核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，它的構件分子是核苷酸（nucleotide），天然存在的核酸可分為脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）兩類。DNA貯存細胞所有的遺傳信息，是物種保持進化和世代繁衍的物質基礎。RNA中參與蛋白質合成的有三類：轉移RNA（transfer RNA，tRNA），核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）和信使RNA（messenger RNA，mRNA）。20世紀末，發現許多新的具有特殊功能的RNA，幾乎涉及細胞功能的各個方面。

組成核酸的元素有C、H、O、N、P等，磷元素是核酸的特征性元素，且含量比較恒定，約占9%～10%，可作為核酸定量的依據。

核酸完全水解后產生嘌呤和嘧啶、戊糖（即五碳糖，包括核糖和脫氧核糖）和磷酸的混合物。單個核苷酸是由堿基、戊糖和磷酸三部分構成的。

構成核苷酸的堿基分為嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimi-dine）二類，前者主要指腺嘌呤（adenine，A）和鳥嘌呤（guanine，G），DNA和RNA中均含有這二種堿基。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，結構見圖4-1。

此外，核酸分子中還發現數十種修飾堿基（the modified component），又稱稀有堿基（unusual component）。它是指上述五種堿基環上的某一位置被一些化學基團（如甲基等）修飾后形成的衍生物。一般這些堿基在核酸中的含量稀少，在各種類型核酸中的分布也不均一。如DNA中的修飾堿基主要見于噬菌體DNA，而RNA中以tRNA含修飾堿基最多，可高達10%。稀有堿基在遺傳信息的調控和保護中提供信號識別。

核酸中有兩種戊糖DNA中為D-2-脫氧核糖（D-2-deoxyribose），RNA中則為D-核糖（D-ribose）。在核苷酸中，為了與堿基中的碳原子編號相區別核糖或脫氧核糖中碳原子標以C-1’，C-2’等。脫氧核糖與核糖兩者的差別只在于脫氧核糖中與2’位碳原子連結的不是羥基而是氫，這一差別使DNA在化學上比RNA穩定得多，見圖4-2。

磷酸為三元酸，形成多核苷酸時，通過酯鍵同時連接兩個核苷酸中戊糖。

核苷是戊糖與堿基之間以糖苷鍵（glycosidic bond）相連接而成。戊糖中C-1’與嘧啶堿的N-1或者與嘌呤堿的N9相連接，戊糖與堿基間的連接鍵是N-C鍵，一般稱N-糖苷鍵，如圖4-3。在天然條件下，由于空間位阻效應，核糖和堿基處于反式構象上。

核苷與磷酸構成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的基本結構單位。核酸分子中的磷酸酯鍵是在戊糖C-3’和C-5’所連的羥基上形成的，故構成核酸的核苷酸可視為3’-核苷酸或5’-核苷酸。DNA分子中含有A，G，C，T四種堿基的脫氧核苷酸；RNA分子中則含A，G，C，U四種堿基的核苷酸。核酸分子中的核苷酸都以一磷酸形式存在，但在細胞內有多種游離的核苷酸，其中包括一磷酸核苷、二磷核苷和三磷酸核苷（見圖4-4）。

3’，5’-磷酸二酯鍵。核酸是由眾多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide），相鄰二個核苷酸之間的連接鍵為3’，5’-磷酸二酯鍵。核酸鏈內的前一個核苷酸的3’羥基和下一個核苷酸的5’磷酸形成的磷酸二酯鍵。核酸中的核苷酸被稱為核苷酸殘基。多個核苷酸殘基以這種方式連接而成的鏈式分子就是核酸。無論是DNA還是RNA，其基本結構都是如此，故又稱DNA鏈或RNA鏈。DNA鏈的結構見圖4-5。

是指含兩個以上磷酸基的核苷酸。只帶一個磷酸基的核苷酸，叫核苷一磷酸，帶兩個磷酸基的核苷酸叫核苷二磷酸，依此類推，見圖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）和脫氧腺苷一磷酸（即脫氧腺苷酸，dAMP）、脫氧腺苷二磷酸（dADP）、脫氧腺苷三磷酸（dATP）。4種核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP和UTP）、4種脫氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP和dTTP）分別是RNA和DNA生物合成的原料。

其中，ATP是細胞內最主要的能量分子，其功能是儲存和傳遞化學能。ATP又是合成核酸的原料。ATP分子的結構是可以簡寫成A-P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基團，～代表高能磷酸鍵。ATP水解是指ATP分子中高能磷酸鍵的水解斷裂。高能磷酸鍵水解時釋放的能量多達30.54kJ/mol，故ATP是細胞內一種高能磷酸化合物。

環化苷酸是由戊糖上3’-羥基和5’-羥基與同一磷酸基團結合而成的具有內酯環結構的核苷酸，結構見圖4-6B。常見的有腺苷-3′，5′-磷酸即環腺苷酸（cAMP），主要存在于動物細胞中，生物體內的激素可引起細胞內cAMP的含量發生變化，從而調節糖原、脂肪代謝、蛋白質和核酸的生物合成，所以cAMP被稱為第二信使。此外，cGMP也是環化苷酸，是生物體內另一種重要的第二信使。

有的核苷酸類衍生物還是重要的輔酶，是酶發揮催化作用不可缺少的成分。如幾個重要的輔酶AD、NADP、FAD和FMN等都是腺苷酸衍生物。此外，這些輔酶可通過氫原子的得失參與許多氧化還原反應。此外，另一種稱作輔酶A的腺苷酸衍生物行使活化脂肪酸功能，與脂肪酸、萜類和類固醇生物合成有關。結構見圖4-7。

知識拓展

蛋白質是由氨基酸殘基以肽鍵相連組成的不分支的長鏈生物大分子。蛋白質是構成生物體的基本成分，占細胞干重的50%。蛋白質是生命過程的執行者，種類繁多，表現出豐富的功能。蛋白質在生物體的生命活動中起著極其重要的作用，已知的生物功能沒有一個是離開蛋白質而實現的，生物個體間表現出的差異是由于其體內蛋白質的貢獻。蛋白質參與生物體的組成成分，如結構蛋白、膠原蛋白；組成酶這種特殊的生物催化劑；參與運輸，如體內的血紅蛋白、肌紅蛋白；參與機體的運動功能，如肌球蛋白，肌動蛋白；構成機體中免疫成分，如抗體、免疫球蛋白、干擾素等；參與機體的遺傳信息的控制、細胞膜的通透性、高等動物的記憶、識別等諸多功能。

蛋白質是大分子化合物，相對分子質量（Mr）一般上萬，結構十分復雜，但都是由C、H、O、N、S等基本元素組成，有些蛋白質分子中還含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素，而其中氮的含量相對恒定，占13%～19%，平均為16%，因此通過樣品中含氮量的測定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白質的含量。

氨基酸是蛋白質分子的基本組成單位，見圖4-8。大分子蛋白質的基本組成單位或構件分子（building-block molecule）是氨基酸（amino acid，AA）（表2-2）。在種類上，雖然自然界中存在著300多種氨基酸，但構成蛋白質的只有20種氨基酸，且都是L，α-氨基酸，在蛋白質生物合成時它們受遺傳密碼控制。另外，組成蛋白質的氨基酸，不存在種族差異和個體差異。在20種氨基酸中，除甘氨酸不具有不對稱碳原子和脯氨酰是亞氨基酸外，其余均為L，α-氨基酸。氨基酸分子的結構通式為： 。

氨基酸作為蛋白質的基本結構和功能單位具有諸多理化性質。

由于蛋白質分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。在此波長范圍內，蛋白質的A ₂₈₀與其濃度成正比關系，因此可進行蛋白質定量測定。

蛋白質分子除了兩端的氨基和羧基可以解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團在一定的pH條件下也可以解離成帶正電荷或負電荷的基團。當氨基酸溶液處于某一pH時，氨基酸解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱這種該氨基酸的等電點（pI）。

蛋白質分子中，肽鍵及某些氨基酸殘基的化學基團，可與某些化學試劑反應顯色，稱蛋白質的呈色反應。利用這些呈色反應可以對蛋白質進行定性、定量測定。常用的呈色反應有雙縮脲反應、茚三酮反應及Folin-酚試劑反應。

