因为这种“被加快的反应”通常是朝着由一种复杂物质分解为一种比较简单物质的方向进行的，所以贝采利乌斯把这种现象命名为催化作用（源自希腊语，原意主要是“分解”）。于是，铂黑被叫做氢和氧化合的催化剂，而酸被叫做淀粉水解成葡萄糖的催化剂。
催化作用被证明在工业上具有头等的重要性。例如，硫酸是一种仅次于空气、水和食盐的重要无机化合物，而制造硫酸的最好方法就是将硫燃烧——先变成二氧化硫（SO2），再变成三氧化硫（SO3）。如果不加入铂黑一类的催化剂的话，从二氧化硫变成三氧化硫这一步就进行得像蜗牛爬行一样慢。镍粉末（在大多数情况下用它来代替铂黑，因为它比较便宜）以及铜-铬铁矿、五氧化二钒、三氧化二铁、二氧化锰等化合物也是重要的催化剂。事实上，在工业上一个化学生产过程能否成功，在很大程度上取决于能否找到正好适合有关反应的催化剂。正是由于齐格勒发现了一种新型的催化剂，才使聚合物的生产发生了一场革命。
一种物质尽管有时用量很少，却能引起大量的反应，而自己本身并不发生变化，这是怎么回事呢？
有一类催化剂实际上是参加反应的，但它是以一种循环的方式参加反应的，因此它能够连续不断地恢复到原来的形态。五氧化二钒就是一个例子，它能够催化二氧化硫变为三氧化硫。五氧化二钒把它的一个氧原子递给SO2，把SO2变成SO3，而自身变成四氧化二钒（V2O4）。但是四氧化二钒很快与空气中的氧反应，又恢复成V2O5。这样五氧化二钒起了一个“中间人”的作用，把一个氧原子递给二氧化硫，从空气中再另取一个，然后再递给二氧化硫，如此循环不已。这个过程进行得非常快，因此，少量的五氧化二钒就足以使大量的二氧化硫发生转变，而最终五氧化二钒看上去并没有改变。
1902年，德国化学家隆哥提出，上述情况可以解释一般的催化作用。1916年，朗缪尔又向前迈进了一步，他对像铂一类物质的催化作用提出了一种解释：这类物质非常不容易起反应，因而不可能指望它们参与一般的化学反应。朗缪尔认为，铂金属表面多余的价键能够抓住氢分子和氧分子。当氢分子和氧分子被束缚在非常靠近铂的表面时，比起它们作为一般的游离的气态分子更容易化合成水分子。水分子一旦形成，就会被氢分子和氧分子从铂的表面推开。铂捕捉住氢和氧，使氢和氧化合成水，把水释放掉，再捕捉氢和氧，再形成水，这个过程可以无休止地进行下去。
这个过程叫做表面催化作用。自然，一定质量的金属，粉末越细，所能提供的表面积就越大，因而进行催化作用的效率也就越高。当然，如果有任何外来的物质牢固地附着在铂表面的键上，就会使这种催化剂中毒。
所有的表面催化剂多少都具有选择性或专一性。有些容易吸收氢分子，因而能够催化与氢有关的反应；另一些容易吸收水分子，因而能够催化缩合反应或水解反应；等等。
表面普遍具有能够吸附多层分子的能力（吸附作用），这种能力除了可以催化以外，还可以有其他用途。制成海绵状的二氧化硅（硅胶）能吸收大量的水，把它放进电子设备里，可以起干燥剂的作用，使湿度降低。在湿度高的情况下，电子设备的性能会受到损害。
还有，研成细粒的木炭（活性炭）很容易吸附有机分子；有机分子越大就越容易被吸附。活性炭可以用来使溶液脱色，因为它能吸附有色的杂质（通常分子量很大），而留下所需要的物质（通常无色，分子量也比较小）。
活性炭还被用于防毒面具。这个用途英国医生斯坦豪斯早就预示到了，1853年，他首先制成了一个活性炭空气过滤器。空气中的氧和氮通过这种物质时不受影响，但比较大的毒气分子则被吸附。
发酵
有机界同样有自己的催化剂。实际上，其中有些催化剂已经知道了几千年，虽然当时并不叫那个名称。它们同做面包和酿酒一样源远流长。
生面团如果只有自身而不加任何东西，就会发不起来。加一块酵母（源自拉丁语，原意为“发起来”），就会开始起泡，使面团膨胀而变轻。
酵母还能使果汁和谷类加速转化成酒。在转化过程中同样也形成气泡，因此人们把这个过程叫做发醉。酵母的制品通常称为酵素。
直到17世纪，人们才发现了酵母的本质。1680年，一位荷兰研究者列文虎克第一次看到了酵母的细胞。为此，他使用了一种使生物学产生革命的仪器——显微镜。显微镜是根据透镜可以使光线折射和聚焦的原理制成的。早在1590年，一位荷兰眼镜制造商Z.詹森就设计了用组合镜片组成的仪器（复显微镜），这些早期的显微镜大体上是可以使用的，但由于镜片磨得不好，被放大的物体成为模糊不清的斑点。列文虎克用的镜片很小，但磨得很细，即使把物体放大200倍仍很清晰。他使用的是单透镜（简单显微镜）。
