酶

發現及研究史

酶的發現來源於人們對發酵機理的逐漸了解。早在18世紀末和19世紀初，人們就認識到食物在胃中被消化，用植物的提取液可以將澱粉轉化為糖，但對於其對應的機理則並不了解。
到了19世紀中葉，法國科學家路易·巴斯德對蔗糖轉化為酒精的發酵過程進行了研究，認為在酵母細胞中存在一種活力物質，命名為「酵素」（ferment）。他提出發酵是這種活力物質催化的結果，並認為活力物質只存在於生命體中，細胞破裂就會失去發酵作用。
1878年，德國生理學家威廉·屈內首次提出了酶（enzyme）這一概念。隨後，酶被用於專指胃蛋白酶等一類非活體物質，而酵素（ferment）則被用於指由活體細胞產生的催化活性。
這種對酶的錯誤認識很快得到糾正。1897年，德國科學家愛德華·比希納開始對不含細胞的酵母提取液進行發酵研究，通過在柏林洪堡大學所做的一系列實驗最終證明發酵過程並不需要完整的活細胞存在。他將其中能夠發揮發酵作用的酶命名為發酵酶（zymase）。這一貢獻打開了通向現代酶學與現代生物化學的大門，其本人也因「發現無細胞發酵及相應的生化研究」而獲得了1907年的諾貝爾化學獎。在此之後，酶和酵素兩個概念合二為一，並依據比希納的命名方法，酶的發現者們根據其所催化的反應將它們命名。通常酶的英文名稱是在催化受質或者反應類型的名字最後加上-ase的後綴，而對應中文命名也採用類似方法，即在名字最後加上「酶」。例如，乳糖酶（lactase）是能夠剪切乳糖（lactose）的酶；DNA聚合酶（DNA polymerase）能夠催化DNA聚合反應（polymerization）。
人們在認識到酶是一類不依賴於活體細胞的物質後，下一步工作就是鑑定其生化組成成分。許多早期研究者指出，一些蛋白質與酶的催化活性相關；但包括諾貝爾獎得主里夏德·維爾施泰特在內的部分科學家認為酶不是蛋白質，他們辯稱那些蛋白質只是酶分子的攜帶者，蛋白質本身並不具有催化活性。1926年，美國生物化學家詹姆斯·薩姆納完成了一個決定性的實驗。他首次從刀豆得到尿素酶結晶，並證明了尿素酶的蛋白質本質。其後，薩姆納在1931年在過氧化氫酶的研究中再次證實了酶為蛋白質。約翰·霍華德·諾思羅普和溫德爾·梅雷迪思·斯坦利通過對胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等消化性蛋白酶的研究，最終確認蛋白質可以是酶。以後陸續發現的兩千餘種酶均證明酶的化學本質是蛋白質。以上三位科學家因此獲得1946年度諾貝爾化學獎。
由於蛋白質可以結晶，通過X射線晶體學就可以對酶的三維結構進行研究。第一個獲得結構解析的酶分子是溶菌酶，一種在眼淚、唾液和蛋清中含量豐富的酶，其功能是溶解細菌外殼。溶菌酶結構由大衛·菲利浦（David Phillips）所領導的研究組解析，並於1965年發表。這一成果的發表標誌著結構生物學研究的開始，高解析度的酶三維結構使得對於酶在分子水平上的工作機制的了解成為可能。
1980年代，托馬斯·切赫和雪梨·奧爾特曼分別從四膜蟲的rRNA前體的加工研究和細菌的核糖核酸酶P複合物的研究中都發現RNA本身具有自我催化作用，並提出了核酶的概念。這是第一次發現蛋白質以外的具有催化活性的生物分子。
1989年，其二人也因此獲得諾貝爾化學獎。

