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话说天下大势，分久必合，合久必分。分分合合是世间万物的规律，在分子尺度上也是如此，化学反应从某种意义上看，就是分合。但这分合，关键的是时间，也就是在一个“久”字上。无机世界，化学反应中的分合自有节律，耗时长久；生命的别致，在于让化学反应分合的速度大大增加，从而使耗时大大缩短。细胞内化学反应的分合分别有“姓名”，前者也被称为 分解代谢 ，后者则被称为 合成代谢 ，人事有代谢，往来成古今。细胞内代谢得以发生，依赖于一种叫作 酶 的催化剂。
酶最重要的特点是加速化学反应。如果没有酶的加速，即使一个必然发生的事件，也常会花费极长的时间，这就将理论上可能的事变成事实上不可能的事。曾经有一个“ 无限猴子定理 ”，说的是给无限只猴子每只猴子一台打字机，如果时间足够长，总有一只猴子能打出莎士比亚全集。但这个时间是多长呢？甚至可能超过宇宙的寿命。但如果猴子按键的速度极大提高呢？那么诞生一本由猴子写出的莎士比亚全集的概率就会增加。如果说细胞类似莎士比亚全集，化学反应是猴子打字的话，酶就是一种能成百上千倍提高猴子打字速度的东西，比如一把舒服的椅子。
那么酶的加速能力到底有多强呢？酶加速的极端是10 14 倍。这个数字可能让人看了没有概念，一个例子是 乳清酸核苷酸脱羧反应： 这个反应如果没有酶催化的话，最长可能要花费数百万年才能完成，但在 乳清酸核苷酸脱羧酶 催化的情况下，只需要几毫秒即可完成。另一个更具说服力的例子是RNA，在没有酶催化的情形下，一个原始的RNA 基因组 建成的时间大概需要4亿年 [12] ，而在细胞内，RNA基因组复制的时间要短得多，比如引起严重急性呼吸综合征（曾称为传染性非典型肺炎）的病毒，它们在感染细胞后大约5小时就能制造出新的病毒颗粒 [13] 。
酶为什么对化学反应有如此强大的加速能力呢？
回答这个问题恐怕先要说说物质的本质特征。每种物质都有自己的惯性，而惯性就是物质抗拒改变的力量。 牛顿 在其名著《自然哲学的数学原理》中写道：“物质的先天力量就是抗拒力，通过这种力量，每种个体无论大小都保持自己或静止或持续向前的状态。 [14] ”如果将化学反应看成是原子、分子的运动状态，那么物理学中的物质惯性在化学中的对应就是“化合物惯性”，也就是化合物保持自我不与其他物质发生反应的能力。
“化合物惯性”是我杜撰的词，但我想它揭示了物理和化学的一致性。就像山上的石头不会轻易跌落到山下一样，你需要先把石头推一下，一个哪怕从能量上看倾向于发生的反应，也要先克服“化合物惯性”。在我之前，化学家早已给了“化合物惯性”一个名字： 能障 。
既然物理惯性不是金刚不坏之身，是可以打破的，我们就没有理由认为能障是不能打破的。惯性定律就是牛顿第一定律，而惯性的突破就是牛顿第二定律揭示的，即惯性是如何打破的，答案是外来的力。能障也同样可以被打破，只要我们提供足够多的能量，而这种能量的本质，还是可以看作微观粒子带来的力，这和牛顿定律是一脉相承的。手推石头的能量让石头运动起来，突破化合物能障的这种能量则让化学反应得以发生，化学上称为 活化能 。
很显然，驱动一个化学反应发生所需要的活化能是和能障的高低成正比的，能障越高，所需要的活化能就越大。有些神奇的物质能降低能障，我们称之为 催化剂 ，酶就是这样一种催化剂。
酶的强大加速化学反应能力的原理可能极其简单，就是酶能让参与化学反应的分子——这被称为 底物 ——的局部浓度增大，彼此接近，可能因此让随机的分子运动在狭小空间里开展，因而化随机为必然。大多数化学反应就是一口井中想要跳到另一口更深井中的青蛙，但是井太宽也太深了，这只青蛙没有凭借，无法逾越；酶则能让井变窄和变浅，这样翻越就容易多了 （图4.1） 。
图4.1 酶的催化机制示意图
局部浓度增大只是酶发挥作用的一个方面，更重要的一个方面可以用“媒”来概括，酶也是媒。
化合物的状态是不连续的，这是事物的一个重要特点。这可以描述为一块石头，或者在山顶，或者在山脚，而不会在跌落的途中停留，也就是说我们不会在从山顶到山脚每一个位点上都看到石头。这其实是一种错觉，就像石头当然也有在跌落途中的一刻，只不过相比之下，昙花一现，也就很难被注意到了。化合物生成过程也有中间态，被称为 过渡态 ，但停留时间也很短。
