助产生命分子之超凡绝伦的生物酶——蕴含在生命深处的伟大奇迹（3）

虎威将军

上一章我们列举大量证据表明，原始生命细胞膜几乎完全不可能从自然中自己构建出来。为了进一步讨论，我们再一次把这个空中楼台问题放一边，讨论这空中楼阁里上演的生命之剧。演戏必须有演员，如果舞台架好了，演员还没诞生，那个空中楼台自然是没戏的。细胞内的形形色色演员是大大小小的生命分子，唱主角的是DNA、RNA和蛋白质分子等等。但是，至少有四道巨大难关横亘在生命面前，必须将这四道难关都突破，才能让这些生命分子登场。而这四大难关中的任一项都是今天人类高科技尚难以逾越的。一． 细胞中化学反应的四大难关1.1极度高速的化学反应速度生命过程瞬息万变，相互竞争先下手为强后下手遭殃，时时刻刻必须用最快的速度完成一项项任务。例如，前面提到大肠杆菌的细胞膜有数千万个磷脂分子，用多个合成酶接力制造出来。大肠杆菌平均每20多分钟繁殖一次， 20多分钟内合成了数千万个磷脂分子，所以，大肠杆菌每分钟内进行数亿次的化学反应！这样高的反应速度，让现今的高科技催化剂都望尘莫及。1.2化学平衡的“水魔咒”。我们以前说过这个问题了。根据热力学第二定律，反应达到平衡后就不会继续进行。尽管，化学家们已经制造出了各种高效催化剂，可以将反应速度提高成千上万倍。但化学平衡是建立在热力学第二定律的基础上的，催化剂只能改变反应速度，改变不了化学平衡。因为，人为制造的催化剂会同时改变正逆两方面的反应速度。所以，无论采用何种催化剂都不可能改变化学平衡，一旦到了这个状态，反应就停摆，再也不会前进半步。由于这个原因，凡是会释放出水的化学反应，都不能在水中自发进行。而至关重要的生命化学反应，如：氨基酸缩合成蛋白质、核糖核苷酸合成RNA，以及脱氧核糖核苷酸合成DNA等等，反应都会产生水。这些反应往往至少要好几十步。而生命离不开水，都必须在水中进行。因此，在化学平衡的制约下，每一步的反应产物的浓度都会大打折扣，到不了最后一步产物浓度就会降低到微不足道的地步。这个魔咒今天任何高科技制造的催化剂都打不破。1.3反应收率问题生命内许多化学反应不是只有一两步，而往往至少有十多步，前面说到的磷脂的脂肪酸的合成就至少需四十多步。现今实验室的有机化学反应，收率能有75%就相当满意了，而达到90%就简直是好得不能再好了。假如用人工合成磷脂的脂肪酸，即使每一步收率都高达90%，四十多步反应下来，总收率连1%都不到。所需产物不到1%，却要淹没在99%以上的废物中，还能活吗？1.4 同一反应容器中同时产生多种产物细胞内必须时时刻刻进行各类化学反应，产出的产物种类数以千计。如果哪位厨师说，他一只锅里能在同一时刻做出很多菜肴，甚至是满汉全席。那肯定要把他送进疯人院去了。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 1 厨师夸口，一只锅里能同时做出好多道菜肴今天无论是工业反应釜，还是高科技实验容器，每个反应容器一次只能产一种产品。各种各样的化学品，如：塑料、消毒剂、洗涤剂、农药、化肥等等，都是由化工厂各种不同的装置中生产出来的。生产农药的是农药厂，化肥是化肥厂，塑料是石油化工厂等等。即使是性质很相近的两种产品，如聚乙烯和聚丙烯，也不是在同一个反应装置里同时生产出来的。想都不会去想在同一个反应器同时产两种或两种以上需要的产品的。可是，每个细胞里面同时生产出数以千计的截然不同的反应产物，要是没有这样的能耐，只能产生一两种产物，细胞就根本诞生不了，更别说存活了。二．生物酶克服难关的妙法然而对这四座高耸的大难关，细胞仅仅用一招就全都迎刃而解，简直如关云长过五关斩六将。生命的这一招就是用生物酶。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 2 生物酶必须连闯四关2.1 酶对反应的单一选择性生物酶外表形状像一个外形七歪八扭的球，表面有一个深陷的凹穴，这个凹穴的形状看起来很不规则，然而却是针对反应分子量身定做的。这些生物酶就如一台台非常微小但又高精度操作的纳米机器，它们的奇妙无比的功能来源于其结构。绝大多数酶是蛋白质构成的，少部分酶还具有催化活性的RNA分子。这些蛋白质的基本结构或成螺旋状或成带状，非常复杂。酶的体量往往要比被它催化的分子大出许多。其催化活性区域就是这个凹穴，被催化的分子进到里面，犹如躺在手术室里任由摆布。绝大多数酶都只催化一种反应分子，具有一对一的高度针对性。酶的活性区域是根据反应分子精确“量体裁衣”的，各方面都恰恰正好。反应分子进入活性区域后，酶的活性区域就如橡胶手套紧紧裹住手掌那样，将分子包裹住。同时，又将所有其他不参与反应的分子都拒之门外。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 3 酶选择针对性更绝的是，按理针对某种体量大的分子，酶凹穴的出入口会比较大，小分子是不是也会乘机钻进去呢？然而，这样的事却不会发生。这些大张的开口子是能挡住小分子进入。