如何解释生物学中的「酶」？

青草

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原文地址：https://www.zhihu.com/question/304498486

长长的路

一句话解释就是：酶是一类特殊蛋白质，能加速生物体内化学反应速率，通过与特定底物结合在活性位点发挥催化作用，维持生命过程正常运行。
酶的特质

1、高效性:酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快;
2、专一性:一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽。
3、多样性:酶的种类很多，迄今为止已发现约4000多种酶，在生物体中的酶远远大于这个数量。
4、温和性:是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的。
5、活性可调节性:包括抑制剂和激活剂调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等。6、易变性:大多数酶是蛋白质，因而会被高温、强酸、强碱等破坏;
7、有些酶的催化性与辅助因子有关。
酶的分类

国际酶学委员会(I.E.C)规定，按酶促反应的性质，可把酶分成六大类：
1.氧化还原酶类(oxidoreductases)指催化底物进行氧化还原反应的酶类。如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶等。
2.转移酶类(transferases)指催化底物之间进行某些基团的转移或交换的酶类。如转甲基酶、转氨酸等。
3.水解酶类(hydrolases)指催化底物发生水解反应的酶类。如脂肪酶、磷酸酶等。
4.裂解酶类(lyases)指催化一个底物分解为两个化合物或两个化合物合成为一个化合物的酶类。如醛缩酶、柠檬酸合成酶等。
5.异构酶类(isomerases)指催化各种同分异构体之间相互转化的酶类。如磷酸丙糖异构酶等。
6.合成酶类(连接酶类，ligases)指催化两分子底物合成为一分子化合物，同时还必须偶联有ATP的磷酸键断裂的酶类。如谷氨酰胺合成酶等。
酶应用在我们生活的方方面面

工业领域：
1、生物催化： 酶在工业催化中用于合成和转化化学品，能够在温和条件下提高反应速率和选择性，减少环境污染。
2、洗涤剂： 蛋白酶在洗涤剂中用于去除血液、蛋白质和其他污渍。
3、纸浆和纸张工业： 木聚糖酶、纤维素酶等用于纸浆的漂白和处理，提高生产效率。
医学领域：
1、临床诊断： 酶用于生化检测、诊断试剂盒，如血糖测定、肝功能检测等。
2、药物生产： 酶用于合成药物，如蛋白质药物的生产、合成核酸药物等。
3、基因工程： 限制性内切酶、DNA聚合酶等在分子生物学研究和基因工程中发挥重要作用。
食品科学：
1、酶制剂： 酶制剂在食品加工中用于面包、啤酒、酸奶等食品的制备，改善质地和口感。
2、果汁和葡萄酒工业： 果胶酶、纤维素酶用于果汁的浑浊去除和葡萄酒的澄清。
3、乳制品工业： 蛋白酶、脂肪酶等用于乳制品的加工和改善特性。
环境保护：
1、废水处理： 酶用于废水处理，有助于降解有机废物，减少污染。
2、生物降解： 酶用于生物降解塑料、纤维素等，有助于减少固体废物。
能源领域：
1、生物燃料： 酶用于生物质转化为生物燃料，如生物乙醇的制备。
2、生物催化： 酶用于生物催化反应，如生物电池中的酶催化氧还原反应。
酶的定向改造

尽管自然界的生物酶具备着无与伦比的催化特性，然而在许多情况下，这些生物酶未能满足我们的特定需求。举例而言，我们可能期望酶的活性进一步提升，使其能够在酸、碱环境中持续活跃，或更精准地与底物结合…… 此时，我们需要借助酶改造技术，对这些生物酶进行精心调整，使其具备更加理想的特性，以便更好地应对多样化的应用场景。
酶改造技术是一种利用基因工程、蛋白工程等方法对天然酶的结构和性质进行有目的调整的方法。通过对酶的氨基酸序列进行改变，可以实现酶的特定性能优化，以适应特定的应用需求。
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继续前进

