核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，它的构件分子是核苷酸（nucleotide），天然存在的核酸可分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两类。DNA贮存细胞所有的遗传信息，是物种保持进化和世代繁衍的物质基础。RNA中参与蛋白质合成的有三类：转移RNA（transfer RNA，tRNA），核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）和信使RNA（messenger RNA，mRNA）。20世纪末，发现许多新的具有特殊功能的RNA，几乎涉及细胞功能的各个方面。

组成核酸的元素有C、H、O、N、P等，磷元素是核酸的特征性元素，且含量比较恒定，约占9%～10%，可作为核酸定量的依据。

核酸完全水解后产生嘌呤和嘧啶、戊糖（即五碳糖，包括核糖和脱氧核糖）和磷酸的混合物。单个核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸三部分构成的。

构成核苷酸的碱基分为嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimi-dine）二类，前者主要指腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G），DNA和RNA中均含有这二种碱基。后者主要指胞嘧啶（cytosine，C）胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil，U），胞嘧啶存在于DNA和RNA中，而胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶只存在于RNA中，结构见图4-1。

此外，核酸分子中还发现数十种修饰碱基（the modified component），又称稀有碱基（unusual component）。它是指上述五种碱基环上的某一位置被一些化学基团（如甲基等）修饰后形成的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，而RNA中以tRNA含修饰碱基最多，可高达10%。稀有碱基在遗传信息的调控和保护中提供信号识别。

核酸中有两种戊糖DNA中为D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose），RNA中则为D-核糖（D-ribose）。在核苷酸中，为了与碱基中的碳原子编号相区别核糖或脱氧核糖中碳原子标以C-1’，C-2’等。脱氧核糖与核糖两者的差别只在于脱氧核糖中与2’位碳原子连结的不是羟基而是氢，这一差别使DNA在化学上比RNA稳定得多，见图4-2。

磷酸为三元酸，形成多核苷酸时，通过酯键同时连接两个核苷酸中戊糖。

核苷是戊糖与碱基之间以糖苷键（glycosidic bond）相连接而成。戊糖中C-1’与嘧啶碱的N-1或者与嘌呤碱的N9相连接，戊糖与碱基间的连接键是N-C键，一般称N-糖苷键，如图4-3。在天然条件下，由于空间位阻效应，核糖和碱基处于反式构象上。

核苷与磷酸构成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的基本结构单位。核酸分子中的磷酸酯键是在戊糖C-3’和C-5’所连的羟基上形成的，故构成核酸的核苷酸可视为3’-核苷酸或5’-核苷酸。DNA分子中含有A，G，C，T四种碱基的脱氧核苷酸；RNA分子中则含A，G，C，U四种碱基的核苷酸。核酸分子中的核苷酸都以一磷酸形式存在，但在细胞内有多种游离的核苷酸，其中包括一磷酸核苷、二磷核苷和三磷酸核苷（见图4-4）。

3’，5’-磷酸二酯键。核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide），相邻二个核苷酸之间的连接键为3’，5’-磷酸二酯键。核酸链内的前一个核苷酸的3’羟基和下一个核苷酸的5’磷酸形成的磷酸二酯键。核酸中的核苷酸被称为核苷酸残基。多个核苷酸残基以这种方式连接而成的链式分子就是核酸。无论是DNA还是RNA，其基本结构都是如此，故又称DNA链或RNA链。DNA链的结构见图4-5。

是指含两个以上磷酸基的核苷酸。只带一个磷酸基的核苷酸，叫核苷一磷酸，带两个磷酸基的核苷酸叫核苷二磷酸，依此类推，见图4-6A。如腺嘌呤核苷酸有腺苷一磷酸（即腺苷酸，AMP）、腺苷二磷酸（ADP）、腺苷三磷酸（ATP）和脱氧腺苷一磷酸（即脱氧腺苷酸，dAMP）、脱氧腺苷二磷酸（dADP）、脱氧腺苷三磷酸（dATP）。4种核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP和UTP）、4种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP和dTTP）分别是RNA和DNA生物合成的原料。

其中，ATP是细胞内最主要的能量分子，其功能是储存和传递化学能。ATP又是合成核酸的原料。ATP分子的结构是可以简写成A-P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基团，～代表高能磷酸键。ATP水解是指ATP分子中高能磷酸键的水解断裂。高能磷酸键水解时释放的能量多达30.54kJ/mol，故ATP是细胞内一种高能磷酸化合物。

环化苷酸是由戊糖上3’-羟基和5’-羟基与同一磷酸基团结合而成的具有内酯环结构的核苷酸，结构见图4-6B。常见的有腺苷-3′，5′-磷酸即环腺苷酸（cAMP），主要存在于动物细胞中，生物体内的激素可引起细胞内cAMP的含量发生变化，从而调节糖原、脂肪代谢、蛋白质和核酸的生物合成，所以cAMP被称为第二信使。此外，cGMP也是环化苷酸，是生物体内另一种重要的第二信使。

有的核苷酸类衍生物还是重要的辅酶，是酶发挥催化作用不可缺少的成分。如几个重要的辅酶AD、NADP、FAD和FMN等都是腺苷酸衍生物。此外，这些辅酶可通过氢原子的得失参与许多氧化还原反应。此外，另一种称作辅酶A的腺苷酸衍生物行使活化脂肪酸功能，与脂肪酸、萜类和类固醇生物合成有关。结构见图4-7。

知识拓展

蛋白质是由氨基酸残基以肽键相连组成的不分支的长链生物大分子。蛋白质是构成生物体的基本成分，占细胞干重的50%。蛋白质是生命过程的执行者，种类繁多，表现出丰富的功能。蛋白质在生物体的生命活动中起着极其重要的作用，已知的生物功能没有一个是离开蛋白质而实现的，生物个体间表现出的差异是由于其体内蛋白质的贡献。蛋白质参与生物体的组成成分，如结构蛋白、胶原蛋白；组成酶这种特殊的生物催化剂；参与运输，如体内的血红蛋白、肌红蛋白；参与机体的运动功能，如肌球蛋白，肌动蛋白；构成机体中免疫成分，如抗体、免疫球蛋白、干扰素等；参与机体的遗传信息的控制、细胞膜的通透性、高等动物的记忆、识别等诸多功能。

蛋白质是大分子化合物，相对分子质量（Mr）一般上万，结构十分复杂，但都是由C、H、O、N、S等基本元素组成，有些蛋白质分子中还含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素，而其中氮的含量相对恒定，占13%～19%，平均为16%，因此通过样品中含氮量的测定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白质的含量。

氨基酸是蛋白质分子的基本组成单位，见图4-8。大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子（building-block molecule）是氨基酸（amino acid，AA）（表2-2）。在种类上，虽然自然界中存在着300多种氨基酸，但构成蛋白质的只有20种氨基酸，且都是L，α-氨基酸，在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。另外，组成蛋白质的氨基酸，不存在种族差异和个体差异。在20种氨基酸中，除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基酸外，其余均为L，α-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为： 。

氨基酸作为蛋白质的基本结构和功能单位具有诸多理化性质。

由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。在此波长范围内，蛋白质的A ₂₈₀与其浓度成正比关系，因此可进行蛋白质定量测定。

蛋白质分子除了两端的氨基和羧基可以解离外，氨基酸残基侧链中某些基团在一定的pH条件下也可以解离成带正电荷或负电荷的基团。当氨基酸溶液处于某一pH时，氨基酸解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称这种该氨基酸的等电点（pI）。