仿佛口袋门口站立着高级警卫，来访者必须显示身份证件，只有合格者方能进入。例如，乙醇、甘油和葡萄糖都有OH基团，都能与磷酸反应。而且，乙醇和甘油的体量都比葡萄糖小得多，而且都带有羟基，然而，己糖激酶只会催化葡萄糖与磷酸的反应，而把乙醇和甘油拒之门外。而且，尽管与绝大多数有机分子相比，水分子体积最小，活动灵活，然而，许多酶都能将它们统统挡在门外。简直就像是大猫钻大洞小猫钻小洞，各走各的门。更绝的是，反应分子进入凹穴后，还常常会有挡水盖子盖上，把水分子拒之门外。仿佛贵宾进门后，警卫立刻把大门关上了。就这样反应区域内没有水分子，这样水平衡的魔咒就被破解了。瞧，多厉害！添加图片注释，不超过 140 字（可选）图4 酶将非反应分子和水拒之门外还能把盖子盖上而且。酶的一对一的闭门专一催化反应，就好比细胞内同时有许多小烧瓶在进行各种不同反应。这样，同一容器内同时进行多种反应的难关也就被攻破了。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 5 细胞内的酶就如无数小烧瓶同时进行各自的化学反应。2.2 酶的高速催化反应几乎所有的有机化学反应都比较缓慢，所以，化学家和工业生产常用采用催化剂来加速反应。今天生产的化学品几乎百分之九十以上是采用催化方式生产的。化学家的催化原理基本上是这样的：化学反应从反应物到产物之间往往有一个中间态，反应必须经过中间态才能成为产物。然而，这个中间态往往能量较高，要越过去就比较难，所以反应速度就比较慢。催化的办法是建一个能量较低的中间态，反应能一跃而过，速度也就上去了。化学家使用的催化剂分子能吸附反应物，形成能量较低的中间态，反应速度往往提高成千上万倍。就好比在高山中挖一条隧道，汽车就能很方便通过了。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图6 化学催化原理生物酶的一项重要功能也是催化作用，同样依靠低能位中间态。然而酶催化的具体方式却与科学方式的催化剂不同，其加速效果远远超出了今天科学家制造的催化剂。轻而易举就可以比未经催化的反应快百万倍，快上亿倍的也不少见。例如 ，乳清苷-5'-磷酸脱羧酶可以使在无催化剂条件下需要进行数百万年的化学反应在几毫秒内完成。也就是说，原本需要从宇宙诞生至今才能完成的反应，经其催化后只要几秒钟就能完成。那么快上亿倍是什么概念呢？马拉松选手奔跑速度约每小时20公里左右。我们印象中，火箭速度是非常惊人的，可达到每秒10公里左右，即每小时36000公里，也就是相当于马拉松选手的1800倍。如何同上亿倍相比？添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 7火箭速度和马拉松速度添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 8 细胞刹那间完成的反应，化学家一辈子都完成不了酶催化的超高速度也是生物赢得高收率的一大原因。因为，其它的副反应不是闲着的，也会反应。酶催化在反应速度的竞争中，远远超过其它副反应，从而赢得了高收率。酶催化比人造催化剂速度要高出无数倍的原因是因为，人造催化剂是让反应分子在自由运动下与催化分子碰撞接触的，而酶是将反应分子紧紧压到催化分子上接触的，效率当然就大大提高了。科学家即使知道这个道理，也不可能去一个个抓住反应分子逼迫它们就范。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图9 工业催化剂与生物酶的具体工作方式酶有很多种手段来加速化学反应：将反应物挤压在狭小的小空间内彼此“亲密”接触，反应就更容易进行；将反应物扭曲或张紧，使其因变形而脆弱；酶的带电活性区域会使反应物的带电部分受到挤压而降低牢固性，于是也都更易下手。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图10  酶的电荷压迫作用不过，酶对工作环境的要求是非常高的，几乎到了十分苛刻的程度，温度、PH等等的变化都会对酶的作用产生很大影响。例如我们的体温只要改变3～5℃，后果就非常严重了。就这样，四大难关都被酶解决了。然而，只不过是酶选好对象夹紧而已，小试牛刀，还有高明的招呢。酶的超凡能力如果仅凭蛮力，即使如项羽力拔山河气盖世，最后也只能自刎乌江边。酶的功能远不限于一般的催化作用，还有更多的不可思议的超凡能力。3.1 超凡的抓获能力酶对反应分子的催化是高度一对一针对的，然而，这可远不是能轻而易做到的。牧马人要在奔跑的野马群中发现中意的马匹，其难度之大可想而和。而细胞内大大小小的分子都遭到水分子的热运动强烈冲击，比它们大成千上万倍的花粉都被撞击得飞速蹦跳。每个反应分子在撞击下不断飞舞跳动，而酶本身也被冲击得七颠八倒。而酶却要在数以千计不同种类乱蹦乱跳的分子中找到自己去催化的那一种反应分子，再强拉过来，不管它如何强蹦乱跳，强迫调整好方位，强行纳入囊中，裹在反应活性区中。反应分子的不规则外形和酶的反应区凹穴是严格一致的，方位略差一点就进不去。