摘要：①意大利科学家拉扎罗·斯帕兰札尼（L.Spallanzani）是一位18世纪非常重要的生物学家，他的研究范围广泛，并且在消化研究领域做出了开创性的工作，为后来酶学的诞生奠定了重要的基础。虽然他所在的时代还没有“酶”这个概念，但他的实验直接证明了胃液具有强大的化

降低反应活化能的酶

早在数千年前，人类就在不自觉中就开始利用酶了，只不过不懂它是什么，例如：

①意大利科学家拉扎罗·斯帕兰札尼（L.Spallanzani）是一位18世纪非常重要的生物学家，他的研究范围广泛，并且在消化研究领域做出了开创性的工作，为后来酶学的诞生奠定了重要的基础。虽然他所在的时代还没有“酶”这个概念，但他的实验直接证明了胃液具有强大的化学消化能力。

②斯帕兰札尼关于消化的经典实验

在他之前，人们普遍认为胃的消化过程主要是物理性的机械研磨。

③1773年，斯帕兰札尼设计了一系列精巧的实验：

A.实验材料：他使用了一些中空的金属管或木管，一端密封，另一端用多孔的海绵塞住。管内放入了各种食物，如面包、肉类等。

B.实验方法：他让鹰、人类等吞下这些管子。由于海绵的保护，食物不会被物理研磨，但可以充分接触胃液。

C.实验结果：一段时间后，通过呕吐或解剖取出管子，他发现管子里的食物消失了或被部分分解了。

D.关键对照实验：为了更有力地证明，他进行了体外实验。他从动物（如鹰）的胃中取出一些胃液，放入试管中，然后将肉块放入胃液里。他观察到，在体温条件下，试管中的胃液同样能够分解肉块。

④斯帕兰札尼的实验有力地证明了，胃对食物的消化主要不是靠物理研磨，而是依靠胃液本身的化学性溶解作用；发现了胃液的强大能力：他注意到胃液即使在体外也能工作，并且其消化能力非常强大。

⑤为“酶”的发现铺平了道路：

斯帕兰夏尼首次明确地展示了生物体内存在一种具有强大催化能力的液体物质。他称之为“胃液”，但不知道其有效成分是什么。

⑥拉扎罗·斯帕兰札尼是一位启蒙时代的科学巨匠。在消化研究上，他通过严谨的实验，首次令人信服地揭示了胃液具有化学消化能力，直接启发了后来的科学家去探索这种能力背后的物质根源，从而为酶的最终发现打开了第一扇大门。

1、19世纪初期→化学家发现，在生物体的提取液中有一些物质能加速化学反应，如淀粉分解为麦芽糖、过氧化氢分解等等。

2、1830s-1850s：瑞典化学家永斯·贝采利乌斯 提出了 “催化作用” 的概念，并首次提出生物体内的催化作用可能由“催化剂”完成，这是理论上的重大飞跃。

3、1850s-1870s：关于发酵的本质爆发了激烈争论：

①德国化学家李比希（J.V.Liebig）认为引起发酵的是酵母菌细胞中的某些物质，但这些物质只有在酵母菌细胞死亡并裂解后才能发挥作用；

②1857年，法国生物学家巴斯德（L.Pasteur）通过实验证明发酵与活酵母细胞密不可分，提出酿酒中的发酵是由酵母菌细胞的存在所致，没有活细胞的参与，糖类是不可能变成酒精的。

③1878年：德国生理学家威廉·屈内 创造了 “酶” 这个词，源自希腊语“在酵母中”，用来描述这种神秘的催化物质。

1897年，德国化学家爱德华·毕希纳（E.Buchner）即使将酵母细胞彻底磨碎、过滤，得到的无细胞提取液仍然能将糖发酵成酒精。这个实验证明了发酵过程是由酵母细胞中的某种物质催化的，与细胞的生命活动无关。他将酵母菌细胞中引起发酵的物质称为“酿酶”。毕希纳因此获得了1907年的诺贝尔化学奖。从此，酶学作为一门独立的学科诞生了。