結構

酶大都是球蛋白，以單體或聚成複合物對反應進行催化。和其他的蛋白質一樣，酶的三維結構是通過多肽鏈摺疊形成的。胺基酸的序列（一級結構）能決定蛋白質的三維結構，進而影響酶的催化活性。儘管結構決定功能是一條具普適性的規則，一種新的酶的活性不能僅僅通過其結構預測。加熱時或與化學變性劑接觸時，酶結構會發生去摺疊（即變性），原有的結構被打亂，活性也往往隨之喪失。在溫度超過正常水平時，酶就會變性。因此，不難推斷生活在火山環境（比如熱泉）中的細菌的酶具有很強的耐熱性。這些酶使高溫條件下酶促反應的發生成爲可能，在工業上具有很高的利用價值。
酶通常比受質大得多。酶的肽鏈長度從62個胺基酸殘基的4-草醯巴豆酸異構酶的單體到長度超過2,500個胺基酸殘基的動物脂肪酸合酶。酶的結構只有一小部分（大約2-4個胺基酸）是直接與催化相關的。這部分稱爲催化位點（catalytic site）。催化位點通常與一個或多個與受質結合的結合位點（binding site）相連。催化位點與結合位點共同組成了酶的活性位點（active site）。酶的其餘部分起維持活性位點準確的方向以及動力學特性的作用。
在一些酶中，催化與任何一個胺基酸都沒有關係。這類酶另有與催化輔助因子結合的位點。一些酶亦可能包含異位位點。小分子與異位位點的結合可使酶發生構象改變，進而使酶的活性降低或升高。
一些具有生物催化活性的RNA分子稱爲核酶（ribozyme）。這類分子可能單獨發揮催化作用，也可能在與蛋白質結合成複合物的條件下發揮催化作用。最常見的核酶應是核糖體。核糖體是蛋白質以及具有催化活性的RNA的複合物。核糖體的活性位點完全由RNA組成，而蛋白質僅起支架的作用。

受質結合

酶在催化化學反應前必須要與受質結合。酶具有很強的專一性，通常僅能與寥寥數種受質結合，催化一種或幾種反應。專一性通過結合區的形狀、電荷、疏水/親水性與受質互補實現。因此，酶可以用來區分化學選擇性上、區域選擇性上、立體專一性上有所不同的結構相似的分子。
一些與基因組複製與表達相關的酶具有很高的專一性和準確性，表現在一些酶所具有的校對機制。以DNA聚合酶爲例，這類酶先催化DNA鏈的合成，再檢查新加上的鹼基是否正確。校對機制確保了酶的極高準確性，哺乳動物的高保真DNA聚合酶在每一億次反應中才會出一次錯誤。RNA聚合酶、氨醯-tRNA合成酶、核糖體也有與DNA聚合酶類似的校對機制。
相對應地，另外一些酶則表現出多受質特異性（enzyme promiscuity）的現象。這類酶專一性弱，能與一系列生理上相關的受質反應。很多此類酶偶然還會出現一定程度的副反應活性，而這可能是進化出新功能酶的起點。

「鑰匙和鎖」模型

爲了解釋觀察到的酶的特異性，1894年，赫爾曼·埃米爾·費歇爾提出，酶和受質靠著互補的幾何形狀精準地結合在一起。這一理論即通常所說的「鑰匙和鎖」模型。這一早期的理論解釋了酶的專一性，但卻沒能解釋酶的過渡態爲何能穩定存在。

誘導契合模型

1958年，丹尼爾·科甚蘭提出了一個對鑰匙與鎖模型進行修正的理論：酶的結構相對靈活，受質與酶（活性位點）作用時，活性位點會不斷改變結構。受質不是簡單地與一個剛性的活性位點結合。組成活性位點的胺基酸側鏈的準確有序排布保證酶能執行催化功能。糖苷酶等酶，當受質分子與活性位點結合時，受質分子亦會發生輕微的形狀改變。直到受質與酶發生完全結合，分子形狀和電荷排布都最終確定，活性位點都會不斷發生結構變化誘導契合可以通過結構校對（conformational proofreading）機制在噪音和競爭物存在的條件下增強分子識別的保真度。

動態結構

酶的結構並不是剛性的、恆定不變的。酶的內部結構會發生複雜的動力學變化。酶的結構可能在反應過程中發生變化，單個胺基酸殘基、一個轉角、一個二級結構單位，乃至整個結構域的位置都可能發生改變。酶內部結構的變化能使差異度不大、且能發生互變的多種構象體在熱力學平衡狀態下共存，從而形成所謂構象系綜（conformational ensemble）。在系綜狀態下，酶的每一結構狀態或者構象體都可能與酶的功能的某一部分有關。舉例來說，二氫葉酸還原酶的不同構象就分別和受質結合、催化、輔助因子釋放、產物釋放相關。

異位調節

別構中心是酶結構上的結合口袋，遠離活性中心，可以與細胞環境中的一些分子結合。和別構中心結合的分子往往可以改變酶的構象或是酶的動態結構，從而影響酶活性中心的反應速率。因此，別構反應可以使酶被活化或被抑制。別構調節對代謝通路非常重要，代謝酶往往可以和通路上游或是下游的代謝物發生別構效應，而產生反饋調控，即根據通路其他部分上的代謝通量來調整酶的活性。