我们要将螺口盖子转到瓶口上，只要角度略有偏差，就拧不上去。而反应分子的外形是如此复杂，可见难度之大。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图11  牧马人抓野马和酶俘获反应分子3.2 不可思议的运筹策略生命分子的反应往往是非常复杂的，常不能一步到位，而是多步骤自动化的。酶除了常用的催化方法外，还似乎通晓各种战略策略，如，建中间过度态，或提供不同的反应途径绕道而行等等。现以核糖核苷酸转化为脱氧核糖核苷酸反应为例：核糖核苷酸是构成RNA的基本单元，而脱氧核糖核苷酸是构成DNA的基本单元。两者的区别仅仅是在核糖环的2号位的碳原子上，核糖核苷酸接一个氢原子和一个氢氧基团，而脱氧核糖核苷酸上没有氧原子，而是连接两个氢原子。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图12  核糖核酸与脱氧核糖核酸虽然只是少了一个氧原子，但是，连在核糖核苷酸2号位的碳原子上的氧原子又连接着氢原子。现在要做的是把夹在碳原子和氢原子之间的氧原子抠出来，再把氢原子重新接上去。2号位的碳原子与氧原子是牢固结合在一起的，要扯断它们之间的连接键，而同时又不破坏其他部分，是很难办到的。然而，酶采取了很巧妙的迂回包抄路线：2号门不能硬攻，就先对3号门下手，然后再乘乱攻击2号门。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图13  声东击西，先从3号门入手于是，一连串运筹帷幄，简直将孙子兵法掌握得炉火纯青。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图14  酶的整套运转策略这个过程是由组合在一起的两个酶（分别用Ⅰ、Ⅱ表示）相互配合经过六步才完成：首先，酶Ⅱ的带负电荷的卤素原子X将核糖环上2号隔壁的3号位的氢原子夺过来。氢原子离开时没能带走电子，核糖环就多出了一个带负电荷电子，2号位的氧原子也就跟着沾上了一定的负电性； 这个增加了负电性的氧原子就较容易将酶I的SH基上的氢原子夺过来；这个氧原子结合了两个氢原子，满满当当结合成水分子，就脱离了核糖环，扬长而去；核糖环2号位碳原子上产生了空缺，酶I 的另一SH基团上的氢跑过去补缺，结果是2号位的氧原子就被去掉了；酶Ⅱ的XH上的氢原子又回到核糖环3号位上，这样就获得了脱氧核糖核苷酸；紧跟着是， NADPH将两个氢原子再提供给酶I。于是，就可以开始新的一轮。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 15 从核糖核酸成为脱氧核糖核酸的过程（摘自相关文献）这里不仅要用谋略，还得有知己知彼才能百战百胜的能耐。首先得知道，3号位的氢原子带正电荷离开后，核糖环将带负电荷，于是减弱了2号位氧原子的连接，而这可是今天量子化学的内容，难道酶学过化学系研究生课程？其次，要吸引氢离子脱离，就必须用强有力的卤素元素，而酶用的正是X卤素。这也是化学系的内容。酶不仅会用谋略，还通晓大学化学系研究生课程，古今通晓？3.3 高难度的瞄准精准性还给人非常深刻印象是：操作位置的精确性，酶I的卤素X与核糖环的3号位，酶Ⅱ的SH基团与核糖环的2号位必须精确对准，差一丝一毫都无法发挥作用，2号位和3号位之间的距离仅仅几纳米，仅是人发直径的十万分之一。何等精准啊！添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 16 酶的超高精度瞄准3.4 .多个酶的接力运转事实上，酶内部的反应往往都不是一步完成的，七八步甚至十多步都是常见的。所以，酶的工作就像一台台非常精密的自动化纳米机器，我们现在使用的催化剂与之相比，只能算是一把粗糙的原始石斧。而且，许多情况下，为了得到一个产物往往要靠好多个不同的酶接力完成。酶的接力反应往往有三种情况：情况1.多个酶不在一起，反应中间体逐次进入这些酶进行反应，最后获得反应产物；情况2.多个酶聚在一起，反应中间体从一个出来随即进入下一个；情况3.多个酶都植在同一个膜上，反应中间体沿着膜运动，逐次进入这些酶中，最后反应结束。上述三种情况，不管哪一种，都必须有不同的酶之间的协调和配合，这又将是十分复杂的过程。生物体内的酶仿佛每一步由一台自动机器完成，然后在高效无形的传送带上传输的。而事实是，细胞内找不到这样的传送带。这就好比一艘艘在海上接连工作的轮船，中间产品靠直升飞机运输。而且还是在十二级台风的惊涛骇浪下进行的。如果，实验室里进行一长串反应，每一道反应产物都能从上一个反应瓶自动进入下一个反应瓶，经过十多个瓶后得到最后的产品，那可以省心多少啊。可是，还没有一个化学实验室能达到这种高度自动化的程度。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 17 多个酶的接力反应犹如一艘艘在海上接连工作的轮船3.5酶的“逆天而行”还有一个非常有趣的事是，酶往往既可以用于朝这个方向进行，也可以用于向相反方向进行，具体情况下可以通过加速或中断来调控。