2.8.1概述
（1）酶的定義
酶（enzyme）是由活體細胞產生的、具有催化作用的蛋白質，所以又稱作生物催化劑，它的催化性能被稱作“活力”。但是不要把酶誤解為有生命力的物質。它僅是活體細胞的一種代謝物，沒有生命。酶最大的用途在於它的催化性能，酶催化進行的反應稱為酶促反應（enzymaticreaction），在酶的催化下發生化學變化的物質稱為底物（substrate），反應後生成的物質稱為產物（product），催化反應的特點是條件溫和、專一、高效。
酶作為蛋白質具有下列一些特性：酶的化學成分中氮元素含量在16%左右；酶是兩性電解質，在水溶液中可以進行兩性解離，有確定的等電點（pI）；酶的分子質量很大，水溶液具有膠體性質，不能透析；酶分子具有一級結構、二級結構、三級結構、四級結構；酶受到某些因素（加熱、紫外線、酸、堿等）的影響會變性而喪失活性；酶水解後最終產物為氨基酸。
酶和其他蛋白質一樣，根據它的化學組分，分為單純酶和結合酶。單純酶全是由蛋白質構成，它的活性僅由它的蛋白質結構決定，如胰蛋白酶、脂肪酶等。結合酶的組成除了蛋白質部分外，還有非蛋白質部分，蛋白質部分稱為酶蛋白，非蛋白質部分稱為輔助因子。酶蛋白加輔助因子稱為全酶。結合酶的活性是由酶蛋白和輔助因子共同體現的，如果把它們分開則不顯活性。輔助因子有兩種，一種是金屬離子，如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、K+、Na+等。這些金屬離子在酶中所起的作用可能是：作為酶中心的組成部分；將酶與底物結合起來形成一種絡合物；穩定酶蛋白質活性所必需的分子構象。例如，抗壞血酸氧化酶中含有銅，它緊緊地與酶蛋白結合構成銅蛋白。另一種輔助因子是一些有機化合物，通常將它們稱為輔酶。輔酶的種類不多，通常一種酶蛋白質與一種輔酶作用，生成一種特定的酶。但同一輔酶可以與不同的酶蛋白結合，生成具有不同特性的酶。原因可能是它們結合後生成了具有不同結構的酶分子的緣故。個別輔酶中含有金屬，如一些氧化酶中的鐵卟啉含有鐵原子。
（2）酶的重要性
①酶與生命活動密切相關：酶參與了生物體內所有的生命活動與生命過程，酶是生命體中必不可少的，它參與了生物體內大部分的化學反應，使新陳代謝有控製、有秩序地進行下去，從而使生命得以延續。酶在生物體內的功能有：
a.執行具體的生理功能，如乙酰膽堿酶與神經衝動傳導有關。
b.清除有害物質，起保衛作用，如限製性核酸內切酶能識別性地水解DNA，防止異種生物物質的進入。
c.協同激素等生理活性物質在體內發揮信號轉換、傳遞與放大作用，調節生理功能，如激素受體細胞膜上的腺苷酸環化酶、cAMP、蛋白激酶、糖原磷酸化酶和糖原合成酶等構成了酶級聯係統能將微量的腎上腺激素等激素信號轉化並放大，使糖代謝活動加強。
d.催化代謝反應，在生物體內建立各種各樣代謝體係與代謝途徑，形成相應的代謝體係，其中最基本的是生命物質的複製係統和轉換生成係統。
酶的組成與分布是生物進化與組織功能分化的基礎。由於生命物質的複製與能量轉換是一切生物所必需的，因此不論動植物還是微生物都具有與此相關的酶係與輔酶。但是不同生物又有各自特殊的代謝途徑和代謝產物，它們還有各自相應的特征酶係、酶譜。即使是同類生物，酶的組成與分布也有明顯的種屬差異。例如精氨酸隻存在於排尿素動物的肝髒內，而排尿酸的動物則沒有。其次，在各種生物各種組織內酶的分布也有所不同，例如，由於肝髒是氨基酸代謝與尿素形成的主要場所，因此，精氨酸幾乎全部集中在肝髒內。可以概括地說，酶是一種高效、高度專一而且與生命活動有關的生物催化劑。
②酶在生活中發揮巨大的作用：酶的應用已有幾千年的曆史，但是人們真正有目的地利用酶是從19世紀開始的，至今不過100多年。特別是近幾十年來，隨著酶生產的不斷發展，酶已廣泛應用於食品、輕工、醫藥、環保及科研等領域。