随着时间的推移，把好的镜片组合使用的做法越来越普遍（因为复显微镜至少在潜力方面比简单显微镜大得多），微观世界进一步被打开。在列文虎克以后一个半世纪，法国物理学家卡格尼亚尔·德拉图尔使用一台优质的复显微镜，专心地研究酵母的细小斑点，发现这些小斑点竟然是活的——它们正在进行繁殖。于是，在19世纪50年代，酵母成了一个研究的热门课题。
当时，法国的酿酒业正陷入困境。陈酒变酸，变得没法再喝，损失达数百万法郎。这个问题被提到位于葡萄种植区中心的利尔大学科学系的年轻系主任那里。这位年轻的系主任就是巴斯德。他由于最先在实验室里分离出对映体，当时已经出了名。
巴斯德在显微镜下研究葡萄酒中的酵母细胞。他明显地看到，酵母细胞有许多不同的种类。所有的葡萄酒都含有引起发酵的酵母，但是那些变酸的葡萄酒还含有另外一种酵母。巴斯德认为，葡萄酒是在发酵完成以后才开始变酸的。既然在必要的发酵以后不再需要酵母，为什么不在这个时候把所有的酵母都去掉，以免那个坏种捣乱呢？
因此，他向一家被吓坏了的酿酒厂建议，在葡萄酒发酵后稍微加热，以杀死酒中所有的酵母。他预言，这样葡萄酒就能陈酿而不变酸。那家酿酒厂勉强试验了他这个令人难以接受的建议，高兴地发现酒不再变酸了，而且酒的味道并没有因为加热而受到任何损害。酿酒业得救了。此外，这种稍微加热法（巴氏杀菌）后来也用于牛奶，以杀死牛奶里的细菌。
除了酵母以外，其他生物体也能加速分解过程。实际上，在肠道里就进行着类似于发酵的过程。第一个以科学的方法研究消化的人是法国物理学家列奥米尔。他用鹰作为实验对象。1752年，他让鹰吞下几个里面装有肉的小金属管；金属管保护肉不受任何机械研磨作用，但是管上都有用格栅挡着的小孔，使胃里的化学过程能够作用到肉上。列奥米尔发现，当鹰吐出这些管子的时候，肉已经部分地分解了，而且管中有一种带黄色的液体。
1777年，苏格兰医生史蒂文斯从胃里分离出一种液体（胃液），并且证明分解过程可以在体外进行，从而把分解过程与生命的直接影响分离开来。
显然，胃液里含有某种能加速肉分解的东西。1834年，德国博物学家施万把氯化汞加入胃液，结果沉淀出一种白色粉末。把汞化物从粉末中除去，再把剩下的粉末溶解，此时他得到一种浓度非常高的消化液。他把他发现的这种粉末叫做胃蛋白酶（源自希腊语“消化”）。
同时，两位法国化学家帕扬和佩索兹发现，麦芽提取物中有一种物质，能够把淀粉转变成糖，而且比酸还要快。他们称这种物质为淀粉酶制剂（源自希腊语“分离”），因为这种物质是从麦芽中分离出来的。
在很长一段时间里，化学家们对像酵母细胞一类的活体酵素和像胃蛋白酶一类的非活体（即无细胞结构的）酵素作了明确的区分。1878年，德国生理学家库恩提出把后者称做酶（源自希腊语“在酵母中”）。库恩当时没有意识到，“酶”这个词以后会变得多么重要，多么普遍。
1897年，德国化学家毕希纳用砂粒研磨酵母细胞，把所有的细胞全部研碎，并成功地提取了一种液体。他发现，这种液体能够像原酵母细胞一样完成发酵任务。活体酵素与非活体酵素之间的区别一下子消失了。这对于活力论者又是一次打击，活力论者对生命和非生命进行了带有神秘色彩的区分。“酶”这个词现在用于所有的酵素。
由于这项发现毕希纳获得了1907年的诺贝尔化学奖。
蛋白催化剂
现在我们可以把酶简单地定义为有机催化剂。化学家们开始着手分离酶，想看看它们究竟是些什么样的物质。麻烦的是，在各种细胞和天然液体内，酶的含量都非常小，而且所得到的提取物总是混合物，很难分清其中哪些是酶，哪些不是酶。
许多生物化学家曾经猜测酶就是蛋白质，因为稍微加热，酶的特性很容易被破坏，就像使蛋白质变性一样。但是，在20世纪20年代，德国生物化学家威尔施泰特报道说，某些纯化了的酶溶液（他认为他已经从中去掉了所有的蛋白质），表现出明显的催化作用。他的结论是：酶不是蛋白质，而是比较简单的化学物质，它实际上可能是利用蛋白质作为载体分子。当时大多数生物化学家都站在威尔施泰特一边，他是诺贝尔奖金获得者，享有很高的威望。
可是，这个学说刚一提出，康奈尔大学的生物化学家萨姆纳几乎马上就提出有力的证据予以反驳。萨姆纳从刀豆（一种美洲热带植物的白色种子）中分离出一些结晶，溶解后显示出一种叫做脲酶的酶的特性，即能够催化尿素分解成二氧化碳和氨。萨姆纳的结晶显示出明显的蛋白质性质，而且他无法把蛋白质与酶的活力分开。凡是使蛋白质变性的东西也都会破坏这种酶。这一切好像都证明，他所得到的是一种纯的结晶状的酶，而且证明酶是一种蛋白质。