酶是一种生物催化剂，绝大多数酶是蛋白质，极少数酶是RNA。
体外化学反应的进行通常需要高温高压等极端条件。酶是一种神奇的物质，它的催化能力，有机体中的生物化学反应可以在常温常压状态下高速进行。
酶的催化机理可以用降低活化能来概括。稳定的化学分子通常处于基态，也有少数分子处于活跃态，基态到活跃态的跃迁所需要的能量即活化能。酶可以与底物的活跃态结合，促使基态底物迅速转化成活跃态而参与化学反应，由于酶的参与，基态至活跃态的跃迁变得极度容易。
酶可以将化学反应速率提高一万倍以上。
酶参与催化了体内所有的代谢反应，如葡萄糖酵解生成丙酮酸的反应由10个酶催化完成。
酶的活性是可以调节的，如胰岛素可以激活激素敏感性脂肪酶，促进脂肪分解。
酶的最适合pH是7.4，但是胃蛋白酶最适合是1.5的pH强酸性环境，这不仅有助于胃对食物的消化，也使胃成为了一个隔绝外界有害细菌和物质的屏障。
酶的最适合温度是37℃，但是嗜热细菌的DNA聚合酶的最适温度是70度，这使体外DNA扩增有了可能，使的对新冠病毒的分子诊断有了可能。
有的酶具有昼夜节律性，如胆固醇合成的关键酶在夜晚的催化效率更高。
由于遗传导致的酶的失效会引起疾病，去乳糖不耐受是乳糖酶缺失引起的，苯丙氨酸羟化酶缺乏会导致苯丙酮尿症，酪氨酸酶缺乏会导致白化病，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏会导致蚕豆病。
维生素是酶的辅酶，如维生素B6是转氨酶的辅酶。
微量元素是酶的辅基。
酶是疾病诊断的指标，如谷丙转氨酶异常升高代表肝功能损伤，心肌酶谱是心功能的常规检测手段。
酶是治疗疾病的药物，如胃蛋白酶可以治疗消化不良，纤溶酶可以治疗血栓。
酶是有毒物质的靶点。
新冠病毒依靠人体的各种酶完成复制扩增。
酶是细菌生产抗生素的工具。
100多年来，关于酶的研究获得过多次诺贝尔奖，包括2018面诺贝尔化学类颁给了研究酶的定向进化的科学家。
由于酶的功能实在过于强大，我们可以对酶进行改造，使之可以在体外非细胞环境下工作，这是下一代生物制造与生物化工革命实现的基础。
码字不易，敬请【点赞】!

大力水手

我再详细补充一些关于酶的知识，
酶是由活细胞产生，对其特异底物起高效催化作用的生物催化剂，生物体内各种代谢反应的催化剂基本都是酶。
酶的历史



①酶的结构、功能

酶一般分为单纯酶和结合酶，结合酶由酶蛋白和辅因子组成，辅因子多为金属离子或者小分子有机化合物，酶蛋白决定了反应的特异性和其催化机制，辅因子决定了反应类型和性质。






催化功能主要在酶的活性中心，





也把催化相同反应但酶蛋白的分子结构、理化性质不同的一组酶叫做同工酶，







②酶的工作原理

酶和一般催化剂一样，在反应前后没有质量的变化，只能催化热力学允许的反应，只能加速可逆反应过程而不能改变反应平衡点，但也有自己的特殊性，


酶促反应具有极高的催化效率、高度的特异性、高度的不稳定性和一定的可调节性，






具体过程就包括诱导契合作用下酶与底物密切结合，而近邻效应和定向排列使诸底物正确定位于酶的活性中心，而表面效应又使底物去溶剂化。








③酶促反应动力学

酶促反应速率受底物浓度、酶浓度、温度、酸碱环境、抑制剂、激活剂等影响，






























④酶的调节

酶活性调节属于快速调节，酶含量调节属于缓慢调节，


酶的活性的调节分为三类，分别是别构调节、化学修饰调节、酶原激活。
别构调节是由于别构效应剂和酶的活性中心外的某个部位非共价可逆结合而改变酶的活性，


化学修饰调节是因酶蛋白肽链上的一些基因在其他酶的一些催化下，与某些化学基团共价可逆结合而影响酶的活性，


酶原是无活性的酶前体，其激活基理是在特定条件下，肽键断裂，分子构象发生变化进而形成或暴露出酶的活性中心。




酶量的调节主要是酶的合成和降解，



⑤酶的分类和命名

酶可以根据其催化的反应类型分类，


同时，每一种酶均有系统名称和推荐名称，



⑥酶的医学应用






国内也有专门淦酶的国家重点实验室——湖北省教育部共建的生物催化与酶工程国家重点实验室
省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室

