核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，它的構(gòu)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(xì)胞所有的遺傳信息，是物種保持進(jìn)化和世代繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)。RNA中參與蛋白質(zhì)合成的有三類：轉(zhuǎn)移RNA（transfer RNA，tRNA），核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）和信使RNA（messenger RNA，mRNA）。20世紀(jì)末，發(fā)現(xiàn)許多新的具有特殊功能的RNA，幾乎涉及細(xì)胞功能的各個(gè)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(jù)。

核酸完全水解后產(chǎn)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(gè)核苷酸是由堿基、戊糖和磷酸三部分構(gòu)成的。

構(gòu)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(jié)構(gòu)見圖4-1。

此外，核酸分子中還發(fā)現(xiàn)數(shù)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(huán)上的某一位置被一些化學(xué)基團(tuán)（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(dá)10%。稀有堿基在遺傳信息的調(diào)控和保護(hù)中提供信號(hào)識(shí)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(hào)相區(qū)別核糖或脫氧核糖中碳原子標(biāo)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(jié)的不是羥基而是氫，這一差別使DNA在化學(xué)上比RNA穩(wěn)定得多，見圖4-2。

磷酸為三元酸，形成多核苷酸時(shí)，通過酯鍵同時(shí)連接兩個(gè)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(yīng)，核糖和堿基處于反式構(gòu)象上。

核苷與磷酸構(gòu)成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的基本結(jié)構(gòu)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(gòu)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(xì)胞內(nèi)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(gè)核苷酸之間的連接鍵為3’，5’-磷酸二酯鍵。核酸鏈內(nèi)的前一個(gè)核苷酸的3’羥基和下一個(gè)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(gè)核苷酸殘基以這種方式連接而成的鏈?zhǔn)椒肿泳褪呛怂帷o論是DNA還是RNA，其基本結(jié)構(gòu)都是如此，故又稱DNA鏈或RNA鏈。DNA鏈的結(jié)構(gòu)見圖4-5。

是指含兩個(gè)以上磷酸基的核苷酸。只帶一個(gè)磷酸基的核苷酸，叫核苷一磷酸，帶兩個(gè)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(xì)胞內(nèi)最主要的能量分子，其功能是儲(chǔ)存和傳遞化學(xué)能。ATP又是合成核酸的原料。ATP分子的結(jié)構(gòu)是可以簡(jiǎn)寫成A-P～P～P，其中A代表腺苷，P代表磷酸基團(tuán)，～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(shí)釋放的能量多達(dá)30.54kJ/mol，故ATP是細(xì)胞內(nèi)一種高能磷酸化合物。

環(huán)化苷酸是由戊糖上3’-羥基和5’-羥基與同一磷酸基團(tuán)結(jié)合而成的具有內(nèi)酯環(huán)結(jié)構(gòu)的核苷酸，結(jié)構(gòu)見圖4-6B。常見的有腺苷-3′，5′-磷酸即環(huán)腺苷酸（cAMP），主要存在于動(dòng)物細(xì)胞中，生物體內(nèi)的激素可引起細(xì)胞內(nèi)cAMP的含量發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)糖原、脂肪代謝、蛋白質(zhì)和核酸的生物合成，所以cAMP被稱為第二信使。此外，cGMP也是環(huán)化苷酸，是生物體內(nèi)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(fā)揮催化作用不可缺少的成分。如幾個(gè)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(yīng)。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(guān)。結(jié)構(gòu)見圖4-7。

知識(shí)拓展

蛋白質(zhì)是由氨基酸殘基以肽鍵相連組成的不分支的長(zhǎng)鏈生物大分子。蛋白質(zhì)是構(gòu)成生物體的基本成分，占細(xì)胞干重的50%。蛋白質(zhì)是生命過程的執(zhí)行者，種類繁多，表現(xiàn)出豐富的功能。蛋白質(zhì)在生物體的生命活動(dòng)中起著極其重要的作用，已知的生物功能沒有一個(gè)是離開蛋白質(zhì)而實(shí)現(xiàn)的，生物個(gè)體間表現(xiàn)出的差異是由于其體內(nèi)蛋白質(zhì)的貢獻(xiàn)。蛋白質(zhì)參與生物體的組成成分，如結(jié)構(gòu)蛋白、膠原蛋白；組成酶這種特殊的生物催化劑；參與運(yùn)輸，如體內(nèi)的血紅蛋白、肌紅蛋白；參與機(jī)體的運(yùn)動(dòng)功能，如肌球蛋白，肌動(dòng)蛋白；構(gòu)成機(jī)體中免疫成分，如抗體、免疫球蛋白、干擾素等；參與機(jī)體的遺傳信息的控制、細(xì)胞膜的通透性、高等動(dòng)物的記憶、識(shí)別等諸多功能。

蛋白質(zhì)是大分子化合物，相對(duì)分子質(zhì)量（Mr）一般上萬，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但都是由C、H、O、N、S等基本元素組成，有些蛋白質(zhì)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(duì)恒定，占13%～19%，平均為16%，因此通過樣品中含氮量的測(cè)定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白質(zhì)的含量。

氨基酸是蛋白質(zhì)分子的基本組成單位，見圖4-8。大分子蛋白質(zhì)的基本組成單位或構(gòu)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(gòu)成蛋白質(zhì)的只有20種氨基酸，且都是L，α-氨基酸，在蛋白質(zhì)生物合成時(shí)它們受遺傳密碼控制。另外，組成蛋白質(zhì)的氨基酸，不存在種族差異和個(gè)體差異。在20種氨基酸中，除甘氨酸不具有不對(duì)稱碳原子和脯氨酰是亞氨基酸外，其余均為L(zhǎng)，α-氨基酸。氨基酸分子的結(jié)構(gòu)通式為： 。

