酶是控制大多数生物反应速率保持高效率的催化蛋白质。在很温和的条件下进行的反应（典型的是在室温下于水中进行的反应）往往具有完全的立体化学控制。酶反应体系提供了进行几个反应随后没有中间纯化步骤的可能性。所以，酶反应体系能促进处于某种合成顺序的所有反应。那么，这些催化剂的合成能力的本质是什么？既然世界上没有完美无缺的东西，酶催化剂的限制又有哪些？
蛋白质是由氨基酸组成的线性聚合物。自然界产生的，万物通用的二十种氨基酸中有十九种具有相同的绝对构型，在α位都有手性中心（剩下的一种氨基酸，甘氨酸，则是潜手征性的）。由于这些不对称的氨基酸单体有构象上的优势，蛋白质折叠成一定的三维形状取决于氨基酸排列的顺序。除了构成蛋白质骨架的酰胺基外，许多其它各种各样的官能团也都出现在氨基酸骨架的侧链上，如羟基、巯基、羧基和氨基，因此这些蛋白质都有可能作为酸、碱和亲核催化剂。有机“底物”转移并键合至与底物在形状及化学功能上（氢键及静电作用等）互补的蛋白质表面的某个“活性位点”上，由与底物邻近的一些官能团催化该反应，最初结合至酶上牵扯到若干选择性，这是由于这些起作用的官能团是根据与底物有关的特殊方向排列的，因此在这个阶段就产生了产物的立体化学特征。在具有能量相差无几的可两者择一的两种结合方式的这类少数情形中例外。酶催化反应具有高度的立体选择性，如果需要选择性地转化某种物质的话，这也许比较有利；可是在其它情形下这又限制了酶促反应的普遍性，因为仅仅是一定的化合物才能被有效地催化，然而酸、碱和亲核催化剂均不足以完成所有有益的有机反应，因此一些酶利用一些辅因子（辅酶）催化其它反应，辅因子也即一些能够键合至酶上的较小的有机分子或金属离子。
酶反应的进行有两种方式：
1.用纯化酶处理化合物的溶液（通常是水溶液）。最近，有关把酶以某种活性形式固定在惰性载体上的最新技术上的进展已使得许多酶催化成为可能，这样酶能够重复使用从而达到最大使用效率；而且，为了使辅因子在催化定量系统中起作用，必须能就地让这些已转化的酶再转化至所需要的形式。
2.把化合物加入至能够产生所需酶的正在生长的微生物中。整个生物体的使用通常比分离酶的使用又简单、又便宜。再者，任何所需要的辅因子都可以由微生物自行再生。这种方法的限制是：化合物必须既能在生长培养基中足够可溶，又要能够被生物体吸收。如果有不止一种酶催化细胞内的类似反应，这样就显得复杂了，出现了所观察到的立体选择性的降低，因此竞争性的酶就可能产生不止一种的立体异构体。
为了说明酶在有机合成化学中的应用，我们列举少数几个能够形成和修饰羟基的氧化还原化学的酶催化的例子。当然，在其它领域里也有一些别的与此类似的例子，如水解酶，碳 - 碳键形成酶等。
乳酸脱氢酶
不对称酮还原为相应的仲醇产生了一个新的手性中心，酶催化这个反应就会受到含有二氢吡啶的辅因子（即NADH）的影响。其逆反应由氧化型的吡啶类化合物NAD+辅因子催化。L - 乳酸脱氢酶（L-LDH）是氧化还原催化酶的一种，这种酶比较容易得到，是一种已经可以用来催化许多α - 酮酸还原为一系列α－醇酸的一种对映异构体的一种酶。
反应物到底物的酶促转化可由动力学参数来表示，许多酶均服从“米氏”动力学——用两个参数来表示特定反应的反应效率。米氏常数KM值是当酶反应速度达到最大反应速度（Vmax）一半时所需底物的浓度，Kcat是转化速率常数。由某一起始物质到某种产物的转化效率最好是由Kcat/KM的值来表示（反应程度越高，相应于Kcat最大，KM最小）。由一些兔肌肉里的L-LDH还原不同的α - 酮酸的数据可看出，甚至一些对L-LDH而言不太好的底物（α - 酮酸）也能被这种容易得到的酶有效地还原。
在还原过程中，辅因子NADH被氧化为相应的氧化型NAD+。由于氧化型辅因子NAD+很快軚会通过偶联酶反应而得以再生，所以只需要少量NADH辅因子。加入第二种酶——甲酸脱氢酶，利用NAD+把酸转化为二氧化碳，同时NAD+还原为NADH。第二个反应的平衡由于气体产物二氧化碳的逸出而驱动，这就定量地再生了还原型辅因子，这个例子除了表明酶和辅酶要在催化剂量条件下才起作用外，也说明不同的酶促反应也能同时进行而没有相互干扰。
尽管L－乳酸脱氢酶相对来说是便宜的，但辅酶的产生和酶的重新使用提高了这个过程的费用。怀特赛特的研究小组的结果业已表明，用固定化L-LDH 15 ~ 150毫摩尔的剂量范围内进行了一些反应，这就证实了这种酶在合成中的实用性。总之，对α - 酮酸的还原来说，除了L - 乳酸脱氢酶外另一种相似的酶D - 乳酸脱氢酶也能进行等量反应，产生的产物为相反的对映体，这两种酶的使用使得两种绝对构型的产物分别合成成为对能。
内消旋化合物