而酶最大的特点，是它对化合物过渡态的结合比起始底物和终末产物两种稳定态的结合更高，从而加速了反应。比如从底物到产物的过程中，就至少有底物、酶–底物、酶–产物以及产物四个阶段。
酶能让底物的局部浓度增大，所以必然呈现口袋或者凹槽的形态，以便容纳底物。酶中这种呈现口袋或者凹槽的结构称为酶的活性中心（又称 活性部位 ）。酶除了活性中心就没有其他结构了吗？这是不可能的，就像一个碗不可能只有碗口没有碗底一样，或者像一幢建筑不可能只有第三层一样。事实上，酶的结构中除了活性中心还有很多其他结构，帮助酶更好地发挥作用。
现代文明的一个重要工具是电梯。电梯的一个重要特点是开合受按钮控制。手指对按钮的亲吻唤醒了静默的电梯，开怀容纳万千人物。
有一类特殊的酶，其口袋结构类似电梯间，也会开合，它的另外一个结构则类似按钮，会接受诸如某些小分子的亲吻而启动口袋的开合。这类酶有个别致的名字，叫 别构酶 。
别构酶的最大优势是让细胞内两种截然不同的物质产生相互作用，就像张三触碰电梯的指尖，通过电梯的按钮与开关，作用于李四踩踏地板的足弓。以轻柔的信号产生庞大的效果，这是别构酶的魔力，它对细胞功能的调控是极其重要的。
酶能加速反应的前提是让底物分子彼此接近，而具体的化学反应千差万别，这就决定了不可能有一种放之四海而皆准的酶，酶一定是只能针对某一类特殊的反应起作用。即使对同一个分子，当它参与不同反应时，可能所需要的酶都是不一样的，这是酶除加速外的第二个特点： 特异性和精确性 。正如题目的比喻，酶是一把椅子的话，那就是针对特定形状屁股的、私人定制的一把椅子，而且椅子和屁股是严丝合缝的。
酶既然相当于椅子，那就能保全自我，这是酶的第三个特点。椅子能让猴子坐得舒服，打字更快，但本身却基本不会损耗。当然这是一只理想的猴子，永不疲倦，也不会在吃香蕉的时候向伙伴扔椅子。如果真的有一只猴子打出了一句诗，想站起来了，那么椅子还可以给其他猴子坐一坐。酶也是如此，在加速化学反应的同时，却不会浪费自己。如果完成了一个化学反应，酶还能被继续用在另一个反应中。从这个意义上看，酶是金刚不坏之身。
当然这只是理想的情况，事实上酶在反复利用中还是会慢慢损耗。而且这里的“金刚不坏”指的是在化学反应过程中的不坏，酶在化学反应以外并不具有如无机催化剂一样的稳定性。细胞内的酶绝不是不死身，它也会经历生老病死，这其实给酶的调节提供了更多的手段。
酶能加速化学反应，这种被加速的化学反应，既可以是自发的，也可以是非自发的。前面提到一只青蛙从一口井跳到另一口井，这就是自发反应。所谓自发，在物理学上有严格的定义，指的是释放自由能，进入能量较低的、热力学更稳定的状态的过程，也可以描述为 热力学第二定律 的所谓 熵增 的过程。反过来，非自发过程指的是需要自由能以进入能量较高、热力学更不稳定状态的、熵减的过程，如同青蛙从深井跳到浅井。酶虽然也可以催化非自发的过程，但必须有自由能来源。这种能量来源既可以是直接的，也可以是间接的 能量货币 。比如动物进食高能食物，通过氧化反应，将高能食物中的大分子代谢为小分子，同时将食物中蕴含的能量释放，供自己所用，这个过程是自发的分解代谢；食物氧化的能量的一部分会贮存起来，可以用来将体内的小分子组装成大分子，这个过程是非自发的合成代谢 （图4.2） 。富含能量的食物，如植物的淀粉通过氧化反应分解为小分子如二氧化碳和水，同时释放能量；这部分能量会以活化载体分子（如ATP）的方式储存，供非自发反应利用，也就是让细胞可以用小分子合成生物大分子，如DNA复制、蛋白质制造等。
图4.2 细胞内的自发反应与非自发反应的循环
酶能催化自发的和非自发的反应，那么酶无所不能吗？自然界选择酶的边界在哪儿呢？英国化学家、分子生物学家以及生命起源先驱 莱斯利·奥格尔 曾经有两个著名的判断，被称为 奥格尔法则 ，其中一条是：假如一个自发的过程太慢或者太低效，一个酶总会发展出来，加速这个过程或者让这个过程更高效。奥格尔的这个法则针对的是自发过程。那么非自发过程是否有相应的酶呢？很多非自发过程中肯定有酶，但是其边界在哪儿我们尚不清楚。比如DNA聚合就是一个非自发过程，大自然发展出了各种DNA聚合酶，最常见的是催化从5到3方向的酶，而催化从3到5方向DNA聚合的酶同样存在 [15-16] ，但最终细胞拒绝对称，而选择了前者作为主导。酶是自然选择的结果。