感恩由您

01 酶与诺贝尔化学奖

酶（Enzyme）跟诺贝尔化学奖有不解之缘。
美国化学家James B. Sumner和John H. Northrop先后证明了“某些酶是蛋白质”，因此共同获得1946年诺贝尔化学奖。
当时，许多酶都被证明具有蛋白质的属性，无一例外。
于是，长期以来，人类就一直单纯地以为，酶就是一种蛋白质。
上世纪80年代初，Thomas Cech和Sidney Altman分别发现了具有催化功能的RNA* ——核酶（ribozyme)，这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念，也给18的高考全国卷Ⅰ理综第8题带来了争议。为此，这两位卓越的科学家获得了1989年的诺贝尔化学奖。
后来，Paul D. Boyer和John E. Walker阐明了ATP合成酶（ATP synthase）合成与分解ATP的分子机制，于1997年获得诺贝尔化学奖。
2018年弗朗西斯·阿诺德（Frances H. Arnold）凭借在“酶的定向进化”领域的贡献获得诺奖。
……
如各位所见，获得诺贝尔化学奖越来越难了。
有想法的朋友们要加把劲儿了。

* RNA是核糖核酸（RiboNucleic Acid）的英文缩写，与DNA（脱氧核糖核酸，英文DeoxyriboNucleic Acid的缩写）同属于核酸。

02 酶的定义


“酶”这个概念的产生对生物化学的发展有重要意义。对酶学和酶工程学的意义就更不必说了。

一般来说“酶是具有催化活性的蛋白质或核酸”。

但也有一些学者坚持“酶是蛋白质，核酶是核酸”，也就是认为“酶不包括核酶”。
我们能怎么办，总不能让学者们消灭异己。
<hr/>03 酶的高效催化活性


酶可以显著改变化学反应速率，使之更快达到化学平衡。一般认为，酶的催化效率是无机催化剂的10000000倍到10000000000000倍（13个0）。
举个例子，没有催化剂的情况下，数一亿粒大米大概需要231天；有合适的酶的情况下，大概需要不到0.2秒。
不要打我，我换个例子。
H2CO3是肥宅快乐水的灵魂。初中的化学老师教导我们，CO2与水反应可以生成H2CO3.在体内，即使这个简单的反应，也是在碳酸酐酶的催化下完成的。这种酶，每个酶分子在1s内可以使6×105个CO2发生水合作用。这个反应速率大概比未经催化的反应快107倍。很难数清楚体内一共有多少个碳酸酐酶，反正很多。这样可以保证细胞产生的CO2迅速溶入血液，然后由红血球姐姐运送到肺泡及时排出体外。


可爱的红血球


振奋的红血球


迷路的红血球
深夜正在敲这篇文章的我好饿，这说明我晚上吃的食物已经消化得差不多了，这多亏了我消化道里的各种酶类参与硝化作用。若不是它们，消化一顿晚餐大概需要50年。


消化酶


观摩消化酶


聚众观摩
善良的我没有在这里放上美食照片，请试着想象一些你喜爱的酸甜的食物。然后，你分泌的口水里面含有唾液淀粉酶，把它稀释一百万倍，它仍有催化活性。
酶在催化方面表现卓越。我们体内的绝大多数化学反应，在没有酶的情况下，几乎是不能进行的。
<hr/>04 酶的抑制剂

功夫再好，也怕菜刀。
其实酶很容易失去催化活性（失活），高温、高压、强酸、强碱、重金属盐等都能使酶失活。
失活的酶，能叫酶吗？

能让酶失活或者活性降低的化学物质，分为两种，一种使酶变性失活（不是男的变女的女的变男的那个变性），另一种在酶未变性的情况下使酶活力降低或丧失。前者称为变性剂，后者称为抑制剂（Inhibitor）。