在醇被氧化为羰基化合物的过程中，所用的辅因子和前面例子中用的辅因子属同一类型，不同的是这里氧化型辅因子（NAD+）做催化剂。乳酸脱氢酶的情形我们业已了解。当酶底物结合至酶的活性位点时，羰基的潜手征面就区别开来了，其中的一个面可由辅因子还原。
这个原理可以加以推广。如果一个内消旋化合物结合至酶的活性位点上时，不对称环境就将其包围起来，由此潜手征性基团从理论上就能区别开来了。含有两个潜手征性羟基官能团的内消旋化合物这样便优先结合至酶的活性位点上。一旦以这种方式结合上去，其中一个羟基就会接近辅因子而很容易地被氧化。因此，这个化合物将被选择性地转化为高对映体过量的氧化产物。例如，一个对称的双羟基以这种方式结合到马肝醇脱氢酶上，以一级醇羟基被氧化这种方式形成的与相应的半缩醛形成平衡的醛进一步被氧化为内酯。对映体过量（ee）为87%，这表明经过结合底物的（至少）两种结合方向出现的反应的相对效率，这种立体选择性是由一个甲基和一个氢原子间的选择性键合引起的。
维生素C的生产
维生素C（抗败血酸）是一种含有几个不对称碳的重要的糖。商业上它的合成研究是使酶在化学中应用日益精致的一个很好的例子。起始反应物葡萄糖被还原为山梨醇，再经过两次氧化产生维生素C。一个末端羟基，一个中间羟基必须被选择性氧化，但此时并没有保护基团，微生物弱氧化醋杆菌选择性氧化了六个羟基中的一个、该微生物中含有对这个反应有催化作用的酶。由于已区分开了维生素C分子中的这几个羟基，所以遵循常规方法就可以合成维生素C的剩余部分。①用丙酮和酸处理山梨糖使其受到保护，其中只暴露一个醇羟基，进而用常规有机化学试剂选择性地氧化为所要的酸。②用酸性水溶液处理以除去丙酮基，剩下重要的中间体——2 - 酮基古罗糖酸，用酸加热此中间体得到最终的内酯环。这是个用传统酶法和化学法解决糖的选择性作用过程的一个范例。化学法需要选择性地保护那些可能起副反应的官能团。可是如果知道了酶或生物体具有某种合适的选择性的话，我们就不需要保护某些官能团了。
最近，日本的索诺牙玛（T. Sonoyama）和他的同事们使用微生物合成了2 - 酮基古罗糖酸，其合成中连续用了两次发酵。首先，草生欧文氏菌将葡萄糖发酵为2，5 - 二酮基古罗糖酸（简称2，5-DKG），然后分离出来这种糖并饲给加入至棒杆菌属。这种细菌能选择性地还原2，5-DKG中碳 - 5上的碳基为所需要的立体化学醇。棒杆菌作为与乳酸脱氢酶类似的一种酶利用的NADPH的唯一来源。这种酶已由基因工程公司的研究小组加以纯化，并且还得到了其氨基酸顺序的数据。应用遗传密码知识可以预测出编码这种酶的相应的DNA的顺序，并且也已分离到该基因。在一个简单又直接的实验里，这种DNA被引入至原来的草生欧文氏菌品系内，以便产生能直接还原2 - 酮基古罗糖酸的新生物。这种所需的DNA片段被连接到了DNA的一个载体分子上，DNA片段可以在草生欧文氏菌中复制，并且可以抗抗菌素（如四环素），然后把该重组DNA化合物样品同原来已经接受了外来的DNA（需用CaCl2处理）的草生欧文氏菌品系细胞相混合，根据在含有四环素培养基中生长的能力已鉴定了该重组生物体。得到的重组草生欧文氏菌产生了它的一般的酶补体，此外来自棒型细菌的还原酶使得葡萄糖直接发酵产生2 - 酮基古罗糖酸。
和氧化性催化有机转化一样，酶还可以用在不需要分离中间产物的多步有机合成中、含有编码多步有机转化所需的所有酶的DNA的重组生物可以在较便宜的原料（如浸泡在酒中的玉米）中生长，并用来直接产生复杂的有机化合物。
未来与展望
在许多领域中，我们可以联想到酶的逐渐增加的名目繁多的应用。酶的应用已经发展到了对废物的环境处理上。新型酶和新型生物很有前途，例如，含有一个氧化酶的选择补体的重组生物体已经用于处理水上浮油，一些聚合物（如聚苯撑）的制备和生物降解同手性的塑料（如聚羟基丁酸酯就是由原料的缺陷而产生的）的制备表明可以产生一些具有某些有趣特性新材料的潜在可能。
在不对称合成中，抗生素的合成有可能代表了不对称合成领域的发展方向。例如，青霉素和头孢菌素（cephalosporin）生物合成的一些关键酶已经得以纯化，并且也已克隆了相应的基因。用酶作为化学催化剂已经合成了用常规方法不能合成的高度起作用的β - 内酰胺类抗菌素。现存的生物合成酶的基团突变可以产生具有能生产更多奇妙新型抗菌素的修饰催化剂，β - 内酰胺生物合成酶的基因已经被用来有比例地产生了设计好的重组生物体，这种生物体提高了头孢菌素的合成水平。如今正在开发这种生物生产β - 内酰胺的商业应用。这方面的合理发展将是把基因（天然的或突变的）的适当组合引入适当的微生物，以便能够直接发酵新抗菌素的新型生物体。对有机化学家来说，对许许多多选择性有机转化反应的酶的分析和发展是一个持续性的挑战。可是只有当与分子生物学的强有力的新型工具联合起来时，有机化学家的劳动才会得以厚报。
［Chemistry in Britain，1989年3月］