氨基酸作為蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位具有諸多理化性質(zhì)。

由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長(zhǎng)處有特征性吸收峰。在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，蛋白質(zhì)的A ₂₈₀與其濃度成正比關(guān)系，因此可進(jìn)行蛋白質(zhì)定量測(cè)定。

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

蛋白質(zhì)分子中，肽鍵及某些氨基酸殘基的化學(xué)基團(tuán)，可與某些化學(xué)試劑反應(yīng)顯色，稱蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)。利用這些呈色反應(yīng)可以對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行定性、定量測(cè)定。常用的呈色反應(yīng)有雙縮脲反應(yīng)、茚三酮反應(yīng)及Folin-酚試劑反應(yīng)。

根據(jù)氨基酸側(cè)鏈R基團(tuán)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，將氨基酸進(jìn)行分類，見圖4-9。

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)的全部信息。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)由遺傳信息決定，其一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)，一級(jí)結(jié)構(gòu)是基本結(jié)構(gòu)。

構(gòu)成蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的主要鍵是肽鍵，肽鍵是由一個(gè)氨基酸分子的α-羧基與另一個(gè)氨基酸分子的α-氨基發(fā)生酰化反應(yīng)，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(tǒng)稱天然活性肽。在蛋白質(zhì)分子中，由前一個(gè)氨基酸的—COOH和后一個(gè)氨基酸的—NH ₂脫水縮合而成的酰胺鍵，是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要鍵。在蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈主鏈在一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的盤旋或折疊，形成的周期性構(gòu)象，維系二級(jí)結(jié)構(gòu)的力是氫鍵。肽鏈主鏈的肽鍵C—N具有雙鍵的性質(zhì)，因而不能自由的旋轉(zhuǎn)，使連接在肽鍵上的六個(gè)原子共處于一個(gè)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(gè)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(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)二面角。這對(duì)二面角決定了相鄰肽平面的相對(duì)位置。

多肽鏈主鏈構(gòu)象的空間限制來自兩個(gè)方面：其一，肽鍵不能自由旋轉(zhuǎn)帶來的構(gòu)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(zhuǎn)，但不是任意二面角所決定的構(gòu)象都是立體化學(xué)所允許的。二級(jí)結(jié)構(gòu)的類型包括α螺旋結(jié)構(gòu)、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲。

是常見的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)，為右手螺旋。指多肽鏈主鏈圍繞中心軸呈有規(guī)律的螺旋式上升，每3.6個(gè)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(gè)氨基酸殘基之間的距離為0.15nm。螺旋的方向?yàn)橛沂致菪０被醾?cè)鏈R基團(tuán)伸向螺旋外側(cè)，每個(gè)肽鍵的N—H和第四個(gè)肽鍵的羰基氧形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋長(zhǎng)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(wěn)定，如圖4-11。

同樣是蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)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(guī)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(zhǎng)軸呈垂直關(guān)系。β-折疊也是一種重復(fù)性的結(jié)構(gòu)，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(cè)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(gòu)象，氫鍵主要在股間而不是股內(nèi)。α-碳原子位于折疊線上，由于其四面體性質(zhì)，連續(xù)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(cè)鏈都垂直于折疊片的平面，并交替的從平面上下二側(cè)伸出。平行折疊片比反平行折疊片更規(guī)則且一般是大結(jié)構(gòu)，而反平行折疊片可以少到僅由兩個(gè)β股組成，如圖4-12。

是一種常見的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)，它通常出現(xiàn)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(zhuǎn)角中第一個(gè)殘基的 與第四個(gè)殘基的N—H氫鍵鍵合形成一個(gè)緊密的環(huán)，使β-轉(zhuǎn)角成為比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，多處在蛋白質(zhì)分子的表面，在這里改變多肽鏈方向的阻力比較小。β-轉(zhuǎn)角的特定構(gòu)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(jīng)常存在其中，由于甘氨酸缺少側(cè)鏈（只有一個(gè)H），在β-轉(zhuǎn)角中能很好地調(diào)整其他殘基的空間阻礙，因此是立體化學(xué)上最合適的氨基酸；而脯氨酸具有換裝結(jié)構(gòu)和固定的角，因此在一定程度上迫使β-轉(zhuǎn)角形成，促使多臺(tái)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(guī)卷曲是一種無定規(guī)律的結(jié)構(gòu)，主要指那些不能被歸入明確的二級(jí)結(jié)構(gòu)，其本身也具有一定的穩(wěn)定性。這些部位往往是蛋白質(zhì)分子功能實(shí)施和構(gòu)象的重要區(qū)域。

模體（motif）屬于蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，是具有特定空間構(gòu)象和特定功能的結(jié)構(gòu)成分。結(jié)構(gòu)模體作為結(jié)構(gòu)域的組分，介于蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間，由相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元彼此相互作用，組合在一起，排列成規(guī)則的，在空間結(jié)構(gòu)能夠辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體，并充當(dāng)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，其基本形式有αα、βαβ和βββ等。多數(shù)情況下，只有非極性殘基側(cè)鏈參與這些相互作用，而親水側(cè)鏈多在分子的外表面。近年來發(fā)現(xiàn)的多種鈣結(jié)合蛋白以及鋅指結(jié)構(gòu)均是典型的模體結(jié)構(gòu)，如圖4-14。