例如，葡萄糖糖酵解成丙酮酸和反方向的丙酮酸合成葡萄糖，两条相反方向的路线所用的酶有7个是共同的。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图18 酶的相反的反应路线（摘自相关学术资料）然而，反应物和反应产物几乎极少可能具有相同的能位，因此，其中必定有一种反应是从低能量走向高能量。这完全是与一般的催化原理只能从高能位走向低能位不同的。酶玩这一套几乎是在”逆天而行”。但细想一下，生命体系不就是从低能量的无机化合物合成高能量的有机分子和生命分子的吗？这里面少不了酶的作用。添加图片注释，不超过 140 字（可选） 图19 酶在“逆天而行”？酶的化学结构总的说来，酶可以分为六大类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、加成酶、异构酶和连接酶。它们或能将反应分子拦腰切断，或将两个分子结合到一起，或者在分子上添加、去掉或者转移若干原子等等。酶的三维结构是通过多肽链折叠形成的蛋白质构成的，这些蛋白质的基本结构或成螺旋状或成带状非常复杂。通常比其催化的反应分子大得多。酶的肽链长度从62个到长度超过2,500个氨基酸残基不等。有少部分酶具有催化活性的RNA分子，这些酶被称为核酶。其中酶的结构只有一小部分（大约2-4个氨基酸）是直接与催化相关的。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图 20 一种酶的结构示意图有人估计，包括动物、植物和微生物等全体生物界的酶的总数可能高达数百万种。即使最简单的细菌，酶的种类也数以千计。目前已知酶可以催化超过5000种生化反应。然而，迄今为止还没有任何一位科学家能从头到底构想出一种酶的合成路线来，更别提在实验室里制造出来1。对于生物酶的制造，今天的科学家还犹如儿童仰望星空。添加图片注释，不超过 140 字（可选）图21  儿童仰望星空最后，我们又不得不回到那个话题上去，蛋白质等生命分子是通过酶产生的，而酶又是蛋白质构成的，到底哪个先哪个后？我们又陷入了死循环。参考文献：1．J.A.哈利利，J.麦克法登，《神秘的量子生命》，浙江人民出版社，2016年，P80，93,96
上一章我们列举大量证据表明，原始生命细胞膜几乎完全不可能从自然中自己构建出来。为了进一步讨论，我们再一次把这个空中楼台问题放一边，讨论这空中楼阁里上演的生命之剧。演戏必须有演员，如果舞台架好了，演员还没诞生，那个空中楼台自然是没戏的。细胞内的形形色色演员是大大小小的生命分子，唱主角的是DNA、RNA和蛋白质分子等等。但是，至少有四道巨大难关横亘在生命面前，必须将这四道难关都突破，才能让这些生命分子登场。而这四大难关中的任一项都是今天人类高科技尚难以逾越的。
一． 细胞中化学反应的四大难关
1.1极度高速的化学反应速度
生命过程瞬息万变，相互竞争先下手为强后下手遭殃，时时刻刻必须用最快的速度完成一项项任务。例如，前面提到大肠杆菌的细胞膜有数千万个磷脂分子，用多个合成酶接力制造出来。大肠杆菌平均每20多分钟繁殖一次， 20多分钟内合成了数千万个磷脂分子，所以，大肠杆菌每分钟内进行数亿次的化学反应！这样高的反应速度，让现今的高科技催化剂都望尘莫及。
1.2化学平衡的“水魔咒”。
我们以前说过这个问题了。根据热力学第二定律，反应达到平衡后就不会继续进行。尽管，化学家们已经制造出了各种高效催化剂，可以将反应速度提高成千上万倍。但化学平衡是建立在热力学第二定律的基础上的，催化剂只能改变反应速度，改变不了化学平衡。因为，人为制造的催化剂会同时改变正逆两方面的反应速度。所以，无论采用何种催化剂都不可能改变化学平衡，一旦到了这个状态，反应就停摆，再也不会前进半步。
由于这个原因，凡是会释放出水的化学反应，都不能在水中自发进行。而至关重要的生命化学反应，如：氨基酸缩合成蛋白质、核糖核苷酸合成RNA，以及脱氧核糖核苷酸合成DNA等等，反应都会产生水。这些反应往往至少要好几十步。而生命离不开水，都必须在水中进行。因此，在化学平衡的制约下，每一步的反应产物的浓度都会大打折扣，到不了最后一步产物浓度就会降低到微不足道的地步。
这个魔咒今天任何高科技制造的催化剂都打不破。
1.3反应收率问题
生命内许多化学反应不是只有一两步，而往往至少有十多步，前面说到的磷脂的脂肪酸的合成就至少需四十多步。现今实验室的有机化学反应，收率能有75%就相当满意了，而达到90%就简直是好得不能再好了。假如用人工合成磷脂的脂肪酸，即使每一步收率都高达90%，四十多步反应下来，总收率连1%都不到。所需产物不到1%，却要淹没在99%以上的废物中，还能活吗？
1.4 同一反应容器中同时产生多种产物
细胞内必须时时刻刻进行各类化学反应，产出的产物种类数以千计。如果哪位厨师说，他一只锅里能在同一时刻做出很多菜肴，甚至是满汉全席。那肯定要把他送进疯人院去了。