由于威尔施泰特的巨大威望，在一段时间内萨姆纳的发现没有受到重视。但是，1930年，洛克菲勒研究院的化学家诺思罗普和他的同事们证明萨姆纳的发现是正确的。他们结晶出了许多种酶（包括胃蛋白酶在内），而且发现它们都是蛋白质。此外，诺思罗普还证明，这些结晶都是纯蛋白质，即使溶解并稀释到一般化学试验（如威尔施泰特所做的那些试验）不能再查到蛋白质存在的程度，仍然会保持它们的催化活力。
酶就这样被证实是蛋白催化剂。到目前为止，人们已经识别出大约2000种不同的酶，并对200多种酶进行了结晶——全部都是蛋白质，无一例外。
由于他们的工作，萨姆纳和诺思罗普分享了1946年的诺贝尔化学奖。
酶作用
酶在高效率和专一性两个方面都非常像催化剂。例如，有一种叫做过氧化氢酶的酶，可以催化过氧化氢分解成水和氧。虽然现在溶液中的过氧化氢也可以用铁屑或二氧化锰来催化，但是，在相同重量的情况下，过氧化氢酶加快分解的速率要比任何无机催化剂都快得多。在10℃时，每一分子的过氧化氢酶每秒钟能够使44000分子的过氧化氢分解。所以，只要有浓度很小的酶就能完成它的功能。
由于同样的原因，只要服用少量能干扰一种主要酶作用的物质（毒物），就能结束生命。将重金属以氯化汞或硝酸钡等形式给人服用后，它们就会与许多酶活性所必不可少的巯基发生反应。那些酶停止作用，生物体就会中毒。像氰化钾或氰化氢一类的化合物，用它们的氰基与其他主要酶的铁原子结合，很快就能使动物死亡。
在常见的毒物中，一氧化碳是个例外。一氧化碳基本上不作用于酶而与血红蛋白分子结合（血红蛋白是一种蛋白质，但不是一种酶）。在一般情况下，血红蛋白把氧从肺运送给细胞，但是被一氧化碳缠住后，就不能运送氧了。不使用血红蛋白的动物不受一氧化碳的伤害。
酶具有高度专一性，过氧化氢酶就是一个很好的例子，它只分解过氧化氢而不分解任何其他物质；而无机催化剂，如铁屑和二氧化锰等，不仅可以分解过氧化氢，而且可以催化许多其他反应。
怎样解释酶的高度专一性呢？隆哥和朗缪尔关于催化剂的行为像中间人的学说提出了一种答案。假定我们认为一种酶和它的底物（酶催化其反应的物质）形成一种暂时的结合，这样，这种酶的形状或构型可能起着非常重要的作用。显然，每一种酶必定有一个非常复杂的表面，因为它有许多不同的侧链从肽主链上突出出来。这些侧链中有的带负电荷，有的不带电荷；有的大，有的小。人们可以设想，每一种酶可能都有一个正好与某种底物相配合的表面，换句话说，它与底物的配合就像钥匙配锁一样。因此，它很容易与那种物质结合，而很难或根本不与其他物质结合。这样就可以解释酶的高度专一性了：每一种酶都有一个定做的表面（打个比方），用来和一种特殊的化合物结合。如果是那样的话，蛋白质由那么多不同的单元组成，而且由活组织制造出那么多的种类，就没有什么可奇怪的了。
酶作用的这种学说是英国生理学家贝利斯在他的著作中首先提出的。他研究的是一种叫做胰蛋白酶的消化酶。1913年，德国化学家米歇里斯和他的助手门腾利用这个学说研究出了米歇里斯-门腾反应式，描述了酶执行其功能的方式，使这些催化剂变得不那么神秘了。
人们发现，如果有一种在结构上与某种底物类似的物质存在的话，就会减慢或抑制底物的这种酶促反应。这也证实了这种锁钥观点。最有名的是关于琥珀酸脱氢酶的例子：这种酶能够催化从琥珀酸中脱去两个氢原子的反应；如果有丙二酸（和琥珀酸非常相似）存在，这个反应就不能进行。琥珀酸和丙二酸的结构式如下：
这两个分子之间惟一的区别就是在琥珀酸的左侧多一个CH2基。因为丙二酸的结构与琥珀酸相似，所以大概丙二酸可以附着在琥珀酸脱氢酶的表面。一旦丙二酸在酶的表面上先占据了琥珀酸要附着的点（打个比方说），它就会一直堵塞在那里，酶就失去了作用。就酶的正常功能来说，丙二酸使酶中了毒。这种作用叫做竞争性抑制。
支持酶-底物复合物学说的最确实的证据来自光谱分析。人们推测，如果一种酶与它的底物结合的话，在吸收光谱方面应当有变化：结合物所吸收的光应当不同于单独的酶或单独的底物所吸收的光。1936年，英国生物化学家基林和曼，在过氧化氢酶溶液中加入它的底物过氧化氢以后，探测到颜色的改变。美国生物化学家钱斯进行了光谱分析，发现在吸收图样中有两种渐进的变化，一个接着一个。他认为，图样的第一种变化是由于酶和底物在以一定的速率形成复合物，而第二种变化是因为随着反应的完成，这种结合在减慢。1964年，日本生物化学家八木宣称，他分离出一种由D-型氨基酸氧化酶和它的底物丙氨酸松散结合而组成的酶-底物复合物。