由於酶具有專一性強、催化效率高和作用條件溫和的特點，所以酶在工業上的應用可以增加產量，提高質量，降低原材料和能源的消耗，改善勞動條件，降低成本，直至可以生產出用其他方法難以得到的產品，促進新產品、新技術、新工藝的興起和發展。例如，酶在皮革工業的應用是未來製革新技術中人們寄予厚望的，目前，用各種精細化學品加工皮革的過程是一條將被淘汰的高能耗、高汙染的生產方法，將酶用於各個製革過程可以降低生產成本、減少汙染，實現清潔化生產。
目前工業上所用的酶大部分來自微生物，許多動植物的細胞都可以產生酶。例如，人的唾液中就有澱粉酶，胃、腸、肝髒中也有許多各種各樣的酶，甚至皮中也有酶的存在。製革中用到的胰蛋白酶就是從動物的胰髒中取得的。在植物中也可以得到蛋白酶，如木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等。盡管酶可以從動植物中獲得，但畢竟來源受到限製。由於微生物繁殖極快，種類和數量又多，所以它是酶取之不盡的源泉。來自於微生物如各種細菌和黴菌的酶要經過適當地提取或分泌、發酵、加工過程，獲得工業用酶製劑。酶製劑具有酶的催化特性，且使用方便，比單純的酶容易獲得和使用。酶工程是生物工程中的重要組成部分，生物工程是21世紀最有發展前景的學科之一，因此酶製劑在有關工業中的應用特別是皮革工業中的應用範圍將會不斷擴大，用量將會不斷增加。酶是最具應用潛力、最有可能改變皮革加工過程中汙染嚴重的狀況及促進製革過程實現清潔化生產的材料之一。
（3）酶的分類與命名
①酶的分類根據國際生物化學聯合委員會對酶的分類方法，將酶分為下列六大類：
a.氧化還原酶類（Oxidoreductase）：能催化底物的氧化和還原，反應時需要電子的供體和受體，而不是基團的加成或者去除。根據供體的性質，一般可分為氧化酶類和還原酶類，如葡萄糖氧化酶、穀氨酸脫氫酶、辣根過氧化物酶等。例如，L-穀氨酸脫氫酶，它的主要作用是在動物體內促進穀氨酸的氧化。
b.轉移酶類（Transterase）:這類酶能催化兩種化合物之間基團的互相交換反應，如氨基酸轉移酶（轉氨酶）、糖基轉移酶等。氨基酸轉移酶能把氨基酸上的一個氨基轉移到一個α-酮酸的酮基上，使之成為相應的氨基酸而使原來的氨基酸成為酮酸。
c.水解酶類（Hydrolase）:此類酶能催化大分子物質加水分解成小分子物質，在生物體內分布最廣，數量最多，應用廣泛。目前在工業中已經應用的酶多數為水解酶，如澱粉酶能夠促進澱粉的水解，蛋白酶能促進蛋白質的水解，脂肪酶能促進脂肪的水解。此外，果膠酶、核糖核酸酶及纖維素酶等能夠分解相應的物質。在命名時習慣上把酶的來源加進去，例如從胃中得到的蛋白酶稱為胃蛋白酶，從胰髒中得到的蛋白酶稱為胰蛋白酶，從木瓜和枯草中得到的蛋白酶就稱為木瓜蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶。
d.裂解酶類（Lyase）：此類酶能催化一個化合物分解為幾個化合物或其逆反應，例如，碳酸酐酶、縮醛酶等。
e.異構酶類（Isomerase）:此類酶能催化底物的分子內重排反應，即催化同分異構化合物之間的互相轉化，如葡萄糖異構酶可將葡萄糖轉變為果糖，以提高甜度。
f.合成酶（Synthetase）:此類酶能將兩個底物合成為一個分子，反應時由ATP（腺苷三磷酸）或其他高能的核苷三磷酸供給所需的能量，如酰胺合成酶、肽合成酶等。
對製革工業而言，最重要的是水解酶，其中尤以蛋白酶與製革工業的關係密切。無論原料皮的貯存、加工及革和革製品的保存莫不與蛋白酶有關。蛋白酶對蛋白質的作用是水解蛋白質或多肽的肽鏈，使它斷裂而使蛋白質或多肽分解為更小的組分。習慣上水解蛋白質的酶稱為內蛋白酶或者內肽酶，因為水解的作用點是在蛋白質分子的內部肽鍵上。如胰蛋白酶是在蛋白質分子中的賴氨酰和精氨酰處發生水解。而把那些水解多肽的酶稱為肽酶或者外肽酶，它們的特點是作用於鄰近自由氨基或者自由羧基處的肽鍵，它們又分為羧肽酶和氨肽酶。
