代谢与酶，复习笔记

概览

代谢是细胞内所有化学反应的总和，合成（同化作用）与分解（异化作用）。这些反应几乎全部由酶控制。

本章讲授酶是什么、如何作用、改变其活性的因素，以及在日常生活中的用途。

还有两个因素也会改变酶催化反应的速率：底物浓度与酶浓度。提高其中任一个都会使速率上升，因为酶与底物之间能发生更多碰撞，但只会升到某一点，即某一时刻所有可用的活性位点都已被占用，此后速率便趋于平稳。

酶的命名大多是在其底物名称或所催化反应的名称后加上后缀‘-酶’，例如作用于淀粉的淀粉酶，或作用于蛋白质的蛋白酶。认识这种命名规律，有助于你在考题中直接从名称推断出陌生酶的功能。

同化反应包括光合作用与蛋白质合成，两者都合成较大的分子并需要能量输入；异化反应包括呼吸作用与消化，两者都把大分子分解为较小分子并释放细胞可利用的能量。

消化酶说明了最适 pH 如何因体内位置而异：胃中的胃蛋白酶在强酸性条件下作用最佳，而小肠中的胰蛋白酶在弱碱性条件下作用最佳，说明‘最适 pH’是每种酶各自的性质，而不是所有酶共有的固定数值。

反应速率可以从图像上以曲线的斜率计算，或更简单地以生成的产物量（或消耗的底物量）除以所用时间来计算；SPM 题目常要求直接从结果表中计算这一速率，而不只是用文字描述。

代谢：同化作用与异化作用（内容标准 5.1）

内容标准 5.1 把代谢定义为发生在活细胞内的所有化学反应的总和。这些反应分为两个相反的类别。

同化作用由较小的分子合成较大、较复杂的分子，并需要输入能量，例如在蛋白质合成中把氨基酸连接成蛋白质，或在光合作用中把二氧化碳和水合成葡萄糖。异化作用把大分子分解为较小的分子，并释放细胞可利用的能量，例如在呼吸作用中分解葡萄糖，或在消化过程中分解食物。

常见的考试陷阱是把‘代谢’与‘消化’当作同一个词。消化只是一种异化过程，即食物的分解；代谢则是涵盖细胞内每一个反应（同化与异化都包括）的更广泛术语。

这些反应几乎全部由酶控制，这正是本章从代谢直接进入酶的学习的原因。

异化作用释放的能量并不会消失：它被转移用于驱动合成细胞的同化反应，并为主动运输、运动等其他细胞活动提供能量。把代谢看作这种持续的双向流动，即同时既合成又分解，才是这个定义真正考查的内容。

酶作为生物催化剂与锁钥模型（内容标准 5.2）

酶是一种充当生物催化剂的蛋白质：它通过降低启动反应所需的活化能来加速某一特定的化学反应，自身却不会被该反应消耗或永久改变，因此一个酶分子可以反复使用。由于酶保持不变，细胞只需少量的酶。

每种酶都具有专一性，它只催化一种反应或一类底物。锁钥模型解释了这种专一性。

酶上一个称为活性位点的小区域具有与某一特定底物互补的三维形状，就像一把钥匙只配一把锁。底物结合到活性位点上，形成酶-底物复合物；反应随后发生，产物离开，使活性位点得以再结合另一个底物分子。

活性位点之所以具有精确的形状，是因为蛋白质的折叠方式。这正是为什么任何改变这种折叠的因素，即温度大幅升高或极端 pH，都会破坏酶与底物之间的吻合，这一点将在后面几节展开。

影响酶活性的因素一览

有四个因素会改变酶催化反应的速率，每个因素都通过图像来考查。把它们放在一起，可以一眼看出每个因素增加时会发生什么及其原因，而这正是评分者所寻求的解释，而不仅仅是图像的形状。

温度与 pH：最适点与变性（内容标准 5.2）

当温度从较低值升高时，酶反应的速率上升，因为酶分子与底物分子运动得更快、碰撞得更频繁，因此每秒形成更多的酶-底物复合物。速率在最适温度时最高，人体酶的最适温度约为体温。

超过最适点后速率急剧下降：热量破坏酶精确的折叠，活性位点改变形状，底物不再吻合。酶随之变性，由于折叠无法重新形成，这一变化是永久性的。

相反，低温不会使酶变性；它只是减慢酶的作用，当酶重新升温时活性便恢复。

pH 对酶的影响方式类似。每种酶都有一个最适 pH，在此 pH 下其活性位点具有正确的形状、速率最高；偏离最适点会降低速率，极端 pH 则使酶变性。

不同的酶具有适合其作用部位的不同最适 pH。胃蛋白酶在强酸性的胃中作用，最适 pH 较低，而胰蛋白酶在弱碱性的小肠中作用，最适 pH 较高，这证明‘最适 pH’是每种酶各自的性质，而非所有酶共有的固定数值。