现在又出现了一个问题：催化作用是需要整个酶分子呢，还是需要它的某一部分就够了呢？这在理论上和实践上都是一个重要的问题。今天酶已被广泛应用：被用来制药、制造柠檬酸以及许多其他化学品。如果不必用整个酶分子，而用它的某一小片段就可完成反应，或许这一活性部分可以人工合成，从而使生产过程不必依赖利用像酵母、霉菌和细菌一类的活细胞了。
已经朝着这个目标取得一些有希望的进展。例如，诺思罗普发现，当在胃蛋白酶分子的酪氨酸的侧链上加上一些乙酞基的时候，酶就失去部分活性；但是，当把乙酞基加在胃蛋白酶的赖氨酸的侧链上时，酶的活性没有任何损失。因此，酪氨酸一定与胃蛋白酶的活性有关，而赖氨酸显然无关。这是第一次表明，酶可能含有其活性不需要的部分。
最近，另一种消化酶的活性部位被更准确地确定出来，这种酶叫胰凝乳蛋白酶。胰腺最先分泌出它时不带活性，叫做胰凝乳蛋白酶原。这个没有活性的分子通过扯裂一个单肽键（由胰蛋白酶来完成）而转变成有活性的分子：好像是暴露出单个氨基酸就会给胰凝乳蛋白酶以活性。现在已经证明，把一个DFP（二异丙基氟磷酸）分子附着在胰凝乳蛋白酶上，就会停止这个酶的活性。人们推测，DFP附着在一种主要氨基酸上。由于DFP的标记作用，已经证认出那个氨基酸就是丝氨酸。事实上，人们发现DFP还附着在其他消化酶的丝氨酸上。在每次发现中，丝氨酸都是处在4个氨基酸排列顺序的同一个位置上：甘氨酸-天门冬氨酸-丝氨酸-甘氨酸。
已经证明，只有这4个氨基酸组成的肽表现不出催化的活性。显然，酶分子的其余部分也以某种方式起着作用。我们可以把这4个氨基酸顺序（活性中心）看成是一把刀的刀刃，如果没有刀把，它就毫无用处。
在氨基酸链上活性中心（刀刃）也不一定全都在一起。我们来看一看核糖核酸酶。因为已经知道它的124个氨基酸的准确顺序，所以可以设想一些方法，有意地变换链上的某一个氨基酸，看看这种变化对酶的作用有什么影响。结果发现，有3个氨基酸是酶作用所特别需要的，但是它们相隔很远。它们是第12位的组氨酸、第41位的赖氨酸和第119位的另一个组氨酸。
当然，这种分离的情况只存在于被看成是一长串的链中。在工作分子中，链卷曲成一个特殊的立体构型，由跨越各圈的4个胱氨酸固定位置。在这样的分子中，3个必要的氨基酸被聚集在一起，形成一个紧密结合的单元。
在对溶菌酶的研究中，使活性中心的问题变得更加明确。许多地方（包括眼泪和鼻涕）都有溶菌酶，它能催化分解组成细菌细胞壁的某些物质的主要键，从而使细菌细胞溶解，就好像它能使细胞壁破裂，使细胞里面的东西漏出来似的。
溶菌酶是第一个对结构进行全面立体分析的酶（1965年）。经过这种立体分析可以证明，受溶菌酶作用的细菌细胞壁的分子正好与酶结构上的一个裂隙相符。人们发现主要键位于谷氨酸（第35位）侧链上的一个氧原子和天门冬氨酸（第52位）侧链上的另一个氧原子之间。这两个位置通过氨基酸的折叠而聚集在一起，相隔的距离正好可以配上一个要攻击的分子。在这样的情况下，断开键所需要的化学反应很容易发生。溶菌酶就是以这种方式专门组织起来发生作用的。
此外，有时还会发生这样的情况，酶分子的刀刃根本不是一组氨基酸，而是性质完全不同的一种原子结合物。我将在本书的后面讲几个这方面的例子。
我们不能随意改变刀刃，但是我们能否改变一下刀把而不损害这一工具的使用价值呢？刀把有自己的用途，这是没有疑问的。酶在其自然状态下似乎很不平稳，不用怎么扭曲就能呈现多种不同的形状。当给活性部位增加底物时，酶就按照底物的形状调整自己的形状，由于分子的非活性部分的“退让”，所以它们配合得非常紧密，催化作用的效率也很高。形状稍微不同的底物就不会那样充分地利用这种“退让”，因而不会受到什么影响——实际上，还可以抑制酶作用。
而且，酶还可以简化，可能要以损失部分（而不是全部）效率为代价。例如，像胰岛素一类的蛋白质就有许多不同的种类存在，这就促使人们相信，简化是可能的。胰岛素是一种激素，而不是一种酶，但是它的功能具有高度专一性。在胰岛素G链的某一位置上，有一段3氨基酸顺序，在不同的动物体内排列顺序不同：在牛体内为丙氨酸-丝氨酸-缬氨酸；在猪体内为苏氨酸-丝氨酸-异亮氨酸；在羊体内为丙氨酸-甘氨酸-缬氨酸；在马体内为苏氨酸-甘氨酸-异亮氨酸，等等。但是，这些胰岛素中的任何一种都可以代替其他任何一种，而且都能执行同样的功能。