蛋白质分子中，肽键及某些氨基酸残基的化学基团，可与某些化学试剂反应显色，称蛋白质的呈色反应。利用这些呈色反应可以对蛋白质进行定性、定量测定。常用的呈色反应有双缩脲反应、茚三酮反应及Folin-酚试剂反应。

根据氨基酸侧链R基团的结构和性质，将氨基酸进行分类，见图4-9。

蛋白质的一级结构是指多肽链上各种氨基酸残基的种类和排列顺序，包含了蛋白质结构的全部信息。蛋白质的一级结构由遗传信息决定，其一级结构决定高级结构，一级结构是基本结构。

构成蛋白质一级结构的主要键是肽键，肽键是由一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基发生酰化反应，脱去一分子水形成，也称酰胺键。

肽就是氨基酸通过肽键连接起来的线性聚合物。自然界中还存在着大量的肽类，具有各种特殊的生理活性，统称天然活性肽。在蛋白质分子中，由前一个氨基酸的—COOH和后一个氨基酸的—NH ₂脱水缩合而成的酰胺键，是蛋白质结构中的主要键。在蛋白质多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称氨基酸顺序。氨基酸分子在参与形成肽键之后，由于脱水而使得原来的氨基酸结构不完整，称氨基酸残基。每条多肽链都有两端：即游离的氨基端（N端）与游离的羧基端（C端），肽链的方向是从N端→C端，见图4-10。

蛋白质的二级结构指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键。肽链主链的肽键C—N具有双键的性质，因而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称肽平面，又称酰胺平面。肽平面的连接处为α碳原子，它与相邻的两个参与肽键形成的C和N原子之间的单键可以在一定范围内转动，Cα-N之间称ϕ角，在Cα-C之间称ψ角，这就是α-碳原子上的一对二面角。这对二面角决定了相邻肽平面的相对位置。

多肽链主链构象的空间限制来自两个方面：其一，肽键不能自由旋转带来的构象限制。肽链中的肽键主要为反式。其二，α-C二面角ϕ、ψ虽然可以任意旋转，但不是任意二面角所决定的构象都是立体化学所允许的。二级结构的类型包括α螺旋结构、β-折叠、β-转角和无规卷曲。

是常见的蛋白质二级结构，为右手螺旋。指多肽链主链围绕中心轴呈有规律的螺旋式上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，向上平移0.54nm，故螺距为0.54nm，两个氨基酸残基之间的距离为0.15nm。螺旋的方向为右手螺旋。氨基酸侧链R基团伸向螺旋外侧，每个肽键的N—H和第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。由于肽链中的全部肽键都可形成氢键，故α-螺旋十分稳定，如图4-11。

同样是蛋白质的二级结构的常见形式，肽键平面折叠成锯齿状，相邻肽链主链的N—H和 之间形成有规则的氢键，在β-折叠中，所有的肽键都参与链间氢键的形成，氢键与β-折叠的长轴呈垂直关系。β-折叠也是一种重复性的结构，大致可分为平行式和反平行式两种类型，它们是通过肽链间或肽段间的氢键维系。可以把它们想象为由折叠的条状纸片侧向并排而成，每条纸片可看成是一条肽链，称β-折叠链或，肽主链沿纸条形成锯齿状，处于最伸展的构象，氢键主要在股间而不是股内。α-碳原子位于折叠线上，由于其四面体性质，连续的酰胺平面排列成折叠形式。需要注意的是在折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平面，并交替的从平面上下二侧伸出。平行折叠片比反平行折叠片更规则且一般是大结构，而反平行折叠片可以少到仅由两个β股组成，如图4-12。

是一种常见的蛋白质二级结构，它通常出现在球状蛋白表面，因此含有极性和带电荷的氨基酸残基。在β-转角中第一个残基的 与第四个残基的N—H氢键键合形成一个紧密的环，使β-转角成为比较稳定的结构，多处在蛋白质分子的表面，在这里改变多肽链方向的阻力比较小。β-转角的特定构象在一定程度上取决于它的组成氨基酸，某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常存在其中，由于甘氨酸缺少侧链（只有一个H），在β-转角中能很好地调整其他残基的空间阻碍，因此是立体化学上最合适的氨基酸；而脯氨酸具有换装结构和固定的角，因此在一定程度上迫使β-转角形成，促使多台自身回折且这些回折有助于反平行β折叠片的形成，如图4-13。

无规卷曲是一种无定规律的结构，主要指那些不能被归入明确的二级结构，其本身也具有一定的稳定性。这些部位往往是蛋白质分子功能实施和构象的重要区域。

模体（motif）属于蛋白质的二级结构，是具有特定空间构象和特定功能的结构成分。结构模体作为结构域的组分，介于蛋白质二级结构和三级结构之间，由相邻的二级结构单元彼此相互作用，组合在一起，排列成规则的，在空间结构能够辨认的二级结构组合体，并充当三级结构的构件，其基本形式有αα、βαβ和βββ等。多数情况下，只有非极性残基侧链参与这些相互作用，而亲水侧链多在分子的外表面。近年来发现的多种钙结合蛋白以及锌指结构均是典型的模体结构，如图4-14。

指一条多肽链在二级结构或者超二级结构的基础上，进一步盘绕，折叠，依靠次级键的维系固定所形成的特定空间结构成为蛋白质的三级结构。三级结构整个分子紧密、结实，许多在一级结构上相距很远的氨基酸在三级结构上相距很近。肌红蛋白（Mb）是由153个氨基酸残基组成的单一多肽链的蛋白质，含A至H共8个螺旋区，其辅基为血红素，如图4-15。

在较大的蛋白质分子里，一条长的多肽链，在超二级结构的基础上，往往组装成几个相对独立的球状区域，彼此分开，以松散的单条肽链相连。这种相对独立的球状区域，称结构域。三级结构的稳定主要靠非共价键作用（氢键、离子键、疏水键、范德华力），此外还有二硫键，如图4-16。

体内许多功能性蛋白质含有2条及2条以上的多肽链，每一条多肽链都具有完整的三级结构，称亚基，亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连。蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，成为蛋白质的四级结构。四级结构具有分子对称性以及亚基间以非共价键维系的特点。

通过大量蛋白质的结构与功能相关性研究，发现具有不同生物学功能的蛋白质，含有不同的氨基酸序列即不同的一级结构。同样，从大量人类遗传性疾病的基因与相关蛋白质分析结果，获知这些疾病的病因可以是基因点突变引起的1个氨基酸的改变，也可以是基因大片段碱基缺失导致大片段肽段的缺失，这说明蛋白质一级结构的变化，可导致其功能的改变。

基因突变导致蛋白质一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称分子病。例如镰状细胞贫血，就是由于血红蛋白分子中两个β亚基第6位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸，从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸，降低了血红蛋白在红细胞中的溶解度，使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管时，容易凝聚并沉淀析出，从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。另有实验证明，若切除了促肾上腺皮质激素或胰岛素A链N端的部分氨基酸，它们的生物活性也会降低或丧失，可见关键部分氨基酸残基对蛋白质和多肽功能的重要作用。

在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质为同源蛋白质，通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲缘关系和进化，亲缘关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。说明生物功能是由一级结构决定的；蛋白质一级结构中保守氨基酸对蛋白质的生物功能至关重要，一级结构是空间构象的基础。