指一條多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)或者超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤繞，折疊，依靠次級(jí)鍵的維系固定所形成的特定空間結(jié)構(gòu)成為蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。三級(jí)結(jié)構(gòu)整個(gè)分子緊密、結(jié)實(shí)，許多在一級(jí)結(jié)構(gòu)上相距很遠(yuǎn)的氨基酸在三級(jí)結(jié)構(gòu)上相距很近。肌紅蛋白（Mb）是由153個(gè)氨基酸殘基組成的單一多肽鏈的蛋白質(zhì)，含A至H共8個(gè)螺旋區(qū)，其輔基為血紅素，如圖4-15。

在較大的蛋白質(zhì)分子里，一條長(zhǎng)的多肽鏈，在超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，往往組裝成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的球狀區(qū)域，彼此分開，以松散的單條肽鏈相連。這種相對(duì)獨(dú)立的球狀區(qū)域，稱結(jié)構(gòu)域。三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠非共價(jià)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(nèi)許多功能性蛋白質(zhì)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(jí)結(jié)構(gòu)，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(jià)鍵相連。蛋白質(zhì)分子中各個(gè)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(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。四級(jí)結(jié)構(gòu)具有分子對(duì)稱性以及亞基間以非共價(jià)鍵維系的特點(diǎn)。

通過大量蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)具有不同生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)，含有不同的氨基酸序列即不同的一級(jí)結(jié)構(gòu)。同樣，從大量人類遺傳性疾病的基因與相關(guān)蛋白質(zhì)分析結(jié)果，獲知這些疾病的病因可以是基因點(diǎn)突變引起的1個(gè)氨基酸的改變，也可以是基因大片段堿基缺失導(dǎo)致大片段肽段的缺失，這說明蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，可導(dǎo)致其功能的改變。

基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的突變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物功能的下降或喪失，就會(huì)產(chǎn)生疾病，這種病稱分子病。例如鐮狀細(xì)胞貧血，就是由于血紅蛋白分子中兩個(gè)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(xì)胞中的溶解度，使它在紅細(xì)胞中隨血流至氧分壓低的外周毛細(xì)血管時(shí)，容易凝聚并沉淀析出，從而造成紅細(xì)胞破裂溶血和運(yùn)氧功能的低下。另有實(shí)驗(yàn)證明，若切除了促腎上腺皮質(zhì)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(huì)降低或喪失，可見關(guān)鍵部分氨基酸殘基對(duì)蛋白質(zhì)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(zhì)為同源蛋白質(zhì)，通過比較同源蛋白質(zhì)的氨基酸序列的差異可以研究不同物種間的親緣關(guān)系和進(jìn)化，親緣關(guān)系越遠(yuǎn)，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(jí)結(jié)構(gòu)決定的；蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中保守氨基酸對(duì)蛋白質(zhì)的生物功能至關(guān)重要，一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。

另一方面，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系中，一些非關(guān)鍵部位氨基酸殘基的改變或缺失，則不會(huì)影響蛋白質(zhì)的生物活性。例如人、豬、牛、羊等哺乳動(dòng)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(gè)體之間，同一種蛋白質(zhì)有時(shí)也會(huì)有氨基酸殘基的不同或差異，但這也并不影響不同個(gè)體中它們擔(dān)負(fù)相同的生理功能。

體內(nèi)蛋白質(zhì)所具有的特定空間結(jié)構(gòu)與其發(fā)揮特殊的生理功能有著密切的關(guān)系。蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變則其功能發(fā)生相應(yīng)的改變。變構(gòu)作用是指對(duì)于多亞基的蛋白質(zhì)或酶，效應(yīng)劑作用于某個(gè)亞基，引發(fā)其構(gòu)象改變，繼而引起其他亞基構(gòu)象的改變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)或酶的生物活性的變化。

蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和其性質(zhì)及生理功能的關(guān)系也十分密切。不同的蛋白質(zhì)，正因?yàn)榫哂胁煌目臻g結(jié)構(gòu)，因此具有不同的理化性質(zhì)和生理功能。如指甲和毛發(fā)中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)，因此性質(zhì)穩(wěn)定堅(jiān)韌又富有彈性，這是和角蛋白的保護(hù)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(jié)構(gòu)，使其性質(zhì)穩(wěn)定而具有強(qiáng)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(zhì)；絲心蛋白正因?yàn)榉肿又懈缓?片層結(jié)構(gòu)，因此分子伸展，而蠶絲雖然柔軟卻沒有多大的延伸性。事實(shí)上不同的酶催化不同的底物起不同的反應(yīng)，表現(xiàn)出酶的特異性，也是和不同的酶具有各自不相同且獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)密切有關(guān)。

又如細(xì)胞質(zhì)膜上一些蛋白質(zhì)是離子通道，就是因?yàn)樵谄涠嚯逆溨械囊恍│?螺旋或β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)中，一側(cè)多由親水性氨基酸組成，而另一側(cè)卻多由疏水性氨基酸組成，因此是具有“兩親性”（amphipathic）的特點(diǎn)，幾段α-螺旋或β-折疊的親水側(cè)之間就構(gòu)成了離子通道，而其疏水側(cè)，即通過疏水鍵將離子通道蛋白質(zhì)固定在細(xì)胞質(zhì)膜上。載脂蛋白也具有兩親性，既能與血漿中脂類結(jié)合，又使之溶解在血液中進(jìn)行脂類的運(yùn)輸。

