生命的重要特性之一是具有複雜的結構，這些複雜的結構必須有能力由外界獲取能量，來維持其結構之存在。例如
植物和一些能行光合作用的細菌可先獲取光能再轉變為可供使用的化學能；動物則由食物中之葡萄糖經過氧化產生
水及二氧化碳，同時釋放出能量。葡萄糖的氧化反應可以用下列方程式表示：
C6H12O6 + 6O2 →
6CO2 + 6H2O
這樣一個氧化究竟可以釋放出多少能量？在這裏我們就得先複習一下能量與化學平衡反應之間的關係。簡單的說，
任何一個化學平衡反應都是朝著最低能量與最大亂度的方向趨近。因此我們要推斷一個化學反應是否容易進行就必
須考慮反應物與生成物之間熱含量（enthalpy）與熵（entropy）的差異。為了容易記量化學反應的進行，美國化學
家Gibbs提出了一個方程式來描述化學反應的能量變化：
其中，
G為自由能（free energy）之變化；
H為焓（enthalpy）之變化，即反應前後放出（值 為負）或吸收（值為正）的熱量；T為反應之絕對溫度；
S為熵（entropy）之變化。 若
G為負值，表示反應可自動發生。
在溫度為25℃，壓力為1大氣壓下，葡萄糖氧化反應自由能的變化為：
G=
H-T
S
= -673
Kcal/mole-298(0.043)Kcal/mole
= -686Kcal/mole
所以1莫耳葡萄糖氧化可產生686仟卡自由能的變化。從自由能大小我們可以進一步推斷出化學反應的趨向。一般化
學反應進行的難易程度可以反應在平衡常數的大小，它們之間的關係如下：
Keq
反應物<=======>生成物
Keq(平衡常數)= [生成物] / [反應物]
所以平衡常數愈大表示反應到達平衡時，絕大部分的反應物都已經變成了生成物，分母值愈小加上分子值愈大，反
應愈趨向完全！平衡常數的大小是由反應自由能的變化所決定，其間的關係如下：
Keq=
e-G/RT∴
G = -2.303RT㏒Keq
其中，R為氣體常數(1.987 cal/mole) o K，T
為絕對溫度。平衡常數可指出化學反應發生的方向，以上述葡萄糖氧化 為例，Keq可以高達 10504
，表示此反應到達平衡時，幾乎百分之百的葡萄糖都會被氧化掉！
活化能（activation energy）
從理論的計算，當反應到達平衡時，我們可以知道反應物和生成物之間能量之差別，由此來推論反應最終時有多少
反應物會變成生成物，但以上的討論沒有考慮到反應發生是經過什麼樣的路徑和需要多少時間才會完成。所以一個
化學反應理論上「可以」發生，並不表示這個反應就會自動發生，譬如說拿上面討論葡萄糖氧化的例子，這個反應
從能量計算上看來葡萄糖應該會完全氧化成水和二氧化碳的。但實際上我們如果拿一湯匙葡萄糖在空氣中看它多久
才會氧化成水和二氧化碳？我想等到頭髮白了，糖也變不成水和二氧化碳！這裏有個重要的前提，就是反應物必須
先獲得一些能量，讓它能越過一個門檻，它才能順利朝向產物的方向進行，這個反應初始必須要的能量就是「活化能」（activation energy）。
以丁烯（butene）為例，順-丁烯（cis-）轉變為反-丁烯（trans-）是放熱反應，根據熱力學定律，能量由高往低，這
個反應應該會自動發生，但在反應發生的路徑中，順-丁烯的分子組態須先轉變成一個過渡型的組態（transition
state），這種轉變需要能量，即活化能（activation energy），這個能量小於反應形成時放出之能量（反-丁烯的分子
結構比較安定），故整體而言，仍為放熱反應。所以在常溫常壓下，順-丁烯分子無法獲得足夠的活化能來產生過
渡型的組態，進而形成反-丁烯。所以反應無法自動發生。如果提高溫度、壓力或濃度，可使分子振動和彼此碰撞
的機率增大，促使分子進入過渡型組態的機會大為增加，分子一旦獲得能量，得以產生過渡型組態，那麼它往產物 進行的可能性就大大地增加了！
任何化學反應想要在生物體內進行，生命系統就必須演化出一個機制降低化學反應的活化能使這些反應在常溫常壓
下也能順利進行，於是「酵素」的出現就成了維繫生命運作的必要條件了！
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大部分酵素都是由蛋白質組成，蛋白質如何能降低化學反應之活化能？由蛋白質的結構來看，蛋白質是由胺基酸聚合而成的大分子，經過纏繞折疊形成的三度空間結構中，會有一些特定形狀的