1、美国生物化学家詹姆斯·B·萨姆纳（J.B.Sumner）认为酶是蛋白质。1917年，萨姆纳从刀豆中提取脲酶（这种酶能使尿素分解成氨和二氧化碳），便决定把这种酶进行提纯，经过长达9年的艰苦努力，他终于在1926年成功从刀豆提取液中分离并结晶出了脲酶，并用多种方法证明了脲酶是一种蛋白质。

萨姆纳的结论“酶是蛋白质”在当时受到了广泛质疑，因为许多人认为蛋白质这种大分子太“惰性”，不可能是高效的催化剂。

2、直到1930年，美国生物化学家约翰·H·诺斯罗普和他的同事们陆续成功结晶了胃蛋白酶、胰蛋白酶等多种酶，并无一例外地证明它们都是蛋白质。

萨姆纳和诺斯罗普于1946年共同获得了诺贝尔化学奖。

1980年代初，美国科学家托马斯·切赫（T.R.Cech）和西德尼·奥尔特曼（S.Altman）分别独立发现，RNA分子也具有生物催化功能。这一发现打破了“所有酶都是蛋白质”的固有认知。他们将这类具有催化功能的RNA命名为 “核酶”。切赫和奥尔特曼因此获得了1989年的诺贝尔化学奖。

细胞中每时每刻都进行着许多化学反应，统称为细胞代谢（cellular metabolism），细胞代谢离不开酶（enzyme）。

酶是细胞代谢的“指挥官”和“加速器”。没有酶，细胞内的绝大多数化学反应将缓慢到无法维持生命。

酶（enzyme）是一种生物催化剂（biocatalyst），绝大多数酶都是蛋白质。

①降低反应的活化能（activation energy）：

任何一个分子要发生化学反应，都必须先被活化，即增加能量，这个能量被称为“活化能”（即分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量）

酶之所以能加速化学反应的进行，是因为它降低反应的活化能（E₃）酶通过与反应物（称为“底物”）特异性结合，形成酶-底物复合物，从而改变反应途径，极大地降低了反应所需的活化能。

酶降低化学反应的活化能

②加速反应速率：降低活化能意味着在细胞正常的温度和压力下，化学反应可以以极高的速率进行。酶可以使反应速度提高数百万倍甚至数万亿倍。

打一个简单的比喻，就像在山脚下挖一条隧道，远比直接翻越一座高山要省时省力。酶就是那个“隧道”，让化学反应能轻松“通过”。

细胞代谢是一个包含成千上万种反应的复杂网络。酶在其中起到了组织和调控的关键作用。细胞内的代谢不是杂乱无章的，而是形成了一条条“装配线”，即代谢途径。例如，细胞呼吸中的糖酵解、三羧酸循环，就是由一系列酶按顺序催化的。前一个酶的产物，就是后一个酶的底物。

细胞需要根据内外环境的变化（如能量需求、营养供应、信号分子等）来精确调控代谢速率。酶的活性可以被精确地调节，从而控制整个代谢途径，其中主要调节方式有：

①别构调节：某些代谢物（通常是途径的终产物）可以作为别构效应剂，与酶分子上的特定部位（非活性中心）结合，改变酶的构象，从而抑制或激活其活性。

②共价修饰：通过添加或去除化学基团（如磷酸基团）来可逆地开启或关闭酶的活性。(磷酸化/去磷酸化是最常见的一种)

③酶合成的诱导与阻遏：在基因表达层面控制某种酶的合成数量，这是一种更长时程的调控。

由于酶的存在，细胞代谢不需要高温、高压或强酸强碱等极端条件。它可以在生物体内温和的条件（如37°C体温、接近中性的pH）下高效进行。

在生物化学反应中，不但用量少，而且反应过程中本身不被消耗，还能极大地加快化学反应速率，通常比非催化反应快 10⁸ ~ 10²⁰ 倍，比一般无机催化剂高 10⁷ ~ 10¹³ 倍。

