在地球环境下生成和进化的生命体，其组成以碳、氢、氧元素为主，再辅助以其他一些在地球上普遍存在的化学元素。这些元素组成氨基酸类的有机分子，然后进一步组合成蛋白质为主的复杂大分子。这些有机大分子组成生命体的细胞的组织体，并在细胞内进行各种复杂的化学反应，以完成维持组织的生命运行的新陈代谢活动。这些有机大分子的活动是生命体的物质运动的主要方式。但是，无论单个的有机大分子多么复杂，也无法表现出生命特征。相反，这些氨基酸分子组合成不同的蛋白质分子、蛋白酶分子、RNA和DNA等，与生命体周围自然界中的水、氧气、二氧化碳等物质产生了十分复杂的生物化学反应。决定性因素还是基本的原子之间的化学键，只不过有机分子之间的化学键的相互作用，通过极其复杂而巧妙地组合，产生了重要的生物作用。因此，生命体系统中的生命特性就是这些数量巨大的有机大分子之间的化学反应的综合特性的体现。

科学家在研究生命体中的这些数量巨大的有机大分子之间的化学反应的综合特性时发现，酶的生化反应催化作用是完成这些反应的关键因素。随着研究的深入，科学家了解到如果没有这些酶的催化作用，生命体根本无法实现那些对生命攸关的生化反应。比如在地球生命体系中最普遍最重要的叶绿素的光合作用中就少不了一种催化酶，而这种催化酶的具体分子结构和作用过程还没有被科学家了解，其中的奥秘还在深入研究之中。可以说酶的生化反应催化作用是大自然给予生命存在的神来之笔，可以说没有酶的生化反应催化作用就没有生命的产生。生命体是如何在自然界获得这种神秘的物质来顺利地实现生命活动中的那些必需的而复杂的大分子运动生化反应的，可能也是生命的密码之一。

科学家在研究中很早就知道，对一些化学反应可以通过催化剂大大加快反应的速度，降低所需要的能量。而催化剂本身在反应过程中并不被消耗，一旦反应生成物被移走，催化剂又可以不断地进行反应催化作用。其实人类早在几千年前的酿酒和发酵食物的过程中就使用了一种存在于酵母菌中的生物催化剂。只不过人们并不知道其中起催化作用的是一种什么物质。1878年，德国科学家库尼（Kunne）从酵母中分离出来的能够促进发酵的物质，他把这种物质称为“酶”（enzyme），该词来自希腊文，意即“在酒精中”。后来科学家就把这样一类对有机大分子的化学反应起催化作用的极为重要的生物催化剂统称为酶（enzyme）。而针对不同的特性的酶就称为xx....酶，比如：淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶、糖苷酶等都是催化底物发生水解反应的酶类。

酶是由生物活细胞产生的生物催化剂，具有高度专一性和高效的催化作用。酶是一类有机大分子的复杂化学反应中起到催化作用的非常特殊的蛋白质化合物。它们不会成为被催化的化学反应的终产物的组成部分。当生物化学反应结束后，只要将酶与反应产物分离，酶便能一次又一次地催化下一个相同的反应。在正常的情况下，只要有需要，酶就能不断地工作。只要在催化过程中，保持酶分子的结构完整。这个催化作用就可以一直进行下去。具体来说：酶是一种对其底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质或RNA。

酶的催化作用有赖于酶分子的空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失，也就说这些改变可能使得酶失去催化作用。酶属生物大分子，分子质量至少在1万以上，大的可达百万。酶这一类极为重要的生物催化剂（biocatalyst），它们支配着生物的新陈代谢、营养和能量转换等许多生化过程。那些与生命过程关系密切的生化反应大多是酶催化下进行的。由于酶的作用，生物体内的化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行，使物质代谢与正常的生理机能互相适应。由于酶的作用，生物体内的化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行。酶可以在一秒钟内催化数百万个反应。酶的催化效---率一般可以使得生命体中的各种重要的生化反应的速度提高108—1020倍。一个比较极端的例子是，乳清酸核苷5-磷酸脱羧酶所催化的反应在无酶情况下，需要七千八百万年才能将一半的底物转化为产物；而同样的反应过程，如果加入这种脱羧酶，则完成反应需要的时间只有50毫秒。

