酶为什么有高效性？

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酶为什么有高效性？
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大力水手

酶有一个十分庞大的家族，其种类繁多，目前已知的有5000多种，而人体中就含有1000多种，遍布在人的口腔、胃肠道、胰脏、肝脏、肌肉和皮肤里。
人的一切生命活动都离不开酶，没有酶就没有生命的存在。


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酶在人体内的神奇作用


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酶的一个显著特点是其催化作用的专一性，故各种酶都起着不同的作用，生命的全过程是靠各种酶来维持的。
例如，所食用的碳水化合物主要是淀粉，在唾液中淀粉酶的作用下，将糊精和麦芽糖水解为葡萄糖；食用的蛋白质，在胃蛋白酶的作用下，将蛋白质水解成蛋白胨和氨基酸；食用的脂肪，在脂肪酶的作用下，将脂肪水解为甘油和脂肪酸。
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人在生长、发育、维持生命和生育后代的全部过程中，均需不断的消耗能量。这些能量是人摄取食物经消化吸收后进人体内的，再经氧化降解作用，方可将食物中贮存的能量逐步地有计划地释放出来而被利用。这一全过程也必须有各种酶参与才能完成。


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人体的新陈代谢需要经过一系列的化学反应，这些化学反应过程，必须有各种酶的参与才能完成。
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酶是各种疾病的克星


医学科研证实，许多疾病是由于酶的摄入量不足或失酶过多所造成的，当人体内缺少了某种酶，又得不到及时补充时，便会生起病来。所以，医生常常用酶来帮助诊治疾病。
例如构成人体细胞膜的物质之一的脂质，当体内缺少抗氧化酶的时候，便易产生过氧化作用。脂质一旦被氧化，细胞生物膜便被破坏，从而将引起皮肤色斑、贫血、溶血、血栓、动脉硬化与糖尿病等多种疾病。


超氧化物歧化酶(SOD)具有抗衰老和防治癌症的功效。SOD是体内超氧离子最有效的清除剂。当前，国内外已将SOD用于防治血癌、肺癌、乳腺癌与肠癌等恶性肿瘤，取得了明显的效果。
尿激酶有明显的降低血压、抗凝血、溶血栓的作用。可用于治疗缺血性中风、急性心肌梗死、肺栓塞与风湿性关节炎等疾病。
当消化不良时，可吃一种多酶片。它的主要成分是胃蛋白酶、胰酶和淀粉酶，能将所摄取的蛋白质、脂肪和淀粉分解而为胃肠所吸收。
还有，组氨酸酶可增强记忆力，预防痴呆；纤维蛋白溶酶可用来溶解导致心脏病发作的冠状动脉血块和脑动脉血管凝块；胰凝乳蛋白酶可消炎去肿；菠萝蛋白酶能治疗妇女的痛经；木瓜蛋白酶可治疗心绞痛、痔疮、褥疮和皮肤过敏症等等。


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如何获得更多的酶


概括来说，我们所吃的食物、饮用的水和呼吸的新鲜空气里，均含有一些能形成酶的物质。未经加工的食物具有丰富的酶原，而烹调后的食物已损耗掉大量的酶。因此，凡能生吃的蔬菜和水果最好生吃。
具体说来，淀粉酶广泛分布于生物界。当咀嚼食物时，可刺激唾液的分泌，咀嚼时间越长，其唾液分泌得越多，而唾液中就含有丰富的淀粉酶。只要吃饭时做到细嚼慢咽，淀粉酶是可以满足需要的。白萝卜中不仅含有淀粉酶，而且含有多种其他酶，既能消除致癌物质亚硝胺引起的细胞突变，又可消除亚硝胺与苯并芘等强致癌物质的毒性，使之失去致癌作用，防癌效果较为显著。在莴苣、豌豆、豆芽菜、南瓜中也含有一种“酶”，能分解亚硝胺，预防癌变的发生。


要获得SOD，只要坚持多吃新鲜水果、蔬菜即可达到目的。过氧化物酶大量存在于成熟的梨中。大蒜中含有丰富的过氧化氢酶。同时，大蒜含有蒜氨酸，在蒜酶作用下可生成蒜素，对细菌有较强的杀菌、抑菌作用，既可治疗气管炎、消化道感染，又可阻断亚硝胺的生成，从而预防胃癌的发生。
在生物体内有许多种蛋白酶：动物消化道有胃蛋白酶、胰蛋白酶和凝乳酶等；组织蛋白酶是存在于动物体各部的细胞内蛋白酶；菠萝与木瓜蛋白酶，广泛分布于植物组织中。脂肪酶存在于所有脂肪组织内。