根據氨基酸側鏈R基團的結構和性質，將氨基酸進行分類，見圖4-9。

蛋白質的一級結構是指多肽鏈上各種氨基酸殘基的種類和排列順序，包含了蛋白質結構的全部信息。蛋白質的一級結構由遺傳信息決定，其一級結構決定高級結構，一級結構是基本結構。

構成蛋白質一級結構的主要鍵是肽鍵，肽鍵是由一個氨基酸分子的α-羧基與另一個氨基酸分子的α-氨基發生酰化反應，脫去一分子水形成，也稱酰胺鍵。

肽就是氨基酸通過肽鍵連接起來的線性聚合物。自然界中還存在著大量的肽類，具有各種特殊的生理活性，統稱天然活性肽。在蛋白質分子中，由前一個氨基酸的—COOH和后一個氨基酸的—NH ₂脫水縮合而成的酰胺鍵，是蛋白質結構中的主要鍵。在蛋白質多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱氨基酸順序。氨基酸分子在參與形成肽鍵之后，由于脫水而使得原來的氨基酸結構不完整，稱氨基酸殘基。每條多肽鏈都有兩端：即游離的氨基端（N端）與游離的羧基端（C端），肽鏈的方向是從N端→C端，見圖4-10。

蛋白質的二級結構指多肽鏈主鏈在一級結構的基礎上進一步的盤旋或折疊，形成的周期性構象，維系二級結構的力是氫鍵。肽鏈主鏈的肽鍵C—N具有雙鍵的性質，因而不能自由的旋轉，使連接在肽鍵上的六個原子共處于一個平面上，此平面稱肽平面，又稱酰胺平面。肽平面的連接處為α碳原子，它與相鄰的兩個參與肽鍵形成的C和N原子之間的單鍵可以在一定范圍內轉動，Cα-N之間稱?角，在Cα-C之間稱ψ角，這就是α-碳原子上的一對二面角。這對二面角決定了相鄰肽平面的相對位置。

多肽鏈主鏈構象的空間限制來自兩個方面：其一，肽鍵不能自由旋轉帶來的構象限制。肽鏈中的肽鍵主要為反式。其二，α-C二面角?、ψ雖然可以任意旋轉，但不是任意二面角所決定的構象都是立體化學所允許的。二級結構的類型包括α螺旋結構、β-折疊、β-轉角和無規卷曲。

是常見的蛋白質二級結構，為右手螺旋。指多肽鏈主鏈圍繞中心軸呈有規律的螺旋式上升，每3.6個氨基酸殘基螺旋上升一圈，向上平移0.54nm，故螺距為0.54nm，兩個氨基酸殘基之間的距離為0.15nm。螺旋的方向為右手螺旋。氨基酸側鏈R基團伸向螺旋外側，每個肽鍵的N—H和第四個肽鍵的羰基氧形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋長軸基本平行。由于肽鏈中的全部肽鍵都可形成氫鍵，故α-螺旋十分穩定，如圖4-11。

同樣是蛋白質的二級結構的常見形式，肽鍵平面折疊成鋸齒狀，相鄰肽鏈主鏈的N—H和 之間形成有規則的氫鍵，在β-折疊中，所有的肽鍵都參與鏈間氫鍵的形成，氫鍵與β-折疊的長軸呈垂直關系。β-折疊也是一種重復性的結構，大致可分為平行式和反平行式兩種類型，它們是通過肽鏈間或肽段間的氫鍵維系。可以把它們想象為由折疊的條狀紙片側向并排而成，每條紙片可看成是一條肽鏈，稱β-折疊鏈或，肽主鏈沿紙條形成鋸齒狀，處于最伸展的構象，氫鍵主要在股間而不是股內。α-碳原子位于折疊線上，由于其四面體性質，連續的酰胺平面排列成折疊形式。需要注意的是在折疊片上的側鏈都垂直于折疊片的平面，并交替的從平面上下二側伸出。平行折疊片比反平行折疊片更規則且一般是大結構，而反平行折疊片可以少到僅由兩個β股組成，如圖4-12。

是一種常見的蛋白質二級結構，它通常出現在球狀蛋白表面，因此含有極性和帶電荷的氨基酸殘基。在β-轉角中第一個殘基的 與第四個殘基的N—H氫鍵鍵合形成一個緊密的環，使β-轉角成為比較穩定的結構，多處在蛋白質分子的表面，在這里改變多肽鏈方向的阻力比較小。β-轉角的特定構象在一定程度上取決于它的組成氨基酸，某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸經常存在其中，由于甘氨酸缺少側鏈（只有一個H），在β-轉角中能很好地調整其他殘基的空間阻礙，因此是立體化學上最合適的氨基酸；而脯氨酸具有換裝結構和固定的角，因此在一定程度上迫使β-轉角形成，促使多臺自身回折且這些回折有助于反平行β折疊片的形成，如圖4-13。

無規卷曲是一種無定規律的結構，主要指那些不能被歸入明確的二級結構，其本身也具有一定的穩定性。這些部位往往是蛋白質分子功能實施和構象的重要區域。

模體（motif）屬于蛋白質的二級結構，是具有特定空間構象和特定功能的結構成分。結構模體作為結構域的組分，介于蛋白質二級結構和三級結構之間，由相鄰的二級結構單元彼此相互作用，組合在一起，排列成規則的，在空間結構能夠辨認的二級結構組合體，并充當三級結構的構件，其基本形式有αα、βαβ和βββ等。多數情況下，只有非極性殘基側鏈參與這些相互作用，而親水側鏈多在分子的外表面。近年來發現的多種鈣結合蛋白以及鋅指結構均是典型的模體結構，如圖4-14。

指一條多肽鏈在二級結構或者超二級結構的基礎上，進一步盤繞，折疊，依靠次級鍵的維系固定所形成的特定空間結構成為蛋白質的三級結構。三級結構整個分子緊密、結實，許多在一級結構上相距很遠的氨基酸在三級結構上相距很近。肌紅蛋白（Mb）是由153個氨基酸殘基組成的單一多肽鏈的蛋白質，含A至H共8個螺旋區，其輔基為血紅素，如圖4-15。

在較大的蛋白質分子里，一條長的多肽鏈，在超二級結構的基礎上，往往組裝成幾個相對獨立的球狀區域，彼此分開，以松散的單條肽鏈相連。這種相對獨立的球狀區域，稱結構域。三級結構的穩定主要靠非共價鍵作用（氫鍵、離子鍵、疏水鍵、范德華力），此外還有二硫鍵，如圖4-16。

體內許多功能性蛋白質含有2條及2條以上的多肽鏈，每一條多肽鏈都具有完整的三級結構，稱亞基，亞基與亞基之間呈特定的三維空間排布，并以非共價鍵相連。蛋白質分子中各個亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，成為蛋白質的四級結構。四級結構具有分子對稱性以及亞基間以非共價鍵維系的特點。

通過大量蛋白質的結構與功能相關性研究，發現具有不同生物學功能的蛋白質，含有不同的氨基酸序列即不同的一級結構。同樣，從大量人類遺傳性疾病的基因與相關蛋白質分析結果，獲知這些疾病的病因可以是基因點突變引起的1個氨基酸的改變，也可以是基因大片段堿基缺失導致大片段肽段的缺失，這說明蛋白質一級結構的變化，可導致其功能的改變。

基因突變導致蛋白質一級結構的突變，導致蛋白質生物功能的下降或喪失，就會產生疾病，這種病稱分子病。例如鐮狀細胞貧血，就是由于血紅蛋白分子中兩個β亞基第6位正常的谷氨酸變異成了纈氨酸，從酸性氨基酸換成了中性支鏈氨基酸，降低了血紅蛋白在紅細胞中的溶解度，使它在紅細胞中隨血流至氧分壓低的外周毛細血管時，容易凝聚并沉淀析出，從而造成紅細胞破裂溶血和運氧功能的低下。另有實驗證明，若切除了促腎上腺皮質激素或胰島素A鏈N端的部分氨基酸，它們的生物活性也會降低或喪失，可見關鍵部分氨基酸殘基對蛋白質和多肽功能的重要作用。

