酶——生物化学反应的催化剂

一般而言,地球上的生命被定义为:有机物和水构成的、一个或多个细胞组成的一类具有稳定的物质和能量代谢功能,能回应刺激,能进行自我复制(繁殖)的半开放物质系统。因此,生命的重要特征之一,就是能够稳定地从外界获取物质和能量,并将体内产生的废物和多余的热量排放到外界。而这些物质和能量代谢功能的实现就意味着在生命体内每天要发生大量的化学反应,将摄取的营养物质降解、转化为生命能吸收、利用的小分子化合物,如葡萄糖、氨基酸、核苷酸等,同时在生命体内还存在大量的化学反应将所吸收的小分子化合物合成为自身的多糖、蛋白质和基因等大分子化合物。这些化学反应都是在生命体内的温和条件下(如体温或环境温度、常压)进行;另一方面,生命所需要的物质(如食物)在自然环境下又都是稳定的物质,这些物质的降解与转化的化学反应不会自然发生或非常缓慢,那么在生命体中,这些化学反应式如何发生的呢?催化这些化学反应的神奇物质就是“酶”!

酶是具有催化功能的生物大分子,即生物催化剂。大多数酶是蛋白质,还有少数 RNA 分子具有生物催化功能,称为核酶。几乎所有的细胞活动进程都需要酶的参与,与化学催化剂相似,酶通过降低化学反应的活化能来加快反应速率;但与化学催化剂不同的是,酶具有高度的专一性,只催化特定的反应。大多数的酶可以将反应速率提高上百万倍;同时,酶作为催化剂,本身在反应过程中并不被消耗,也不影响反应的化学平衡。

哺乳动物的细胞就含有几千种酶。它们或是溶解于细胞质中,或是与各种膜结构结合在一起,这些酶统称胞内酶;另外,还有一些在细胞内合成后再分泌至细胞外的酶叫胞外酶。酶的催化能力(称为酶活性)可受多种因素的调节控制,从而使生物体能适应外界条件的变化,维持生命活动。

一般来说,动物体内的酶最适温度在35到40℃之间,植物体内的酶最适温度在40-50℃之间;微生物(如古菌、细菌和真菌)的酶最适温度差别较大,尤其一些古菌的酶最适温度可高达80-90℃。

人体内的酶约有3000种以上,负责催化人体内的各种新陈代谢相关的化学反应,如米饭在口腔内咀嚼时产生甜味,就是由于淀粉在唾液淀粉酶的作用下,水解成麦芽糖的缘故;人体内的胃蛋白酶、胰蛋白酶等多种水解酶可将食物中的蛋白质水解成氨基酸,然后再在其它酶的作用下,重新结合成人体所需的各种蛋白质。可以这样说,没有酶就没有生物的新陈代谢。

酶——生物化学反应的催化剂插图

正常人体内酶活性较稳定,但当人体某些器官和组织受损或发生疾病后,某些酶被释放入血、尿或体液内,如急性胰腺炎时,血清和尿中淀粉酶活性显著升高;肝炎和其它原因肝脏受损,肝细胞坏死或通透性增强,大量转氨酶释放入血,使血清转氨酶升高;心肌梗塞时,血清乳酸脱氢酶和磷酸肌酸激酶明显升高。因此,借助血、尿或体液内酶的活性测定,可以了解或判定某些疾病的发生和发展。酶缺乏所致之疾病多为先天性或遗传性,如白化症是因酪氨酸羟化酶缺乏。

酶——生物化学反应的催化剂插图1

近年来,酶在临床上的应用越来越普遍,如纤溶酶、链激酶、尿激酶等可应用血栓性静脉炎、心肌梗塞、肺梗塞以及弥漫性血管内凝血等病的治疗中,以溶解血块,防止血栓的形成等。另外,一些可抑制酶活性的化学药物,可抑菌、杀菌和抗肿瘤等的治疗,如磺胺类药和许多抗生素能抑制某些细菌生长所必需的酶类;许多抗肿瘤药物能抑制细胞内与核酸或蛋白质合成有关的酶类,从而抑制肿瘤的生长.

酶——生物化学反应的催化剂插图2

酶也在工业和食品生产中被广泛应用,如酿酒工业中使用的酵母菌,就是利用酵母所产生的酶将淀粉等通过水解、氧化等过程转化为酒精;酱油、食醋的生产也是利用微生物产生的酶来完成的。总之,地球生命经过几十亿年的进化,进化出了多种不同的酶,不仅是地球生命得以生存所必需的生物催化剂,而且随着科学水平的提高,酶的应用将具有更为广阔的前景。

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