另一方面，在蛋白质结构和功能关系中，一些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失，则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、牛、羊等哺乳动物胰岛素分子A链中8、9、10位和B链30位的氨基酸残基各不相同，有种族差异，但这并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同生理功能。又如在人群的不同个体之间，同一种蛋白质有时也会有氨基酸残基的不同或差异，但这也并不影响不同个体中它们担负相同的生理功能。

体内蛋白质所具有的特定空间结构与其发挥特殊的生理功能有着密切的关系。蛋白质构象发生改变则其功能发生相应的改变。变构作用是指对于多亚基的蛋白质或酶，效应剂作用于某个亚基，引发其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，导致蛋白质或酶的生物活性的变化。

蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质，正因为具有不同的空间结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的；而胶原蛋白的三股π螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构，使其性质稳定而具有强大的抗张力作用，因此是组成肌腱、韧带、骨骼和皮肤的主要蛋白质；丝心蛋白正因为分子中富含β-片层结构，因此分子伸展，而蚕丝虽然柔软却没有多大的延伸性。事实上不同的酶催化不同的底物起不同的反应，表现出酶的特异性，也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。

又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些α-螺旋或β-折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成，因此是具有“两亲性”（amphipathic）的特点，几段α-螺旋或β-折叠的亲水侧之间就构成了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。载脂蛋白也具有两亲性，既能与血浆中脂类结合，又使之溶解在血液中进行脂类的运输。

具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用（allosteric effect），又称变构作用。别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别的部位结合，引起蛋白质亚基间一些副键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结构蛋白质的别构作用，其活性得到不断调整，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。

血红蛋白运氧中也有别构作用：当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后，该亚基构象的轻微改变，可导致4个亚基间盐键的断裂，使亚基间的空间排布和四级结构发生轻微改变，血红蛋白分子从较紧密的T型转变成较松弛的R型构象，从而使血红蛋白其他亚基与氧的结合容易化，产生了正协同作用，呈现出与肌红蛋白不同的S形氧解离曲线，完成其更有效的运氧功能。氧对生命十分重要，但氧又难溶于水，生物进化到脊椎动物，产生了血红蛋白与肌红蛋白，尤其是血红蛋白具有四级结构和别构作用，使之能更有效地完成运氧功能。当然，血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质，在变构中亚基是绝对不能分开的，只是整个构象的改变。

与氨基酸相似，蛋白质是更复杂的多价兼性离子，因为除肽链N端、C端的游离氨基和羧基可以解离外，肽链中间的一些酸性和碱性氨基酸残基侧链R上的基团在水中溶液中也可解离，故人体内蛋白质各有不同的等电点，大多pI在5左右，蛋白质等电点与所含氨基酸种类和数量有关，蛋白质在等电点时其溶解度、导电性、黏度、渗透压最小。蛋白质等电点性质为电泳分离的依据。

蛋白质水溶液是一种比较稳定的亲水胶体，这是因为蛋白质颗粒表面带有很多极性基团（亲水基团向外翻，疏水基团向内钻），在蛋白质颗粒外面形成一层水膜（水化层）；另外蛋白质颗粒在非等电点状态时带的相同电荷，使蛋白质颗粒间相互排斥，不致相互凝聚沉淀。中性盐、有机溶剂可以破坏蛋白质胶粒的水化膜，引起沉淀。要形成稳定的胶体分散系统，需要保证两个条件：蛋白质颗粒表面形成水化膜和蛋白质颗粒表面具有相同的电荷。两者共同作用起到稳定蛋白质胶体水溶液的作用。

蛋白质在溶液中一般含量很低，经过沉淀浓缩，可以进一步分离纯化。主要方法有：

向蛋白质溶液中加入大量的中性盐[（NH ₄） ₂SO ₄、Na ₂SO ₄、NaCl]，使蛋白质脱去水化层而聚集沉淀。该方法通常可以保证蛋白质的活性。

破坏水化膜，降低介电常数。在低温环境下，可以保持蛋白质的活性。

当pH大于等电点时，蛋白质带负电荷，可与重金属离子（Hg ^2＋、Pb ^2＋、Cu ^2＋等）结成不溶性沉淀，使蛋白质发生沉淀反应，通常容易导致蛋白质变性。

当pH小于等电点时，蛋白质带正电荷，易与生物碱试剂和酸类的负离子生成不溶性沉淀，同时容易导致蛋白质变性。

各种蛋白质分子中都含有或多或少的色氨酸和酪氨酸残基，因此在280nm波长处有紫外吸收峰，通过蛋白质溶液紫外吸收值的测定，可对蛋白质进行简便快速的定量分析。

当受到某些因素影响时，维系天然构象的次级键被破坏，蛋白质失去天然构象，导致生物活性丧失及相关物理、化学性质的改变，这个过程称蛋白质变性。变性后的蛋白质在除去变性因素后，重新恢复天然构象和生物活性的过程称蛋白质的复性。

变性是指在一些物理或化学因素作用下，使蛋白质分子空间结构破坏，从而引起蛋白质理化性质改变，包括结晶性能消失。蛋白质溶液黏度增加，呈色反应加强及易被消化水解等，尤其是溶解度降低和生物活性丧失的过程。蛋白质变性的机制是分子中非共价键断裂，使蛋白质分子从严密且有序的空间结构转变成杂乱松散、无序的空间结构，因此生物活性也必然丧失；同时由于蛋白质变性后，分子内部的疏水基团暴露到了分子的表面，因此其溶解度降低、容易沉淀析出。变性的蛋白质大多沉淀，但沉淀的蛋白质在蛋白质分离纯化中并不是变性的。

造成蛋白质变性的物理、化学条件有加热、紫外线、X线和有机溶剂，如乙醇、尿素、胍和强酸、强碱、重金属盐等。蛋白质变性虽是能逆转的，因为此时蛋白质的一级结构并未遭到破坏，故若变性时间短、变性程度较轻，理论上在合适的条件下，变性蛋白质分子尚可重新卷曲形成天然空间结构，并恢复其生物活性，这即称蛋白质的复性（renaturation），但目前情况下大部分变性蛋白质均难以复性，尤其是加热变性的蛋白质更发生了凝固。蛋白质变性理论是由中国早年著名生化学家吴宪教授提出来的，至今仍被世界承认与沿用。

1961年美国科学家Anfinsen用加8mol/L的尿素破坏核糖核酸酶蛋白分子中的大量氢键，再加β-巯基乙醇还原核糖核酸酶分子中的四对二硫键，可使该酶蛋白变性失活。以后若先用透析方法去除反应液中的小分子尿素，因为该蛋白质一级结构并没有破坏，肽键可自然卷曲、氢键可重新生成，故逐步氧化后，二硫键又可正确对位配对生成，核糖核酸酶几乎可以完全恢复其天然空间结构与生物活性。但若不先透析去除尿素而用氧化剂使分子中还原的半胱氨酸残基间氧化生成二硫键，因氢键不能形成，多肽链不能先卷曲形成相对正确天然的空间结构，二硫键生成就会发生错配，生成“错乱”酶，因此氧化后核糖核酸酶的活性仍大部分得不到恢复。这就是著名的Anfinsen定律，其重要意义是：它充分说明蛋白质中氨基酸顺序决定构象、结构与功能的密切关系。