底物浓度与酶浓度（内容标准 5.2）

在底物浓度较低时，提高浓度会增大反应速率，因为有更多底物分子可与酶的活性位点碰撞，每秒形成更多复合物。一旦底物浓度高到每个活性位点在任一时刻都被占用，再增加底物便不再有进一步影响：酶已成为限制因素，速率趋于平稳成为平台。

因此图像先急剧上升，随后变平。

当底物充足时，酶浓度表现出相应的规律。增加酶的量提供更多活性位点，因此速率上升。

这只在底物过量时持续；一旦底物变得稀缺，它便成为限制因素，再增加酶也不再提高速率。速率本身的计算方法是用生成的产物量或消耗的底物量除以所用时间，在量对时间的图像上它就是斜率，在起始附近最陡、因而最高，即底物尚未耗尽之前。

酶在日常生活中的应用（内容标准 5.3）

内容标准 5.3 研究酶在体外的应用。生物洗涤剂含有蛋白酶与脂肪酶，它们把血渍或蛋渍等蛋白质类污渍以及脂肪类污渍分解成更小、可溶的分子，从而容易被冲洗掉。

由于这些酶在体温附近作用良好，洗涤剂在较低的洗涤温度下也能有效清洁，这也节省了热水洗涤所需的能源。

食品工业广泛使用酶：果胶酶分解果胶以澄清浑浊的果汁并提高榨取的体积，淀粉酶在糖浆生产中把淀粉转化为糖，凝乳酶（来自凝乳酵素）在制作芝士时使乳蛋白凝结。固定化酶，即被固定在惰性支持物（如海藻酸盐微珠）之上或包裹其中的酶，尤其有价值，因为酶可以被回收并反复多次使用，且容易与产物分离，从而降低成本并使产物不含酶。

例如，固定化乳糖酶用于为不能消化乳糖的人制作无乳糖牛奶。酶还用于医药，例如诊断试纸，也用于酿造，在发酵过程中分解淀粉。

须掌握的关键概念

• 代谢, 同化作用由小分子合成大分子（耗能）；异化作用分解大分子（放能）。
• 酶作为生物催化剂, 酶是蛋白质，加速反应而自身不被消耗，且对单一底物具专一性。
• 锁钥模型, 底物像钥匙插入锁一样嵌入酶的活性位点，形成酶-底物复合物。
• 温度的影响, 速率升至最适点（约体温）后，在高温下随酶变性而急剧下降。
• pH 的影响, 每种酶有最适 pH；偏离时速率下降，极端 pH 会使酶变性。
• 应用, 酶用于洗涤剂、食品加工、酿造与医药。
• 底物浓度的影响, 随着底物浓度增加，反应速率上升，因为更多底物分子与可用的活性位点碰撞；超过某一点后速率趋于平稳，因为每个活性位点在任一时刻都已被占用。
• 酶浓度的影响, 在底物过量的情况下，随着酶浓度增加，反应速率上升，因为可用的活性位点增多；一旦底物成为限制因素，速率最终趋于平稳。
• 酶的命名, 大多数酶的名称以‘-酶’结尾，并由其作用的底物或所催化的反应构成，例如作用于淀粉的淀粉酶、作用于蛋白质的蛋白酶，以及作用于脂肪的脂肪酶。
• 日常生活中的酶, 生物洗涤剂含有蛋白酶与脂肪酶，可在较低的洗涤温度下去除蛋白质与脂肪污渍；食品工业使用果胶酶等酶类澄清果汁，并在制作芝士时使用凝乳酶。
• 活性位点与三级结构, 酶是折叠成精确三维形状的球状蛋白质；活性位点是这一形状中的一小块区域，其轮廓与化学基团与某一特定底物互补。
• 固定化酶, 酶可以被固定在惰性支持物（如海藻酸盐微珠）之上或之内，从而能反复重复使用并容易与产物分离，这在工业应用（如生产无乳糖牛奶）中十分常见。
• 从数据计算速率, 反应速率可通过用产物或底物量的变化除以所用时间求得，也可通过求出量对时间图像最陡部分的斜率求得。

快速回想清单

1. 你能定义并解释代谢吗？
2. 你能定义并解释酶作为生物催化剂吗？
3. 你能定义并解释锁钥模型吗？
4. 你能定义并解释温度的影响吗？
5. 你能定义并解释pH 的影响吗？
6. 你能定义并解释应用吗？
7. 你能定义并解释底物浓度的影响吗？
8. 你能定义并解释酶浓度的影响吗？
9. 你能定义并解释酶的命名吗？
10. 你能定义并解释日常生活中的酶吗？
11. 你能定义并解释活性位点与三级结构吗？
12. 你能定义并解释固定化酶吗？
13. 你能定义并解释从数据计算速率吗？

常见问题

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来源:SRC-DSKP-EN