在不同生物體中行使相同或相似功能的蛋白質為同源蛋白質，通過比較同源蛋白質的氨基酸序列的差異可以研究不同物種間的親緣關系和進化，親緣關系越遠，同源蛋白的氨基酸順序差異就越大。說明生物功能是由一級結構決定的；蛋白質一級結構中保守氨基酸對蛋白質的生物功能至關重要，一級結構是空間構象的基礎。

另一方面，在蛋白質結構和功能關系中，一些非關鍵部位氨基酸殘基的改變或缺失，則不會影響蛋白質的生物活性。例如人、豬、牛、羊等哺乳動物胰島素分子A鏈中8、9、10位和B鏈30位的氨基酸殘基各不相同，有種族差異，但這并不影響它們都具有降低生物體血糖濃度的共同生理功能。又如在人群的不同個體之間，同一種蛋白質有時也會有氨基酸殘基的不同或差異，但這也并不影響不同個體中它們擔負相同的生理功能。

體內蛋白質所具有的特定空間結構與其發揮特殊的生理功能有著密切的關系。蛋白質構象發生改變則其功能發生相應的改變。變構作用是指對于多亞基的蛋白質或酶，效應劑作用于某個亞基，引發其構象改變，繼而引起其他亞基構象的改變，導致蛋白質或酶的生物活性的變化。

蛋白質分子空間結構和其性質及生理功能的關系也十分密切。不同的蛋白質，正因為具有不同的空間結構，因此具有不同的理化性質和生理功能。如指甲和毛發中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二級結構，因此性質穩定堅韌又富有彈性，這是和角蛋白的保護功能分不開的；而膠原蛋白的三股π螺旋平行再幾股擰成纜繩樣膠原微纖維結構，使其性質穩定而具有強大的抗張力作用，因此是組成肌腱、韌帶、骨骼和皮膚的主要蛋白質；絲心蛋白正因為分子中富含β-片層結構，因此分子伸展，而蠶絲雖然柔軟卻沒有多大的延伸性。事實上不同的酶催化不同的底物起不同的反應，表現出酶的特異性，也是和不同的酶具有各自不相同且獨特的空間結構密切有關。

又如細胞質膜上一些蛋白質是離子通道，就是因為在其多肽鏈中的一些α-螺旋或β-折疊二級結構中，一側多由親水性氨基酸組成，而另一側卻多由疏水性氨基酸組成，因此是具有“兩親性”（amphipathic）的特點，幾段α-螺旋或β-折疊的親水側之間就構成了離子通道，而其疏水側，即通過疏水鍵將離子通道蛋白質固定在細胞質膜上。載脂蛋白也具有兩親性，既能與血漿中脂類結合，又使之溶解在血液中進行脂類的運輸。

具有四級結構的蛋白質，尚有重要的別構作用（allosteric effect），又稱變構作用。別構作用是指一些生理小分子物質，作用于具有四級結構的蛋白質，與其活性中心外別的部位結合，引起蛋白質亞基間一些副鍵的改變，使蛋白質分子構象發生輕微變化，包括分子變得疏松或緊密，從而使其生物活性升高或降低的過程。具有四級結構蛋白質的別構作用，其活性得到不斷調整，從而使機體適應千變萬化的內、外環境，因此推斷這是蛋白質進化到具有四級結構的重要生理意義之一。

血紅蛋白運氧中也有別構作用：當血紅蛋白分子第一個亞基與氧結合后，該亞基構象的輕微改變，可導致4個亞基間鹽鍵的斷裂，使亞基間的空間排布和四級結構發生輕微改變，血紅蛋白分子從較緊密的T型轉變成較松弛的R型構象，從而使血紅蛋白其他亞基與氧的結合容易化，產生了正協同作用，呈現出與肌紅蛋白不同的S形氧解離曲線，完成其更有效的運氧功能。氧對生命十分重要，但氧又難溶于水，生物進化到脊椎動物，產生了血紅蛋白與肌紅蛋白，尤其是血紅蛋白具有四級結構和別構作用，使之能更有效地完成運氧功能。當然，血紅蛋白是由四個亞基聚合而成的蛋白質，在變構中亞基是絕對不能分開的，只是整個構象的改變。

與氨基酸相似，蛋白質是更復雜的多價兼性離子，因為除肽鏈N端、C端的游離氨基和羧基可以解離外，肽鏈中間的一些酸性和堿性氨基酸殘基側鏈R上的基團在水中溶液中也可解離，故人體內蛋白質各有不同的等電點，大多pI在5左右，蛋白質等電點與所含氨基酸種類和數量有關，蛋白質在等電點時其溶解度、導電性、黏度、滲透壓最小。蛋白質等電點性質為電泳分離的依據。

蛋白質水溶液是一種比較穩定的親水膠體，這是因為蛋白質顆粒表面帶有很多極性基團（親水基團向外翻，疏水基團向內鉆），在蛋白質顆粒外面形成一層水膜（水化層）；另外蛋白質顆粒在非等電點狀態時帶的相同電荷，使蛋白質顆粒間相互排斥，不致相互凝聚沉淀。中性鹽、有機溶劑可以破壞蛋白質膠粒的水化膜，引起沉淀。要形成穩定的膠體分散系統，需要保證兩個條件：蛋白質顆粒表面形成水化膜和蛋白質顆粒表面具有相同的電荷。兩者共同作用起到穩定蛋白質膠體水溶液的作用。

蛋白質在溶液中一般含量很低，經過沉淀濃縮，可以進一步分離純化。主要方法有：

向蛋白質溶液中加入大量的中性鹽[（NH ₄） ₂SO ₄、Na ₂SO ₄、NaCl]，使蛋白質脫去水化層而聚集沉淀。該方法通常可以保證蛋白質的活性。

破壞水化膜，降低介電常數。在低溫環境下，可以保持蛋白質的活性。

當pH大于等電點時，蛋白質帶負電荷，可與重金屬離子（Hg ^2＋、Pb ^2＋、Cu ^2＋等）結成不溶性沉淀，使蛋白質發生沉淀反應，通常容易導致蛋白質變性。

當pH小于等電點時，蛋白質帶正電荷，易與生物堿試劑和酸類的負離子生成不溶性沉淀，同時容易導致蛋白質變性。

各種蛋白質分子中都含有或多或少的色氨酸和酪氨酸殘基，因此在280nm波長處有紫外吸收峰，通過蛋白質溶液紫外吸收值的測定，可對蛋白質進行簡便快速的定量分析。

當受到某些因素影響時，維系天然構象的次級鍵被破壞，蛋白質失去天然構象，導致生物活性喪失及相關物理、化學性質的改變，這個過程稱蛋白質變性。變性后的蛋白質在除去變性因素后，重新恢復天然構象和生物活性的過程稱蛋白質的復性。

變性是指在一些物理或化學因素作用下，使蛋白質分子空間結構破壞，從而引起蛋白質理化性質改變，包括結晶性能消失。蛋白質溶液黏度增加，呈色反應加強及易被消化水解等，尤其是溶解度降低和生物活性喪失的過程。蛋白質變性的機制是分子中非共價鍵斷裂，使蛋白質分子從嚴密且有序的空間結構轉變成雜亂松散、無序的空間結構，因此生物活性也必然喪失；同時由于蛋白質變性后，分子內部的疏水基團暴露到了分子的表面，因此其溶解度降低、容易沉淀析出。變性的蛋白質大多沉淀，但沉淀的蛋白質在蛋白質分離純化中并不是變性的。

造成蛋白質變性的物理、化學條件有加熱、紫外線、X線和有機溶劑，如乙醇、尿素、胍和強酸、強堿、重金屬鹽等。蛋白質變性雖是能逆轉的，因為此時蛋白質的一級結構并未遭到破壞，故若變性時間短、變性程度較輕，理論上在合適的條件下，變性蛋白質分子尚可重新卷曲形成天然空間結構，并恢復其生物活性，這即稱蛋白質的復性（renaturation），但目前情況下大部分變性蛋白質均難以復性，尤其是加熱變性的蛋白質更發生了凝固。蛋白質變性理論是由中國早年著名生化學家吳憲教授提出來的，至今仍被世界承認與沿用。