在实际工作中，我们要谨防一些蛋白质制剂或蛋白质药物的变性失活，如免疫球蛋白、酶蛋白、疫苗蛋白和蛋白质激素药物等；而在另一些情况下，又要利用日光、紫外线、高压蒸汽、乙醇和红汞等使细菌蛋白质变性失活，从而达到消毒杀菌的目的。要注意区别变性是由一些较剧烈的条件使蛋白质构象破坏、生物活性丧失的过程，它不同于别构中蛋白质构象的轻微改变，伴随着生物活性升高或降低的调节过程。

蛋白质中的某些氨基酸残基可以与显色试剂发生呈色反应。

氨基酸残基与茚三酮试剂反应产生蓝色产物，该反应常用于氨基酸的定性或定量分析。

肽键与双缩脲试剂反应呈紫色。氨基酸无此反应，可用于检测蛋白质水解程度。

知识拓展

维生素（vitamins）是动物维持正常功能所必需的一组有机化合物，需要量极小，但动物本身不能合成或合成量不足，必须从食物中获得，是人体必需的一类微量营养素。维生素有脂溶性和水溶性两种。维生素大多数以辅酶、辅基的形式参与调节代谢活动。辅酶与辅基的生理作用主要是：①运载氢原子或电子，参与氧化还原反应；②运载反应基团，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳单位等，参与基团转移。大部分的辅酶与辅基衍生于维生素。辅酶与酶蛋白结合疏松，辅酶通常与酶蛋白非共价相连，可用透析或超滤的方法除去；辅基与酶蛋白结合紧密，通常与酶蛋白共价相连，不能用透析或超滤的方法除去。

辅酶与辅基的来源及其生理作用（见表4-1）：

经焦磷酸化生成焦磷酸硫胺素（TPP），是脱羧酶的辅酶，在体内参与糖代谢过程中α-酮酸的氧化脱羧反应。

黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）是核黄素（维生素B ₂）的衍生物。FMN或FAD通常作为脱氢酶的辅基，在酶促反应中作为递氢体（双递氢体）。

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD ^＋，辅酶Ⅰ）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP ^＋，辅酶Ⅱ）是维生素PP的衍生物。NAD ^＋和NADP ^＋主要作为脱氢酶的辅酶，在酶促反应中起递氢体的作用，为单递氢体。

磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是维生素B ₆的衍生物。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作为氨基转移酶、氨基酸脱羧酶、半胱氨酸脱硫酶等的辅酶。

在体内参与构成辅酶A（CoA）。CoA中的巯基可与羧基以高能硫酯键结合，在糖、脂、蛋白质代谢中起传递酰基的作用，是酰化酶的辅酶。

是羧化酶的辅基，在体内参与CO ₂的固定和羧化反应。

四氢叶酸由叶酸衍生而来，是体内一碳单位基团转移酶系统中的辅酶。

维生素B ₁₂分子中含金属元素钴，故又称钴胺素。维生素B ₁₂在体内有多种活性形式，如5′-脱氧腺苷钴胺素、甲基钴胺素等。其中，5′-脱氧腺苷钴胺素参与构成变位酶的辅酶，甲基钴胺素则是甲基转移酶的辅酶。

知识拓展

酶（enzyme）是生物催化剂，体内的代谢反应绝大部分是由酶所催化完成的，所以它在物质代谢中发挥非常重要的作用。因此，在讨论物质代谢之前必先对其有一个全面的了解。自1982年以来随着具有催化功能的RNA和DNA的陆续发现，目前认为生物体内除了存在酶这类生物催化剂外，另一类则是核酸催化剂，如其本质为RNA则称核酶，因此现代科学认为生物催化分子是由活细胞所产生，能在体内或体外发挥相同催化作用的一类具有活性中心和特殊结构的生物大分子，包括蛋白质和核酸。由于核酸参与催化反应有限，而且这些反应均可有相应的酶所催化，酶仍是体内最主要的催化剂。

酶是由活细胞产生的一类具有催化作用的蛋白质，故又有生物催化剂之称。与一般催化剂相比，酶的催化作用有高度专一性、高度催化效率及其催化活性的可调节性和高度的不稳定性（变性失活）等特点。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功能互相适应。若因遗传缺陷造成某个酶缺损，或其他原因造成酶的活性减弱，均可导致该酶催化的反应异常，使物质代谢紊乱，甚至发生疾病。体外测定血浆及组织样品中的酶活力已成为诊断疾病的重要手段。一些酶制剂亦作为药物用于临床的治疗，酶与医学的关系十分密切。多年以来，人们认为生物体内的各种代谢反应都是在酶的催化下进行的，而酶的化学本质则是蛋白质。

按照酶的化学组成可将酶分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶分子中只有氨基酸残基组成的肽链，结合酶分子中则除了多肽链组成的蛋白质，还有非蛋白成分，如金属离子、铁卟啉或含B族维生素的小分子有机物。结合酶的蛋白质部分称酶蛋白（apoenzyme），非蛋白质部分统称辅助因子（cofactor），两者一起组成全酶（holoenzyme）；只有全酶才有催化活性，如果两者分开则酶活力消失。非蛋白质部分，如铁卟啉或含B族维生素的化合物，若与酶蛋白以共价键相连的称辅基（prosthetic group），用透析或超滤等方法不能使它们与酶蛋白分开；反之两者以非共价键相连的称辅酶（coenzyme），可用上述方法把两者分开。

结合酶中的金属离子有多方面功能，它们可能是酶活性中心的组成成分；有的可能在稳定酶分子的构象上起作用；有的可能作为桥梁使酶与底物相连接。辅酶与辅基在催化反应中作为氢（H ^＋和e）或某些化学基团的载体，起传递氢或化学基团的作用。体内酶的种类很多，但酶的辅助因子种类并不多，已知几种酶可用某种相同的金属离子作为辅助因子，同样几种酶也可用相同的辅酶或辅基。酶催化反应的特异性决定于酶蛋白部分，而辅酶与辅基的作用是参与具体的反应过程中氢（H ^＋和e）及一些特殊化学基团的运载。

酶属生物大分子，分子量至少在1万以上，大的可达百万。酶的催化作用有赖于酶分子的一级结构及空间结构的完整。若酶分子变性或亚基解聚均可导致酶活性丧失。酶的活性中心（active center）只是酶分子中的很小部分，酶蛋白的大部分氨基酸残基并不与底物接触。组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在不同的功能基团，如—NH ₂、—COOH、—SH、—OH和咪唑基等，它们来自酶分子多肽链的不同部位。有的基团在与底物结合时起结合基团（binding group）的作用，有的在催化反应中起催化基团（catalytic group）的作用。但有的基团既在结合中起作用，又在催化中起作用，所以常将活性部位的功能基团统称必需基团（essential group）。它们通过多肽链的盘曲折叠，组成一个在酶分子表面、具有三维空间结构的孔穴或裂隙，以容纳进入的底物与之结合（图4-17）并催化底物转变为产物，这个区域即称酶的活性中心。

而酶活性中心以外的功能基团则在形成并维持酶的空间构象上也是必需的，故称活性中心以外的必需基团。对需要辅助因子的酶来说，辅助因子也是活性中心的组成部分。酶催化反应的特异性实际上决定于酶活性中心的结合基团、催化基团及其空间结构。