就像椅子总是比屁股大一样，细胞中酶一般来说总是比底物要大一些，这样才能容纳底物，使底物之间更容易发生反应。
因为酶要比底物更大，所以在细胞内的运动也比底物慢很多，甚至似乎是静止的，而酶和底物的遭遇主要是出于底物自身而不是酶的运动而发生的。底物分子的运动如此迅速和频繁，以至于细胞内数量很少的酶和底物总是会相遇。
因为酶可以反复利用，所以细胞中一般酶也比底物数量少。这也是进化中的一种经济考虑。细胞总是精打细算的，这样才能生存。
化学反应五花八门，但无非是合成和分解；酶做的事基本上就是催化合成、分解两件事。合成可以看成加法，分解可以看成减法，连续的合成可以看成乘法，连续的分解可以看成除法。比如DNA的结构单位 核苷酸 含有 脱氧核糖 、 碱基 和 磷酸 ，这就是三者的加法，核苷酸彼此不断增加形成DNA长链，就是乘法。DNA的降解就是相反的过程。
所有的酶可以分成负责加法和乘法的酶，如 连接酶 和 聚合酶 ；负责减法和除法的酶，如 水解酶 。某些酶虽然从名字中看不出加减乘除，但十有八九不离其本质，如 蛋白激酶 ，其实就是在底物上加上磷酸基团的酶，还是加法。
如果酶只能催化一个原本缓慢的反应，那只能是令人惊讶；而令人感到不可思议的是，酶能催化一系列的反应，也就是一个酶催化的反应产物可以成为另一个酶的底物，进而生成新的产物，这样的反应首尾相连，成为酶链 （图4.3） 。也就是说，不同的酶让化学反应彼此相连，通向远方，这样，一个反应物可以到达某些同初始化合物截然不同的结构与形态。比如 糖酵解 中，葡萄糖经过10步的反应转化为 丙酮酸 。除了物质，酶链还能传递能量和信息，例如细胞 线粒体 中有一整套的酶，被称为 呼吸链 ，能将葡萄糖转化成水和二氧化碳，并积蓄能量；细胞内的一种叫作 信号通路 的传递信息的路径，也常常是由很多酶组成的，通过酶促反应，信息得以传递。酶链整个过程如孤帆远影，直达天际，令人叹为观止。
图4.3 酶链与酶环
（一系列化学反应组成酶链，催化A生成F。在酶链中，前面反应的产物是后面反应的底物，最初的底物和最终的产物不同。在酶环中，前面反应的产物是后面反应的底物，最初的底物和最终的产物相同。）
酶链能让一种底物经历一系列变化，最终转化为另一种物质，这些物质彼此不同。酶还有另一种存在方式，那就是酶环，同样能催化物质引发一系列反应，但底物首尾相同，成为一个环状结构 （图4.3） 。酶环最大的优势在于可以实现组成部分的再生，比较经济。比如几乎所有细胞中都存在的一种酶环被称为 三羧酸循环 ，这个循环就是由一系列酶催化的。三羧酸循环中的很多物质是细胞的材料，可以用来生成糖、脂和氨基酸等。酶链成环不意味着从终点又回到起点，而是在这样的过程中，物质得以使用，能量得以更新，信息得以传递。酶环的整个过程就像落花时节，老友重逢，都经历了多彩的人生。
并非所有的酶都是蛋白质。在1981年以前，几乎所有人认为酶只能由蛋白质构成，除了3个人，他们是 卡尔·乌斯 、 莱斯利·奥格尔 和大名鼎鼎的DNA双螺旋结构发现者之一的 克里克 ，3人都认为RNA可能充当酶。但这3人仅仅看到了RNA具有的可能充当酶的复杂二级结构，却并没有直接证据。1978年， 西德尼·奥尔特曼 发现了某些酶复合物中RNA发挥重要作用。 托 马斯·切赫 和奥尔特曼分别于1981年和1983年发现了由RNA构成的酶，并命名为 核酶 ，两人在1989年因核酶研究获得诺贝尔奖。
现存的核酶都发挥着极为重要的作用，而且都和RNA有关，最重要的有两个，一个是以携带遗传信息的RNA为模板制造蛋白质的酶，另一个是对RNA进行加工的酶。尽管极为重要，核酶无法像蛋白质构成的酶那样形成复杂的可进行类似逻辑运算的酶链或者酶环。核酶就像史前时代遗留下来的远古巨人，虽功能强大但异常孤独。
