gè)酶以特定的順序發(fā)揮功能：前一個(gè)酶的產(chǎn)物是后一個(gè)酶的底物；每個(gè)酶催化反應(yīng)后，產(chǎn)物被傳遞到另一個(gè)酶。有些情況下，不同的酶可以平行地催化同一個(gè)反應(yīng)，從而允許進(jìn)行更為復(fù)雜的調(diào)控：比如一個(gè)酶可以以較低的活性持續(xù)地催化該反應(yīng)，而另一個(gè)酶在被誘導(dǎo)后可以較高的活性進(jìn)行催化。酶的存在確定了整個(gè)代謝按正確的途徑進(jìn)行；而一旦沒有酶的存在，代謝既不能按所需步驟進(jìn)行，也無(wú)法以足夠的速度完成合成以滿足細(xì)胞的需要。實(shí)際上如果沒有酶，代謝途徑，如糖酵解，無(wú)法獨(dú)立進(jìn)行。例如，葡萄糖可以直接與ATP反應(yīng)使得其一個(gè)或多個(gè)碳原子被磷酸化；在沒有酶的催化時(shí)，這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行得非常緩慢以致可以忽略；而一旦加入己糖激酶，在6位上的碳原子的磷酸化反應(yīng)獲得極大加速，雖然其他碳原子的磷酸化反應(yīng)也在緩慢進(jìn)行，但在一段時(shí)間后檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)產(chǎn)物為葡萄糖-6-磷酸。于是每個(gè)細(xì)胞就可以通過(guò)這樣一套功能性酶來(lái)完成代謝途徑的整個(gè)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。 動(dòng)力學(xué) 酶動(dòng)力學(xué)是研究酶結(jié)合底物能力和催化反應(yīng)速率的科學(xué)。研究者通過(guò)酶反應(yīng)分析法（enzyme assay）來(lái)獲得用于酶動(dòng)力學(xué)分析的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。 1902年，維克多·亨利提出了酶動(dòng)力學(xué)的定量理論； 隨后該理論得到他人證實(shí)并擴(kuò)展為米氏方程。 亨利Z大貢獻(xiàn)在于其首次提出酶催化反應(yīng)由兩步組成：首先，底物可逆地結(jié)合到酶上，形成酶-底物復(fù)合物；然后，酶完成對(duì)對(duì)應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的催化，并釋放生成的產(chǎn)物。 酶初始反應(yīng)速率（表示為“V”）與底物濃度（表示為“[S]”）的關(guān)系曲線。隨著底物濃度不斷提高，酶的反應(yīng)速率也趨向于Z大反應(yīng)速率（表示為“Vmax”）。酶可以在一秒鐘內(nèi)催化數(shù)百萬(wàn)個(gè)反應(yīng)。例如，乳清酸核苷5'-磷酸脫羧酶所催化的反應(yīng)在無(wú)酶情況下，需要七千八百萬(wàn)年才能將一半的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物；而同樣的反應(yīng)過(guò)程，如果加入這種脫羧酶，則需要的時(shí)間只有25毫秒。 酶催化速率依賴于反應(yīng)條件和底物濃度。如果反應(yīng)條件中存在能夠?qū)⒌鞍捉怄湹囊蛩?，如高溫、極端的pH和高的鹽濃度，都會(huì)破壞酶的活性；而提高反應(yīng)體系中的底物濃度則會(huì)增加酶的活性。在酶濃度固定的情況下，隨著底物濃度的不斷升高，酶催化的反應(yīng)速率也不斷加快并趨向于Z大反應(yīng)速率（Vmax）。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)反應(yīng)體系中底物的濃度升高，越來(lái)越多自由狀態(tài)下的酶分子結(jié)合底物形成酶-底物復(fù)合物；當(dāng)所有酶分子的活性位點(diǎn)都被底物飽和結(jié)合，即所有酶分子形成酶-底物復(fù)合物時(shí)，催化的反應(yīng)速率達(dá)到Z大。當(dāng)然，Vmax并不是酶唯yi的動(dòng)力學(xué)常數(shù)，要達(dá)到一定反應(yīng)速率所需的底物濃度也是一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。這一動(dòng)力學(xué)指標(biāo)即米氏常數(shù)（Km），指的是達(dá)到Vmax值一半的反應(yīng)速率所需的底物濃度。對(duì)于特定的底物，每一種酶都有其特征Km值，表示底物與酶之間的結(jié)合強(qiáng)度（Km值越低，結(jié)合越牢固，親和力越高）。