輔助因子

一些酶並不需要額外的組分就能就能正常發揮作用，另外一些酶則要在和輔助因子（cofactor）結合後才能顯示出活性。輔助因子可以是無機物（如金屬離子、鐵硫簇），也可以是有機物（比如黃素和血紅素）。有機輔助
因子如果在反應中會與酶分離則爲輔酶（coenzyme），如果與酶緊密結合則爲輔基（prosthetic groups）。有機的輔基可能與酶發生共價結合（丙酮酸羧化酶與生物素（biotin）之間即發生共價結合）。
碳酸酐酶（carbonic anhydrase）即是一類含有輔助因子的酶。理察森圖（ribbon diagram）顯示，碳酸酐酶的肽鏈環繞在一個鋅離子（值得注意的是，鋅離子亦是活性位點的一部分）周圍，並與這個鋅離子結合在一起這些與酶緊密結合的離子或分子通常位於活性位點之中，並且能夠參與催化反應。例如，黃素以及血紅素即會參與氧化還原反應。
需要輔助因子才可以發揮作用的酶，處於未與輔助因子狀態時稱爲「脫輔酶」（apoenzymes或apoproteins），當其與輔助因子結合後則稱爲「全酶」（holoenzyme）。不過，值得注意的是，名詞全酶亦可以指含有多個亞基的酶，如DNA聚合酶。不過，在本文中，全酶是指含有所有發揮活性所需的亞基的酶。

輔酶

輔酶是一類與酶結合的小分子有機物，輔酶與酶結合的強度因輔酶和酶的種類而異，或強或弱。輔酶能夠將化學基團從一個酶轉移到另一個酶上。NADH、NADPH爲兩種常見的輔酶。核黃素、硫胺、葉酸等維生素類輔酶人體不能合成，需要通過膳食補充。輔酶能攜帶化學基團，如NAD或NADP能攜帶氫離子（H⁺）、ATP能攜帶磷酸基團、輔酶A能攜帶乙醯基團、葉酸基團能攜帶甲醯基、次甲基，或甲基、S-腺苷甲硫胺酸能攜帶甲基。
輔酶在酶促反應發生後化學結構會發生改變。因此，可以將看作一類普遍存在的特殊受質。許多酶都有與之匹配的輔酶，比如，已知的酶中有大約1000種酶使用NADH作爲輔酶（2015年的資料）。
輔酶通常能不斷再生，濃度能始終維持在一個恆定不變的水平上。舉例來說，NADPH能通過磷酸戊醣途徑再生，S-腺苷甲硫胺酸能通過甲硫胺酸腺苷轉移酶催化的反應生成。持續不斷的再生意味著總量不多的輔酶也能以很快的速度消耗。舉例來說，人類每天會更新重量與自身體重相等的ATP。

抑制作用

酶的催化活性可以被多種抑制劑所降低。

可逆抑制作用

可逆抑制作用的類型有多種，它們的共同特點在於抑制劑對酶活性的抑制反應具有可逆性。

競爭性抑制作用

抑制劑與受質競爭結合酶的活性位點（抑制劑和受質不能同時結合到活性位點），也就意味著它們不能同時結合到酶上。對於競爭性抑制作用，催化反應的最大反應速率值沒有變，但是需要更高的受質濃度，反映在表觀Kₘ值的增加。

非競爭性抑制作用

非競爭性抑制抑制劑可以與受質同時結合到酶上，即抑制劑不結合到活性位點。酶-抑制劑複合物（EI）或酶-抑制劑-受質複合物（EIS）都沒有催化活性。與競爭性抑制作用相比，非競爭性抑制作用不能通過提高受質濃度來達到所需反應速度，即表觀最大反應速率Vₘₐₓ的值變小；而同時，由於抑制劑不影響受質與酶的結合，因此Kₘ值保持不變。

反競爭性抑制作用

反競爭性抑制作用比較少見：抑制劑不能與處於自由狀態下的酶結合，而只能和酶-受質複合物（ES）結合，在酶反應動力學上表現為Vₘₐₓ和Kₘ值都變小。這種抑制作用可能發生在多亞基酶中。

