酶和酶反應
進階酶是蛋白質類生物催化劑，靠活性部位的特定形狀認受質，具專一性；溫度與 pH 偏離最適值會令酶變性，抑制劑減慢反應，這些特性正是含酶洗衣粉與鬆肉粉的設計原理。
- 新陳代謝分分解代謝（拆大分子、釋能）與合成代謝（建大分子、耗能）。
- 酶是蛋白質類催化劑，靠活性部位與受質的互補形狀達成專一性（鎖鑰學說）。
- 溫度曲線：低溫慢、最適溫度最快、高溫變性急跌且不可逆；pH 偏離最適值同樣變性。
文體小知識：科學知識說明文——由酶的蛋白質本質和活性部位出發，解釋專一性、溫度與 pH 對酶反應速率的影響，以及酶在日常生活中的應用。
§課文原文 Passage
1新陳代謝是細胞內所有化學反應的總稱，分為兩個方向：分解代謝把大分子拆成小分子並釋放能量，例如呼吸作用分解葡萄糖；合成代謝把小分子建成大分子並消耗能量，例如由氨基酸合成蛋白質。兩類反應同時進行，互相配合。
2細胞內的反應若要快速進行，必須有催化劑相助。酶是球狀蛋白質類的生物催化劑：能大幅加快反應速率，反應前後自身不變，只需極少量便有效，而且對所催化的反應有嚴格選擇。
3酶的專一性來自活性部位——酶分子表面的凹位，形狀與受質互補吻合，就像鎖與鑰匙。受質嵌進活性部位後，與酶結合成酶受質複合物，反應隨即發生；產物脫離後，酶恢復原狀，準備接待下一個受質。
4溫度和 pH 是影響酶反應速率的兩大環境因素：低溫時分子運動緩慢，碰撞稀少，速率偏低；溫度升至最適溫度（人體酶約三十七攝氏度）速率最高；溫度再高，維持酶形狀的鍵被破壞，酶變性，速率急跌且不可逆轉。pH 偏離最適值同樣令酶變性。
5抑制劑分兩類：競爭性抑制劑形狀與受質相似，與受質爭奪活性部位，增加受質濃度可減輕其影響；非競爭性抑制劑結合在活性部位以外，令活性部位變形，增加受質也無濟於事。含酶洗衣粉、鬆肉粉等產品，正把酶的特性用於日常生活。
1重點摘要 Summary
酶是蛋白質類生物催化劑，靠活性部位的特定形狀認受質，具專一性；溫度與 pH 偏離最適值會令酶變性，抑制劑減慢反應，這些特性正是含酶洗衣粉與鬆肉粉的設計原理。
2生字卡 Vocabulary
細胞內所有化學反應的統稱，包括分解代謝與合成代謝。
把大分子分解為小分子並釋放能量的代謝過程。
用小分子建造大分子並消耗能量的代謝過程。
蛋白質類生物催化劑，加快細胞內的反應而自身不改變。
被酶作用的分子，與酶的活性部位結合。
酶表面與受質形狀互補吻合的凹位，決定酶的專一性。
受質嵌進活性部位後與酶暫時結合的整體，反應在其中進行。
高溫或極端 pH 破壞酶的結構、令活性部位形狀永久改變的過程。
與受質相似、爭奪活性部位的物質，其影響可藉增加受質濃度減輕。
結合在活性部位以外位置、令活性部位變形的抑制劑，增加受質也無法解除。
3逐步講解 Steps
- 第一步：新陳代謝的兩個方向新陳代謝是細胞內所有化學反應的統稱，分為兩個方向：分解代謝把大分子拆成小分子並釋放能量，例如呼吸作用把葡萄糖氧化成二氧化碳和水；合成代謝則用小分子建造大分子並消耗能量，例如把氨基酸合成蛋白質。兩類反應同時在細胞內進行，互相配合。舉個例子：進食後血糖升高，身體把多餘葡萄糖合成糖原，屬合成代謝；運動時糖原再分解成葡萄糖供能，屬分解代謝。
- 第二步：酶——生物催化劑細胞內的反應若無催化劑，在體溫下進行得極慢，生命無法維持。酶是球狀蛋白質類的生物催化劑：能大幅加快反應，反應前後自身不改變，可重複使用，且只需極少量便見效。酶不改變反應的方向，只加快反應的進行。舉個例子：唾液澱粉酶能把飯中的澱粉在口腔內分解成麥芽糖；若沒有酶，澱粉在攝氏三十七度的溫水中幾乎不會分解。
- 第三步：活性部位與專一性酶分子表面有一個凹位稱為活性部位，其三維形狀與受質互相吻合，就像鎖與鑰匙：只有形狀相配的受質才能嵌進去，這就是酶的專一性。受質與活性部位結合後形成酶受質複合物，反應在其中進行，產物生成後脫離，酶恢復原狀，準備下一個受質。舉個例子：澱粉酶的活性部位只容納澱粉，不容納蛋白質；分解蛋白質要靠蛋白酶。