卡卡

可以从能量流的角度回答。能流进化论认为，生命在自然界中的价值是作为能量传递介体驱动自然界中能量分布的相对均衡，自然界不仅需要能量分布的相对均衡，还需要以相对更高效的形式实现能量分布的相对均衡，这边对能量传递介体的能量传递能力有了选择性，能量传递能力相对越强的能量传递介体，也相对越容易得到自然界的青睐，因而，生命是自然界的的非生命态能量传递介体能量传递能力升级的结果，生物体的进化也是如此。生命体在其能量传递能力进化的过程中，还需要从其介导的能流中获取足够的能量以维持其能力，这在一定程度上也限制了生命体进化的随机性。生命的这个特征意味着组成生命体的基本单位——细胞也是一个能量传递介体，细胞也是由一个个酶介导的能量传递单元组成。
为了便于理解，我们先了解一下船只是如何通过三峡大坝的。
三峡大坝上下水位落差113米，上游船只需要通过五级船闸才能到达大坝下游。如下图所示，首先，船只先过第一级闸室，然后关闭下游人字门，通过开合地下阀门，让第一级闸室往第二级闸室内充水，利用连通器原理，使得两级闸室内水位一致。然后，第一级闸室门打开，船只驶入第二闸室，就这样，船只像下楼梯一样一级一级的向下，最终到达下游航道。
那么，对于一个细胞而言，其能量供体里的能量是如何经细胞流向能量受体的呢？我们先看一个生化反应，在磷酸甘油酸激酶的作用下，1,3-二磷酸甘油酸裂解生成甘油酸-3-磷酸，同时，裂解过程中释放出的能量传递至ADP，使其转变成ATP。在这条能流中，1,3-二磷酸甘油酸是能量供体，ADP是能量受体，磷酸甘油酸激酶是能量传递介体。该能流的发生，使得能量相对较高的1,3-二磷酸甘油酸裂解生成能量相对较低的甘油酸-3-磷酸，以及能量相对较低的ADP转变成能量相对较高的ATP。甘油酸-3-磷酸和ATP之间的能势差比1,3-二磷酸甘油酸和ADP之间的能势差要低，也就是说，这一条能流的运行，使得当前环境中的能量分布相对更加的均衡。由此可见，细胞内的生化反应就像三峡大坝里的一道水闸，使得细胞介导的能流在一个特定的区域实现了能势的相对均衡。
作者认为，对于任意一个能量分布不均衡的体系而言，根据能量在体系中各物质分子之间的传递，可将这个体系分解成一个个由能量供体、能量传递介体及能量受体组合而成的基本单元，本书将这种单元称为“能量传递单元”。在《隐藏的动力：生物在自然界中的价值》这一书中，能量传递单元用“能量供体→能量传递介体→能量受体”这一形式表示，箭头表示能量的流动方向。例如，由1,3-二磷酸甘油酸、ADP、磷酸甘油酸激酶三种物质所构成的能量传递单元，记作为“1,3-二磷酸甘油酸→磷酸甘油酸激酶→ADP”。基于上一段的分析，我们可以发现，能量传递单元的功能在于驱动特定物质之间的能量均衡。能流传递单元不止局限于由物质分子构成，也可由生物体构成，例如，由羚羊、狼、狮子和氧气组成的体系中，含有“羚羊→狼→氧气”和“羚羊→狮子→氧气”两种能量传递单元。
综上所述，能量传递单元驱动了物质之间能势差的相对平衡，体现了生物在自然界中能量流动方面的价值。因此，作者认为，由细胞内的物质分子组成的能量传递单元是生物细胞的基本结构和功能单位，一个生态系统内的包含生物体的能量传递单元是生物体所在生态系统的基本单元，它们的价值均体现于能量平衡能力。


基于此，我们可以推断，在一个特定的体系中，物质分子的布朗运动，以及与环境中其它种类分子之间的相互作用，使得含有“共享能量传递介体”的不同能量传递单元之间的比例时刻发生着变化，而且这种变化具有随机性，这便使得特定环境中含有“共享能量传递介体”的能量传递单元具有不稳定性。这一不稳定性进而导致所属体系结构和功能的不稳定。细胞生物学的发展已经表明，生物细胞的结构和功能是相对稳定的，这就说明，一个结构和功能不稳定的非生物体系是不可能演化成生物的。反过来讲，生物的出现说明，“共享能量传递介体”的“共享”特性在生物源起的过程中被逐渐弱化，甚至被功能专一的能量传递介体所取代，结果便是，共享能量传递介体逐渐演变为只对应特定能量供体和能量受体的能量传递介体。