酶的分子结构的基础是其氨基酸的序列，它决定着酶的空间结构和活性中心的形成以及酶催化的专一性。如哺乳动物中的磷酸甘油醛脱氢酶的氨基酸残基序列几乎完全相同，说明相同的一级结构是酶催化同一反应的基础。又如消化道的糜蛋白酶，胰蛋白酶和弹性蛋白酶都能水解食物蛋白质的肽键，但三者水解的肽键有各自的特异性，这三种酶的氨基酸序列分析显示40%左右的氨基酸序列相同，都以丝氨酸残基作为酶的活性中心基团，三种酶在丝氨酸残基周围都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列，X线衍射研究提示这三种酶有相似的空间结构，这是它们都能水解肽键的基础。而它们水解肽键时的特异性则来自酶的底物结合部位上氨基酸组成上有微小的差别所致。

有些酶，如消化系统中的各种蛋白酶以无活性的前体形式合成和分泌，然后输送到特定的部位，当体内需要时，经特异性蛋白水解酶的作用转变为有活性的酶而发挥作用。这些不具催化活性的酶的前体称酶原（zymogen）。如胃蛋白酶原（pepsinogen）、胰蛋白酶原（trypsinogen）和胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）等。某种物质作用于酶原使之转变成有活性的酶的过程称酶原激活（activation of zymogen）。使无活性的酶原转变为有活性的酶的物质称活化素。活化素对于酶原的激活作用具有一定的特异性。例如胰腺细胞合成的糜蛋白酶原为245个氨基酸残基组成的单一肽链，分子内部有5对二硫键相连，该酶原的激活过程首先由胰蛋白酶水解15位精氨酸和16位异亮氨酸残基间的肽键，激活成有完全催化活性的π-糜蛋白酶，但此时酶分子尚未稳定，经π-糜蛋白酶自身催化，去除二分子二肽成为有催化活性并具稳定结构的α-糜蛋白酶。

图4-18说明胰蛋白酶原转变为胰蛋白酶的激活过程。小肠的肠激酶能识别胰蛋白酶原氨基末端四个天冬氨酸残基并水解赖氨酸与异亮氨酸残基间的肽键，结果水解去掉氨基末端的一段六肽成为有活性的胰蛋白酶。

在正常情况下，血浆中大多数凝血因子基本上是以无活性的酶原形式存在，只有当组织或血管内膜受损后，无活性的酶原才能转变为有活性的酶，从而触发一系列的级联式酶促反应，最终导致可溶性的纤维蛋白原转变为稳定的纤维蛋白多聚体，网罗血小板等形成血凝块。

酶原激活的本质是切断酶原分子中特异肽键或去除部分肽段后有利于酶活性中心的形成。酶原激活有重要的生理意义，一方面它保证合成酶的细胞本身不受蛋白酶的消化破坏，另一方面使它们在特定的生理条件和规定的部位受到激活并发挥其生理作用。如组织或血管内膜受损后激活凝血因子；胃主细胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺细胞分泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、弹性蛋白酶原等分别在胃和小肠激活成相应的活性酶，促进食物蛋白质的消化就是明显的例证。特定肽键的断裂所导致的酶原激活在生物体内广泛存在，是生物体的一种重要的调控酶活性的方式。如果酶原的激活过程发生异常，将导致一系列疾病的发生。出血性胰腺炎的发生就是由于蛋白酶原在未进小肠时就被激活，激活的蛋白酶水解自身的胰腺细胞，导致胰腺出血、肿胀。

不同的生物种类，不同的器官和组织来源的某些酶可作用于同一底物，催化相同的化学反应，20世纪50年代初从心肌中分离了两种乳酸脱氢酶。1964年确认了 同工酶（isoenzyme）的概念：即同工酶是一类催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性各不相同的一类酶。至今已知的同工酶已不下几十种，如己糖激酶、乳酸脱氢酶等，其中以 乳酸脱氢酶（lactic acid dehydrogenase，LDH）研究得最为清楚。人和脊柱动物组织中，有五种分子形式，它们催化下列相同的化学反应：

五种同工酶均由四个亚基组成。LDH的亚基有骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）两型，这两种亚基的氨基酸组成不同，由两种亚基以不同比例组成的四聚体，存在五种LDH形式。即H ₄（LDH ₁）、H ₃M ₁（LDH ₂）、H ₂M ₂（LDH ₃）、H ₁M ₃（LDH ₄）和M ₄（LDH ₅）。

五种LDH中的M、H亚基比例各异，决定了它们理化性质的差别。通常用电冰法可把五种LDH分开，不同组织中各种LDH所含的量不同（表4-2），心肌中以LDH ₁及LDH ₂的量较多，而骨骼肌及肝中LDH ₅和LDH ₄为主。不同组织中LDH同工酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关。在组织病变时这些同工酶释放入血，由于同工酶在组织器官中分布差异，因此血清同工酶谱就有了变化。故临床常用血清同工酶谱分析来诊断疾病（图4-19）。

体内有些酶彼此聚合在一起，组成一个物理的结合体，此结合体称多酶复合体（multienzyme complex）。若把多酶复合体解体，则各酶的催化活性消失。如催化丙酮酸氧化脱羧反应的丙酮酸脱氢酶多酶复合体由三种酶组成，而在线粒体中催化脂肪酸β-氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复合体第一个酶催化反应的产物成为第二个酶作用的底物，如此连续进行，直至终产物生成。多酶复合体由于有物理结合，在空间构象上有利于这种流水作业的快速进行，是生物体提高酶催化效率的一种有效措施。体内物质代谢的各条途径往往有许多酶共同参与，依次完成反应过程，这些酶不同于多酶复合体，在结构上无彼此关联，故称多酶体系（multienzyme system）。如参与糖酵解的11个酶均存在于胞液，组成一个多酶体系。近年来发现有些酶分子存在多种催化活性，例如大肠杆菌DNA聚合酶I，哺乳类动物的脂肪酸合成酶等，这种酶分子中存在多种催化活性部位的酶称多功能酶（multifunctional enzyme）。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越性，因为相关的化学反应在一个酶分子上进行，比多酶复合体更有效，这也是生物进化的结果。

酶促反应具有一系列区别于体外催化剂的重要特点：

酶是高效生物催化剂，比一般催化剂的效率高10 ⁷～10 ¹³倍，以过氧化氢分解为例，用铁离子催化的效率每秒为6×10 ^－4mol/g离子；血红素的催化效率每秒为6×10 ^－1 mol/mol；而过氧化氢酶的催化效率每秒为6×10 ⁶mol/mol。

酶能加快化学反应的速度，但酶不能改变化学反应的平衡点，酶的作用是缩短了到达平衡所需的时间，但平衡常数不变，在无酶的情况下达到平衡点需几个小时，在有酶时可能只要几秒钟就可达到平衡。

酶和一般催化剂都是通过降低反应活化能的机制来加快化学反应速度的，众所周知，反应物分子间的有效碰撞是化学反应产生的基础，只有那些已具有足够能量的反应物分子才能发生有效碰撞。这些具有足够能量的反应物分子称活化分子，其所具有的能量称 活化能（activation energy）。活化能也就是底物分子从基态转变为活化态所需的能量。活化分子越多，反应速度越快。酶通过其特有的作用机制，比一般催化剂更有效地降低反应的活化能，使底物只需较少的能量便可进入活化状态（图4-20）。通常化学反应可以用升高温度来加快反应速度，这是因为升高温度可以使更多的反应物分子获得所需的活化能。