1961年美國科學家Anfinsen用加8mol/L的尿素破壞核糖核酸酶蛋白分子中的大量氫鍵，再加β-巰基乙醇還原核糖核酸酶分子中的四對二硫鍵，可使該酶蛋白變性失活。以后若先用透析方法去除反應液中的小分子尿素，因為該蛋白質一級結構并沒有破壞，肽鍵可自然卷曲、氫鍵可重新生成，故逐步氧化后，二硫鍵又可正確對位配對生成，核糖核酸酶幾乎可以完全恢復其天然空間結構與生物活性。但若不先透析去除尿素而用氧化劑使分子中還原的半胱氨酸殘基間氧化生成二硫鍵，因氫鍵不能形成，多肽鏈不能先卷曲形成相對正確天然的空間結構，二硫鍵生成就會發生錯配，生成“錯亂”酶，因此氧化后核糖核酸酶的活性仍大部分得不到恢復。這就是著名的Anfinsen定律，其重要意義是：它充分說明蛋白質中氨基酸順序決定構象、結構與功能的密切關系。

在實際工作中，我們要謹防一些蛋白質制劑或蛋白質藥物的變性失活，如免疫球蛋白、酶蛋白、疫苗蛋白和蛋白質激素藥物等；而在另一些情況下，又要利用日光、紫外線、高壓蒸汽、乙醇和紅汞等使細菌蛋白質變性失活，從而達到消毒殺菌的目的。要注意區別變性是由一些較劇烈的條件使蛋白質構象破壞、生物活性喪失的過程，它不同于別構中蛋白質構象的輕微改變，伴隨著生物活性升高或降低的調節過程。

蛋白質中的某些氨基酸殘基可以與顯色試劑發生呈色反應。

氨基酸殘基與茚三酮試劑反應產生藍色產物，該反應常用于氨基酸的定性或定量分析。

肽鍵與雙縮脲試劑反應呈紫色。氨基酸無此反應，可用于檢測蛋白質水解程度。

知識拓展

維生素（vitamins）是動物維持正常功能所必需的一組有機化合物，需要量極小，但動物本身不能合成或合成量不足，必須從食物中獲得，是人體必需的一類微量營養素。維生素有脂溶性和水溶性兩種。維生素大多數以輔酶、輔基的形式參與調節代謝活動。輔酶與輔基的生理作用主要是：①運載氫原子或電子，參與氧化還原反應；②運載反應基團，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳單位等，參與基團轉移。大部分的輔酶與輔基衍生于維生素。輔酶與酶蛋白結合疏松，輔酶通常與酶蛋白非共價相連，可用透析或超濾的方法除去；輔基與酶蛋白結合緊密，通常與酶蛋白共價相連，不能用透析或超濾的方法除去。

輔酶與輔基的來源及其生理作用（見表4-1）：

經焦磷酸化生成焦磷酸硫胺素（TPP），是脫羧酶的輔酶，在體內參與糖代謝過程中α-酮酸的氧化脫羧反應。

黃素單核苷酸（FMN）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）是核黃素（維生素B ₂）的衍生物。FMN或FAD通常作為脫氫酶的輔基，在酶促反應中作為遞氫體（雙遞氫體）。

尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD ^＋，輔酶Ⅰ）和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP ^＋，輔酶Ⅱ）是維生素PP的衍生物。NAD ^＋和NADP ^＋主要作為脫氫酶的輔酶，在酶促反應中起遞氫體的作用，為單遞氫體。

磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是維生素B ₆的衍生物。磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺可作為氨基轉移酶、氨基酸脫羧酶、半胱氨酸脫硫酶等的輔酶。

在體內參與構成輔酶A（CoA）。CoA中的巰基可與羧基以高能硫酯鍵結合，在糖、脂、蛋白質代謝中起傳遞酰基的作用，是酰化酶的輔酶。

是羧化酶的輔基，在體內參與CO ₂的固定和羧化反應。

四氫葉酸由葉酸衍生而來，是體內一碳單位基團轉移酶系統中的輔酶。

維生素B ₁₂分子中含金屬元素鈷，故又稱鈷胺素。維生素B ₁₂在體內有多種活性形式，如5′-脫氧腺苷鈷胺素、甲基鈷胺素等。其中，5′-脫氧腺苷鈷胺素參與構成變位酶的輔酶，甲基鈷胺素則是甲基轉移酶的輔酶。

知識拓展

酶（enzyme）是生物催化劑，體內的代謝反應絕大部分是由酶所催化完成的，所以它在物質代謝中發揮非常重要的作用。因此，在討論物質代謝之前必先對其有一個全面的了解。自1982年以來隨著具有催化功能的RNA和DNA的陸續發現，目前認為生物體內除了存在酶這類生物催化劑外，另一類則是核酸催化劑，如其本質為RNA則稱核酶，因此現代科學認為生物催化分子是由活細胞所產生，能在體內或體外發揮相同催化作用的一類具有活性中心和特殊結構的生物大分子，包括蛋白質和核酸。由于核酸參與催化反應有限，而且這些反應均可有相應的酶所催化，酶仍是體內最主要的催化劑。

酶是由活細胞產生的一類具有催化作用的蛋白質，故又有生物催化劑之稱。與一般催化劑相比，酶的催化作用有高度專一性、高度催化效率及其催化活性的可調節性和高度的不穩定性（變性失活）等特點。酶的這些性質使細胞內錯綜復雜的物質代謝過程能有條不紊地進行，使物質代謝與正常的生理功能互相適應。若因遺傳缺陷造成某個酶缺損，或其他原因造成酶的活性減弱，均可導致該酶催化的反應異常，使物質代謝紊亂，甚至發生疾病。體外測定血漿及組織樣品中的酶活力已成為診斷疾病的重要手段。一些酶制劑亦作為藥物用于臨床的治療，酶與醫學的關系十分密切。多年以來，人們認為生物體內的各種代謝反應都是在酶的催化下進行的，而酶的化學本質則是蛋白質。

按照酶的化學組成可將酶分為單純酶和結合酶兩大類。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈，結合酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質，還有非蛋白成分，如金屬離子、鐵卟啉或含B族維生素的小分子有機物。結合酶的蛋白質部分稱酶蛋白（apoenzyme），非蛋白質部分統稱輔助因子（cofactor），兩者一起組成全酶（holoenzyme）；只有全酶才有催化活性，如果兩者分開則酶活力消失。非蛋白質部分，如鐵卟啉或含B族維生素的化合物，若與酶蛋白以共價鍵相連的稱輔基（prosthetic group），用透析或超濾等方法不能使它們與酶蛋白分開；反之兩者以非共價鍵相連的稱輔酶（coenzyme），可用上述方法把兩者分開。

結合酶中的金屬離子有多方面功能，它們可能是酶活性中心的組成成分；有的可能在穩定酶分子的構象上起作用；有的可能作為橋梁使酶與底物相連接。輔酶與輔基在催化反應中作為氫（H ^＋和e）或某些化學基團的載體，起傳遞氫或化學基團的作用。體內酶的種類很多，但酶的輔助因子種類并不多，已知幾種酶可用某種相同的金屬離子作為輔助因子，同樣幾種酶也可用相同的輔酶或輔基。酶催化反應的特異性決定于酶蛋白部分，而輔酶與輔基的作用是參與具體的反應過程中氫（H ^＋和e）及一些特殊化學基團的運載。

酶屬生物大分子，分子量至少在1萬以上，大的可達百萬。酶的催化作用有賴于酶分子的一級結構及空間結構的完整。若酶分子變性或亞基解聚均可導致酶活性喪失。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殘基并不與底物接觸。組成酶活性中心的氨基酸殘基的側鏈存在不同的功能基團，如—NH ₂、—COOH、—SH、—OH和咪唑基等，它們來自酶分子多肽鏈的不同部位。有的基團在與底物結合時起結合基團（binding group）的作用，有的在催化反應中起催化基團（catalytic group）的作用。但有的基團既在結合中起作用，又在催化中起作用，所以常將活性部位的功能基團統稱必需基團（essential group）。它們通過多肽鏈的盤曲折疊，組成一個在酶分子表面、具有三維空間結構的孔穴或裂隙，以容納進入的底物與之結合（圖4-17）并催化底物轉變為產物，這個區域即稱酶的活性中心。

