引入
为什么一块方糖在室温下能放几年不变化，进入人体后几分钟就被分解？
为什么唾液淀粉酶能分解淀粉，却对蛋白质毫无作用？
为什么高烧时食欲下降、精神不振，甚至出现器官损伤？
酶是细胞代谢的催化剂。它不改变反应的平衡点，只改变达到平衡的速度。没有酶，常温下的生化反应慢到无法维持生命。
正文
定义
酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大部分是蛋白质，少部分是 RNA（核酶）。
作用机理是降低反应的活化能，使更多分子达到活化状态。
作用原理
催化剂在反应前后化学性质不改变，但在具体反应过程中会与反应物生成中间产物，改变反应路径。详见催化剂的作用机理。
酶与底物的结合具有空间互补性：
底物 + 酶 → 酶-底物复合物 → 酶 + 产物| 模型 | 要点 |
|---|---|
| 锁钥模型 | 酶的活性位点形状固定，与底物严格互补 |
| 诱导契合模型 | 酶在结合底物时构象发生改变，更贴合底物 |
诱导契合模型更符合实际，它解释了为什么酶能催化结构略有差异的相似底物，也解释了别构调节。
酶不改变平衡常数。它同等程度地加快正逆反应，只缩短达到平衡的时间。这一点常被误解为“酶能提高产物产量”。
特性
| 特性 | 含义 | 原因 |
|---|---|---|
| 高效性 | 催化效率是无机催化剂的 倍 | 大幅降低活化能 |
| 专一性 | 一种酶只催化一种或一类反应 | 活性位点与底物空间互补 |
| 温和性 | 在常温、常压、近中性 pH 下高效工作 | 蛋白质结构对极端条件敏感 |
| 可调节性 | 活性受多种机制调控 | 别构调节、共价修饰、酶原激活 |
专一性有不同层次：
| 层次 | 含义 | 例子 |
|---|---|---|
| 绝对专一性 | 只作用于一种底物 | 脲酶只分解尿素 |
| 相对专一性 | 作用于一类结构相似的底物 | 酯酶作用于多种酯 |
| 立体专一性 | 只作用于特定构型 | 酶通常只识别 L-型氨基酸 |
影响酶促反应的因素
| 因素 | 影响 | 机制 |
|---|---|---|
| 温度 | 有最适温度，过高失活 | 高温破坏空间结构 |
| pH | 有最适 pH，过酸过碱失活 | 改变电荷分布和结构 |
| 底物浓度 | 先增后饱和 | 活性位点被占满 |
| 酶浓度 | 底物充足时成正比 | 更多活性位点 |
| 抑制剂 | 降低活性 | 竞争性、非竞争性 |
| 激活剂 | 提高活性 | 如 对激酶 |
大多数动植物的酶的最适条件：
| 项目 | 动物 | 植物 |
|---|---|---|
| 温度 | ||
| pH |
不同酶的差异很大，这个表只是粗略参考：
| 酶 | 最适 pH | 位置 |
|---|---|---|
| 胃蛋白酶 | 约 | 胃 |
| 唾液淀粉酶 | 约 | 口腔 |
| 胰蛋白酶 | 约 | 小肠 |
低温与高温的作用不同：低温只是抑制活性，结构未被破坏，回升温度后可恢复；高温使蛋白质变性，结构不可逆破坏，活性无法恢复。这是“低温保存酶”和“高温灭菌”的原理差异。
底物浓度的影响
| 阶段 | 底物浓度 | 反应速率 |
|---|---|---|
| 起始 | 低 | 随浓度近线性增加 |
| 过渡 | 中等 | 增速放缓 |
| 饱和 | 很高 | 达到最大速率 ，不再增加 |
饱和的原因是酶的活性位点全部被占据。此时再增加底物也无济于事，速率由酶的周转数决定。
米氏方程描述这一关系：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| 速率达到 时的底物浓度 | |
| 小 | 亲和力高，低浓度即可饱和 |
| 活性位点全被占据时的速率 |
抑制剂
| 类型 | 机制 | 动力学特征 | 能否解除 |
|---|---|---|---|
| 竞争性抑制 | 与底物竞争活性位点 | 增大， 不变 | 增加底物浓度可减弱 |
| 非竞争性抑制 | 结合在活性位点以外，改变构象 | 降低， 不变 | 增加底物无效 |
| 不可逆抑制 | 与酶共价结合 | 酶永久失活 | 不能解除 |
许多药物和毒物就是酶抑制剂。青霉素不可逆抑制细菌转肽酶，阻断细胞壁合成；重金属离子与酶中的巯基结合，使其失活。
应用
酶的分类大多数以该酶能催化的底物命名：
| 酶 | 底物 | 应用 |
|---|---|---|
| 果胶酶 | 果胶 | 分解果肉细胞壁，澄清果汁 |
| 淀粉酶 | 淀粉 | 酿酒、制糖、洗涤剂 |
| 蛋白酶 | 蛋白质 | 嫩化肉类、加酶洗衣粉 |
| 纤维素酶 | 纤维素 | 饲料处理、生物燃料 |
| 脂肪酶 | 脂肪 | 食品加工、洗涤剂 |
加酶洗衣粉为什么不能用热水？ 酶在高温下变性失活。通常建议水温不超过 。
酶的调控
| 方式 | 说明 | 例子 |
|---|---|---|
| 别构调节 | 效应物结合别构位点，改变活性 | ATP 抑制磷酸果糖激酶 |
| 共价修饰 | 磷酸化/去磷酸化 | 糖原磷酸化酶 |
| 酶原激活 | 无活性前体被切割激活 | 胰蛋白酶原 → 胰蛋白酶 |
| 酶量调节 | 改变基因表达水平 | 诱导酶 |
酶原激活的意义在于“按需启动”：消化酶以酶原形式分泌，避免在合成部位就消化自身组织。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “酶能提高产物产量” | 只加快速率，不改变平衡 |
| “酶都是蛋白质” | 少数 RNA 也是酶（核酶） |
| “低温使酶失活” | 低温只抑制，结构未破坏 |
| “酶在反应中被消耗” | 反应前后酶本身不变 |
| “所有酶的最适 pH 都是中性” | 胃蛋白酶最适 pH 约 2 |
引出
为什么低温保存酶而高温灭菌？
竞争性抑制为什么可以通过增加底物浓度来减弱？
核酶的存在如何改变了“酶都是蛋白质”的认知？
- ATP：酶促反应的能量来源
- 细胞呼吸：酶在代谢中的作用
- 蛋白质折叠与结构层次：酶活性依赖的空间结构
- 维生素与辅酶：辅酶如何协助酶催化
- 化学视角的蛋白质：酶的化学本质