酶的催化特异性表现在它对底物的选择性和催化反应的特异性两方面。体内的化学反应除了个别自发进行外，绝大多数都由专一的酶催化，一种酶能从成千上万种反应物中找出自己作用的底物，这就是酶的特异性。根据酶催化特异性程度上的差别，分为绝对特异性、相对特异性和立体异构特异性三类。一种酶只催化一种底物进行反应的称绝对特异性，如脲酶只能水解尿素使其分解为二氧化碳和氨；若一种酶能催化一类化合物或一类化学键进行反应的称相对特异性，如酯酶既能催化甘油三酯水解，又能水解其他酯键。具有立体异构特异性的酶对底物分子立体构型有严格要求，如L-乳酸脱氢酶只催化L-乳酸脱氢，对D-乳酸无作用。

有些酶的催化活性可受许多因素的影响，如别构酶受别构剂的调节，有的酶受共价修饰的调节，激素和神经体液通过第二信使对酶活力进行调节，以及诱导剂或阻抑剂对细胞内酶含量（改变酶合成与分解速度）的调节等。

酶通过促进底物形成过渡态而提高反应速率，酶比一般的催化剂更有效地降低反应的活化能。

酶的活性中心与底物定向结合生成ES复合物是酶催化作用的第一步。定向结合的能量来自酶活性中心功能基团与底物相互作用时形成的多种非共价键，如离子键、氢键、疏水键，也包括范德瓦力。它们结合时产生的能量称 结合能。

若酶只与底物互补生成ES复合物，不能进一步促使底物进入过渡状态，那么酶的催化作用不能发生。这是因为酶与底物生成ES复合物后尚需通过酶与底物分子间形成更多的非共价健，生成酶与底物的过渡状态互补的复合物（图4-21），才能完成酶的催化作用。当酶与底物生成ES复合物并进一步形成过渡状态，这过程已释放较多的结合能，现知这部分结合能可以抵消部分反应物分子活化所需的活化能，从而使原先低于活化能阈的分子也成为活化分子，于是加速化学反应的速度。

酶促反应动力学是研究酶促反应速度和影响酶促反应速度的因素。许多因素如酶浓度、底物浓度、pH、温度、激活剂和抑制剂等都能影响酶促反应的速度。在研究某一因素对酶反应速度的影响时，要使酶催化系统的其他因素不变，并保持严格的反应初速度条件。动力学研究可为酶作用机制提供有价值的信息，也有助于确定酶作用的最适条件。应用抑制剂探讨酶活性中心功能基团的组成，对酶的结构与功能方面的研究甚至临床实用方面的研究都有重要价值。

在一定的温度和pH条件下，当底物浓度远大于酶的浓度时，酶反应速度与酶浓度成正比（图4-22）。

即 v＝ K[E]，式中 v为反应速度， K为反应速度常数，[E]代表酶浓度。

在酶浓度不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线（图4-23）。在底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加成正比的增快（曲线的a段）；进一步增加底物浓度，反应速度增加减慢，两者已不成正比（曲线的b段）；以后再增加底物浓度，反应速度几乎不再增加，而趋近于反应速度的极限值（ V _max）（曲线的c段）。

体内大多数酶均表现上述底物浓度与反应速度的关系，并且中间复合物学说是解释底物浓度影响酶促反应速度的最合理学说。然而，Michaelis和Menten两人在前人工作的基础上又推导得出下列方程式（被称之为米-曼氏方程式）试图从数学的角度来解释底物浓度对酶促反应速度的影响：

式中 v为反应速度， V _max为所有酶被底物饱和时的最大反应速度， K _m为米氏常数（Michaelis constant），它是[ES]分解速度的常数与[ES]生成速度常数之比。

这个方程式正确地说明底物浓度对酶反应速度的影响。当底物浓度很低，即[S]≪ K _m时，米-曼氏方程式中分母上的[S]可以忽略不计，于是

对一个酶来说， V _max和 K _m均为常数，于是反应速度与底物浓度成正比关系。若底物浓度很高，即[S]≫ K _m，米-曼氏方程式中分母上的 K _m可以忽略不计，于是

此时再增加底物浓度，反应速度也不会增加。若[S]＝ K _m，则方程式成为

即在[S]＝ K _m时，反应速度正好为最大反应速度的一半，故只要知道酶的最大反应速度，即可知道达最大反应速度一半时所需的底物浓度，此底物浓度也就是该酶的 K _m， K _m的单位与底物相同，均为mol/L（摩尔/升）。

一般情况下， K _m值愈小，酶与底物的亲和力愈大。这表示不需要很高的底物浓度便可容易地达到最大反应速度。反之 K _m值愈大，酶与底物的亲和力愈小。

K _m值是酶的特征性常数之一， K _m值只与酶的结构、酶所催化的底物和反应环境（如温度、pH、离子强度）有关，与酶的浓度无关。

V _max是酶完全被底物饱和时的反应速度，酶的转换数的定义即是当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子（或活性中心）催化底物转变为产物的分子数。

通过上述底物浓度曲线可以近似地测出 V _max和 K _m，但精确度差，且费时费力。为此人们将米-曼氏方程式进行种种变换，应用最多的是将曲线作图转变为直线的双倒数作图法，此法将米氏方程式两边取倒数

以1/ v对1/[S]作图，得一条直线，其斜率为 K _m/ V _max，直线与y轴相交的截距为1/ V _max，与x轴相交的一点为－1/ K _m（图4-24）。

化学反应的速度随温度升高而加速，酶促反应在一定温度范围内也遵循这规律。但酶是蛋白质，温度升高可使酶变性失活，故以酶反应速度 v对温度作图，可得一条钟罩形曲线（图4-25）。

曲线顶部所指的温度称该酶的最适温度。若酶促反应持续时间短，则温度促使化学反应加速的影响大于对酶变性的影响，此条件下测得的最适温度往往偏高。反之若反应时间长，温度导致酶失活的影响变为明显，此时测得的最适温度偏低。酶的最适温度不是酶的特征性常数。一般植物来源的酶，其最适温度在45～65℃；动物来源的酶，其最适温度在37～50℃。

酶促反应速度受介质pH的影响，一种酶在几种pH介质中测其活力，可看到在某一pH时酶促效率最高，这个pH称该酶的最适pH，最适pH提示酶分子活性基团的电离状态、底物分子及辅酶与辅基的电离状态都与酶的催化作用相关，但酶的最适pH也不是酶的特征性常数，如缓冲液的种类与浓度，底物浓度等均可改变酶作用的最适pH。

大多数酶的反应速度对pH的变化呈钟罩形曲线（图4-26），个别的只有钟罩形的一半。多数植物和微生物来源的酶，最适pH在4.5～6.5左右；动物酶的最适pH在6.5～8.0左右；个别也有例外；如胃蛋白酶的最适pH为1.5～2.5，精氨酸酶的最适pH在9.8～10.0。

凡能提高酶活性，加速酶促反应进行的物质都称该酶的激活剂（activator）。激活剂按其分子质量大小可分为以下三种。

如氯离子（Cl ^－）、某些金属离子（Mg ^2＋、Zn ^2＋等）。一般认为金属离子的激活作用，主要是由于其在酶和底物间起了桥梁的作用，形成酶—金属离子—底物三元复合物，从而更有利于底物和酶的活性中心部位结合。