而酶活性中心以外的功能基團則在形成并維持酶的空間構象上也是必需的，故稱活性中心以外的必需基團。對需要輔助因子的酶來說，輔助因子也是活性中心的組成部分。酶催化反應的特異性實際上決定于酶活性中心的結合基團、催化基團及其空間結構。

酶的分子結構的基礎是其氨基酸的序列，它決定著酶的空間結構和活性中心的形成以及酶催化的專一性。如哺乳動物中的磷酸甘油醛脫氫酶的氨基酸殘基序列幾乎完全相同，說明相同的一級結構是酶催化同一反應的基礎。又如消化道的糜蛋白酶，胰蛋白酶和彈性蛋白酶都能水解食物蛋白質的肽鍵，但三者水解的肽鍵有各自的特異性，這三種酶的氨基酸序列分析顯示40%左右的氨基酸序列相同，都以絲氨酸殘基作為酶的活性中心基團，三種酶在絲氨酸殘基周圍都有G1y-Asp-Ser-Gly-Pro序列，X線衍射研究提示這三種酶有相似的空間結構，這是它們都能水解肽鍵的基礎。而它們水解肽鍵時的特異性則來自酶的底物結合部位上氨基酸組成上有微小的差別所致。

有些酶，如消化系統中的各種蛋白酶以無活性的前體形式合成和分泌，然后輸送到特定的部位，當體內需要時，經特異性蛋白水解酶的作用轉變為有活性的酶而發揮作用。這些不具催化活性的酶的前體稱酶原（zymogen）。如胃蛋白酶原（pepsinogen）、胰蛋白酶原（trypsinogen）和胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）等。某種物質作用于酶原使之轉變成有活性的酶的過程稱酶原激活（activation of zymogen）。使無活性的酶原轉變為有活性的酶的物質稱活化素。活化素對于酶原的激活作用具有一定的特異性。例如胰腺細胞合成的糜蛋白酶原為245個氨基酸殘基組成的單一肽鏈，分子內部有5對二硫鍵相連，該酶原的激活過程首先由胰蛋白酶水解15位精氨酸和16位異亮氨酸殘基間的肽鍵，激活成有完全催化活性的π-糜蛋白酶，但此時酶分子尚未穩定，經π-糜蛋白酶自身催化，去除二分子二肽成為有催化活性并具穩定結構的α-糜蛋白酶。

圖4-18說明胰蛋白酶原轉變為胰蛋白酶的激活過程。小腸的腸激酶能識別胰蛋白酶原氨基末端四個天冬氨酸殘基并水解賴氨酸與異亮氨酸殘基間的肽鍵，結果水解去掉氨基末端的一段六肽成為有活性的胰蛋白酶。

在正常情況下，血漿中大多數凝血因子基本上是以無活性的酶原形式存在，只有當組織或血管內膜受損后，無活性的酶原才能轉變為有活性的酶，從而觸發一系列的級聯式酶促反應，最終導致可溶性的纖維蛋白原轉變為穩定的纖維蛋白多聚體，網羅血小板等形成血凝塊。

酶原激活的本質是切斷酶原分子中特異肽鍵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義，一方面它保證合成酶的細胞本身不受蛋白酶的消化破壞，另一方面使它們在特定的生理條件和規定的部位受到激活并發揮其生理作用。如組織或血管內膜受損后激活凝血因子；胃主細胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺細胞分泌的糜蛋白酶原、胰蛋白酶原、彈性蛋白酶原等分別在胃和小腸激活成相應的活性酶，促進食物蛋白質的消化就是明顯的例證。特定肽鍵的斷裂所導致的酶原激活在生物體內廣泛存在，是生物體的一種重要的調控酶活性的方式。如果酶原的激活過程發生異常，將導致一系列疾病的發生。出血性胰腺炎的發生就是由于蛋白酶原在未進小腸時就被激活，激活的蛋白酶水解自身的胰腺細胞，導致胰腺出血、腫脹。

不同的生物種類，不同的器官和組織來源的某些酶可作用于同一底物，催化相同的化學反應，20世紀50年代初從心肌中分離了兩種乳酸脫氫酶。1964年確認了 同工酶（isoenzyme）的概念：即同工酶是一類催化相同的化學反應，但酶蛋白的分子結構、理化性質和免疫原性各不相同的一類酶。至今已知的同工酶已不下幾十種，如己糖激酶、乳酸脫氫酶等，其中以 乳酸脫氫酶（lactic acid dehydrogenase，LDH）研究得最為清楚。人和脊柱動物組織中，有五種分子形式，它們催化下列相同的化學反應：

五種同工酶均由四個亞基組成。LDH的亞基有骨骼肌型（M型）和心肌型（H型）兩型，這兩種亞基的氨基酸組成不同，由兩種亞基以不同比例組成的四聚體，存在五種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）。

五種LDH中的M、H亞基比例各異，決定了它們理化性質的差別。通常用電冰法可把五種LDH分開，不同組織中各種LDH所含的量不同（表4-2），心肌中以LDH ₁及LDH ₂的量較多，而骨骼肌及肝中LDH ₅和LDH ₄為主。不同組織中LDH同工酶譜的差異與組織利用乳酸的生理過程有關。在組織病變時這些同工酶釋放入血，由于同工酶在組織器官中分布差異，因此血清同工酶譜就有了變化。故臨床常用血清同工酶譜分析來診斷疾病（圖4-19）。

體內有些酶彼此聚合在一起，組成一個物理的結合體，此結合體稱多酶復合體（multienzyme complex）。若把多酶復合體解體，則各酶的催化活性消失。如催化丙酮酸氧化脫羧反應的丙酮酸脫氫酶多酶復合體由三種酶組成，而在線粒體中催化脂肪酸β-氧化的多酶復合體由四種酶組成。多酶復合體第一個酶催化反應的產物成為第二個酶作用的底物，如此連續進行，直至終產物生成。多酶復合體由于有物理結合，在空間構象上有利于這種流水作業的快速進行，是生物體提高酶催化效率的一種有效措施。體內物質代謝的各條途徑往往有許多酶共同參與，依次完成反應過程，這些酶不同于多酶復合體，在結構上無彼此關聯，故稱多酶體系（multienzyme system）。如參與糖酵解的11個酶均存在于胞液，組成一個多酶體系。近年來發現有些酶分子存在多種催化活性，例如大腸桿菌DNA聚合酶I，哺乳類動物的脂肪酸合成酶等，這種酶分子中存在多種催化活性部位的酶稱多功能酶（multifunctional enzyme）。多功能酶在分子結構上比多酶復合體更具有優越性，因為相關的化學反應在一個酶分子上進行，比多酶復合體更有效，這也是生物進化的結果。

酶促反應具有一系列區別于體外催化劑的重要特點：

酶是高效生物催化劑，比一般催化劑的效率高10 ⁷～10 ¹³倍，以過氧化氫分解為例，用鐵離子催化的效率每秒為6×10 ^－4mol/g離子；血紅素的催化效率每秒為6×10 ^－1 mol/mol；而過氧化氫酶的催化效率每秒為6×10 ⁶mol/mol。

酶能加快化學反應的速度，但酶不能改變化學反應的平衡點，酶的作用是縮短了到達平衡所需的時間，但平衡常數不變，在無酶的情況下達到平衡點需幾個小時，在有酶時可能只要幾秒鐘就可達到平衡。

酶和一般催化劑都是通過降低反應活化能的機制來加快化學反應速度的，眾所周知，反應物分子間的有效碰撞是化學反應產生的基礎，只有那些已具有足夠能量的反應物分子才能發生有效碰撞。這些具有足夠能量的反應物分子稱活化分子，其所具有的能量稱 活化能（activation energy）。活化能也就是底物分子從基態轉變為活化態所需的能量。活化分子越多，反應速度越快。酶通過其特有的作用機制，比一般催化劑更有效地降低反應的活化能，使底物只需較少的能量便可進入活化狀態（圖4-20）。通常化學反應可以用升高溫度來加快反應速度，這是因為升高溫度可以使更多的反應物分子獲得所需的活化能。