随着人们对酶分子的结构与功能、酶促反应动力学等研究的深入和发展，科学家对酶的化学本质有了比较深入的了解。从现在的研究结果来看，酶按其分子组成的不同，可分为单纯酶和结合酶。单纯酶分子中仅含有氨基酸组成的酶蛋白质；结合酶则由酶蛋白和辅助因子组成。辅因子多为小分子的有机化合物或金属离子。酶分子可以通过与反应物生成中间过渡无来降低反应物的反应活动能，从而加快反应速度。为了说明催化作用，把酶分子中参与催化作用的一些有机分子基团称为必需基团。酶分子的活性中心内的必需基团可有结合作用基团(binding group)和催化基团(catalytic group)之分，前者的作用是识别与结合底物和辅酶，形成酶一底物过渡态复合物；后者的作用主要是影响底物中的某些化学键的稳定性，主要参与传递电子、质子(或基团)或起运载体作用，催化底物发生化学反应，进而转变成产物。

因为，生物催化酶具有非常强的专一性，每一种催化酶几乎只催化一种反应。生命活动过程中各种不同的生化反应需要不同的催化酶参加。但是同一种反应则可能可以有不同的酶都可以起催化作用（称为同工酶）。由于生物的多样性，各种各样的酶在各样的生物化学反应中起着催化作用。所以生命体中酶的构成和作用形式有非常多。科学研究估计人体中就有几千种不同的酶在维持着人体的各种生命活动。可以说各种酶以各种千奇百怪，精妙绝伦的运行方式在为了各种生命体的生命活动努力地工作着。20世纪80年代初期，美国Cech和Altman 各自独立地发现RNA也具有生物催化功能，Cech 将其定名为核酶（ribozyme），亦称RNA催化剂。RNA酶的发现进一步证明自然界可能存在多种形式的催化酶。

上图是2018年上海交通大学医学院附属第九人民医院精准医学研究院雷鸣和武健研究组与中国科学院大连化学物理研究所李国辉研究组合作，在国际上率先报道了酿酒酵母RNase P 及其与tRNA前体组成的复合体的冷冻电镜结构。希望这些成果能够进一步帮助人类认识RNA酶的催化作用。

根据研究知道，ATP分子在所有的生命细胞中起着重要的能量提供作用。在生命体中ATP分子被称为能量的通用“货币”。而所有的生物细胞中产生能量的ATP分子的产生也要依赖一种被称为“ATP合成酶”的蛋白质。在动物细胞中ATP生成酶位于线粒体的顶端，产生细胞中为所有的生物化学反应提供能量的ATP分子。1994年英国科学家约翰·沃克(John Walker)利用X射线衍射技术看清了ATP酶的真实结构，它甚至比人们最激进最科幻的想象还要美!这个微型蛋白机器的核心部分是由三个叶片均匀张开构成的“齿轮”，这个齿轮和一个细管相连。当高浓度的氢离子汹涌通过细管时，就会带动叶片以每秒钟上百次的速度高速旋转，从而生产出一个个ATP分子来。这个过程可以简单地描述为:首先，生命体利用营养物质(特别是葡萄糖)的分解产生能量，能量驱动带正电荷的氢离子穿过细胞膜蓄积起来，逐渐积累起电化学势能。之后，在生命活动需要能量的时候，高浓度的氢离子通过细胞膜上的蛋白质机器反方向流出，驱动其转动产生ATP。这个模型来源于ATP合成酶的三维结构，因为这个结构，沃克获1997年的诺贝尔化学奖。

根据2019年最新的研究，叶绿素光合作用中太阳光的能量也是驱动带正电荷的氢离子穿过细胞膜蓄积起来，逐渐积累起电化学势能。在ATP合成酶的作用下产生ATP能量分子，然后叶绿素分子再使用这个能量，在多种叶绿素酶的催化作用下完成二氧化碳与水合成葡萄糖的反应。所以植物的光合作用也少不了ATP合成酶和多种叶绿素酶的催化作用。

酶的催化作用的可控性使得生物细胞在根据内外环境的变化而需要调整细胞内代谢速度时，能够通过一些方法来调节酶的催化作用，从而控制细胞内部新陈代谢的进行速度来适应需要。比如许多酶的活性是可以通过调节使得酶可在有活性和无活性、或者高活性和低活性两种状态之间转变。酶蛋白肽链上的一些基团可在其他酶的催化下，与某些化学基团共价结合，同时又可在另一种酶的催化下，去掉已结合的化学基团，从而影响酶的活性。酶的这种调节方式称为酶的共价修饰( covalent modification of enzymes)或称酶的化学修饰(chemical modification) 。细胞对现有酶活性的别构调节和酶的化学修饰调节，它们属于对酶促反应速率的快速调节。