酶本身已经让化学反应的速度近乎无限地提高了，还能做得更好吗？细胞内，酶可以形成大的复合物，就像大型市场或者集成电路一样，让功能更加集中，这样效率就进一步提高了。酶链和酶环就像流水线一样，都能增加酶的效率。细胞内酶提高效率的方式就是组合，既有结构上的直接组合，也有功能上的间接组合。
不仅如此，酶链甚至酶环还能让链条中不同的环节之间产生作用，比如某个酶作用的产物会反过来作用于此前隔着几步的酶，这样的作用叫作 反馈 ，反馈关系又包括 反馈激活 和 反馈抑制（图4.4） 。反馈激活与抑制让酶催化的反应有了类似程序或者算法的特征。如果说计算机是用电路运行的程序或者算法，那从某种意义上看，酶催化的反应链条就是生命的程序或者算法。
图4.4 酶的反馈
（酶可以形成复杂的反馈关系，例如在A至F的酶链中，中间产物D可以反过来激活酶1，这是一种反馈激活；中间产物E可以抑制酶2，这是一种反馈抑制。）
酶具有强大的力量，却无法复制自己，就像战功赫赫的骁将，却没有获得世袭罔替的资格。酶需要自己的主人。地球上酶最初的主人，叫作复制子。
合成代谢（anabolism）： 指用小分子构建大分子的代谢过程，需要能量，是代谢中合成的方面，也叫生物合成（biosynthesis）。
分解代谢（catabolism）： 指将大分子分解为小分子的代谢过程，释放能量，是代谢中分解的方面。
代谢（metabolism）： 生物体内用于维持生命的化学反应。
无限猴子定理（infinite monkey theorem）： 统计学中对概率的一种描述。最初来自法国数学家和政治家埃米尔·博雷尔（Émile Borel），后来被英国物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）引用。
乳清酸核苷酸脱羧反应（OMP decarboxylation）： 催化乳清酸核苷酸脱羧生成尿嘧啶核苷酸的反应，自然发生非常缓慢。
乳清酸核苷酸脱羧酶（OMP decarboxylase）： 催化乳清酸核苷酸脱羧反应的酶。
活化能（activation energy）： 物质倾向于处于更低能量状态，但是这个过程常常不是自发的，因为存在能障，需要提供一部分能量克服能障，这个能量叫作活化能。
催化剂（catalyst）： 加速化学反应的物质，在反应中不消耗。
底物（substrate）： 化学反应中酶所作用和催化的物质。
过渡态（transition state）： 化学反应的不稳定中间态，称为过渡态。
活性中心（active site）： 酶分子中发生特定反应的部位。
别构酶（allosteric enzyme）： 能够被某些效应分子结合而改变酶活性的酶。
核苷酸（nucleotide）： 由碱基、核糖或者脱氧核糖和磷酸组成的化合物，是RNA和DNA的基本组成单位。
核糖（ribose）： 一种五碳糖。
脱氧核糖（deoxyribose）： 2位脱氧的五碳糖。
碱基（base）： 含氮化合物，分为嘌呤和嘧啶。
连接酶（ligase）： 催化两个大分子之间形成化学键以连接的酶。
聚合酶（polymerase）： 合成DNA、RNA、蛋白质等长链的酶。
水解酶（hydrolase）： 催化水解反应的酶。
蛋白激酶（protein kinase）： 在蛋白质底物上添加磷酸基团的酶。
核酶（ribozyme）： 具有催化功能的小分子RNA。
卡尔·乌斯（Carl Woese，1928—2012）： 美国微生物学家和生物物理学家，最著名的发现是确定了古菌，他于1977年基于核糖体测序的系统发育分类学鉴定出古菌作为生命的重要分支。
莱斯利·奥格尔（Leslie Orgel，1927—2007）： 英国化学家、分子生物学家，因生命起源研究而闻名。他有两个著名的判断，被称为奥格尔法则（Orgel’s rules），除了文中提到的第一条，第二条是：进化比我们聪明（Evolution is cleverer than you are）。
西德尼·奥尔特曼（Sidney Altman，1939—2022）： 美国分子生物学家，1989年因核酶研究获得诺贝尔化学奖。
托马斯·切赫（Thomas Cech，1947— ）： 美国化学家，1989年因核酶研究获得诺贝尔化学奖。