此外，有时把一个蛋白质分子切去一大段对它的活性没有什么严重影响（如同把刀把或斧子把弄短一点不会使其效率损失多少一样）。适当的例子是一种叫做促肾上腺皮质激素（ACTH）的激素。这是一种由39个氨基酸组成的肽链，氨基酸的排列顺序现在已经完全确定下来，从C末端一直去掉15个氨基酸也不会失去这种激素的活性；而从N末端（打个比方说，刀刃）去掉一两个氨基酸，它就会立即失去活性。
对从木瓜树的果实和树液中提取的木瓜蛋白酶也进行了同样的实验。它的酶作用与胃蛋白酶相似。从N末端去掉胃蛋白酶分子的180个氨基酸，看不出它的活性有什么降低。
因此，至少可以设想，酶将会进一步简化到可以大量人工合成的程度。那时候，合成酶就会以比较简单的有机化合物的形式大规模生产，并应用于各个方面。这将是化学小型化的一种方式。
新陈代谢
一个像人体这样的生物体就是一座种类繁杂的化工厂：它吸入氧气并喝水；它把碳水化合物、脂肪、蛋白质以及其他原料作为食物吃进去，又把各种未消化的东西和细 菌以及由细菌引起的腐败产物排出来；它还通过肺排出二氧化碳，通过肺和汗腺排出水，并排泄尿，由尿带出许多溶解的化合物，其中主要是尿素。这些化学反应决定着身体的新陈代谢。
通过检查进入身体的原料和排出的废物，我们就可以知道体内发生的一些情况。例如，由于进入体内的氮大部分是由蛋白质供给的，所以我们知道，尿素一定是蛋白质新陈代谢的一种产物。但是，在蛋白质和尿素之间，有着一条漫长而又曲折复杂的路径。身体的每一种酶只能催化一种特殊的微弱反应，大概只能重新排列两三个电子。身体的每一个大的转变都要涉及到许多步骤和许多酶，即使看上去像微小的细菌那样的生物，也必须利用几千种不同的酶和化学反应。
这一切可能看上去极其复杂，但这正是生命的本质。通过增加或减少适当的酶的产生，就可以微妙地控制各种组织中的大量复杂的反应。酶控制体内的化学反应，就像手指在弦上的复杂动作控制小提琴的演奏一样；没有这种复杂性，身体就不能完成它的多种功能。
组成身体新陈代谢的反应不计其数，要追踪这些反应的过程就等于要追踪生命的轮廓。企图详细追踪这个过程，企图弄明白同时发生的无数个反应之间的相互紧密配合，看来可能确实是一件极其艰巨甚至没有希望的工作。艰巨是事实，但并不是没有希望。
把糖变成乙醇
化学家们对新陈代谢的研究，是从努力查明酵母细胞怎样把糖变成乙醇开始的。1905年，两位英国化学家哈登和W.J.扬提出，这个过程与含磷酸基糖类的形成有关。哈登和W.J.扬最先注意到，磷在新陈代谢中起着重要作用（从那时起磷的作用日益突出）。哈登和W.J.扬甚至在活组织里发现了一种由含有两个磷酸基（PO3H2）的果糖组成的糖基磷酸醋。这种二磷酸果糖（有时仍叫做哈-扬二氏酯）是被明确证认出来的第一种代谢中间物，即在从化合物被摄入体内到化合物被排出体外的过程中，被认识到的第一种暂时形成的化合物。哈登和W.J.扬就这样创立了中间代谢的学科，专门研究这些中间产物的性质及与它们有关的反应。由于这项工作以及对在酵母使糖转化成乙醇过程中有关酶的进一步研究工作，哈登分享了1929年的诺贝尔化学奖。
1918年，德国化学家迈尔霍夫证明，动物细胞（如肌肉细胞）分解糖的方式和酵母基本相同，从而使开始时只涉及酵母细胞的问题具有了更加广泛的重要性。主要差别是：在代谢这一特殊的过程中，动物细胞的分解作用不如酵母细胞彻底。例如，它不是把6个碳的葡萄糖分子一直分解成2个碳的乙醇（CH3CH2OH），而只是分解成3个碳的乳酸（CH3CHOHCOOH）。
迈尔霍夫的研究首次说明了一个普遍的原理：在一切生物（从最简单的到最复杂的）体内，新陈代谢所经历的途径是一样的，只有一些微小的差别。从此这个原理为世人所公认。由于迈尔霍夫对肌肉中乳酸方面的研究，他和英国生理学家希尔一起分享了1922年的诺贝尔医学与生理学奖。希尔是从肌肉产生热的角度研究肌肉的，他所得出的结论与迈尔霍夫从化学研究中得到的结论非常相似。
在1937～1941年期间，在圣路易华盛顿大学工作的科里夫妇（C.F.科里和G.T.科里），研究出了从糖转化成乳酸过程中的各个步骤的细节。他们利用组织提取液和提纯的酶来使各种糖磷酸醋发生变化，然后像玩拼板游戏一样把所有这些变化拼集在一起。他们提出的各个步骤变化的图式至今仍然没有什么改动。科里夫妇分享了1947年的诺贝尔医学与生理学奖。