具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，尚有重要的別構(gòu)作用（allosteric effect），又稱變構(gòu)作用。別構(gòu)作用是指一些生理小分子物質(zhì)，作用于具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，與其活性中心外別的部位結(jié)合，引起蛋白質(zhì)亞基間一些副鍵的改變，使蛋白質(zhì)分子構(gòu)象發(fā)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(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的別構(gòu)作用，其活性得到不斷調(diào)整，從而使機(jī)體適應(yīng)千變?nèi)f化的內(nèi)、外環(huán)境，因此推斷這是蛋白質(zhì)進(jìn)化到具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的重要生理意義之一。

血紅蛋白運(yùn)氧中也有別構(gòu)作用：當(dāng)血紅蛋白分子第一個(gè)亞基與氧結(jié)合后，該亞基構(gòu)象的輕微改變，可導(dǎo)致4個(gè)亞基間鹽鍵的斷裂，使亞基間的空間排布和四級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微改變，血紅蛋白分子從較緊密的T型轉(zhuǎn)變成較松弛的R型構(gòu)象，從而使血紅蛋白其他亞基與氧的結(jié)合容易化，產(chǎn)生了正協(xié)同作用，呈現(xiàn)出與肌紅蛋白不同的S形氧解離曲線，完成其更有效的運(yùn)氧功能。氧對(duì)生命十分重要，但氧又難溶于水，生物進(jìn)化到脊椎動(dòng)物，產(chǎn)生了血紅蛋白與肌紅蛋白，尤其是血紅蛋白具有四級(jí)結(jié)構(gòu)和別構(gòu)作用，使之能更有效地完成運(yùn)氧功能。當(dāng)然，血紅蛋白是由四個(gè)亞基聚合而成的蛋白質(zhì)，在變構(gòu)中亞基是絕對(duì)不能分開的，只是整個(gè)構(gòu)象的改變。

與氨基酸相似，蛋白質(zhì)是更復(fù)雜的多價(jià)兼性離子，因?yàn)槌逆淣端、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(cè)鏈R上的基團(tuán)在水中溶液中也可解離，故人體內(nèi)蛋白質(zhì)各有不同的等電點(diǎn)，大多pI在5左右，蛋白質(zhì)等電點(diǎn)與所含氨基酸種類和數(shù)量有關(guān)，蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)其溶解度、導(dǎo)電性、黏度、滲透壓最小。蛋白質(zhì)等電點(diǎn)性質(zhì)為電泳分離的依據(jù)。

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

蛋白質(zhì)在溶液中一般含量很低，經(jīng)過沉淀濃縮，可以進(jìn)一步分離純化。主要方法有：

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

破壞水化膜，降低介電常數(shù)。在低溫環(huán)境下，可以保持蛋白質(zhì)的活性。

當(dāng)pH大于等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷，可與重金屬離子（Hg ^2＋、Pb ^2＋、Cu ^2＋等）結(jié)成不溶性沉淀，使蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀反應(yīng)，通常容易導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。

當(dāng)pH小于等電點(diǎn)時(shí)，蛋白質(zhì)帶正電荷，易與生物堿試劑和酸類的負(fù)離子生成不溶性沉淀，同時(shí)容易導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。

各種蛋白質(zhì)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(zhǎng)處有紫外吸收峰，通過蛋白質(zhì)溶液紫外吸收值的測(cè)定，可對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)便快速的定量分析。

當(dāng)受到某些因素影響時(shí)，維系天然構(gòu)象的次級(jí)鍵被破壞，蛋白質(zhì)失去天然構(gòu)象，導(dǎo)致生物活性喪失及相關(guān)物理、化學(xué)性質(zhì)的改變，這個(gè)過程稱蛋白質(zhì)變性。變性后的蛋白質(zhì)在除去變性因素后，重新恢復(fù)天然構(gòu)象和生物活性的過程稱蛋白質(zhì)的復(fù)性。

變性是指在一些物理或化學(xué)因素作用下，使蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)破壞，從而引起蛋白質(zhì)理化性質(zhì)改變，包括結(jié)晶性能消失。蛋白質(zhì)溶液黏度增加，呈色反應(yīng)加強(qiáng)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(zhì)變性的機(jī)制是分子中非共價(jià)鍵斷裂，使蛋白質(zhì)分子從嚴(yán)密且有序的空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成雜亂松散、無序的空間結(jié)構(gòu)，因此生物活性也必然喪失；同時(shí)由于蛋白質(zhì)變性后，分子內(nèi)部的疏水基團(tuán)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(zhì)大多沉淀，但沉淀的蛋白質(zhì)在蛋白質(zhì)分離純化中并不是變性的。

造成蛋白質(zhì)變性的物理、化學(xué)條件有加熱、紫外線、X線和有機(jī)溶劑，如乙醇、尿素、胍和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬鹽等。蛋白質(zhì)變性雖是能逆轉(zhuǎn)的，因?yàn)榇藭r(shí)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)并未遭到破壞，故若變性時(shí)間短、變性程度較輕，理論上在合適的條件下，變性蛋白質(zhì)分子尚可重新卷曲形成天然空間結(jié)構(gòu)，并恢復(fù)其生物活性，這即稱蛋白質(zhì)的復(fù)性（renaturation），但目前情況下大部分變性蛋白質(zhì)均難以復(fù)性，尤其是加熱變性的蛋白質(zhì)更發(fā)生了凝固。蛋白質(zhì)變性理論是由中國(guó)早年著名生化學(xué)家吳憲教授提出來的，至今仍被世界承認(rèn)與沿用。