细胞也可通过改变酶蛋白合成与降解的速率来调节细胞内某种酶的含量，进而影响酶促反应速率。此外，某些酶也可以通过调节反应物在细胞内的含量等因素，从而改变酶在细胞内的总活性，进而影响酶促反应速率。这些方式属于对酶促反应速率的缓慢调节。等等这些特性使得细胞代谢过程中起到重要作用的酶，可以按照细胞新陈代谢的需要完美地工作。

据科学家估计人体中一共有5~6千种不同的酶在身体的各个器官的细胞中起作用，维持细胞新陈代谢和生长、繁殖的生命活动。随着科学家对酶的深入研究，酶疗法在医疗健康领域取得了令人瞩目的新成就。通过酶的优异特性，酶疗法通常具有较低的副作用，患者耐受性好。而且通过调节酶的浓度和反应条件等技术手段，可以有效地控制治疗过程，达到良好的治疗效果。这种新兴的疗法以其独特的优势，逐渐成为保障人类健康的重要手段。

比如酶疗法在消化系统疾病的治疗中具有显著效果。胰蛋白酶和糜蛋白酶已被广泛应用于治疗胰腺炎、胆结石和肠梗阻等疾病。对心血管疾病的治疗中，弹性蛋白酶在降低血压、抑制血栓形成方面具有独特优势，为心血管疾病的治疗提供了新的选择。酶疗法在癌症治疗中也具有显著效果，激酶抑制剂能抑制癌细胞的增殖和扩散，提高患者的生存率。随着酶工程技术的不断发展，酶疗法在医疗健康领域的应用将更加广泛。

生物酶的优良催化特性不仅在生命体内发挥作用，同时人们在酿酒，食品加工等方面对生物酶的运用历史悠久。在现代生物酶在工业上的应用前景广阔。人们开始在生物制药，化学工业，等方面的工业生产中大量使用生物酶催化剂。生物酶催化剂将可以帮助人类通过工业方法生产必需的有机化合物产品。

仅仅在国内近期特别引人瞩目的成果有：2021年9月23日，中国科学院本年度首场新闻发布会，介绍该院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得的重要进展。该所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，取得原创性突破。相关研究成果9月24日在线发表于《科学》杂志。他们通过设计构建聚合新酶，合成直链和支链淀粉（Cn化合物）。按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。这一成果使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能，并为二氧化碳原料合成复杂分子开辟了新的技术路线。

2021年10月30日，中国农业科学院饲料所和北京首钢朗泽新能源科技有限公司共同发布：经过多年研究攻关，我国在一碳生物合成方面取得重大突破性进展，国际上首次实现从一氧化碳到蛋白质的合成，并已经形成万吨级的工业生产能力。他们生产的乙醇梭菌蛋白是以乙醇梭菌为发酵菌种，以工业尾气中的一氧化碳为主要原料，采用液体发酵，生产乙醇后的剩余物，经分离、喷雾干燥等工艺制得。也就是说，乙醇梭菌在利用一氧化碳合成蛋白的同时，还会产出大量乙醇，每生产1吨蛋白会产生9—10吨乙醇，因此原料气中90%的碳转化为乙醇，10%左右的碳转化为蛋白。综合计算，50万吨一碳菌蛋白（联产500万吨乙醇）产量相当于138万吨大豆，1500万吨玉米，减排1250万吨二氧化碳。

2023年8月中国科学院天津工业生物技术研究所开发了人工转化二氧化碳从头精准合成糖技术，研究成果于8月16日在国内顶尖刊物《Science Bulletin(科学通报)》发表。该项技术基于碳素缩合、异构、脱磷等酶促反应，设计构建化学-酶耦联的非天然转化途径，工程化设计改造酶蛋白分子的催化特性，实现了精准控制合成不同结构与功能的己糖。其碳转化率高于传统植物光合作用，同时高于已报道的化学法制糖以及电化学-生物学耦联的人工制糖方法，是目前人工制糖路线中碳转化效率的最高水平。与此同时，建立了可进一步延伸糖产物种类和构型的生物系统，可实现人工创造糖分子多样性。该项技术所获得糖可作为原料应用于食品、医药等领域，还可作为工业生物制造关键原材料合成其他化学品，进一步满足人类的其他物质需求，从而为负碳物质合成提供原料供给。