酶的催化特異性表現在它對底物的選擇性和催化反應的特異性兩方面。體內的化學反應除了個別自發進行外，絕大多數都由專一的酶催化，一種酶能從成千上萬種反應物中找出自己作用的底物，這就是酶的特異性。根據酶催化特異性程度上的差別，分為絕對特異性、相對特異性和立體異構特異性三類。一種酶只催化一種底物進行反應的稱絕對特異性，如脲酶只能水解尿素使其分解為二氧化碳和氨；若一種酶能催化一類化合物或一類化學鍵進行反應的稱相對特異性，如酯酶既能催化甘油三酯水解，又能水解其他酯鍵。具有立體異構特異性的酶對底物分子立體構型有嚴格要求，如L-乳酸脫氫酶只催化L-乳酸脫氫，對D-乳酸無作用。

有些酶的催化活性可受許多因素的影響，如別構酶受別構劑的調節，有的酶受共價修飾的調節，激素和神經體液通過第二信使對酶活力進行調節，以及誘導劑或阻抑劑對細胞內酶含量（改變酶合成與分解速度）的調節等。

酶通過促進底物形成過渡態而提高反應速率，酶比一般的催化劑更有效地降低反應的活化能。

酶的活性中心與底物定向結合生成ES復合物是酶催化作用的第一步。定向結合的能量來自酶活性中心功能基團與底物相互作用時形成的多種非共價鍵，如離子鍵、氫鍵、疏水鍵，也包括范德瓦力。它們結合時產生的能量稱 結合能。

若酶只與底物互補生成ES復合物，不能進一步促使底物進入過渡狀態，那么酶的催化作用不能發生。這是因為酶與底物生成ES復合物后尚需通過酶與底物分子間形成更多的非共價健，生成酶與底物的過渡狀態互補的復合物（圖4-21），才能完成酶的催化作用。當酶與底物生成ES復合物并進一步形成過渡狀態，這過程已釋放較多的結合能，現知這部分結合能可以抵消部分反應物分子活化所需的活化能，從而使原先低于活化能閾的分子也成為活化分子，于是加速化學反應的速度。

酶促反應動力學是研究酶促反應速度和影響酶促反應速度的因素。許多因素如酶濃度、底物濃度、pH、溫度、激活劑和抑制劑等都能影響酶促反應的速度。在研究某一因素對酶反應速度的影響時，要使酶催化系統的其他因素不變，并保持嚴格的反應初速度條件。動力學研究可為酶作用機制提供有價值的信息，也有助于確定酶作用的最適條件。應用抑制劑探討酶活性中心功能基團的組成，對酶的結構與功能方面的研究甚至臨床實用方面的研究都有重要價值。

在一定的溫度和pH條件下，當底物濃度遠大于酶的濃度時，酶反應速度與酶濃度成正比（圖4-22）。

即 v＝ K[E]，式中 v為反應速度， K為反應速度常數，[E]代表酶濃度。

在酶濃度不變的情況下，底物濃度對反應速度的影響呈矩形雙曲線（圖4-23）。在底物濃度很低時，反應速度隨底物濃度的增加成正比的增快（曲線的a段）；進一步增加底物濃度，反應速度增加減慢，兩者已不成正比（曲線的b段）；以后再增加底物濃度，反應速度幾乎不再增加，而趨近于反應速度的極限值（ V _max）（曲線的c段）。

體內大多數酶均表現上述底物濃度與反應速度的關系，并且中間復合物學說是解釋底物濃度影響酶促反應速度的最合理學說。然而，Michaelis和Menten兩人在前人工作的基礎上又推導得出下列方程式（被稱之為米-曼氏方程式）試圖從數學的角度來解釋底物濃度對酶促反應速度的影響：

式中 v為反應速度， V _max為所有酶被底物飽和時的最大反應速度， K _m為米氏常數（Michaelis constant），它是[ES]分解速度的常數與[ES]生成速度常數之比。

這個方程式正確地說明底物濃度對酶反應速度的影響。當底物濃度很低，即[S]? K _m時，米-曼氏方程式中分母上的[S]可以忽略不計，于是

對一個酶來說， V _max和 K _m均為常數，于是反應速度與底物濃度成正比關系。若底物濃度很高，即[S]? K _m，米-曼氏方程式中分母上的 K _m可以忽略不計，于是

此時再增加底物濃度，反應速度也不會增加。若[S]＝ K _m，則方程式成為

即在[S]＝ K _m時，反應速度正好為最大反應速度的一半，故只要知道酶的最大反應速度，即可知道達最大反應速度一半時所需的底物濃度，此底物濃度也就是該酶的 K _m， K _m的單位與底物相同，均為mol/L（摩爾/升）。

一般情況下， K _m值愈小，酶與底物的親和力愈大。這表示不需要很高的底物濃度便可容易地達到最大反應速度。反之 K _m值愈大，酶與底物的親和力愈小。

K _m值是酶的特征性常數之一， K _m值只與酶的結構、酶所催化的底物和反應環境（如溫度、pH、離子強度）有關，與酶的濃度無關。

V _max是酶完全被底物飽和時的反應速度，酶的轉換數的定義即是當酶被底物充分飽和時，單位時間內每個酶分子（或活性中心）催化底物轉變為產物的分子數。

通過上述底物濃度曲線可以近似地測出 V _max和 K _m，但精確度差，且費時費力。為此人們將米-曼氏方程式進行種種變換，應用最多的是將曲線作圖轉變為直線的雙倒數作圖法，此法將米氏方程式兩邊取倒數

以1/ v對1/[S]作圖，得一條直線，其斜率為 K _m/ V _max，直線與y軸相交的截距為1/ V _max，與x軸相交的一點為－1/ K _m（圖4-24）。

化學反應的速度隨溫度升高而加速，酶促反應在一定溫度范圍內也遵循這規律。但酶是蛋白質，溫度升高可使酶變性失活，故以酶反應速度 v對溫度作圖，可得一條鐘罩形曲線（圖4-25）。

曲線頂部所指的溫度稱該酶的最適溫度。若酶促反應持續時間短，則溫度促使化學反應加速的影響大于對酶變性的影響，此條件下測得的最適溫度往往偏高。反之若反應時間長，溫度導致酶失活的影響變為明顯，此時測得的最適溫度偏低。酶的最適溫度不是酶的特征性常數。一般植物來源的酶，其最適溫度在45～65℃；動物來源的酶，其最適溫度在37～50℃。

酶促反應速度受介質pH的影響，一種酶在幾種pH介質中測其活力，可看到在某一pH時酶促效率最高，這個pH稱該酶的最適pH，最適pH提示酶分子活性基團的電離狀態、底物分子及輔酶與輔基的電離狀態都與酶的催化作用相關，但酶的最適pH也不是酶的特征性常數，如緩沖液的種類與濃度，底物濃度等均可改變酶作用的最適pH。

大多數酶的反應速度對pH的變化呈鐘罩形曲線（圖4-26），個別的只有鐘罩形的一半。多數植物和微生物來源的酶，最適pH在4.5～6.5左右；動物酶的最適pH在6.5～8.0左右；個別也有例外；如胃蛋白酶的最適pH為1.5～2.5，精氨酸酶的最適pH在9.8～10.0。

凡能提高酶活性，加速酶促反應進行的物質都稱該酶的激活劑（activator）。激活劑按其分子質量大小可分為以下三種。

如氯離子（Cl ^－）、某些金屬離子（Mg ^2＋、Zn ^2＋等）。一般認為金屬離子的激活作用，主要是由于其在酶和底物間起了橋梁的作用，形成酶—金屬離子—底物三元復合物，從而更有利于底物和酶的活性中心部位結合。