1961年美國(guó)科學(xué)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(duì)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(yīng)液中的小分子尿素，因?yàn)樵摰鞍踪|(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)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(duì)位配對(duì)生成，核糖核酸酶幾乎可以完全恢復(fù)其天然空間結(jié)構(gòu)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(duì)正確天然的空間結(jié)構(gòu)，二硫鍵生成就會(huì)發(fā)生錯(cuò)配，生成“錯(cuò)亂”酶，因此氧化后核糖核酸酶的活性仍大部分得不到恢復(fù)。這就是著名的Anfinsen定律，其重要意義是：它充分說明蛋白質(zhì)中氨基酸順序決定構(gòu)象、結(jié)構(gòu)與功能的密切關(guān)系。

在實(shí)際工作中，我們要謹(jǐn)防一些蛋白質(zhì)制劑或蛋白質(zhì)藥物的變性失活，如免疫球蛋白、酶蛋白、疫苗蛋白和蛋白質(zhì)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(xì)菌蛋白質(zhì)變性失活，從而達(dá)到消毒殺菌的目的。要注意區(qū)別變性是由一些較劇烈的條件使蛋白質(zhì)構(gòu)象破壞、生物活性喪失的過程，它不同于別構(gòu)中蛋白質(zhì)構(gòu)象的輕微改變，伴隨著生物活性升高或降低的調(diào)節(jié)過程。

蛋白質(zhì)中的某些氨基酸殘基可以與顯色試劑發(fā)生呈色反應(yīng)。

氨基酸殘基與茚三酮試劑反應(yīng)產(chǎn)生藍(lán)色產(chǎn)物，該反應(yīng)常用于氨基酸的定性或定量分析。

肽鍵與雙縮脲試劑反應(yīng)呈紫色。氨基酸無此反應(yīng)，可用于檢測(cè)蛋白質(zhì)水解程度。

知識(shí)拓展

維生素（vitamins）是動(dòng)物維持正常功能所必需的一組有機(jī)化合物，需要量極小，但動(dòng)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(yíng)養(yǎng)素。維生素有脂溶性和水溶性兩種。維生素大多數(shù)以輔酶、輔基的形式參與調(diào)節(jié)代謝活動(dòng)。輔酶與輔基的生理作用主要是：①運(yùn)載氫原子或電子，參與氧化還原反應(yīng)；②運(yùn)載反應(yīng)基團(tuán)，如酰基、氨基、烷基、羧基及一碳單位等，參與基團(tuán)轉(zhuǎn)移。大部分的輔酶與輔基衍生于維生素。輔酶與酶蛋白結(jié)合疏松，輔酶通常與酶蛋白非共價(jià)相連，可用透析或超濾的方法除去；輔基與酶蛋白結(jié)合緊密，通常與酶蛋白共價(jià)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(jīng)焦磷酸化生成焦磷酸硫胺素（TPP），是脫羧酶的輔酶，在體內(nèi)參與糖代謝過程中α-酮酸的氧化脫羧反應(yīng)。

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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)移酶、氨基酸脫羧酶、半胱氨酸脫硫酶等的輔酶。

在體內(nèi)參與構(gòu)成輔酶A（CoA）。CoA中的巰基可與羧基以高能硫酯鍵結(jié)合，在糖、脂、蛋白質(zhì)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(nèi)參與CO ₂的固定和羧化反應(yīng)。

四氫葉酸由葉酸衍生而來，是體內(nèi)一碳單位基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)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(nèi)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(gòu)成變位酶的輔酶，甲基鈷胺素則是甲基轉(zhuǎn)移酶的輔酶。

知識(shí)拓展

酶（enzyme）是生物催化劑，體內(nèi)的代謝反應(yīng)絕大部分是由酶所催化完成的，所以它在物質(zhì)代謝中發(fā)揮非常重要的作用。因此，在討論物質(zhì)代謝之前必先對(duì)其有一個(gè)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(xù)發(fā)現(xiàn)，目前認(rèn)為生物體內(nèi)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(zhì)為RNA則稱核酶，因此現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為生物催化分子是由活細(xì)胞所產(chǎn)生，能在體內(nèi)或體外發(fā)揮相同催化作用的一類具有活性中心和特殊結(jié)構(gòu)的生物大分子，包括蛋白質(zhì)和核酸。由于核酸參與催化反應(yīng)有限，而且這些反應(yīng)均可有相應(yīng)的酶所催化，酶仍是體內(nèi)最主要的催化劑。

酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化作用的蛋白質(zhì)，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(diào)節(jié)性和高度的不穩(wěn)定性（變性失活）等特點(diǎn)。酶的這些性質(zhì)使細(xì)胞內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的物質(zhì)代謝過程能有條不紊地進(jìn)行，使物質(zhì)代謝與正常的生理功能互相適應(yīng)。若因遺傳缺陷造成某個(gè)酶缺損，或其他原因造成酶的活性減弱，均可導(dǎo)致該酶催化的反應(yīng)異常，使物質(zhì)代謝紊亂，甚至發(fā)生疾病。體外測(cè)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(yī)學(xué)的關(guān)系十分密切。多年以來，人們認(rèn)為生物體內(nèi)的各種代謝反應(yīng)都是在酶的催化下進(jìn)行的，而酶的化學(xué)本質(zhì)則是蛋白質(zhì)。