· 举例：1分子的过氧化氢酶每秒能催化分解400万个过氧化氢分子，而铁离子作为无机催化剂，效率要低无数倍。

酶的高效性

一种酶通常只作用于一种或一类特定的底物，或只催化一种或一类特定的化学反应。这就像“一把钥匙开一把锁”。专一性可以分为以下几种类型：

①绝对专一性：要求最严格，一种酶只催化一种底物发生一种反应。例如脲酶只催化尿素水解，对结构非常相似的甲基尿素则不起作用。

A代表酶，B代表反应物，C、D代表产物

②相对专一性（族专一性）：一种酶能催化一类具有相同化学键或基团的底物。例如脂肪酶能水解各种脂肪的酯键；蛋白酶能水解不同蛋白质的肽键。

③立体结构专一性：酶对底物的立体构型有严格要求。

④旋光异构专一性：例如，L-氨基酸氧化酶只作用于L-氨基酸，对D-氨基酸无效。

④几何异构专一性：例如，琥珀酸脱氢酶只催化琥珀酸（反丁烯二酸）脱氢生成延胡索酸，而不能生成顺丁烯二酸。

酶有一个最适温度（通常为37-40°C，动物体内的酶最适温度在35～40℃，植物体内的酶最适温度在40～50℃，细菌和真菌体内酶的最适温度差别较大，有的酶最适温度可高达70℃）。温度过低，反应速率慢；温度过高，蛋白质会变性失活，即使再降温也无法恢复活性。

酶活性随温度变化的曲线呈“倒U形”。如下图所示

酶也有一个最适pH（如胃蛋白酶最适pH值1.5，胰蛋白酶最适pH值8，植物体内的酶最适PH值4.5～6.5之间，动物体内的酶最适PH值6.5～8.0之间）。过酸或过碱都会破坏酶的构象，导致失活。

酶活性随pH变化的曲线也呈“倒U形”。如下图所示

①别构调节：某些物质（别构效应剂）与酶分子活性中心以外的部位结合，引起酶构象改变，从而调节其活性。这通常是代谢反馈调节的基础。例如某些代谢途径的终产物，会反馈抑制该途径中的第一个酶。

②共价修饰调节：通过在其他酶的催化下，给酶分子共价连接或去除某些基团（如磷酸基、甲基）来调节其活性。磷酸化与去磷酸化是最常见的形式。

③酶原激活：有些酶在合成时是無活性的前体（酶原），在需要时通过水解掉一段肽链而被激活，从而保护细胞自身不被水解。例如，消化酶（胃蛋白酶、胰蛋白酶）和血液凝固系统中的酶都以酶原形式存在。

③竞争性抑制：抑制剂与底物结构相似，竞争酶的活性中心，从而抑制酶活性。这种抑制可以通过增加底物浓度来解除。例如，磺胺类药物竞争性抑制细菌二氢叶酸合成酶的活性。

①辅酶：通常是小分子有机物，与酶蛋白结合疏松，在反应中作为载体传递电子、原子或基团（如NAD+， NADP+， CoA）。

②辅基：与酶蛋白结合紧密的小分子有机物或金属离子，通常以共价键连接（如FAD， 血红素）。

②金属离子激活剂：许多酶需要Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺等金属离子来维持其活性构象或直接参与电子传递。

1、低温区（0°C - 40°C）：随着温度升高，反应物分子动能增加，碰撞频率提高，反应速率加快。

2、最适温度（optimal temperature）：酶活性达到最高时的温度。对于大多数动物体内的酶，最适温度在37°C左右（接近体温）；植物酶的最适温度通常在40-50°C。

3、高温区（> 最适温度）：高温会破坏酶蛋白的氢键等相互作用力，导致蛋白质空间结构发生不可逆的改变，即变性失活。活性中心结构被破坏，酶失去催化功能。还有少数酶是比较耐高温的，例如，液化淀粉酶、核糖核酸酶、Tap DNA聚合酶和溶菌酶等均属于抗热性较强的酶。