羧肽酶其底物必須有一個自由的羧基，它能斷開鄰近此自由羧基處的肽鍵，放出一個自由的氨基酸和一個比原來多肽少一個氨基酸的多肽。
在實際應用中人們習慣根據某一類酶的成分、來源、最適pH來分類，這類分類方法實用方便。
從酶作用最適pH範圍來分類：（a）堿性蛋白酶，最適pH9.0～11.0；（b）中性蛋白酶，最適pH6.8～8.0；（c）酸性蛋白酶，最適pH2.5～4.0。
按酶的來源分類：（a）動物酶，如胰酶就是從動物的胰髒中取得的；（b）植物酶，如木瓜蛋白酶和菠蘿蛋白酶均來自於相應的植物；（c）微生物酶，種類和數量多，是工業用酶製劑取之不盡的源泉，目前工業用酶製劑大多數來自於微生物的發酵。從酶作用的對象來看，製革中主要使用的酶是蛋白酶、脂肪酶和一些糖酶（澱粉酶）。
②酶的命名現在已知的酶約有3000種。為了準確地識別某一種酶，以免發生混亂和誤解，在酶學研究、酶的生產和酶的應用等領域，要求對每一種酶都要有準確的名稱和明確的分類。為此，國際酶學委員會（International Commissionof Enzymes）做了大量的工作。
國際酶學委員會於1956年成立後的第一件事就是著手研究當時混亂的酶的名稱問題。在當時，酶的命名沒有一個準則，往往根據酶的發現者或其他研究者個人的意見給酶定名，不可避免地引起混亂。有時，同一種酶有兩個或多個不同的名稱。例如，催化澱粉水解生成糊精的酶，就有澱粉酶（Diastase）、液化澱粉酶（Lique-facient Amylase）、糊精澱粉酶（Dextrine Amylase）和α-澱粉酶（α-Amylase）等多個名稱。相反，有時同一個名稱卻用於兩種或多種不同的酶。例如，琥珀酸氧化酶（Succinate Oxidase）這一名稱就曾經用於琥珀酸脫氫酶（Succinate Dehydrogenase）、琥珀酸半醛脫氫酶（SuccinateSemialdehyde Dehydrogenase）以及NAD（P）+琥珀酸半醛脫氫酶［NAD（P）+Succinate Semialdehyde Dehydrogenase］等幾種酶。而高峰澱粉酶（Takadiastase）這一名稱則來自日本學者高峰讓吉的姓氏（高峰，在日語中發音為Takamine），他於1894年首次從米曲黴中製備得到一種澱粉酶製劑，並以其姓氏命名之。由此可見，確立酶的分類與命名原則，在當時是亟待解決的難題。
國際酶學委員會於1961年在《酶學委員會的報告》中提出了酶的分類與命名方案。根據國際酶學委員會的建議，每種具體的酶都有其推薦名和係統命名。
酶的推薦名是在慣用名稱的基礎上加以選擇和稍加修改而成，一般由兩部分組成：（a）底物的名稱；（b）催化反應的類型，後麵加一個“酶”字（-ase）。例如，葡萄糖氧化酶（Glucoseoxidase），表明該酶作用的底物是葡萄糖，所催化的反應類型是屬於氧化反應。對於水解酶類，催化反應的類型為水解反應，在命名時可以省去“水解”字樣，隻在底物名稱後麵加上“酶”字即可。例如，澱粉酶，表明該酶催化澱粉水解；蛋白酶，表明其催化蛋白質進行水解反應等。
酶的係統命名則更詳細、更準確地反映出該酶所催化的反應。係統命名包括了酶催化作用的底物、酶作用的基團和催化反應的類型。例如，上述葡萄糖氧化酶的係統命名為：“β-D-葡萄糖，氧-1-氧化還原酶”，表明該酶所催化的反應是以β-D-葡萄糖為脫氫的供體，以氧為氫受體，催化作用在第一位碳原子基團上進行，所催化的反應屬氧化還原反應。
係統命名法根據酶所催化的反應類型將酶分成六大類，即：第一類，氧化還原酶；第二類，轉移酶；第三類，水解酶；第四類，裂合酶；第五類，異構酶；第六類，連接酶（或稱合成酶）。