在糖转化成乳酸的过程中，产生一定的能量，这种能量为细胞所利用。酵母细胞在使糖发酵时就靠这种能量来生活，肌肉细胞在必要的时候也是如此。重要的是，要记住这种能量是在不使用空气中的氧的条件下得到的，因此，即使当肌肉需要消耗较多的能量，而通过血流较慢的速率给肌肉供氧的反应满足不了这种需要时，肌肉仍能工作。然而，随着乳酸的积聚，肌肉就会越来越疲劳，最后肌肉必须休息，直到氧把乳酸分解掉。
代谢能量
下一个问题是：由糖分解成乳酸所产生的能量是以什么方式供给细胞，而细胞又是怎样利用这种能量的呢？德国出生的美国化学家F.A.李普曼从他1941年开始的研究中找到了一个答案。他证明，在碳水化合物代谢过程中形成的某些磷酸化合物，在连接磷酸基和分子其余部分的键上，储存着大量的能量。这种高能磷酸键被转移给所有细胞中都有的能量载体，这些载体中最有名的就是ATP（腺苷三磷酸）。ATP分子和某些类似的化合物可以说是身体能量的“零用钱”。它们把这种能量储存在整齐的、大小适宜而又随时可取的“口袋”里。当磷酸键被水解断开时，这种能量就能转换成把氨基酸合成蛋白质的化学能，转换成传导神经冲动的电能，或者经过肌肉收缩转换成动能等等。虽然在任何一个时候ATP的储量都很少，但总是够用（只要生命存在），因为旧的ATP分子一用完，新的ATP分子立即形成。
由于这一重要发现，F.A.李普曼分享了1953年的诺贝尔医学与生理学奖。
哺乳动物的身体不能像酵母那样把乳酸转变成乙醇，而是通过另一种代谢途径，绕过乙醇，把乳酸直接分解成二氧化碳（CO2）和水。在进行这种分解时，身体消耗氧，而且产生的能量比葡萄糖变为乳酸的不需要氧的转换所产生的能量多得多。
代谢与消耗氧有关，这个事实提供了一种追踪代谢过程（即查明在代谢过程中产生的中间产物）的简便方法。比如说，在连续反应的某一步骤上，某一种物质（例如琥珀酸）被怀疑是中间底物。我们可以把这种酸和活组织（或在许多情况下和单一的酶）混合在一起，测定出这种混合物的耗氧速率。如果耗氧快，我们就可以确信，这种特殊的物质确实能够促进这个过程。
德国生物化学家瓦尔堡设计了一种可以用来测定耗氧速率的关键仪器，叫做瓦尔堡测压计。它是由一具小烧瓶（在里面将底物和活组织或酶混合）和一个细U型管组成的，U型管的一端连接着烧瓶，另一端的口开着。在U型管的下部装有带色的液体。当酶和底物的混合物从烧瓶里的空气中吸收氧时，就会在烧瓶里形成少量的真空，因而连接烧瓶那一侧的U型管里的带色液体就会上升。利用这种带色液体上升的速率，就可以计算出耗氧的速率（图12-4）。
图12-4 瓦尔堡测压计
瓦尔堡的活组织耗氧实验为他赢得了1931年的诺贝尔医学与生理学奖。
瓦尔堡和另一位德国生物化学家维兰德证认了乳酸分解过程中的放能反应。在一系列的反应过程中，成对的氢原子被一种叫做脱氢酶的酶从中间产物上脱掉。这些被脱掉的氢原子在一种叫细胞色素的酶的催化作用下又与氧化合。在20世纪20年代后期，瓦尔堡和维兰德对这两个反应哪一个更重要争论不已，瓦尔堡认为是耗氧，维兰德认为是脱氢。最后，基林证明这两个步骤都是必不可少的。
德国化学家克雷布斯继续研究出了由乳酸变成二氧化碳和水的全部反应顺序和中间产物。这叫做克雷布斯循环，也称做柠檬酸循环，因为柠檬酸是这一过程中形成的主要产物之一。由于他在1940年完成的这项成就，克雷布斯和F.A.李普曼分享了1953年的诺贝尔医学与生理学奖。
克雷布斯循环为在呼吸中利用分子氧的那些生物（即除少数几种厌氧菌以外的所有生物，厌氧菌依靠与氧无关的化学反应的能量）产生了所需要的大部分能量。在克雷布斯循环的不同点上，一种化合物会失去两个氢原子，这两个氢原子最终要与氧化合成水。这个“最终”隐藏了许多细节。这两个氢原子由一种细胞色素分子传递给另一种细胞色素分子，直到最后一种细胞色素氧化酶才把这两个氢原子传递给分子氧。沿着细胞色素的行列，形成ATP（腺苷三磷酸）分子，为身体提供了自身化学反应所需能量的“零用钱”。克雷布斯循环的每一圈总计形成18个ATP分子。因为整个过程涉及到氧和为形成ATP而积聚的磷酸基，所以这整个过程叫做氧化磷酸化，这是活组织的一个关键反应。如果这个反应受到任何严重干扰（如一个人吃了氰化钾），几分钟之内就会致死。