按照酶的化學(xué)組成可將酶分為單純酶和結(jié)合酶兩大類。單純酶分子中只有氨基酸殘基組成的肽鏈，結(jié)合酶分子中則除了多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，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(jī)物。結(jié)合酶的蛋白質(zhì)部分稱酶蛋白（apoenzyme），非蛋白質(zhì)部分統(tǒng)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(zhì)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(jià)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(jià)鍵相連的稱輔酶（coenzyme），可用上述方法把兩者分開。

結(jié)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(wěn)定酶分子的構(gòu)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(yīng)中作為氫（H ^＋和e）或某些化學(xué)基團(tuán)的載體，起傳遞氫或化學(xué)基團(tuán)的作用。體內(nèi)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(yīng)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(yīng)過程中氫（H ^＋和e）及一些特殊化學(xué)基團(tuán)的運(yùn)載。

酶屬生物大分子，分子量至少在1萬以上，大的可達(dá)百萬。酶的催化作用有賴于酶分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)的完整。若酶分子變性或亞基解聚均可導(dǎo)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(cè)鏈存在不同的功能基團(tuán)，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(tuán)在與底物結(jié)合時(shí)起結(jié)合基團(tuán)（binding group）的作用，有的在催化反應(yīng)中起催化基團(tuán)（catalytic group）的作用。但有的基團(tuán)既在結(jié)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(tuán)統(tǒng)稱必需基團(tuán)（essential group）。它們通過多肽鏈的盤曲折疊，組成一個(gè)在酶分子表面、具有三維空間結(jié)構(gòu)的孔穴或裂隙，以容納進(jìn)入的底物與之結(jié)合（圖4-17）并催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物，這個(gè)區(qū)域即稱酶的活性中心。

而酶活性中心以外的功能基團(tuán)則在形成并維持酶的空間構(gòu)象上也是必需的，故稱活性中心以外的必需基團(tuán)。對(duì)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(yīng)的特異性實(shí)際上決定于酶活性中心的結(jié)合基團(tuán)、催化基團(tuán)及其空間結(jié)構(gòu)。

酶的分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是其氨基酸的序列，它決定著酶的空間結(jié)構(gòu)和活性中心的形成以及酶催化的專一性。如哺乳動(dòng)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(jí)結(jié)構(gòu)是酶催化同一反應(yīng)的基礎(chǔ)。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(zhì)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(tuán)，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(jié)構(gòu)，這是它們都能水解肽鍵的基礎(chǔ)。而它們水解肽鍵時(shí)的特異性則來自酶的底物結(jié)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(tǒng)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(dāng)體內(nèi)需要時(shí)，經(jīng)特異性蛋白水解酶的作用轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿付l(fā)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(zhì)作用于酶原使之轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿傅奈镔|(zhì)稱活化素。活化素對(duì)于酶原的激活作用具有一定的特異性。例如胰腺細(xì)胞合成的糜蛋白酶原為245個(gè)氨基酸殘基組成的單一肽鏈，分子內(nèi)部有5對(duì)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(shí)酶分子尚未穩(wěn)定，經(jīng)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(wěn)定結(jié)構(gòu)的α-糜蛋白酶。

圖4-18說明胰蛋白酶原轉(zhuǎn)變?yōu)橐鹊鞍酌傅募せ钸^程。小腸的腸激酶能識(shí)別胰蛋白酶原氨基末端四個(gè)天冬氨酸殘基并水解賴氨酸與異亮氨酸殘基間的肽鍵，結(jié)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(shù)凝血因子基本上是以無活性的酶原形式存在，只有當(dāng)組織或血管內(nèi)膜受損后，無活性的酶原才能轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿福瑥亩|發(fā)一系列的級(jí)聯(lián)式酶促反應(yīng)，最終導(dǎo)致可溶性的纖維蛋白原轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的纖維蛋白多聚體，網(wǎng)羅血小板等形成血凝塊。

酶原激活的本質(zhì)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(xì)胞本身不受蛋白酶的消化破壞，另一方面使它們?cè)谔囟ǖ纳項(xiàng)l件和規(guī)定的部位受到激活并發(fā)揮其生理作用。如組織或血管內(nèi)膜受損后激活凝血因子；胃主細(xì)胞分泌的胃蛋白酶原和胰腺細(xì)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(yīng)的活性酶，促進(jìn)食物蛋白質(zhì)的消化就是明顯的例證。特定肽鍵的斷裂所導(dǎo)致的酶原激活在生物體內(nèi)廣泛存在，是生物體的一種重要的調(diào)控酶活性的方式。如果酶原的激活過程發(fā)生異常，將導(dǎo)致一系列疾病的發(fā)生。出血性胰腺炎的發(fā)生就是由于蛋白酶原在未進(jìn)小腸時(shí)就被激活，激活的蛋白酶水解自身的胰腺細(xì)胞，導(dǎo)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(xué)反應(yīng)，20世紀(jì)50年代初從心肌中分離了兩種乳酸脫氫酶。1964年確認(rèn)了 同工酶（isoenzyme）的概念：即同工酶是一類催化相同的化學(xué)反應(yīng)，但酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)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(dòng)物組織中，有五種分子形式，它們催化下列相同的化學(xué)反應(yīng)：