複合抑制作用

這種抑制作用與非競爭性抑制作用比較相似，區別在於EIS複合物殘留有部分酶的活性。在許多生物體中，這類抑制劑可以作為負反饋機制的組成部分。若一個酶體系生產了過多的產物，那麼產物就會抑制合成該產物的酶體系中第一個酶的活性，這就可以保證一旦合成足夠多的產物後，該產物的合成速率會下降或停止。受這種抑制作用調控的酶通常為多亞基酶，並具有與調控產物結合的異位結合位點。這種抑制作用的反應速率與受質濃度的關係圖不再是雙曲線形而是S形。

不可逆抑制作用

不可逆抑制劑可以與酶結合形成共價連接，而其他抑制作用中酶與抑制劑之間都是非共價結合。這種抑制作用是不可逆的，酶一旦被抑制後就無法再恢復活性狀態。這類抑制劑包括二氟甲基鳥胺酸（一種可用於治療寄生蟲導致的昏睡症的藥物）、苯甲基磺醯氟（PMSF）、青黴素和阿司匹林。這些藥物都是與酶活性位點結合併被活化，然後與活性位點處的一個或多個胺基酸殘基發生不可逆的反應形成共價連接。

抑制劑的用途

酶抑制劑常被用作藥物，同樣也可以被作為毒藥使用。而藥物和毒藥之間的差別通常非常小，大多數的藥物都有一定程度的毒性，正如帕拉塞爾蘇斯所言：「所有東西都有毒，沒有什麼是無毒的」（「In all things there is a poison, and there is nothing without a poison」）。相同的，抗生素和其他抗感染藥物只是特異性地對病原體而不是對宿主有毒性。
一個獲得廣泛應用的抑制劑藥物是阿司匹林，它可以抑制環加氧酶的活性，而環加氧酶可以生產炎症反應信使攝護腺素，因此，阿司匹林可以起到抑制疼痛與炎症的作用。而劇毒毒藥氰化物可以通過結合細胞色素氧化酶位點處的銅和鐵原子不可逆地抑制酶活性，從而抑制細胞的呼吸作用。

生物學功能

在生物體內，酶發揮著非常廣泛的功能。訊息傳遞和細胞活動的調控都離不開酶，特別是激酶和磷酸酶的參與。酶也能產生運動，通過催化肌球蛋白上ATP的水解產生肌肉收縮，並且能夠作為細胞骨架的一部分參與運送胞內物質。一些位於細胞膜上的ATP酶作為離子泵參與主動運輸。一些生物體中比較奇特的功能也有酶的參與，例如螢光素酶可以為螢火蟲發光。病毒中也含有酶，或參與侵染細胞（如HIV整合酶和反轉錄酶），或參與病毒顆粒從宿主細胞的釋放（如流感病毒的神經胺酸酶）。
酶的一個非常重要的功能是參與在動物消化系統的工作。以澱粉酶和蛋白酶為代表的一些酶可以將進入消化道的大分子（澱粉和蛋白質）降解為小分子，以便於腸道吸收。澱粉不能被腸道直接吸收，而酶可以將澱粉水解為麥芽糖或更進一步水解為葡萄糖等腸道可以吸收的小分子。不同的酶分解不同的食物受質。在草食性反芻動物的消化系統中存在一些可以產生纖維素酶的細菌，纖維素酶可以分解植物細胞壁中的纖維素，從而提供可被吸收的養料。

代謝

多個酶以某一特定的順序發揮功能，共同構成了代謝途徑。在代謝途徑中，前一個酶的產物是後一個酶的受質；每個酶催化反應後，產物被傳遞到另一個酶。有些情況下，不同的酶可以平行地催化同一個反應，從而允許進行更為複雜的調控：比如一個酶可以以較低的活性持續地催化該反應，而另一個酶在被誘導後可以較高的活性進行催化。
酶的存在確定了整個代謝按正確的途徑進行；而一旦沒有酶的存在，代謝既不能按所需步驟進行，也無法以足夠的速度完成合成以滿足細胞的需要。實際上如果沒有酶，代謝途徑，如糖解，無法獨立進行。例如，葡萄糖可以直接與ATP反應使得其一個或多個碳原子被磷酸化；在沒有酶的催化時，這個反應進行得非常緩慢以致可以忽略；而一旦加入己醣激酶，在6位上的碳原子的磷酸化反應獲得極大加速，雖然其他碳原子的磷酸化反應也在緩慢進行，但在一段時間後檢測可以發現，絕大多數產物為葡萄糖-6-磷酸。於是每個細胞就可以通過這樣一套功能性酶來完成代謝途徑的整個反應網絡。