参加氧化磷酸化的全部物质和酶都包含在细胞质内的小颗粒里。这些颗粒是德国生物学家本达1898年首先发现的，当然，当时他并不了解它们的重要性。他把它们称为线粒体（他误认为它们是“软骨的丝”），这个名称就这样保留下来。
一般线粒体呈橄榄球形，约1/10000英寸长，1/25000英寸粗（1英寸＝2.47厘米）。一个一般细胞含有大约几百个到上千个线粒体。非常大的细胞可以含有几十万个，而厌氧菌里一个也没有。第二次世界大战以后，电子显微镜的研究证明，线粒体虽然很小但有自身的复杂结构。线粒体有一个双层膜，外膜光滑，内膜精巧地折叠成脊，以增大表面积。沿着线粒体的内层表面有几千个叫做基粒的微小结构。看来这些基粒就是进行氧化磷酸化的实际场所。
脂肪的代谢
在此期间，生物化学家在研究脂肪的代谢方面也取得了进展，已经知道，脂肪分子是碳链，它们可以水解成脂肪酸（最常见的有16个或18个碳原子长），并且每次可以从分子上分解两个碳。1947年，F.A.李普曼发现了一种相当复杂的化合物，它在乙酰化中起作用，即把一个二碳片段由一种化合物转移给另一种化合物。他把这种化合物叫做辅酶A（A代表乙酰化）。3年以后，德国生物化学家吕南发现辅酶A与脂肪的分解有密切关系。辅酶A一旦附着在一个脂肪酸上，就会接连发生四个步骤的反应，最后在辅酶A附着的链的那一端的末尾断掉两个碳原子；接着另一个辅酶A分子附着在剩余的脂肪酸上，再断掉两个碳原子，这样继续进行下去。这个过程叫做脂肪酸氧化循环。由于这项成就和其他成果，吕南分享了1964年的诺贝尔医学与生理学奖。
一般说来，蛋白质的分解显然一定比碳水化合物或脂肪的分解复杂得多，因为蛋白质的分解涉及到二十来种不同的氨基酸。在某些情况下这个分解过程比较简单：一个氨基酸上有一种微小的变化就可能把这个氨基酸变成一种能够进入柠檬酸循环的化合物（如脂肪酸断掉的两个碳的片段那样）。但是氨基酸主要还是通过复杂的途径分解的。
现在我们再回到蛋白质转变成尿素上来，这个问题我在酶一节中已经谈过了。这种转变碰巧比较简单。
有一个原子团是尿素分子成为精氨酸侧链的一部分所必不可少的。这个原子团可以被一种叫做精氨酸酶的酶截下来，剩下一种被截短的氨基酸，叫做鸟氨酸。1932年，克雷布斯和他的一位同事亨斯雷特，在利用大鼠肝组织研究尿素的形成时发现，当他们把精氨酸加到大鼠肝组织里时，大鼠肝组织产生大量的尿素——实际上，远远超过他们加入的精氨酸的每个分子都分解所能产生的量。克雷布斯和亨斯雷特断定，精氨酸一定起着使尿素反复产生的催化剂的作用。换句话说，在精氨酸分子被精氨酸酶截去其尿素结合部分以后，剩下的鸟氨酸又从其他氨基酸中获得氨基（加上从体内得到的二氧化碳），重新形成精氨酸。就这样精氨酸分子反复分解，再形成，再分解，一直进行下去，每次都产生一分子的尿素。这个过程叫做尿素循环，也叫做鸟氨酸循环或克雷布斯-亨斯雷特循环。
利用精氨酸除去氮以后，剩下的氨基酸的碳主链就可以通过各种途径分解成二氧化碳和水，同时产生能量（碳水化合物、脂肪和蛋白质的新陈代谢全过程见图12-5）。
图12-5 碳水化合物、脂肪和蛋白质新陈代谢全过程示意图
示踪剂
虽然可以利用所有这些方法对新陈代谢进行研究，但是仍然使化学家们好像处于一种从屋外向里观瞧的境地。他们能够说明总的循环，但要查明活的动物体内实际发生的情况，他们需要一些追踪的方法，非常详细地了解新陈代谢各个阶段的各种事件的过程，也就是追踪各种特定分子的实际命运。实际上，在本世纪初就发现了追踪的技术，但是化学家们未能很快地充分利用这些技术。
首先沿着这个途径开创前进的是德国生物化学家努普。1904年，他想出了一个方法：用带有标记的脂肪分子喂狗，然后观察这些分子会发生什么变化。他把一个苯环连接在链的一端，给脂肪分子做上标记；他使用苯环是因为哺乳动物体内没有能够分解苯环的酶。努普推想：苯环在尿中出现时所携带的东西可能会告诉我们一些有关脂肪分子在体内怎样分解的情况。他的推想是正确的：排出的苯环总是附带着一个双碳的侧链。他由此推断，身体一定是每次从脂肪分子上分解出两个碳原子。（前面我们已经看到，40多年后，对辅酶A的研究证实了他的推断。）
一般脂肪上的碳链都含有偶数的碳原子。如果使用链上含有奇数碳原子的脂肪又会如何呢？在这种情况下，要是一次截去两个碳原子的话，最后在苯环上就会只附带一个碳原子。努普用这种脂肪喂狗，最后的结果果然如此。