五種同工酶均由四個(gè)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(zhì)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(guān)。在組織病變時(shí)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(nèi)有些酶彼此聚合在一起，組成一個(gè)物理的結(jié)合體，此結(jié)合體稱多酶復(fù)合體（multienzyme complex）。若把多酶復(fù)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(yīng)的丙酮酸脫氫酶多酶復(fù)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(fù)合體由四種酶組成。多酶復(fù)合體第一個(gè)酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物成為第二個(gè)酶作用的底物，如此連續(xù)進(jìn)行，直至終產(chǎn)物生成。多酶復(fù)合體由于有物理結(jié)合，在空間構(gòu)象上有利于這種流水作業(yè)的快速進(jìn)行，是生物體提高酶催化效率的一種有效措施。體內(nèi)物質(zhì)代謝的各條途徑往往有許多酶共同參與，依次完成反應(yīng)過程，這些酶不同于多酶復(fù)合體，在結(jié)構(gòu)上無彼此關(guān)聯(lián)，故稱多酶體系（multienzyme system）。如參與糖酵解的11個(gè)酶均存在于胞液，組成一個(gè)多酶體系。近年來發(fā)現(xiàn)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(dòng)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(jié)構(gòu)上比多酶復(fù)合體更具有優(yōu)越性，因?yàn)橄嚓P(guān)的化學(xué)反應(yīng)在一個(gè)酶分子上進(jìn)行，比多酶復(fù)合體更有效，這也是生物進(jìn)化的結(jié)果。

酶促反應(yīng)具有一系列區(qū)別于體外催化劑的重要特點(diǎn)：

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(xué)反應(yīng)的速度，但酶不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，酶的作用是縮短了到達(dá)平衡所需的時(shí)間，但平衡常數(shù)不變，在無酶的情況下達(dá)到平衡點(diǎn)需幾個(gè)小時(shí)，在有酶時(shí)可能只要幾秒鐘就可達(dá)到平衡。

酶和一般催化劑都是通過降低反應(yīng)活化能的機(jī)制來加快化學(xué)反應(yīng)速度的，眾所周知，反應(yīng)物分子間的有效碰撞是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)，只有那些已具有足夠能量的反應(yīng)物分子才能發(fā)生有效碰撞。這些具有足夠能量的反應(yīng)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(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨瘧B(tài)所需的能量。活化分子越多，反應(yīng)速度越快。酶通過其特有的作用機(jī)制，比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)的活化能，使底物只需較少的能量便可進(jìn)入活化狀態(tài)（圖4-20）。通常化學(xué)反應(yīng)可以用升高溫度來加快反應(yīng)速度，這是因?yàn)樯邷囟瓤梢允垢嗟姆磻?yīng)物分子獲得所需的活化能。

酶的催化特異性表現(xiàn)在它對(duì)底物的選擇性和催化反應(yīng)的特異性兩方面。體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)除了個(gè)別自發(fā)進(jìn)行外，絕大多數(shù)都由專一的酶催化，一種酶能從成千上萬種反應(yīng)物中找出自己作用的底物，這就是酶的特異性。根據(jù)酶催化特異性程度上的差別，分為絕對(duì)特異性、相對(duì)特異性和立體異構(gòu)特異性三類。一種酶只催化一種底物進(jìn)行反應(yīng)的稱絕對(duì)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(xué)鍵進(jìn)行反應(yīng)的稱相對(duì)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(gòu)特異性的酶對(duì)底物分子立體構(gòu)型有嚴(yán)格要求，如L-乳酸脫氫酶只催化L-乳酸脫氫，對(duì)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(gòu)酶受別構(gòu)劑的調(diào)節(jié)，有的酶受共價(jià)修飾的調(diào)節(jié)，激素和神經(jīng)體液通過第二信使對(duì)酶活力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及誘導(dǎo)劑或阻抑劑對(duì)細(xì)胞內(nèi)酶含量（改變酶合成與分解速度）的調(diào)節(jié)等。

酶通過促進(jìn)底物形成過渡態(tài)而提高反應(yīng)速率，酶比一般的催化劑更有效地降低反應(yīng)的活化能。

酶的活性中心與底物定向結(jié)合生成ES復(fù)合物是酶催化作用的第一步。定向結(jié)合的能量來自酶活性中心功能基團(tuán)與底物相互作用時(shí)形成的多種非共價(jià)鍵，如離子鍵、氫鍵、疏水鍵，也包括范德瓦力。它們結(jié)合時(shí)產(chǎn)生的能量稱 結(jié)合能。

若酶只與底物互補(bǔ)生成ES復(fù)合物，不能進(jìn)一步促使底物進(jìn)入過渡狀態(tài)，那么酶的催化作用不能發(fā)生。這是因?yàn)槊概c底物生成ES復(fù)合物后尚需通過酶與底物分子間形成更多的非共價(jià)健，生成酶與底物的過渡狀態(tài)互補(bǔ)的復(fù)合物（圖4-21），才能完成酶的催化作用。當(dāng)酶與底物生成ES復(fù)合物并進(jìn)一步形成過渡狀態(tài)，這過程已釋放較多的結(jié)合能，現(xiàn)知這部分結(jié)合能可以抵消部分反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的速度。

酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是研究酶促反應(yīng)速度和影響酶促反應(yīng)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(yīng)的速度。在研究某一因素對(duì)酶反應(yīng)速度的影響時(shí)，要使酶催化系統(tǒng)的其他因素不變，并保持嚴(yán)格的反應(yīng)初速度條件。動(dòng)力學(xué)研究可為酶作用機(jī)制提供有價(jià)值的信息，也有助于確定酶作用的最適條件。應(yīng)用抑制劑探討酶活性中心功能基團(tuán)的組成，對(duì)酶的結(jié)構(gòu)與功能方面的研究甚至臨床實(shí)用方面的研究都有重要價(jià)值。