另一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)是kcat（催化常數(shù)），定義為一個(gè)酶活性位點(diǎn)在一秒鐘內(nèi)催化底物的數(shù)量，用于表示酶催化特定底物的能力。 酶的催化效率可以用kcat/Km來(lái)衡量。這一表示式又被稱為特異性常數(shù)，其包含了催化反應(yīng)中所有步驟的反應(yīng)常數(shù)。由于特異性常數(shù)同時(shí)反映了酶對(duì)底物的親和力和催化能力，因此可以用于比較不同酶對(duì)于特定底物的 催化效率或同一種酶對(duì)于不同底物的催化效率。特異性常數(shù)的理論Z大值，又稱為擴(kuò)散極限，約為108至109 M−1s−1；此時(shí)，酶與底物的每一次碰撞都會(huì)導(dǎo)致底物被催化，因此產(chǎn)物的生成速率不再為反應(yīng)速率所主導(dǎo)，而分子的擴(kuò)散速率起到了決定性作用。酶的這種特性被稱為“催化wan美性”或“動(dòng)力學(xué)wan美性”。相關(guān)的酶的例子有磷酸丙糖異構(gòu)酶、碳酸酐酶、乙酰膽堿酯酶、過(guò)氧化氫酶、延胡索酸酶、β-內(nèi)酰胺酶和超氧化物歧化酶。 米氏方程是基于質(zhì)量作用定律而確立的，而該定律則基于自由擴(kuò)散和熱動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的碰撞這些假定。然而，由于酶/底物/產(chǎn)物的高濃度和相分離或者一維/二維分子運(yùn)動(dòng)，許多生化或細(xì)胞進(jìn)程明顯偏離質(zhì)量作用定律的假定。 在這些情況下，可以應(yīng)用分形米氏方程。 存在一些酶，它們的催化產(chǎn)物動(dòng)力學(xué)速率甚至高于分子擴(kuò)散速率，這種現(xiàn)象無(wú)法用當(dāng)今公認(rèn)的理論來(lái)解釋。有多種理論模型被提出來(lái)解釋這類現(xiàn)象。其中，部分情況可以用酶對(duì)底物的附加效應(yīng)來(lái)解釋，即一些酶被認(rèn)為可以通過(guò)雙偶極電場(chǎng)來(lái)捕捉底物以及將底物以正確方位擺放到催化活性位點(diǎn)。另一種理論模型引入了基于量子理論的穿隧效應(yīng)，即質(zhì)子或電子可以穿過(guò)激活能壘（就如同穿過(guò)隧道一般），但關(guān)于穿隧效應(yīng)還有較多爭(zhēng)議。 有報(bào)道發(fā)現(xiàn)色胺中質(zhì)子存在量子穿隧效應(yīng)。 因此，有研究者相信在酶催化中也存在著穿隧效應(yīng)，可以直接穿過(guò)反應(yīng)能壘，而不是像傳統(tǒng)理論模型的方式通過(guò)降低能壘達(dá)到催化效果。有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道提出在一種醇脫氫酶的催化反應(yīng)中存在穿隧效應(yīng)，但穿隧效應(yīng)是否在酶催化反應(yīng)中普遍存在并未有定論。 熱力學(xué) 與其他催化劑一樣，酶并不改變反應(yīng)的平衡常數(shù)，而是通過(guò)降低反應(yīng)的活化能來(lái)加快反應(yīng)速率。通常情況下，反應(yīng)在酶存在或不存在的兩種條件下，其反應(yīng)方向是相同的，只是前者的反應(yīng)速度更快一些。但必須指出的是，在酶不存在的情況下，底物可以通過(guò)其他不受催化的“自由”反應(yīng)生成不同的產(chǎn)物，原因是這些不同產(chǎn)物的形成速度更快。 酶可以連接兩個(gè)或多個(gè)反應(yīng)，因此可以用一個(gè)熱力學(xué)上更容易發(fā)生的反應(yīng)去“驅(qū)動(dòng)”另一個(gè)熱力學(xué)上不容易發(fā)生的反應(yīng)。例如，細(xì)胞常常通過(guò)ATP被酶水解所產(chǎn)生的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)其他化學(xué)反應(yīng)。 酶可以同等地催化正向反應(yīng)和逆向反應(yīng)，而并不改變反應(yīng)自身的化學(xué)平衡。例如，碳酸酐酶可以催化如下兩個(gè)互逆反應(yīng)，催化哪一種反應(yīng)則是依賴于反應(yīng)物濃度。 當(dāng)然，如果反應(yīng)平衡極大地趨向于某一方向，比如釋放高能量的反應(yīng)，而逆反應(yīng)不可能有效的發(fā)生，則此時(shí)酶實(shí)際上只催化熱力學(xué)上允許的方向，而不催化其逆反應(yīng)。

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