半胱氨酸、谷胱甘肽等对某些酶也有激活作用，如还原型谷胱甘肽能保护巯基酶分子中的巯基不被氧化，从而提高酶的活性。牛磺胆酸钠是脂肪酶的激活剂。

一些蛋白激酶对某些酶的激活，在生物体代谢活动中起重要的作用。如磷酸化酶b激酶可激活磷酸化酶b，而磷酸化酶b激酶本身则又受到cAMP依赖性蛋白激酶的激活。

能使酶活力降低的物质称酶的抑制剂（inhibitor）。但强酸、强碱等造成酶变性失活不属酶的抑制作用而称酶的钝化。可见酶的抑制作用是指抑制剂作用下酶活性中心或必需基团发生性质的改变并导致酶活性降低或丧失的过程。按抑制剂作用方式分为不可逆性抑制和可逆性抑制两类。

不可逆性抑制（irreversible inhibition）作用的抑制剂以共价键与酶的必需基团结合，因结合甚牢不能用透析或超滤方法使两者分开，故所造成的抑制作用是不可逆的。按抑制剂对酶必需基团选择程度不同，又分非专一性和专一性抑制两类。

抑制剂与酶的一类或几类基团结合，抑制剂并不区分其结合的基团属必需基团或非必需基团。如重金属离子Pb ^2＋、Cu ^2＋和对氯汞苯甲酸与酶分子的巯基进行不可逆结合，化学毒剂“路易士气”则是一种含砷的化合物，它能抑制含巯基酶的活性。

上述重金属离子与酶分子必需基团巯基结合是造成酶活性抑制的主要原因。二巯基丙醇或丁二酸钠等含巯基的化合物，可以置换结合于酶分子上的重金属离子而使酶恢复活性，因此，是临床上用于抢救重金属中毒的药物。

抑制剂专一性作用于酶活性中心的必需基团并导致酶活性的抑制。如二异丙基氟磷酸（diisopropyl phosphofluoride，DIFP）专一性地共价结合于胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基的羟基，造成酶活性的抑制。

有机磷农药（如敌敌畏等）具有与DIFP类似的结构，它能使昆虫胆碱酯酶磷酰使酶的活性受到抑制，而胆碱酯酶与神经系统活动有关。正常机体在神经兴奋时，神经末梢释放出乙酰胆碱传导刺激。乙酰胆碱发挥作用后，被乙酰胆碱酯酶水解为乙酸和胆碱。若胆碱酯酶被抑制，神经末梢分泌的乙酰胆碱不能及时地分解掉，造成突触间隙乙酰胆碱的积累，引起一系列胆碱能神经过度兴奋，如抽搐等症状，最后可使人畜受害，因此，这类物质又称神经毒剂。解磷定等药物可以置换结合于胆碱酯酶上的磷酰基而恢复酶活力，故用于抢救农药中毒患者。

氰化物和一氧化碳等这些物质能与金属离子形成稳定的络合物，而使一些需要金属离子的酶的活性受到抑制，如含铁卟啉辅基的细胞色素氧化酶。

抑制剂以非共价键与酶结合，故不甚牢固，可用透析等物理方法把酶与抑制剂分开，使酶恢复催化活性，故称酶的可逆性抑制（reversible inhibition）作用。根据抑制剂、底物与酶三者的相互关系，可逆性抑制又可分竞争性抑制（competitive inhibition）、非竞争性抑制（non competitive inhibition）和反竞争性抑制（uncompetitive inhibition）三种。

抑制剂I的化学结构与酶作用的底物S十分类似，它们都能与酶的活性中心结合，两者对酶的结合有竞争作用。结合后分别形成EI或ES复合物。形成EI后酶不具催化作用，由此导致反应系统中游离酶浓度降低并使酶活性抑制。竞争性抑制的显著特点是其抑制作用可用高浓度的底物来解除。经典的例子是丙二酸竞争性地抑制琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢生成延胡索酸的反应。丙二酸只比琥珀酸少一个碳原子，故可与琥珀酸竞争与琥珀酸脱氢酶的活性中心结合，但酶不能催化丙二酸脱氢而形成盲端，从而抑制琥珀酸脱氢酶的活力。此时增加反应系统中琥珀酸的浓度，可以解除丙二酸对酶的抑制作用。草酰乙酸、苹果酸的化学结构亦与琥珀酸相似，它们亦是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。

应用双倒数法，以1/ v对1/[S]作图，可以得到竞争性抑制的特征性曲线（图4-27）。由图4-27可知，竞争性抑制剂存在时 K _m值增大，而直线与纵轴相交点1/ V _max并不因抑制剂存在而变化，亦即最大反应速度 V _max不变。

酶的竞争性抑制有重要的实际应用，很多药物是酶的竞争性抑制剂。如磺胺类药物的抑制作用就基于这一原理。细菌利用对氨基苯甲酸、二氢蝶呤及谷氨酸作原料，在二氢叶酸合成酶的催化下合成二氢叶酸，后者还可转变为四氢叶酸，是细菌合成核酸所不可缺的辅酶。磺胺药的化学结构与对氨基苯甲酸十分相似，故能与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶的活性中心，造成该酶活性抑制，进而减少四氢叶酸和核酸的合成，最终导致细菌繁殖生长停止。

非竞争性抑制剂可逆地与酶的非活性中心区结合，故酶与抑制剂形成EI后，还可结合底物形成EIS。由于抑制剂不与底物竞争酶的活性中心，故称非竞争性抑制作用，因此增加底物浓度不能解除非竞争性抑制剂的抑制作用。

以1/ v对1/[S]双倒数作图，可得到非竞争性抑制的特征性曲线（图4-28）。在有非竞争性抑制剂存在时，直线的斜率升高，说明 V _max降低，但直线与横轴相交点与无抑制剂时相同，即 K _m不受抑制剂影响。乙酰胆碱酯酶可被质子化叔胺（R-NH ₃ ^＋）类化合物所抑制属非竞争性抑制。

反竞争性抑制剂不直接与酶结合，而是与ES复合物结合，生成ESI后酶失去催化活性，造成酶的抑制。该抑制作用不能用增加底物浓度来解除抑制。以1/ v对1/[S]双倒数作图，可得到反竞争性抑制的持征性曲线（图4-29）。由图可知，反竞争性抑制剂使最大反应速度 V _max和 K _m均等地减少，但直线的斜率 K _m/ V _max不受抑制剂的影响，在用不同浓度反竞争性抑制剂时得到一组平行线。氰化物、肼、L-苯丙氨酸对肠碱性磷酸酶的抑制，肼对胃蛋白酶的抑制等均属反竞争性抑制。

体内代谢是一系列酶促反应的总和，整个代谢途径速度往往决定代谢途径中催化活力最低，米氏常数最大，也就是催化反应速度最慢的酶，它起着限速反应作用，故称之为限速酶（rate-limiting enzyme），有时几条代谢途径又常会有代谢途径的交叉点或共同的代谢中间物，代谢中间物究竟朝哪个方向继续进行代谢，决定机体当时的需要与条件，而调节即靠每条代谢途径的关键步骤并往往是由催化各代谢途径反应的第一个酶活力决定着多酶体系催化代谢反应的方向，故称关键酶（key enzyme）。而关键酶往往同时又是限速酶，酶的调节就是通过改变这些酶的活性来发挥调节作用的。改变酶的活性与含量是体内酶调节的主要方式。此外，在长期的进化过程中，酶的基因表型的差别使不同的组织细胞中具有其不同的独特代谢途径。