图 1 厨师夸口，一只锅里能同时做出好多道菜肴
今天无论是工业反应釜，还是高科技实验容器，每个反应容器一次只能产一种产品。各种各样的化学品，如：塑料、消毒剂、洗涤剂、农药、化肥等等，都是由化工厂各种不同的装置中生产出来的。生产农药的是农药厂，化肥是化肥厂，塑料是石油化工厂等等。即使是性质很相近的两种产品，如聚乙烯和聚丙烯，也不是在同一个反应装置里同时生产出来的。想都不会去想在同一个反应器同时产两种或两种以上需要的产品的。
可是，每个细胞里面同时生产出数以千计的截然不同的反应产物，要是没有这样的能耐，只能产生一两种产物，细胞就根本诞生不了，更别说存活了。
二．生物酶克服难关的妙法
然而对这四座高耸的大难关，细胞仅仅用一招就全都迎刃而解，简直如关云长过五关斩六将。生命的这一招就是用生物酶。


图 2 生物酶必须连闯四关
2.1 酶对反应的单一选择性
生物酶外表形状像一个外形七歪八扭的球，表面有一个深陷的凹穴，这个凹穴的形状看起来很不规则，然而却是针对反应分子量身定做的。这些生物酶就如一台台非常微小但又高精度操作的纳米机器，它们的奇妙无比的功能来源于其结构。绝大多数酶是蛋白质构成的，少部分酶还具有催化活性的RNA分子。这些蛋白质的基本结构或成螺旋状或成带状，非常复杂。酶的体量往往要比被它催化的分子大出许多。其催化活性区域就是这个凹穴，被催化的分子进到里面，犹如躺在手术室里任由摆布。
绝大多数酶都只催化一种反应分子，具有一对一的高度针对性。酶的活性区域是根据反应分子精确“量体裁衣”的，各方面都恰恰正好。反应分子进入活性区域后，酶的活性区域就如橡胶手套紧紧裹住手掌那样，将分子包裹住。同时，又将所有其他不参与反应的分子都拒之门外。