努普在生物化学上使用了第一种示踪剂。1913年，匈牙利化学家赫维西和他的同事德国化学家帕内特想出了另一种标记分子的方法：放射性同位素。他们从利用放射性铅开始。第一个生化实验就是以铅盐溶液的方式测量一棵植物吸收了多少铅。由于植物吸收铅的量确实太小了，用任何可以利用的化学方法都测量不出来。但是，如果使用放射性铅，利用铅的放射性就很容易测量出来。赫维西和帕内特给植物施加上这种带有放射性标记的铅盐溶液；每过一段时间，他们就烧掉一颗植物，然后测定它的灰烬的放射性。用这种方法，他们能够确定植物细胞吸收铅的速率。
但是苯环和铅是非常不利于生理的物质，用它们来作标记很容易破坏活细胞正常的化学反应。最好能够使用实际参与体内一般代谢作用的原子（如氧、氮、碳、氢、磷等原子）来作标记。
1934年约里奥-居里夫妇证实了人工放射性以后，赫维西立即转到这个方向上来，开始使用含有放射性磷的磷酸盐。他用这种盐测定了植物中磷酸盐的吸收量。遗憾的是，活组织中的一些主要元素的放射性同位素（尤其是氮和氧）是不稳定的，因为它们的寿命很短，最多只有几分钟的半衰期。但是，一些最重要的元素中的确有可以用作标记的稳定同位素。这些同位素是碳-13、氮-15、氧-18和氢-2。在通常情况下，它们产生的量非常小（大约为1%或更少）。比方说，在氢-2中，“浓缩”天然氢就可以使氢作为含氢分子的特殊标记进入身体，而任何化合物中有重氢都可以用质谱仪探测出来。质谱仪是利用重氢多余的重量将重氢分离的。这样，人们就可以在全身追踪带有标记的氢的命运了。
事实上，氢是人们使用的第一种生理示踪剂。1931年尤里分离出氢-2（氘），这时人们可以用氘来示踪了。用氘作为示踪剂最先弄清楚的几件事情之一是，体内的氢原子并不像人们曾经认为的那样固定在它们的化合物上。结果证明，它们总是从一种化合物到另一种化合物，穿梭般地来回跑动，在糖分子、水分子等的氧原子上不停地交换位置。因为无法把一个一般的氢原子与另一个相区别，所以，如果没有氘来泄露，这种穿梭活动是发现不了的。这一发现表明，氢原子在体内到处跑动，如果把氘原子附着在氧上，那么，不管有关化合物是否发生全部的化学变化，氘原子都会散布到全身。因此，研究人员必须查明，在一种化合物中发现的氘原子是通过某种确定的酶促反应到那里去的，而不只是通过穿梭或交换的方法跑去的。可庆幸的是，附着在碳上的氢原子不交换，所以，沿碳链发现的氘具有代谢的意义。
1937年，德国出生的美国生物化学家舍恩海默和他的同事们开始使用氮-15，进一步强调了原子的游动习性。他们用带有氮-15标记的氨基酸喂养大鼠，过一定的时间以后把大鼠杀死，然后分析大鼠的组织，看哪些化合物中带有氮-15。他们又一次发现交换是重要的。一个带有标记的氨基酸进入身体以后，很快就发现几乎所有的氨基酸都带有氮-15。1942年，舍恩海默出版了一本书，名为《身体成分的动态》。这个书名就说明了同位素示踪剂给生物化学带来的新面貌。原子完全摆脱实际化学变化，在繁忙的道路上不断地往返游动。
使用示踪剂使人们对代谢过程逐渐有了详细的了解。它进一步证实了诸如糖的分解、柠檬酸循环以及尿素循环的总图式。它使人们认识了更多新的中间产物，找到了许多其他的反应途径，等等。
由于核反应堆的发展，在第二次世界大战以后有100多种不同的放射性同位素可以大量利用，示踪研究工作进入了高速发展阶段。一般的化合物在反应堆中用中子轰击，取出后就会带有多种放射性同位素。在美国（我大概可以说几乎是在全世界，因为美国很快就制造了供其他国家科学研究使用的同位素）每一个生物化学实验室都已经开始利用放射性示踪剂进行研究工作了。
现在，稳定同位素中又增加了放射性氢（氚）、放射性磷（磷-32）、放射性硫（硫-35）、放射性钾（钾-42）、放射性钠、放射性碘、放射性铁、放射性铜和最重要的放射性碳（碳-14）。碳-14是由美国化学家卡门和鲁宾1940年发现的。使他们感到惊奇的是，经证明碳-14的半衰期是5000多年——人们从未想到轻元素中会有一种半衰期这么长的放射性同位素。
胆固醇
碳-14解决了化学家们多年来未能解决而且他们似乎根本无法解决的一些问题。在这些问题中，他们首先解决的一个问题就是胆固醇是怎样产生的。维兰德（由于他在研究有关胆固醇的化合物方面的成就，获得1927年的诺贝尔化学奖）等人经过多年的艰苦研究，终于提出了如下的胆固醇结构式：