酶活性的调节是对酶促反应速率的快速调节。

变构酶（allosteric enzyme）往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点（catalytic site）外，还有别构位点（allosteric site）。后者是结合别构剂的位置，当它与别构剂结合时，酶的分子构象就会发生轻微变化，影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。别构剂一般都是生理小分子物质，若别构剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称别构激活剂（allosteric activator），反之使酶底物的亲和力或催化效率降低的称别构抑制剂（allosteric inhibitor）。酶活性受别构剂调节的作用称别构调节（allosteric regulation）作用。别构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位，但更多的是分别处于不同亚基上。在后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基，而具别构位点的称调节亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端，而别构酶的别构剂往往是一些生理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物，故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的别构酶称反馈抑制（feedback inhibition），它作为别构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶，及时调整该代谢途径的速度，以适应细胞生理功能的需要。别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用。故别构酶又称调节酶（regulatory enzyme）。别构酶的动力学特征是底物浓度影响酶促反应速度呈S型曲线，这不同于一般酶促反应动力学的矩形双曲线。

体内有些酶需在其他酶作用下，对酶分子结构进行修饰后才具催化活性，这类酶称修饰酶（modification enzyme）。其中以共价修饰为多见，如酶蛋白的丝氨酸，苏氨酸残基的功能基团—OH被磷酸化，均属共价修饰（covalent modification）。由于这种修饰导致酶活力改变称酶的共价修饰调节（covalent modification regulation）。体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化，由于共价修饰反应迅速，具有级联式放大效应，所以亦是体内调节物质代谢的重要方式。如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式，有活性的称磷酸化酶a，无活性的称磷酸化酶b，这两种形式的互变就是通过酶分子的磷酸化与去磷酸化的过程（详见糖代谢）。酶的别构调节与共价修饰是体内酶活性快速调节的两种主要方式。

酶含量的调节是对酶促反应速率的缓慢调节。

使酶蛋白合成增加的作用称诱导（induction），引起诱导作用的物质称诱导剂；而使酶蛋白合成减少的作用称阻遏（repression），引起阻遏作用的物质称阻遏剂。诱导剂与阻遏剂发挥作用的环节是通过DNA的转录与翻译过程，尤其是通过基因表达的调控来发挥作用，但蛋白质生物合成的过程需时较长，故诱导与阻遏的调节效应出现得较迟，故为迟缓调节，且酶蛋白生物合成后，即使去除了诱导剂，酶的活性仍保持，直至酶蛋白本身被代谢降解破坏，因此，其调节效应持续时间较长，生物合成蛋白质消耗的能量也较多。

例如精氨酸可诱导Hela细胞中精氨酸酶的合成、色氨酸可诱导小鼠肝细胞中色氨酸吡咯酶的合成。长期以高糖、低蛋白质作为主要饮食的亚洲发展中国家人民，消化液中淀粉酶活性就要比西方发达国家人群高，而蛋白酶的活性就比较低。底物诱导酶蛋白生物合成的例子在自然界存在相当普遍。

例如长期用糖皮质激素药物的重度慢性哮喘和慢性肾性、红斑狼疮患者，体内糖异生关键酶合成与活性就偏高，促使蛋白质转化生成糖，因此，常可表现出高血糖，且骨骼疏松而容易骨折、皮肤细薄、全身抵抗力降低容易感染等。

例如安眠药苯巴比妥可以诱导肝微粒体中葡萄糖醛酸转移酶的生物合成，因此，也可用以治疗新生儿黄疸，同时长期服用安眠药易产生了耐药性、服用剂量常需不断增加，乃因诱导肝中生物转化的酶合成升高所致。而不规则乱用抗生素治疗感染的患者也易诱导细菌产生抗药性而达不到治疗效果，因此，必需正规使用抗生素。

高胆固醇可以阻遏机体胆固醇合成途径中关键的HMG-CoA还原酶本身的生物合成。但这种阻遏作用不完善，此负反馈调节作用仅存在于肝中，在小肠中不存在，因此，高脂血症尤其是高胆固醇血症的患者还需注意减少日常饮食中胆固醇的摄入量。

饥饿时乙酰辅酶A羧化酶活性降低，主要是由于该酶蛋白分子降解失活速度增加之故，此时体内脂肪酸与脂肪的合成就会适应性地调节减少，保证乙酰辅酶A大量氧化分解供能以应急。但酶蛋白降解以调节细胞中酶含量的作用，远不如酶蛋白诱导生成调节细胞中酶含量的作用来得明显与重要。

酶与疾病的发生、诊断及治疗密切相关，同时可作为试剂用于临床检验和科学研究。

一般在规定的温度、pH和底物浓度的条件下，测定单位时间内底物消耗量或产物的生成量作为酶活性单位。通常又以测定产物的生成量较多，因产物从无到有较灵敏。

国际生化学会推荐的国际单位，即在特定条件下，1分钟内能使1μmol底物转变的酶量作为一个酶国际单位。1979年国际生化学会为将酶的活力单位与国际单位制的反应速率（mol/s）相一致，推荐用催量（Katal简称Kat）来表示酶活力。1催量定义为：在特定的测定系统中，催化底物每秒钟转变1mol的酶量。催量与国际单位的换算为：1国际单位为1μmol/min＝1μmol/60s即16.67nKat。

既然体内各种物质代谢过程多为酶促反应，则不论是遗传缺陷或外界因素造成的对酶活性的抑制或破坏均可引起疾病甚至危及生命。

酶缺陷引起的疾病多为先天性或遗传性疾病，如缺乏葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）引起的蚕豆黄，酪氨酸酶缺乏导致的白化症等。

很多中毒现象都与酶有关，如常用的有机磷农药能与胆碱酯酶活性中心的丝氨酸羟基结合而失活，重金属可与某些酶的巯基结合而使酶活性丧失，此外氰化物（CN ^－）能与细胞色素氧化酶的结合，可使生物氧化中断，严重威胁生命。

许多遗传性疾患是由于先天性缺乏某种有活性的酶所致，故在出生前，从羊水或绒毛中检出该酶的缺陷或其基因表达的缺陷，从而可采取早期流产，防患于未然。当某些器官组织发生病变，由于细胞的坏死或破坏，或细胞通透性增加，可使原来在细胞内的某些酶逸入体液中，使体液中该酶的含量升高。通过对血、尿等体液和分泌液中某些酶活性的测定，可以反映某些组织器官的病变情况，而有助疾病的诊断。

某些酶可作为药用用于疾病的治疗。

因消化腺分泌不足所致的消化不良可补充胃蛋白酶、胰蛋白酶等以助消化。

凡能抑制或阻断细菌重要代谢途径中的酶活性，即可达到杀菌或抑菌的目的。如磺胺药即是通过竞争性抑制细菌中的二氢叶酸合成酶活性而使细菌的核酸代谢障碍而阻遏其生长、繁殖。

肿瘤细胞有其独特的代谢方式，若能阻断相应酶的活性，就能达到遏止肿瘤生长的目的。L-天冬酰胺是某些肿瘤细胞的必需氨基酸，如给予能水解L-天冬酰胺的L-天冬酰胺酶，则肿瘤细胞因其必需的营养素缺乏而死亡。

如链激酶、尿激酶可用于溶解血栓，多用于心、脑血管的栓塞。

如精神抑郁症是由于脑中兴奋性神经介质（如儿茶酚胺）与抑制性神经介质的不平衡所致，给予单胺氧化酶抑制剂，可减少儿茶酚胺类的代谢灭活，提高突触中的儿茶酚胺含量而抗抑郁。

由于酶是蛋白质，具有很强的抗原性，故体内用酶治疗疾病还受到一定的限制。

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