温度对酶活性的影响

1、胃蛋白酶：最适pH约1.5～2.0（适应强酸性的胃环境）。

2、 胰蛋白酶：最适pH约7.5～8.5（适应弱碱性的小肠环境）。

3、过氧化氢酶：最适pH约7.0（接近中性）。

4、pH改变会影响酶和底物分子中极性基团（如 -COOH, -NH₂）的电离状态，从而影响酶与底物的结合。

5、过酸或过碱的环境会破坏酶蛋白的空间结构，导致其变性失活。

溶菌酶的最适pH值

酶浓度对酶活性的影响

图1 米氏常数

图2 米氏方程

①低底物浓度时：反应速率随底物浓度增加而快速增加，几乎呈正比关系。因为此时有大量空闲的酶分子。

②高底物浓度时：反应速率趋于一个最大值（Vmax）。此时所有的酶分子都已与底物结合（达到饱和），反应速率达到极限，再增加底物浓度也不会提高速率。

底物对反应速率的影响

①竞争性抑制（competitive inhibition）：

抑制剂（I）与底物（S）结构相似，竞争结合酶的活性中心。可以通过增加底物浓度来减轻或解除抑制。例如，抗癌药物甲氨蝶呤竞争性抑制二氢叶酸还原酶。

竞争性抑制图形

②非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）：

酶可同时与底物和抑制剂结合，二者没有竞争作用，如果酶与抑制剂结合之后，还可以与底物结合；或者酶与底物结合之后，还可以与抑制剂结合。无论抑制剂与酶先结合或后结合，只要形成“酶—底物—抑制剂”复合物，则底物就不能被催化为产物。非竞争性抑制作用的强弱取决于抑制剂的绝对浓度，因而，增加底物浓度不能解除抑制。

非竞争性抑制图形

③反竞争性抑制（uncompetitive inhibition）：

抑制剂（I）不能与游离的酶（E）结合，只能与酶—底物复合物（SE）结合，而生成酶—底物—抑制剂复合物（EIS）。（EIS）中的底物不能被酶（S）催化为产物。【S】与【E】的结合，不但不排斥抑制剂，反而促进抑制剂与酶的结合。这种抑制作用不能通过增加底物浓度来减弱或消除。

反竞争性抑制的图形

抑制剂（通常是剧毒物质）与酶活性中心的必需基团以共价键结合，结合的比较牢固，不能用一般的透析、超滤及凝胶过滤等物理方法去除抑制剂，而恢复酶的催化活性。例如，有机磷农药（敌敌畏）不可逆地抑制乙酰胆碱酯酶。

①变构激活：效应物结合后，酶活性升高。

②变构抑制：效应物结合后，酶活性降低。这是生物体内代谢调节的重要方式（如反馈抑制）。

❶为酶分子，其活性部位是空的；

❷为已与底物分子结合的酶分子，这种结合是通过很弱的键实现的。

❸底物分子在酶分子上转变成了产物。

酶的作用示意图

1、我们日常洗衣服用的加酶洗衣粉比普通洗衣粉有更强的去污能力，能把衣服清洗的更加干净漂亮。

2、含酶牙膏可以分解细菌（残留在牙齿里的食物残渣），使我们的牙齿亮洁，口气清新。

3、果胶酶能分解果肉细胞壁中的果胶，提高果汁产量，使果汁变得清亮。

4、溶菌酶能够溶解细菌的细胞壁，具有抗菌消炎的作用。

5、人在消化不良时可以服用—多酶片（含有多种消化酶）。

6、胰蛋白酶可用于促进伤口愈合和溶解血凝块，还可用于去除坏死组织，抑制污染微生物的繁殖。

7、利用脂肪酶处理废油脂，制造生物柴油，既保护了环境又使其得到合理利用。

8、青霉素酰化酶能将易形成抗药性的青霉素改造成杀菌力更强的氨苄青霉素。

【米氏方程】、【抑制剂】两部分另外做一个专题！！！[微笑][微笑][微笑]

来源：向上生长一点号