反应温度高反应底物沸点低怎么办

三、生物催化剂——酶

维持生命活动有数千个化学反应，如果让这些化学反应独自进行，它们将进行得非常缓慢，生命将难以维持。为了解决这个难题，细胞利用酶这类特殊的蛋白质。酶（enzyme）是生物催化剂，就是说酶能使生物化学反应进行得更加迅速。人们把酶比喻为生物体内自身的工程师。每当一种物质需转化为另一种物质时，人体就会利用其自身的工程师——酶。酶能将生物物质切割为小的碎片，再将其重新连接起来。在活的生物体内发生的几乎所有化学反应都需要酶的帮助。人类细胞包含数千个不同的酶，每一个酶促进一个特殊的化学反应，酶所催化的反应物称为“底物”。

（一）酶可以降低化学反应的活化能

酶蛋白为什么对生物化学反应具有催化作用呢？根本的原因在于酶可以降低活化能，即底物彼此发生反应所需要的能量。当酶结合底物时，可根据反应需求，适当地改变底物的构象，促进化学键的合成或打断化学键，从而降低了化学反应所需要的活化能，促使底物之间发生反应。打一个形象的比喻，中国民间有“鲤鱼跳龙门”的故事，鲤鱼在吃了足够的食物（水草）后，如果降低了龙门的高度，就会一跃而过。酶只能通过减少活化能障碍，促使一个反应迅速地进行下去，在反应中发挥作用以后，酶本身并不发生变化。

为达到这一目的，酶必须对它作用的化学反应有很高的特异性。在许多底物前，当一种酶比其他酶更合适时，这个化学反应便可能进行。在细胞中可能发生的数千个反应中，每一种酶都是特定的，仅仅是针对和促进其中的一个反应或者一类反应。

为了维持生命活动，必须通过酶来控制化学反应的速度。例如，代谢产物二氧化碳从人体细胞内移除，是生命的基本要求，这个过程依赖于红细胞中的一个酶。在呼出二氧化碳之前，细胞内二氧化碳必须先转移到血液，然后运输到肺。为了使这个转移发生，二氧化碳必须与水发生反应形成碳酸盐（），才能在血液中运输。即

这个简单的反应，称作二氧化碳的水合作用（因为它包含加水），催化该反应的酶叫碳酸酐酶。将近千万个碳酸酐酶催化这一反应，加快了二氧化碳的水合作用。一个碳酸酐酶分子1秒能使10 000个以上的二氧化碳分子发生水合反应。假设没有碳酸酐酶，二氧化碳水合的速度将很慢，我们将不能快速而充分地清除体内大量的二氧化碳。

（二）酶的构象决定了酶的催化特异性

酶能特异性地识别其特定底物从而催化专一的反应，称作酶催化的特异性。例如，蔗糖酶只能作用于蔗糖，对于其他二糖（如乳糖）则不起任何作用。酶作用的特异性，是建立在酶和底物分子的空间构象基础上的。底物与酶像钥匙与锁一样配套。每一种酶有一个活性位点，只能与具有合适的空间结构和化学特性的一个或一个以上的底物分子相匹配，生化反应才会发生。蔗糖酶的活性位点能够结合蔗糖，并将发生分解蔗糖的反应，产生出特定的产物葡萄糖和果糖（图3－1－7）。所有的酶均有一个活性位点，特异地结合它们的底物，而不结合其他的分子。

图3－1－7　酶的催化作用

注：酶（蔗糖酶）对1个底物（蔗糖）进行分解反应并产生产物（葡萄糖＋果糖）。

碳酸酐酶的活性位点能够结合二氧化碳和水两个分子，导致两个底物（（H₂O＋CO₂）准确地结合到酶的活性位点，发生水合反应。碳酸酐酶的作用证明，酶能推动两个底物特殊结合，以便彼此之间发生化学反应。因此，酶类似于媒介分子，能将合适的底物聚拢起来。如果没有酶的存在，水合反应发生之前，这两个底物需要通过恰当的途径与对方发生碰撞。这种分子碰撞并不是频繁、密切的，人体生命活动却需要二氧化碳连续迅速地从细胞转移入血液。因此酶加快化学反应速度对维持生命是重要的。

（三）代谢途径的积极意义

前面我们讨论单一的酶促进单一的化学反应，实际上新陈代谢往往由多个化学反应按照一定的顺序排列，组成一个化学途径（chemical pathway）。一个代谢途径中的多步反应由一组酶来催化。例如：

酶E1催化A变成B，E2催化B变成C，最后产物为D。这些按序排列的代谢反应具有其有利的一面，也有不利的一面。从有利方面看多个步骤的代谢反应，不同的酶促反应彼此按一定顺序相互联系，第一个反应的产物直接是第二个酶促反应的底物。不利的是，每一个反应的产物需要及时地找到催化下一步反应的酶，因为酶和它的底物彼此不一定彼此靠拢，在细胞内它们依靠随意相遇或者碰撞。在细胞这个拥挤的环境里面，多数分子并不是它的底物，只有当酶遇到与其活性位点相吻合的底物时才发生催化作用。因此，虽然分子在细胞内经常发生碰撞，却只有其中一部分碰撞导致酶促反应。

细胞为了促使新陈代谢途径有效地进行，从细胞组织水平和分子水平保证相关的酶互相聚集。从细胞组织水平看，特殊的化学途径所必需的酶能够被集中在一个特殊的亚细胞器中。例如，线粒体是对食物分解产物进行氧化并产生ATP的场所，为了有效地产生ATP，需要将必需的酶和底物集中在一个很小的空间中。参与柠檬酸循环的一系列酶集中于线粒体基质中，而与生产ATP有关的酶有顺序地排列在线粒体内膜上（图3－1－8）。

图3－1－8　酶在细胞内分组排列

注：催化多种化学反应的酶在细胞内有特殊的安排，包括酶定位于细胞器的膜上，或者局部形成多酶复合体。

从分子水平看，代谢途径中相关的酶或者彼此靠拢定位，或者几个酶连接成一个单一的多酶复合体。相关的酶自然靠拢排列，意味着一个反应的产物靠拢下一个以它为底物的酶，增加酶和它的底物之间分子碰撞的频率。多酶复合体是由多种相关的酶形成的巨大集合体，其中多数酶参与合成细胞的结构成分（如脂肪酸和蛋白质）。因此，细胞虽然非常复杂，但并不是一个随意堆满各种酶和底物的口袋。细胞复杂的结构特别是膜的结构固定了各代谢反应的空间和时间，使各种代谢高度有序地进行。