半胱氨酸、谷胱甘肽等對某些酶也有激活作用，如還原型谷胱甘肽能保護巰基酶分子中的巰基不被氧化，從而提高酶的活性。牛磺膽酸鈉是脂肪酶的激活劑。

一些蛋白激酶對某些酶的激活，在生物體代謝活動中起重要的作用。如磷酸化酶b激酶可激活磷酸化酶b，而磷酸化酶b激酶本身則又受到cAMP依賴性蛋白激酶的激活。

能使酶活力降低的物質稱酶的抑制劑（inhibitor）。但強酸、強堿等造成酶變性失活不屬酶的抑制作用而稱酶的鈍化。可見酶的抑制作用是指抑制劑作用下酶活性中心或必需基團發生性質的改變并導致酶活性降低或喪失的過程。按抑制劑作用方式分為不可逆性抑制和可逆性抑制兩類。

不可逆性抑制（irreversible inhibition）作用的抑制劑以共價鍵與酶的必需基團結合，因結合甚牢不能用透析或超濾方法使兩者分開，故所造成的抑制作用是不可逆的。按抑制劑對酶必需基團選擇程度不同，又分非專一性和專一性抑制兩類。

抑制劑與酶的一類或幾類基團結合，抑制劑并不區分其結合的基團屬必需基團或非必需基團。如重金屬離子Pb ^2＋、Cu ^2＋和對氯汞苯甲酸與酶分子的巰基進行不可逆結合，化學毒劑“路易士氣”則是一種含砷的化合物，它能抑制含巰基酶的活性。

上述重金屬離子與酶分子必需基團巰基結合是造成酶活性抑制的主要原因。二巰基丙醇或丁二酸鈉等含巰基的化合物，可以置換結合于酶分子上的重金屬離子而使酶恢復活性，因此，是臨床上用于搶救重金屬中毒的藥物。

抑制劑專一性作用于酶活性中心的必需基團并導致酶活性的抑制。如二異丙基氟磷酸（diisopropyl phosphofluoride，DIFP）專一性地共價結合于膽堿酯酶活性中心的絲氨酸殘基的羥基，造成酶活性的抑制。

有機磷農藥（如敵敵畏等）具有與DIFP類似的結構，它能使昆蟲膽堿酯酶磷酰使酶的活性受到抑制，而膽堿酯酶與神經系統活動有關。正常機體在神經興奮時，神經末梢釋放出乙酰膽堿傳導刺激。乙酰膽堿發揮作用后，被乙酰膽堿酯酶水解為乙酸和膽堿。若膽堿酯酶被抑制，神經末梢分泌的乙酰膽堿不能及時地分解掉，造成突觸間隙乙酰膽堿的積累，引起一系列膽堿能神經過度興奮，如抽搐等癥狀，最后可使人畜受害，因此，這類物質又稱神經毒劑。解磷定等藥物可以置換結合于膽堿酯酶上的磷酰基而恢復酶活力，故用于搶救農藥中毒患者。

氰化物和一氧化碳等這些物質能與金屬離子形成穩定的絡合物，而使一些需要金屬離子的酶的活性受到抑制，如含鐵卟啉輔基的細胞色素氧化酶。

抑制劑以非共價鍵與酶結合，故不甚牢固，可用透析等物理方法把酶與抑制劑分開，使酶恢復催化活性，故稱酶的可逆性抑制（reversible inhibition）作用。根據抑制劑、底物與酶三者的相互關系，可逆性抑制又可分競爭性抑制（competitive inhibition）、非競爭性抑制（non competitive inhibition）和反競爭性抑制（uncompetitive inhibition）三種。

抑制劑I的化學結構與酶作用的底物S十分類似，它們都能與酶的活性中心結合，兩者對酶的結合有競爭作用。結合后分別形成EI或ES復合物。形成EI后酶不具催化作用，由此導致反應系統中游離酶濃度降低并使酶活性抑制。競爭性抑制的顯著特點是其抑制作用可用高濃度的底物來解除。經典的例子是丙二酸競爭性地抑制琥珀酸脫氫酶催化琥珀酸脫氫生成延胡索酸的反應。丙二酸只比琥珀酸少一個碳原子，故可與琥珀酸競爭與琥珀酸脫氫酶的活性中心結合，但酶不能催化丙二酸脫氫而形成盲端，從而抑制琥珀酸脫氫酶的活力。此時增加反應系統中琥珀酸的濃度，可以解除丙二酸對酶的抑制作用。草酰乙酸、蘋果酸的化學結構亦與琥珀酸相似，它們亦是琥珀酸脫氫酶的競爭性抑制劑。

應用雙倒數法，以1/ v對1/[S]作圖，可以得到競爭性抑制的特征性曲線（圖4-27）。由圖4-27可知，競爭性抑制劑存在時 K _m值增大，而直線與縱軸相交點1/ V _max并不因抑制劑存在而變化，亦即最大反應速度 V _max不變。

酶的競爭性抑制有重要的實際應用，很多藥物是酶的競爭性抑制劑。如磺胺類藥物的抑制作用就基于這一原理。細菌利用對氨基苯甲酸、二氫蝶呤及谷氨酸作原料，在二氫葉酸合成酶的催化下合成二氫葉酸，后者還可轉變為四氫葉酸，是細菌合成核酸所不可缺的輔酶。磺胺藥的化學結構與對氨基苯甲酸十分相似，故能與對氨基苯甲酸競爭二氫葉酸合成酶的活性中心，造成該酶活性抑制，進而減少四氫葉酸和核酸的合成，最終導致細菌繁殖生長停止。

非競爭性抑制劑可逆地與酶的非活性中心區結合，故酶與抑制劑形成EI后，還可結合底物形成EIS。由于抑制劑不與底物競爭酶的活性中心，故稱非競爭性抑制作用，因此增加底物濃度不能解除非競爭性抑制劑的抑制作用。

以1/ v對1/[S]雙倒數作圖，可得到非競爭性抑制的特征性曲線（圖4-28）。在有非競爭性抑制劑存在時，直線的斜率升高，說明 V _max降低，但直線與橫軸相交點與無抑制劑時相同，即 K _m不受抑制劑影響。乙酰膽堿酯酶可被質子化叔胺（R-NH ₃ ^＋）類化合物所抑制屬非競爭性抑制。

反競爭性抑制劑不直接與酶結合，而是與ES復合物結合，生成ESI后酶失去催化活性，造成酶的抑制。該抑制作用不能用增加底物濃度來解除抑制。以1/ v對1/[S]雙倒數作圖，可得到反競爭性抑制的持征性曲線（圖4-29）。由圖可知，反競爭性抑制劑使最大反應速度 V _max和 K _m均等地減少，但直線的斜率 K _m/ V _max不受抑制劑的影響，在用不同濃度反競爭性抑制劑時得到一組平行線。氰化物、肼、L-苯丙氨酸對腸堿性磷酸酶的抑制，肼對胃蛋白酶的抑制等均屬反競爭性抑制。

體內代謝是一系列酶促反應的總和，整個代謝途徑速度往往決定代謝途徑中催化活力最低，米氏常數最大，也就是催化反應速度最慢的酶，它起著限速反應作用，故稱之為限速酶（rate-limiting enzyme），有時幾條代謝途徑又常會有代謝途徑的交叉點或共同的代謝中間物，代謝中間物究竟朝哪個方向繼續進行代謝，決定機體當時的需要與條件，而調節即靠每條代謝途徑的關鍵步驟并往往是由催化各代謝途徑反應的第一個酶活力決定著多酶體系催化代謝反應的方向，故稱關鍵酶（key enzyme）。而關鍵酶往往同時又是限速酶，酶的調節就是通過改變這些酶的活性來發揮調節作用的。改變酶的活性與含量是體內酶調節的主要方式。此外，在長期的進化過程中，酶的基因表型的差別使不同的組織細胞中具有其不同的獨特代謝途徑。