每一種酶都有一定的係統編號。係統編號采用四碼編號法，每個號碼之間用圓點“·”分開，第一個號碼表示該酶屬於六大類中的某一類，第二個號碼表示屬於該類中的某一亞類，第三個號碼表示屬於該亞類中的某一小類，第四個號碼表示這一具體的酶在該小類中的序號。例如，葡萄糖氧化酶的係統編號為［EC.1.1.3.4］。其中“EC”表示國際酶學委員會（Enzyme Commission）；第一個號碼“1”表示該酶屬氧化還原酶；第二個號碼“1”表示屬氧化還原酶類中的第一亞類，該亞類的酶所催化的反應係在供體的CH—OH基團上進行；第三個號碼“3”表示該酶屬第一亞類中的第三小類，該小類的酶所催化的反應係以氧為氫的受體；第四個號碼“4”就是該酶在小類中的特定序號。
2.8.2酶的性能與本質
（1）酶的特性
酶是一種生物催化劑，具有催化劑的共同性質，可加快化學反應的速度，但不改變反應的平衡點，在反應前後本身的結構和性質不改變，與一般催化劑相比，酶催化劑具有以下催化特性：
①高效性酶的催化反應與一般反應不一樣，它可以在常溫常壓和溫和的酸堿度下高效地進行。
②專一性（特異性）一種酶往往隻能對一類或一種化合物起催化作用，即酶是一種僅能促進特定化合物、特定化學鍵、特定化學變化的催化劑，而一般催化劑沒有這樣嚴格的選擇性。
③作用條件溫和酶的催化作用一般都在常溫、常壓及pH近乎中性的溫和條件下進行，所以用酶作催化劑可以節省能源和設備投資。
④不穩定性酶的活力易受各種因素（如溫度、pH等）的影響，凡可使蛋白質變性的各種因素都可導致酶失活。
（2）酶的本質
酶之所以具有上述的特性主要是由於酶的化學本質及結構所導致的。酶是高分子的膠體物質，酶的相對分子質量十分巨大，一般為104～107，而且是兩性電解質，具有等電點，酶在電場中能像其他蛋白質一樣發生電泳現象，酶的活性pH曲線與兩性離子的解離曲線相似。紅外線、熱、表麵活性劑、重金屬鹽以及強酸、強堿等能使蛋白質變性的因素，都可使酶失效。酶的化學本質是蛋白質。
2.8.3酶的催化
（1）酶催化的機理
酶作為一種具有生物活性的催化劑在反應過程中並不消耗，隻是在一個反應完成後，酶分子本身立即恢複原狀，繼續進行下次反應。已有許多實驗間接地或直接地證明酶和底物在反應過程中生成了絡合物，這種中間體通常是不穩定的。一般認為酶在催化某一反應時是先與底物結合，生成一種極不穩定的中間複合物，此複合物再分解為一種或數種產物，同時釋放出酶。這個機理過程可表示為：
E+SESE+P
式中E——酶
S——底物
ES——中間複合物
P——產物
酶和底物結合形成活性中間配合物的過程既是一個專一性識別的過程，也是一個變分子間反應為分子內反應，實現酶發揮各種催化功能的過程，通過這種選擇和協同作用，從而使反應得以高度專一、高效進行。
有關酶催化的機製有三種解釋：①酶的剛性與“鎖和鑰匙”模式；②酶的柔順性與“誘導契合”學說；③扭曲和過渡態學說。
（2）酶的活化與抑製
有些物質能夠使酶的作用加強，甚至隻有當它們存在時酶才顯出活性，這些物質稱作活化劑或激活劑。因此，使沒有活性的酶具備活性就稱作“活化”或者“激活”。反之，能減弱酶的作用或者完全破壞、Mg2+對輔酶Ⅰ磷酸激活酶的活化停止酶作用的物質稱為抑製劑，而使酶作用減弱或停止就稱為“抑製”。由於酶的種類繁多，作用複雜而精細，同一種物質，對一種酶來說是激活劑，可能對另外一種酶就成了抑製劑。甚至對同一種酶，一種物質在某一個濃度下是活化劑而在另一個濃度下卻成了抑製劑。例如，Mg2+對輔酶Ⅰ磷酸激活酶的活化便是這樣。當Mg2+濃度增加時，酶的活力也相應增加，但當Mg2+的濃度達到某一值時，酶的活性最大，超過此值活性又降低。
①活化劑的種類常見的激活劑大致可以分為下麵三類：
a.無機離子：無機陽離子，如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+、Cr3+、Al3+等。無機陰離子，如Cl-、Br-、I-、NO-3、S2-、PO3-4、SO2-3等。