学生：酶是如何降低化学反应的活化能？

    首先需要理解活化能的概念，活化能是指化学反应中，由反应物分子到达活化分子所需的最小能量。以酶和底物为例，二者自由状态下的势能与二者相结合形成的活化分子的势能之差就是反应所需的活化能，因此不是说活化能存在于细胞中，而是细胞中的某些能量为反应提供了所需的活化能。

     分子的热运动给许多化学反应提供能量。温度越高，分子运动速度越快，越有利于破坏原有的化学键，形成新的化学键，从而完成化学反应。例如汽油在空气中燃烧，需要破坏汽油分子中碳原子与氢原子之间以及碳原子之间的化学键，碳原子和氢原子再分别与空气中的氧结合生成二氧化碳和水。但在没有“点火”的情况下，汽油在空气中并不会自己燃烧，因为破坏碳原子与氢原子之间以及碳原子之间的化学键需要能量。在室温下，分子热运动的能量远低于破坏这些键的能量，所以汽油不会自燃。但是在高温下，分子的热运动就可以提供这样的能量。所谓“点火”就是用火焰或电花中的高温（也就是分子更激烈的运动）“撞”坏汽油分子中的化学键。碳原子、氢原子与氧结合时所放出的热，又使系统维持了可以继续破坏化学键的高温条件，使燃烧过程能够持续下去。

     活化能的大小与反应速率相关，活化能越低，反应速率越快，因此降低活化能会有效地促进反应的进行。酶通过降低活化能（实际上是通过改变反应途径的方式降低活化能）来促进一些原本很慢的生化反应得以快速进行。

     体温条件下分子的热运动只能破坏一些氢键，而不足以破坏化学键。淀粉分子水解为葡萄糖需要先破坏第1位碳原子与氧原子之间的化学键。在体外，分子的热运动不足以破坏该化学键，所以淀粉不会再水中自己水解为葡萄糖。但是在人体消化道中，淀粉酶在淀粉水解为葡萄糖的过程中起作用。

淀粉酶是把水解反应分成几步，同时弱化需要破坏的化学键，每一步所需要的能量可以由分子的热运动来提供，各种化学反应就可以在体温下进行。研究表明，在淀粉水解过程中，位于淀粉酶193位的天冬氨酸侧链羧基上的氧原子与C1碳原子相互作用，减弱C1碳原子与葡萄糖链中与其相连的氧原子之间的化学键，分子热运动的冲击力可以使该化学键断开，使含有该C1碳原子的葡萄糖链与天冬氨酸暂时相连。第294位的天冬氨酸紧密地结合含C1的葡萄糖单位，并且将其扭转，使反应更容易进行。位于淀粉酶219位的谷氨酸可以和水分子相互作用，减弱水分子中氧原子与氢原子之间的化学键，分子的热运动则使水分子中的1个氢氧键断裂，使氢原子结合于193位天冬氨酸，剩下的氢氧原子连到C1碳原子上，这个位子的水解反应就完成了。

    酶只能降低每一步化学反应所需要的能量，但是化学键的断裂仍然需要分子的热运动来功能。细胞中的许多化学反应，看似“自然发生”，不需要能量，事实上化学键常常是被分子的热运动“撞”破或“扯”破的，所以能量仍然需要，只是这个能量由分子的热运动来提供。