图 3 酶选择针对性
更绝的是，按理针对某种体量大的分子，酶凹穴的出入口会比较大，小分子是不是也会乘机钻进去呢？然而，这样的事却不会发生。这些大张的开口子是能挡住小分子进入。仿佛口袋门口站立着高级警卫，来访者必须显示身份证件，只有合格者方能进入。例如，乙醇、甘油和葡萄糖都有OH基团，都能与磷酸反应。而且，乙醇和甘油的体量都比葡萄糖小得多，而且都带有羟基，然而，己糖激酶只会催化葡萄糖与磷酸的反应，而把乙醇和甘油拒之门外。而且，尽管与绝大多数有机分子相比，水分子体积最小，活动灵活，然而，许多酶都能将它们统统挡在门外。简直就像是大猫钻大洞小猫钻小洞，各走各的门。更绝的是，反应分子进入凹穴后，还常常会有挡水盖子盖上，把水分子拒之门外。仿佛贵宾进门后，警卫立刻把大门关上了。就这样反应区域内没有水分子，这样水平衡的魔咒就被破解了。瞧，多厉害！


图4 酶将非反应分子和水拒之门外还能把盖子盖上
而且。酶的一对一的闭门专一催化反应，就好比细胞内同时有许多小烧瓶在进行各种不同反应。这样，同一容器内同时进行多种反应的难关也就被攻破了。


图 5 细胞内的酶就如无数小烧瓶同时进行各自的化学反应。
2.2 酶的高速催化反应
几乎所有的有机化学反应都比较缓慢，所以，化学家和工业生产常用采用催化剂来加速反应。今天生产的化学品几乎百分之九十以上是采用催化方式生产的。化学家的催化原理基本上是这样的：化学反应从反应物到产物之间往往有一个中间态，反应必须经过中间态才能成为产物。然而，这个中间态往往能量较高，要越过去就比较难，所以反应速度就比较慢。催化的办法是建一个能量较低的中间态，反应能一跃而过，速度也就上去了。化学家使用的催化剂分子能吸附反应物，形成能量较低的中间态，反应速度往往提高成千上万倍。就好比在高山中挖一条隧道，汽车就能很方便通过了。


图6 化学催化原理
生物酶的一项重要功能也是催化作用，同样依靠低能位中间态。然而酶催化的具体方式却与科学方式的催化剂不同，其加速效果远远超出了今天科学家制造的催化剂。轻而易举就可以比未经催化的反应快百万倍，快上亿倍的也不少见。例如 ，乳清苷-5'-磷酸脱羧酶可以使在无催化剂条件下需要进行数百万年的化学反应在几毫秒内完成。也就是说，原本需要从宇宙诞生至今才能完成的反应，经其催化后只要几秒钟就能完成。
那么快上亿倍是什么概念呢？马拉松选手奔跑速度约每小时20公里左右。我们印象中，火箭速度是非常惊人的，可达到每秒10公里左右，即每小时36000公里，也就是相当于马拉松选手的1800倍。如何同上亿倍相比？


图 7火箭速度和马拉松速度


图 8 细胞刹那间完成的反应，化学家一辈子都完成不了
酶催化的超高速度也是生物赢得高收率的一大原因。因为，其它的副反应不是闲着的，也会反应。酶催化在反应速度的竞争中，远远超过其它副反应，从而赢得了高收率。
酶催化比人造催化剂速度要高出无数倍的原因是因为，人造催化剂是让反应分子在自由运动下与催化分子碰撞接触的，而酶是将反应分子紧紧压到催化分子上接触的，效率当然就大大提高了。科学家即使知道这个道理，也不可能去一个个抓住反应分子逼迫它们就范。