- 第四步：酶反應的過程與速率酶催化的反應可用簡式表達：受質在酶的作用下轉為產物。影響反應速率的因素包括受質濃度和酶濃度：受質越多，越多酶的活性部位被佔用，速率上升，直至酶飽和為止；酶越多，速率也越高。舉個例子：工業上把酶固定在反應柱中，讓受質溶液流過，反應便能連續進行，酶又可長期重複使用，正是利用這些規律。
- 第五步：溫度的影響低溫時分子動能低，酶與受質碰撞少，反應慢，但酶並未受破壞；溫度每升高一些，碰撞更頻密，速率上升，至最適溫度達到頂點，人體多數酶約為攝氏三十七度；超過最適溫度後，熱力破壞維持酶形狀的鍵，活性部位變形，酶變性，速率急跌，冷卻後不能復原。舉個例子：發燒超過攝氏四十一度時，體內多種酶的活性下降，這正是高燒危險的原因之一。
- 第六步：pH 的影響每種酶都有最適 pH：偏離最適值，過多氫離子或氫氧根離子干擾維持酶形狀的鍵，活性部位變形，反應速率下降；偏離太遠，酶便變性，同樣不可逆。不同酶的最適 pH 差異很大。舉個例子：胃蛋白酶的最適 pH 約為 2，適合強酸的胃液；胰蛋白酶的最適 pH 偏鹼性，適合小腸環境——同一套消化道，酶卻各司其職。
- 第七步：抑制劑抑制劑令酶反應減慢。競爭性抑制劑的形狀與受質相似，與受質爭奪活性部位；受質濃度越高，受質搶到活性部位的機會越大，抑制便可減輕。非競爭性抑制劑結合在活性部位以外的位置，改變活性部位的形狀，令受質無法嵌合，增加受質也無法解除抑制。舉個例子：一些抗生素正是設計成細菌特定酶的抑制劑，干擾病原體的新陳代謝，卻不影響人體細胞。
- 第八步：酶在日常生活的應用酶的專一性和常溫高效令它廣泛用於生活：含酶洗衣粉加入蛋白酶和脂酶，分別對付蛋白質漬和油漬，在攝氏三十至四十度的溫水中效果最佳，既省電又不傷衣物；鬆肉粉含木瓜蛋白酶，把肌肉蛋白質部分分解，肉質變軟；製酪用凝乳酶凝固奶類，果汁工業用果膠酶令果汁澄清。舉個例子：洗衣粉標籤寫明勿用熱水，因為熱水令酶變性失效。
4圖解 Diagrams
5例題示範 Example
例題：同學以唾液澱粉酶分解澱粉，量度不同溫度下的反應速率，結果：攝氏 20 度時很慢，37 度時最快，60 度時很慢，80 度時反應完全停止。試描述速率隨溫度變化的曲線，解釋各段變化的原因，並說明為什麼含酶洗衣粉在溫水中效果最好。
- 攝氏 20 度至 37 度：溫度升高令分子動能增加，受質與酶活性部位的碰撞更頻密，反應速率上升，至人體最適溫度約 37 度時達到最高。
- 60 度：速率明顯放緩，因為高溫開始破壞維持酶形狀的鍵，部分酶分子變性。
- 80 度：酶完全變性，活性部位形狀永久改變，反應停止；冷卻後酶也不能復原。
- 含酶洗衣粉中的蛋白酶和脂酶在攝氏 30 至 40 度接近最適溫度，活性最高又不致變性；熱水反而令酶失效，溫水洗滌既有效又省電。
- 答案：曲線隨溫度上升而升高，在約 37 度達到頂點，其後急速下降至零。原因：低溫時碰撞少、速率低；最適溫度時碰撞最頻密；高溫破壞酶的結構令其變性，且不可逆。洗衣粉中的酶在最適溫度附近活性最高，所以溫水洗滌最有效，熱水反會令酶失效。
6常見錯誤 Mistakes
75 題快測 Quick check
Q1酶屬於哪一類生物分子？為什麼高溫會令它失效？
Q2什麼是酶的專一性？
Q3把酶溶液由攝氏 5 度加熱至 37 度，反應速率有什麼變化？為什麼？
Q4競爭性與非競爭性抑制劑有什麼分別？
Q5鬆肉粉為什麼能把肉變得鬆軟？
8重點回顧 Recap
- 新陳代謝分分解代謝（拆大分子、釋能）與合成代謝（建大分子、耗能）。
- 酶是蛋白質類催化劑，靠活性部位與受質的互補形狀達成專一性（鎖鑰學說）。
- 溫度曲線：低溫慢、最適溫度最快、高溫變性急跌且不可逆；pH 偏離最適值同樣變性。
- 競爭性抑制可藉增加受質減輕；非競爭性抑制不能。
- 含酶洗衣粉、鬆肉粉等應用，正是利用酶的專一性和在最適條件下高效工作的特性。