尽管功能专一的能量传递介体使得其所属能量传递单元的结构组成稳定性得到保障，然而，其与能量供体和能量受体组成完整能量传递单元的几率却降低。例如，狼既可以吃羚羊，又可以吃兔子。假设现在在狼群中出现了一匹变异了的狼，该狼只吃兔子且捕获兔子的能力与正常的狼相同。可想而知，变异狼的功能专一性更强，但遇到食物的几率要比正常的狼更低，被饿死的几率也就随之增加，进而表现为能量传递能力降低。该变异狼要想与正常狼具有相似的能量传递能力，唯一的途径便是提升其捕获兔子的能力。当捕获兔子的能力得到提升后，该变异狼被饿死的几率便会降低，进而表现为能量传递能力增强。然而，捕获兔子能力的提升，意味着兔子可能会被更快的吃光，进而以兔子作为唯一食物的变异狼被饿死的几率也随之增加。也就是说，随着时间的推移，变异狼有可能又会表现为能量传递能力降低。为与“专一性”相对应，我们用能量传递效率来表征能量传递能力。那么，当能量传递能力提升后，能量传递介体的能量传递效率增加，即表现为“高效性”。能量传递介体能量传递能力的高效性，增强了所属能量传递单元的能量平衡能力，但随着时间的推移，能量传递单元的结构组成不稳定性也有可能随之增加。
综上所述，能量传递介体的专一性使得其所属能量传递单元的结构组成相对更加稳定，但能量平衡能力减弱；能量传递介体的高效性使得其所属能量传递单元的能量平衡能力增强，但结构组成更加脆弱。能量传递介体的高效性和专一性相互影响、相互制约，二者的统一使得该能量传递介体所属能量传递单元的能量平衡能力得以更好的适应环境的需求，也就有存在下去的可能。这也解释了为什么细胞中的各种催化酶类能量传递介体具有高效、专一的特性。总之，最终在生物的源起过程中保留下来的能量传递介体是高效性和专一性实现统一的、相对更加适合环境要求的能量传递介体。
《隐藏的动力：生物在自然中的价值》（汕头：汕头大学出版社，2020-12，CIP2020268179，ISBN 978-7-5658-4304-4.）是一本基于热力学定律，从生物在自然界能量流动方面价值的角度阐述生命起源与进化问题的书。该书共分为六章，第一章介绍了从能量和价值的角度探讨生命起源与进化问题的缘由；第二章介绍了自然界中能量流动所遵循的基本定律及生物在自然界能量流动中的价值；第三章从生物在自然界能量流动中价值的角度，探讨了生物是如何从非生命态一步步演变为生命态的；第四章从生物在自然界能量流动中价值的角度，探讨了生物的演变缘由、演变方式和演变方向；第五章提出了“能流进化论”学说，借以阐释了“物竞天择，适者生存”现象；最后一章通过实例探讨了能流矛盾论在农业、医学、经济等领域的应用。
《隐藏的动力：生物在自然界中的价值》一书电子稿可从该链接https://blog.sciencenet.cn/blog-3479210-1308965.html免费下载。

队长是我

酶加快反应速度主要靠降低反应的活化能，即底物分子达到活化态所需的能量。例如脲酶可使尿素水解反应的活化能由136kj/mol降到46kj/mol，使反应速度提高10的14次方倍。酶的催化机理主要有以下几点：
1.邻近定向 对一个双分子反应，酶可以使两个底物结合在活性中心彼此靠近，并具有一定的取向。这比在溶液中随机碰撞更容易反应。对不同的反应，由分子间反应变成分子内反应后，反应速度可加快100倍到10的11次方倍。
2.底物形变 酶与底物结合时，不仅酶的构象改变，底物的构象也会发生变化。这种变化使底物更接近于过渡态，因此可以降低活化能。
3.酸碱催化和共价催化 酶活性中心的一些残基的侧链基团可以起酸碱催化或共价催化的作用。酸碱催化可分为一般酸碱催化和特殊酸碱催化两种，特殊酸碱催化是指H+和OH-的催化作用；一般酸碱催化还包括其他弱酸弱碱的催化作用。酶促反应一般发生在近中性条件，H+和OH-的浓度很低，所以酶促反应主要是一般酸碱催化。酶分子中的一些可解离集团如咪唑基、羧基、氨基、巯基常起一般酸碱催化作用，其中咪唑最活泼有效。
有些酶有酸碱共催化机制及质子转移通路。四甲基葡萄糖在苯中的变旋反应如果单独用吡啶（碱）或酚（酸）来催化，速度很慢；如果二者混合催化，则速度加快，即酸碱共催化。如果把酸和碱集中在一个分子中，即合成α－羟基吡啶，它的催化速度又加快7000倍。这是因为两个催化集团集中在一个分子中有利于质子的传递。在酶－底物复合物中经常由氢键和共轭结构形成质子传递通路，从而大大提高催化效率。
共价催化可分为亲电催化和亲核催化。丝氨酸蛋白酶、含巯基的木瓜蛋白酶、以硫胺素为辅酶的丙酮酸脱羧酶都有亲核催化作用。羟基、巯基和咪唑基都有亲核催化作用。金属离子和酪氨酸羟基、－NH3+都是亲电基团。共价催化经常形成反应活性很高的共价中间物，将一步反应变成两步或多步反应，绕过较高的能垒，使反应快速进行。例如胰蛋白酶通过丝氨酸侧链羟基形成酰基-酶共价中间物，降低活化能。
4.微环境的作用 有些酶的活性中心是一个疏水的微环境，其介电常数较低，有利于电荷之间的作用，也有利于中间物的生成和稳定。如赖氨酸侧链氨基的pK约为9，而在乙酰乙酸脱羧酶活性中心的赖氨酸侧链pK只有6左右。
以上几点都可加速反应，但每种酶不同，可同时具有其中的几种因素。

大力水手

降低了反应的活化能