可以将两者简单地区别为，变性剂对酶没有选择性，可以使多种类型的酶失活，具有广泛杀伤力，而抑制剂具有选择性，只能对一种酶或一类酶产生抑制作用。
酶抑制剂的选择性，也使其拥有更广泛的应用。
洛伐他丁是常见的调脂药，也是一种抑制剂。 “本品在体内竞争性地抑制胆固醇合成过程中的限速酶羟甲戊二酰辅酶A还原酶，使胆固醇的合成减少。” ——摘自洛伐他丁的使用说明书，你感受到中文长难句的恶意了吗？
大名鼎鼎的消炎药阿司匹林，是环加氧酶的抑制剂，具有消炎止痛的作用。
许多抗生素都属于酶抑制剂。某些酶抑制剂能选择性地抑制病菌或者癌细胞内部的某些酶，从而杀死那些病菌或癌细胞。
人类发现的第一种抗生素——青霉素，也可以认为是抑制剂。它可以阻止细菌合成肽聚糖（Peptidoglycan），由此细菌失去分裂能力，并容易吸水胀破。
——幸运的是肽聚糖是多数细菌必需成分，失去合成肽聚糖的能力往往意味着死亡，而人类以及人类饲养的阿猫阿狗阿牛阿猪都不需要肽聚糖。然而，并非所有的细菌都是如此。
说到抗生素，其实我们不仅应该规范使用抗生素，还应该注意到许多人都把抗生素误认为消炎药。
两者是有区别的。
把抗生素称作消炎药加剧了抗生素的滥用。

抗生素是指能杀死或抑制细菌、真菌等细菌或其他细胞的药物，不能作用于病毒。消炎药是抑制炎症反应的药物，也就是消除红肿胀痛的药物。

有些感冒是病毒引起的，一感冒就不分青红皂白服用抗生素（所谓的“消炎药”）是不合适的。若不幸感染了诺如病毒，导致腹泻呕吐，也不宜使用抗生素。



类固醇也是消炎药
继续说酶。我们体内的某些酶组成了呼吸链（是的，与我们的呼吸有关），呼吸链上的化学反应是至关重要的，阻断这些化学反应可引起死亡。呼吸链相应的酶抑制剂对这些生物而言就是致命的。

例如，鱼藤酮，能抑制呼吸链上的NADH 脱氢酶系，引起鱼类死亡。我们人类的呼吸链与鱼类不同，因此鱼藤酮对人类毒害作用没有鱼类那么明显。

在《荒野求生》第一季第八集中，站在食物链顶端的贝爷，潮汐精灵贝尔·格里尔斯，精心制作了一把鱼叉，却遇到了鲨鱼，一无所获，随后下线。紧接着炼金术士贝尔·格里尔斯上线，他用某种含有鱼藤酮的植物毒杀了一些小鱼，煨了一顿大餐，隔壁小孩都馋哭了。