图9 工业催化剂与生物酶的具体工作方式
酶有很多种手段来加速化学反应：
将反应物挤压在狭小的小空间内彼此“亲密”接触，反应就更容易进行；
将反应物扭曲或张紧，使其因变形而脆弱；
酶的带电活性区域会使反应物的带电部分受到挤压而降低牢固性，于是也都更易下手。


图10  酶的电荷压迫作用
不过，酶对工作环境的要求是非常高的，几乎到了十分苛刻的程度，温度、PH等等的变化都会对酶的作用产生很大影响。例如我们的体温只要改变3～5℃，后果就非常严重了。
就这样，四大难关都被酶解决了。然而，只不过是酶选好对象夹紧而已，小试牛刀，还有高明的招呢。

• 酶的超凡能力
  

如果仅凭蛮力，即使如项羽力拔山河气盖世，最后也只能自刎乌江边。酶的功能远不限于一般的催化作用，还有更多的不可思议的超凡能力。
3.1 超凡的抓获能力
酶对反应分子的催化是高度一对一针对的，然而，这可远不是能轻而易做到的。牧马人要在奔跑的野马群中发现中意的马匹，其难度之大可想而和。而细胞内大大小小的分子都遭到水分子的热运动强烈冲击，比它们大成千上万倍的花粉都被撞击得飞速蹦跳。每个反应分子在撞击下不断飞舞跳动，而酶本身也被冲击得七颠八倒。而酶却要在数以千计不同种类乱蹦乱跳的分子中找到自己去催化的那一种反应分子，再强拉过来，不管它如何强蹦乱跳，强迫调整好方位，强行纳入囊中，裹在反应活性区中。反应分子的不规则外形和酶的反应区凹穴是严格一致的，方位略差一点就进不去。我们要将螺口盖子转到瓶口上，只要角度略有偏差，就拧不上去。而反应分子的外形是如此复杂，可见难度之大。


图11  牧马人抓野马和酶俘获反应分子
3.2 不可思议的运筹策略
生命分子的反应往往是非常复杂的，常不能一步到位，而是多步骤自动化的。酶除了常用的催化方法外，还似乎通晓各种战略策略，如，建中间过度态，或提供不同的反应途径绕道而行等等。
现以核糖核苷酸转化为脱氧核糖核苷酸反应为例：
核糖核苷酸是构成RNA的基本单元，而脱氧核糖核苷酸是构成DNA的基本单元。两者的区别仅仅是在核糖环的2号位的碳原子上，核糖核苷酸接一个氢原子和一个氢氧基团，而脱氧核糖核苷酸上没有氧原子，而是连接两个氢原子。


图12  核糖核酸与脱氧核糖核酸
虽然只是少了一个氧原子，但是，连在核糖核苷酸2号位的碳原子上的氧原子又连接着氢原子。现在要做的是把夹在碳原子和氢原子之间的氧原子抠出来，再把氢原子重新接上去。2号位的碳原子与氧原子是牢固结合在一起的，要扯断它们之间的连接键，而同时又不破坏其他部分，是很难办到的。然而，酶采取了很巧妙的迂回包抄路线：2号门不能硬攻，就先对3号门下手，然后再乘乱攻击2号门。


图13  声东击西，先从3号门入手
于是，一连串运筹帷幄，简直将孙子兵法掌握得炉火纯青。


图14  酶的整套运转策略
这个过程是由组合在一起的两个酶（分别用Ⅰ、Ⅱ表示）相互配合经过六步才完成：
首先，酶Ⅱ的带负电荷的卤素原子X将核糖环上2号隔壁的3号位的氢原子夺过来。氢原子离开时没能带走电子，核糖环就多出了一个带负电荷电子，2号位的氧原子也就跟着沾上了一定的负电性；
这个增加了负电性的氧原子就较容易将酶I的SH基上的氢原子夺过来；
这个氧原子结合了两个氢原子，满满当当结合成水分子，就脱离了核糖环，扬长而去；
核糖环2号位碳原子上产生了空缺，酶I 的另一SH基团上的氢跑过去补缺，结果是2号位的氧原子就被去掉了；
酶Ⅱ的XH上的氢原子又回到核糖环3号位上，这样就获得了脱氧核糖核苷酸；
紧跟着是， NADPH将两个氢原子再提供给酶I。于是，就可以开始新的一轮。