空隙存在，而空隙中含有不同胺基酸的支鏈，如果這個空隙的形 狀和反應物的形狀相類似，就像特定的鑰匙插入一個特定的鎖孔
，反應物可以進入這個空隙而和酵素緊密結合在一起！當反應物 周圍被酵素包覆的部分碰到特定胺基酸的支鏈，這些支鏈的化學
特性可以穩定反應物瞬間所形成的轉變組態（transition state）， 讓反應有機會往生成物的方向進行。
使過渡的轉變組態穩定，就等於是降低活化能，使得反應容易發生。酵素可藉著降低反應的活化能來增加化學反應速率，而酵素催化反應速率的倍數與活化能降低的絕對值有關。
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酵素可降低反應的活化能（Ea）。
圖片來源：Purves et al., Life: The Science
of Biology, 4th Edition, by Sinauer Associates and WH Freeman
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一般增加化學反應的速率有兩種方法，一為加壓與加熱，增加分子間碰撞的機會以引發連鎖反應；另一方法則為降低活化能。酵素降低活化能只是增加化學反應的速率，但是對反應最終的平衡狀態並沒有影響，因為酵素無法影響化學反應自由能（
G）的變化，例如葡萄糖在身體內氧化前必須先磷酸化，此為吸熱反應：
Glucose + Pi → G-1-P + H
2O
G= +3.3 Kcal
Keq = [產物] / [反應物] = x / (4.8 ×103)2
Keq =
e -G/RT =
e-+3.3/RT
所以到達反應平衡時，產物的濃度只有[G-1-P] = x = 8.5×10-8M
要如何提高其濃度以促使反應的進行呢？此時加入酵素是沒有用的，因為酵素只能改變反應速率，不能改變平衡常數。葡萄糖磷酸化為吸熱反應，所以可藉由與另一放熱反應相結合來解決此問題。細胞內之能量皆存在於ATP分子
內，ATP為一高能量的分子，因為在ATP中，P帶一些正電，P與P之間為共價鍵結合，但彼此相斥，故為不穩定之分
子，而P與P為一高能量之鍵結，鍵結被打斷，能量就被釋放出來。
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ATP的空間結構
圖片來源：Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th
Edition, by Sinauer Associates and
WH Freeman
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 ATP之構造
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ATP + H
2O → ADP + Pi
G= -7.8 Kcal
Glucose + Pi →
G-1-P + H2O
G= +3.3
Kcal
Glucose + ATP → G
-1 -P + ADP
G= -4.5
Kcal
所以Keq=
e -G/RT =
e-(-4.5)/RT ，Keq約為 800，反應就可以順利完成。
但上述葡萄糖與ATP結合的化學反應無法自動發生，因為反應速率太慢，所以除了有足夠的ATP之外，仍須有酵素 的催化。
酵素可將ATP與葡萄糖同時抓住，使這兩個分子成有效碰撞。
 酵素與葡萄糖結合之填空模型。 圖片來源：Purves et al., Life: The Science of Biology,
4th Edition, by Sinauer Associates and WH Freeman
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身體內的酵素幾乎都是蛋白質，蛋白質是由胺基酸聚合而成，其組成份之構造與組成後新成分之構造可以說明酵素為何能有以上如此大的功能。
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