潮汐精灵·贝尔


炼金术士·贝尔
<hr/>05 酶的国际系统名称与编号


酶是如此重要。因此科学家们给已知的每种酶都起了名字。
起初他们起名字很随意，催化水解淀粉的酶叫淀粉酶，催化水解蛋白质的酶就叫蛋白酶，催化水解脂肪的就叫脂肪酶。

但抗体酶就是催化水解抗体的酶吗？不是。
蛋白酶作为一种蛋白质，能被蛋白酶催化水解吗？

在生物界，有名字的地方就有混乱。

随着发现的酶越来越多，一种酶有好几个名字，或者好几种酶用同一个名字的现象越来越多，科学家们终于发现以前给酶起名字太随意了，苦不堪言。

1961年，国际生物化学学会酶学委员会(Enzyme Commission, EC)推荐了一套新的系统命名方案及分类方法，拯救了酶学界。

从那以后，人类发现的每一种酶都有系统名称。
国际系统命名法的基本原则，是应明确标明酶的底物及催化反应的性质。例如，葡萄糖氧化酶，系统名称为“β-D葡萄糖：氧化还原酶”。
这名字显然比“葡萄糖氧化酶”长啊。
救苦救难的国际酶学委员会(Enzyme Commission, EC)，还提出了酶的编号规则，跟据酶催化的反应类型，分为6大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类（考点呐，同学们），分别用1、2、3、4、5、6表示。然后再根据某些原则分出亚类、亚亚类，同样用阿拉伯数字编序号，序号之间用.隔开，前面冠上EC的大名。
β-D葡萄糖：氧化还原酶的编号是“EC 1.1.3.4”，它表示第1类，第1亚类，第3亚亚类里的第4种酶。这种酶被应用于血糖试纸，如果身边有血糖试纸说明书的话，你或许有机会从中找到这个编号。
<hr/>原文发表在公众号小谷围岛自然博物，有改动

长长的路

通常意义上的酶是指化学本质为蛋白质的酶，相对地，化学本质为核酸的酶称之为核酶；对于化学本质为蛋白质的酶研究较多，抛除概念上的问题，我们可以从以下几个方面了解酶：
酶的分类：

• 生物体的酶主要有氧化还原酶，转移酶，水解酶，连接酶，裂解酶，异构酶，转位酶七大类——其中，氧化还原酶主要催化氧化还原反应（氧化酶、脱氢酶等）；转移酶主要催化甲基、醛基、酮、烷基、芳基以及含硒基团和糖基的转移；水解酶主要催化肽键、酯键、醚键、酰胺键、酸酐键、卤键等的断裂以及糖基化；连接酶主要催化C-O、C-N、C-S、C-C以及磷酸酯键和N金属键的形成；裂解酶主要催化连接酶可连接的键以及一些其他类型的裂解反应；异构酶主要催化消旋，顺反异构，分子内的氧化、转移和裂解，改变生物大分子构象等；转位酶指参与线粒体转膜转运途径的酶。
  
• 蛋白质的结构决定功能，因此酶功能的分类也可以看做酶核心结构的分类；
  

酶的催化机制：

根据过渡态理论，在任何一个化学反应系统中，反应物需要达到一个高能状态后才能发生反应，这种不稳定的状态称为过渡态，达到过渡态需要的能量称为活化能——值得注意的是，活化能并不等同于反应的自由能。
催化剂的作用是降低化学反应的活化能，而酶催化的机制，即过渡态稳定学说，认为酶是通过稳定底物的过渡态而降低了化学反应的活化能。可能与我们的认知相悖的一点是，酶的活性中心并不贴近底物结构，而是更贴近底物的过渡态的结构。

酶的活性中心具有一定的柔性，在“柔性”结合底物后，促使底物发生“形变”向过渡态发展并维持在过渡态——直到完成反应。

过渡态稳定学说的证据：

• 根据化学反应过渡态结构设计的酶抑制剂，比根据底物结构设计的酶抑制剂效率要更强；
  
• 利用过渡态类似物作为抗原或半抗原，产生的抗体具有类似酶的催化作用。
  

那么，酶是如何促进底物转化和稳定于过渡态呢？

• 邻近定向效应：处于酶活性中心的底物脱溶剂化，抑制底物的某些化学键转动和平动，使底物之间采取正确的取向，进入过渡态；
  
• 酸碱催化：由活性中心的氨基酸作为质子供受体，稳定过渡态；
  
• 静电催化：在酶的活性中心提供比水更强的极性环境，稳定过渡态；
  
• 金属催化：金属酶或金属激活酶，可通过接受电子、屏蔽负电荷、作为电子供受体等方式稳定过渡态；
  
• 共价催化：在催化过程中与底物形成不稳定的工价化合物，彻底改变了反应路径；
  
• 底物形变：可造成生物分子的构想改变，如糖从椅式构象变为半椅式构象使周围的糖苷键更容易发生断裂；
  

需要注意的是，以上的六种效应往往是相辅相成而不是单独存在的。
<hr/>参考资料：

• 杨荣武版《生物化学原理》
  
• KEGG Database ExplorEnz: Contents
  
• https://en.wikipedia.org/wiki/TOMM40
  
• Enzyme - Wikipedia