图 15 从核糖核酸成为脱氧核糖核酸的过程（摘自相关文献）
这里不仅要用谋略，还得有知己知彼才能百战百胜的能耐。首先得知道，3号位的氢原子带正电荷离开后，核糖环将带负电荷，于是减弱了2号位氧原子的连接，而这可是今天量子化学的内容，难道酶学过化学系研究生课程？其次，要吸引氢离子脱离，就必须用强有力的卤素元素，而酶用的正是X卤素。这也是化学系的内容。酶不仅会用谋略，还通晓大学化学系研究生课程，古今通晓？
3.3 高难度的瞄准精准性
还给人非常深刻印象是：操作位置的精确性，酶I的卤素X与核糖环的3号位，酶Ⅱ的SH基团与核糖环的2号位必须精确对准，差一丝一毫都无法发挥作用，2号位和3号位之间的距离仅仅几纳米，仅是人发直径的十万分之一。何等精准啊！


图 16 酶的超高精度瞄准
3.4 .多个酶的接力运转
事实上，酶内部的反应往往都不是一步完成的，七八步甚至十多步都是常见的。
所以，酶的工作就像一台台非常精密的自动化纳米机器，我们现在使用的催化剂与之相比，只能算是一把粗糙的原始石斧。
而且，许多情况下，为了得到一个产物往往要靠好多个不同的酶接力完成。酶的接力反应往往有三种情况：
情况1.多个酶不在一起，反应中间体逐次进入这些酶进行反应，最后获得反应产物；
情况2.多个酶聚在一起，反应中间体从一个出来随即进入下一个；
情况3.多个酶都植在同一个膜上，反应中间体沿着膜运动，逐次进入这些酶中，最后反应结束。
上述三种情况，不管哪一种，都必须有不同的酶之间的协调和配合，这又将是十分复杂的过程。
生物体内的酶仿佛每一步由一台自动机器完成，然后在高效无形的传送带上传输的。而事实是，细胞内找不到这样的传送带。这就好比一艘艘在海上接连工作的轮船，中间产品靠直升飞机运输。而且还是在十二级台风的惊涛骇浪下进行的。
如果，实验室里进行一长串反应，每一道反应产物都能从上一个反应瓶自动进入下一个反应瓶，经过十多个瓶后得到最后的产品，那可以省心多少啊。可是，还没有一个化学实验室能达到这种高度自动化的程度。


图 17 多个酶的接力反应犹如一艘艘在海上接连工作的轮船
3.5酶的“逆天而行”
还有一个非常有趣的事是，酶往往既可以用于朝这个方向进行，也可以用于向相反方向进行，具体情况下可以通过加速或中断来调控。例如，葡萄糖糖酵解成丙酮酸和反方向的丙酮酸合成葡萄糖，两条相反方向的路线所用的酶有7个是共同的。


图18 酶的相反的反应路线（摘自相关学术资料）
然而，反应物和反应产物几乎极少可能具有相同的能位，因此，其中必定有一种反应是从低能量走向高能量。这完全是与一般的催化原理只能从高能位走向低能位不同的。酶玩这一套几乎是在”逆天而行”。
但细想一下，生命体系不就是从低能量的无机化合物合成高能量的有机分子和生命分子的吗？这里面少不了酶的作用。


图19 酶在“逆天而行”？

• 酶的化学结构
  

总的说来，酶可以分为六大类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、加成酶、异构酶和连接酶。它们或能将反应分子拦腰切断，或将两个分子结合到一起，或者在分子上添加、去掉或者转移若干原子等等。
酶的三维结构是通过多肽链折叠形成的蛋白质构成的，这些蛋白质的基本结构或成螺旋状或成带状非常复杂。通常比其催化的反应分子大得多。酶的肽链长度从62个到长度超过2,500个氨基酸残基不等。有少部分酶具有催化活性的RNA分子，这些酶被称为核酶。其中酶的结构只有一小部分（大约2-4个氨基酸）是直接与催化相关的。


图 20 一种酶的结构示意图
有人估计，包括动物、植物和微生物等全体生物界的酶的总数可能高达数百万种。即使最简单的细菌，酶的种类也数以千计。目前已知酶可以催化超过5000种生化反应。然而，迄今为止还没有任何一位科学家能从头到底构想出一种酶的合成路线来，更别提在实验室里制造出来1。
对于生物酶的制造，今天的科学家还犹如儿童仰望星空。


图21  儿童仰望星空
最后，我们又不得不回到那个话题上去，蛋白质等生命分子是通过酶产生的，而酶又是蛋白质构成的，到底哪个先哪个后？我们又陷入了死循环。
参考文献：
1．J.A.哈利利，J.麦克法登，《神秘的量子生命》，浙江人民出版社，2016年，P80，93,96

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