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本文综述纳米酶（nanozymes）的特性、催化机制及结构 - 活性关系，阐述其对生物催化的变革作用，涵盖从基础概念到生物医学等领域应用，为该领域提供全面参考。
生物催化的演进与纳米酶的崛起
生物催化是生物过程和可持续应用的基础，其认知不断发展。最初，蛋白质酶因在温和条件下的高催化效率被视为主要生物催化剂；核酶的发现将生物催化剂范围拓展至核酸；人工酶的开发试图克服天然酶的局限；而具有内在生物催化活性的纳米材料 —— 纳米酶的出现，进一步拓宽了该领域。纳米酶拥有丰富的活性位点、多个活性相和纳米结构，在极端条件下仍能保持稳定性，还具备独特的物理化学性质，使其能在多种条件下高效催化，天然生物成因纳米酶（如磁小体、铁蛋白铁核等）的发现也凸显了其生理功能和在疾病发病机制中的作用。
纳米酶的基本见解
“纳米酶” 一词源于 “纳米材料” 和 “酶”，2004 年由 Lucia Pasquato 和 Paolo Scrimin 提出，最初指功能化金纳米颗粒，2013 年 Hui Wei 和 Erkang Wang 将其明确定义为 “具有类酶特性的纳米材料”。2021 年更新的定义强调其与酶可能存在的催化机制差异，即 “在生理相关条件下催化酶底物转化为产物且遵循酶动力学（如米氏动力学）的纳米材料，即使反应分子机制不同”。
纳米酶材料类型多样，最初聚焦无机纳米材料，后扩展至有机 - 无机杂化材料、有机材料等，还包括天然生物成因纳米材料。其催化类型丰富，多数表现出 “类酶” 活性，以氧化还原酶样活性为主，也有水解酶样、异构酶样等活性，部分能催化天然酶无法催化的反应。
纳米酶的催化动力学
纳米酶常表现出类酶的米氏动力学，单活性位点的催化过程包括底物结合、中间复合物形成和产物解吸。但纳米酶通常有多个活性位点，表面异质性使总反应速率为所有活性位点贡献的总和，米氏参数常为多价系统内微观事件的宏观平均值。
迈克尔逊常数（KM）反映活性位点与底物的亲和力，多价催化剂的表观 KM可能受催化单元间协同作用影响；催化常数（kcat）代表活性位点饱和时的周转速率，其准确测定需精确识别和量化活性位点，不同假设的催化单元会导致结果差异显著；特异性常数（kcat/KM）用于衡量低底物浓度下的催化效率。
多底物反应动力学更复杂，双底物反应有乒乓反应和顺序反应等途径，可通过 Lineweaver-Burk 图区分。此外，纳米酶还存在非典型动力学，如多位点动力学、双相动力学、 sigmoidal 动力学和底物抑制动力学等。
纳米酶的结构 - 活性关系
纳米酶与酶均有受限且配位的活性中心，但结构 - 活性关系不同。酶由连续氨基酸链折叠成动态三级结构，活性中心通常深埋于蛋白质内部；纳米酶多为高结晶或部分无定形结构，活性中心常位于表面，暴露在外，由特定原子和结构构成。
不同材料的纳米酶活性中心结构特征不同，如金属纳米酶的活性中心多在高能晶面，金属氧化物纳米酶的活性中心常与晶格缺陷和氧空位相关等。真实活性中心受多种因素影响，识别和模拟具有挑战性。
纳米酶的催化途径可能与酶不同，即使催化相同底物和产物。例如，Fe3O4纳米酶的类过氧化物酶活性通过催化 H2O2生成?OH 来氧化底物，而辣根过氧化物酶（HRP）则通过铁卟啉活性中心的高氧化态中间体催化反应。
结构参数（如尺寸、形貌、掺杂等）的变化会改变纳米酶活性位点的数量或结构，影响催化活性和途径。例如，较小的纳米酶通常比表面积更大，活性更高；引入杂原子可改变电荷分布，增强活性。
纳米酶的生物催化特性
纳米酶在单活性位点、单颗粒和单质量（比活性）多个层面表现出高活性。虽许多纳米酶的单活性位点催化效率不及酶，但可通过模拟酶的活性中心增强，且单颗粒因含大量活性位点，总催化活性可能超过酶，部分纳米酶的比活性也高于酶。
多数酶催化活性单一，而纳米酶表面有众多多样的活性位点，可在相同或不同条件下催化多种反应，如 CeO2纳米酶表现出多种类酶活性，且部分纳米酶的多活性可协同进行级联反应，提高催化效率，但也可能因底物或活性位点竞争产生负面影响。
多数酶在温和条件下发挥作用，而许多纳米酶在高温、高盐等极端条件下仍能维持活性，这为极端环境下的生物催化应用提供了基础。
纳米酶的催化活性受化学和物理环境因素调控。化学上，其结构在宽 pH 范围内稳定，但活性有 pH 依赖性，还受缓冲液、抑制剂和激活剂影响；物理上，热、光、声、磁等刺激可改变其表面性质，影响催化活性，且这些调控多为可逆，利于纳米酶的再生和循环利用。
纳米酶拓展生物催化的意义
自然界中，磁小体、铁蛋白铁核等天然纳米酶具有生物催化功能，参与生物体内的氧化还原调节，可能与生物共同进化，甚至在早期生物进化中帮助生命在恶劣环境中存活。一些生物体内的肽或生物分子形成的纳米组装体也可能具有生物催化活性，如阿尔茨海默病中的 Aβ1-42肽纳米纤维的类过氧化物酶活性可能促进神经元退化。
纳米酶最初因成本、稳定性和多功能性优势，作为酶的替代品用于传统酶应用，如比色分析、生物传感等。近年来，其在体内疾病诊断和治疗中的应用受到关注，通过调控活性氧（ROS）影响生物过程，用于肿瘤、感染等疾病的治疗，还在农业中提高作物抗逆性。
纳米酶的独特特性增强了其在生物催化应用中的实用性，如部分纳米酶的单颗粒或比活性高，可提高反应速率和效率；自级联催化能简化途径，提高效率；可在极端环境中应用，拓展了生物催化的范围；易于修饰和结合多种功能基序，实现多功能应用，还可与自身物理化学性质结合，实现智能和远程控制应用。
未来展望
纳米酶研究虽取得进展，但仍面临挑战。需揭示其催化机制和确定真正的活性位点，可结合先进表征工具和计算建模；提高反应特异性对推进应用至关重要，需理解活性位点微观结构与催化途径的关系；纳米酶材料和催化功能将不断多样化，需探索更多材料和设计策略；高通量计算与材料科学的结合将加速纳米酶的设计和预测，但需整合不同方法建立准确模型；天然纳米酶的研究需进一步深入，探索其作为原始生物催化剂的可能性及进化意义；纳米酶在生物体内的研究有望推进，但需解决体内环境带来的挑战；理解纳米酶在极端条件下的生物催化活性，可为极端环境应用和生命进化研究提供 insights。