酶活性的調節是對酶促反應速率的快速調節。

變構酶（allosteric enzyme）往往是具有四級結構的多亞基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性中心也稱催化位點（catalytic site）外，還有別構位點（allosteric site）。后者是結合別構劑的位置，當它與別構劑結合時，酶的分子構象就會發生輕微變化，影響到催化位點對底物的親和力和催化效率。別構劑一般都是生理小分子物質，若別構劑結合使酶與底物親和力或催化效率增高的稱別構激活劑（allosteric activator），反之使酶底物的親和力或催化效率降低的稱別構抑制劑（allosteric inhibitor）。酶活性受別構劑調節的作用稱別構調節（allosteric regulation）作用。別構酶的催化位點與別構位點可共處一個亞基的不同部位，但更多的是分別處于不同亞基上。在后一種情況下具催化位點的亞基稱催化亞基，而具別構位點的稱調節亞基。多數別構酶處于代謝途徑的開端，而別構酶的別構劑往往是一些生理性小分子及該酶作用的底物或該代謝途徑的中間產物或終產物，故別構酶的催化活性受細胞內底物濃度、代謝中間物或終產物濃度的調節。終產物抑制該途徑中的別構酶稱反饋抑制（feedback inhibition），它作為別構抑制劑抑制處于代謝途徑起始的酶，及時調整該代謝途徑的速度，以適應細胞生理功能的需要。別構酶在細胞物質代謝上的調節中發揮重要作用。故別構酶又稱調節酶（regulatory enzyme）。別構酶的動力學特征是底物濃度影響酶促反應速度呈S型曲線，這不同于一般酶促反應動力學的矩形雙曲線。

體內有些酶需在其他酶作用下，對酶分子結構進行修飾后才具催化活性，這類酶稱修飾酶（modification enzyme）。其中以共價修飾為多見，如酶蛋白的絲氨酸，蘇氨酸殘基的功能基團—OH被磷酸化，均屬共價修飾（covalent modification）。由于這種修飾導致酶活力改變稱酶的共價修飾調節（covalent modification regulation）。體內最常見的共價修飾是酶的磷酸化與去磷酸化，由于共價修飾反應迅速，具有級聯式放大效應，所以亦是體內調節物質代謝的重要方式。如催化糖原分解第一步反應的糖原磷酸化酶存在有活性和無活性兩種形式，有活性的稱磷酸化酶a，無活性的稱磷酸化酶b，這兩種形式的互變就是通過酶分子的磷酸化與去磷酸化的過程（詳見糖代謝）。酶的別構調節與共價修飾是體內酶活性快速調節的兩種主要方式。

酶含量的調節是對酶促反應速率的緩慢調節。

使酶蛋白合成增加的作用稱誘導（induction），引起誘導作用的物質稱誘導劑；而使酶蛋白合成減少的作用稱阻遏（repression），引起阻遏作用的物質稱阻遏劑。誘導劑與阻遏劑發揮作用的環節是通過DNA的轉錄與翻譯過程，尤其是通過基因表達的調控來發揮作用，但蛋白質生物合成的過程需時較長，故誘導與阻遏的調節效應出現得較遲，故為遲緩調節，且酶蛋白生物合成后，即使去除了誘導劑，酶的活性仍保持，直至酶蛋白本身被代謝降解破壞，因此，其調節效應持續時間較長，生物合成蛋白質消耗的能量也較多。

例如精氨酸可誘導Hela細胞中精氨酸酶的合成、色氨酸可誘導小鼠肝細胞中色氨酸吡咯酶的合成。長期以高糖、低蛋白質作為主要飲食的亞洲發展中國家人民，消化液中淀粉酶活性就要比西方發達國家人群高，而蛋白酶的活性就比較低。底物誘導酶蛋白生物合成的例子在自然界存在相當普遍。

例如長期用糖皮質激素藥物的重度慢性哮喘和慢性腎性、紅斑狼瘡患者，體內糖異生關鍵酶合成與活性就偏高，促使蛋白質轉化生成糖，因此，常可表現出高血糖，且骨骼疏松而容易骨折、皮膚細薄、全身抵抗力降低容易感染等。

例如安眠藥苯巴比妥可以誘導肝微粒體中葡萄糖醛酸轉移酶的生物合成，因此，也可用以治療新生兒黃疸，同時長期服用安眠藥易產生了耐藥性、服用劑量常需不斷增加，乃因誘導肝中生物轉化的酶合成升高所致。而不規則亂用抗生素治療感染的患者也易誘導細菌產生抗藥性而達不到治療效果，因此，必需正規使用抗生素。

高膽固醇可以阻遏機體膽固醇合成途徑中關鍵的HMG-CoA還原酶本身的生物合成。但這種阻遏作用不完善，此負反饋調節作用僅存在于肝中，在小腸中不存在，因此，高脂血癥尤其是高膽固醇血癥的患者還需注意減少日常飲食中膽固醇的攝入量。

饑餓時乙酰輔酶A羧化酶活性降低，主要是由于該酶蛋白分子降解失活速度增加之故，此時體內脂肪酸與脂肪的合成就會適應性地調節減少，保證乙酰輔酶A大量氧化分解供能以應急。但酶蛋白降解以調節細胞中酶含量的作用，遠不如酶蛋白誘導生成調節細胞中酶含量的作用來得明顯與重要。

酶與疾病的發生、診斷及治療密切相關，同時可作為試劑用于臨床檢驗和科學研究。

一般在規定的溫度、pH和底物濃度的條件下，測定單位時間內底物消耗量或產物的生成量作為酶活性單位。通常又以測定產物的生成量較多，因產物從無到有較靈敏。

國際生化學會推薦的國際單位，即在特定條件下，1分鐘內能使1μmol底物轉變的酶量作為一個酶國際單位。1979年國際生化學會為將酶的活力單位與國際單位制的反應速率（mol/s）相一致，推薦用催量（Katal簡稱Kat）來表示酶活力。1催量定義為：在特定的測定系統中，催化底物每秒鐘轉變1mol的酶量。催量與國際單位的換算為：1國際單位為1μmol/min＝1μmol/60s即16.67nKat。

既然體內各種物質代謝過程多為酶促反應，則不論是遺傳缺陷或外界因素造成的對酶活性的抑制或破壞均可引起疾病甚至危及生命。

酶缺陷引起的疾病多為先天性或遺傳性疾病，如缺乏葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PDH）引起的蠶豆黃，酪氨酸酶缺乏導致的白化癥等。

很多中毒現象都與酶有關，如常用的有機磷農藥能與膽堿酯酶活性中心的絲氨酸羥基結合而失活，重金屬可與某些酶的巰基結合而使酶活性喪失，此外氰化物（CN ^－）能與細胞色素氧化酶的結合，可使生物氧化中斷，嚴重威脅生命。

許多遺傳性疾患是由于先天性缺乏某種有活性的酶所致，故在出生前，從羊水或絨毛中檢出該酶的缺陷或其基因表達的缺陷，從而可采取早期流產，防患于未然。當某些器官組織發生病變，由于細胞的壞死或破壞，或細胞通透性增加，可使原來在細胞內的某些酶逸入體液中，使體液中該酶的含量升高。通過對血、尿等體液和分泌液中某些酶活性的測定，可以反映某些組織器官的病變情況，而有助疾病的診斷。

某些酶可作為藥用用于疾病的治療。

因消化腺分泌不足所致的消化不良可補充胃蛋白酶、胰蛋白酶等以助消化。

凡能抑制或阻斷細菌重要代謝途徑中的酶活性，即可達到殺菌或抑菌的目的。如磺胺藥即是通過競爭性抑制細菌中的二氫葉酸合成酶活性而使細菌的核酸代謝障礙而阻遏其生長、繁殖。

腫瘤細胞有其獨特的代謝方式，若能阻斷相應酶的活性，就能達到遏止腫瘤生長的目的。L-天冬酰胺是某些腫瘤細胞的必需氨基酸，如給予能水解L-天冬酰胺的L-天冬酰胺酶，則腫瘤細胞因其必需的營養素缺乏而死亡。

如鏈激酶、尿激酶可用于溶解血栓，多用于心、腦血管的栓塞。

如精神抑郁癥是由于腦中興奮性神經介質（如兒茶酚胺）與抑制性神經介質的不平衡所致，給予單胺氧化酶抑制劑，可減少兒茶酚胺類的代謝滅活，提高突觸中的兒茶酚胺含量而抗抑郁。

由于酶是蛋白質，具有很強的抗原性，故體內用酶治療疾病還受到一定的限制。

知識拓展