在一定的溫度和pH條件下，當(dāng)?shù)孜餄舛冗h(yuǎn)大于酶的濃度時(shí)，酶反應(yīng)速度與酶濃度成正比（圖4-22）。

即 v＝ K[E]，式中 v為反應(yīng)速度， K為反應(yīng)速度常數(shù)，[E]代表酶濃度。

在酶濃度不變的情況下，底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響呈矩形雙曲線（圖4-23）。在底物濃度很低時(shí)，反應(yīng)速度隨底物濃度的增加成正比的增快（曲線的a段）；進(jìn)一步增加底物濃度，反應(yīng)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(yīng)速度幾乎不再增加，而趨近于反應(yīng)速度的極限值（ V _max）（曲線的c段）。

體內(nèi)大多數(shù)酶均表現(xiàn)上述底物濃度與反應(yīng)速度的關(guān)系，并且中間復(fù)合物學(xué)說是解釋底物濃度影響酶促反應(yīng)速度的最合理學(xué)說。然而，Michaelis和Menten兩人在前人工作的基礎(chǔ)上又推導(dǎo)得出下列方程式（被稱之為米-曼氏方程式）試圖從數(shù)學(xué)的角度來解釋底物濃度對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響：

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

這個(gè)方程式正確地說明底物濃度對(duì)酶反應(yīng)速度的影響。當(dāng)?shù)孜餄舛群艿停碵S]? K _m時(shí)，米-曼氏方程式中分母上的[S]可以忽略不計(jì)，于是

對(duì)一個(gè)酶來說， V _max和 K _m均為常數(shù)，于是反應(yīng)速度與底物濃度成正比關(guān)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(jì)，于是

此時(shí)再增加底物濃度，反應(yīng)速度也不會(huì)增加。若[S]＝ K _m，則方程式成為

即在[S]＝ K _m時(shí)，反應(yīng)速度正好為最大反應(yīng)速度的一半，故只要知道酶的最大反應(yīng)速度，即可知道達(dá)最大反應(yīng)速度一半時(shí)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(dá)到最大反應(yīng)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(shù)之一， K _m值只與酶的結(jié)構(gòu)、酶所催化的底物和反應(yīng)環(huán)境（如溫度、pH、離子強(qiáng)度）有關(guān)，與酶的濃度無關(guān)。

V _max是酶完全被底物飽和時(shí)的反應(yīng)速度，酶的轉(zhuǎn)換數(shù)的定義即是當(dāng)酶被底物充分飽和時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)酶分子（或活性中心）催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的分子數(shù)。

通過上述底物濃度曲線可以近似地測(cè)出 V _max和 K _m，但精確度差，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此人們將米-曼氏方程式進(jìn)行種種變換，應(yīng)用最多的是將曲線作圖轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€的雙倒數(shù)作圖法，此法將米氏方程式兩邊取倒數(shù)

以1/ v對(duì)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(diǎn)為－1/ K _m（圖4-24）。

化學(xué)反應(yīng)的速度隨溫度升高而加速，酶促反應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)也遵循這規(guī)律。但酶是蛋白質(zhì)，溫度升高可使酶變性失活，故以酶反應(yīng)速度 v對(duì)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(yīng)持續(xù)時(shí)間短，則溫度促使化學(xué)反應(yīng)加速的影響大于對(duì)酶變性的影響，此條件下測(cè)得的最適溫度往往偏高。反之若反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，溫度導(dǎo)致酶失活的影響變?yōu)槊黠@，此時(shí)測(cè)得的最適溫度偏低。酶的最適溫度不是酶的特征性常數(shù)。一般植物來源的酶，其最適溫度在45～65℃；動(dòng)物來源的酶，其最適溫度在37～50℃。

酶促反應(yīng)速度受介質(zhì)pH的影響，一種酶在幾種pH介質(zhì)中測(cè)其活力，可看到在某一pH時(shí)酶促效率最高，這個(gè)pH稱該酶的最適pH，最適pH提示酶分子活性基團(tuán)的電離狀態(tài)、底物分子及輔酶與輔基的電離狀態(tài)都與酶的催化作用相關(guān)，但酶的最適pH也不是酶的特征性常數(shù)，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(shù)酶的反應(yīng)速度對(duì)pH的變化呈鐘罩形曲線（圖4-26），個(gè)別的只有鐘罩形的一半。多數(shù)植物和微生物來源的酶，最適pH在4.5～6.5左右；動(dòng)物酶的最適pH在6.5～8.0左右；個(gè)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(yīng)進(jìn)行的物質(zhì)都稱該酶的激活劑（activator）。激活劑按其分子質(zhì)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(rèn)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(fù)合物，從而更有利于底物和酶的活性中心部位結(jié)合。

半胱氨酸、谷胱甘肽等對(duì)某些酶也有激活作用，如還原型谷胱甘肽能保護(hù)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(duì)某些酶的激活，在生物體代謝活動(dòng)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(zhì)稱酶的抑制劑（inhibitor）。但強(qiáng)酸、強(qiáng)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(tuán)發(fā)生性質(zhì)的改變并導(dǎo)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(jià)鍵與酶的必需基團(tuán)結(jié)合，因結(jié)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(duì)酶必需基團(tuán)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(tuán)結(jié)合，抑制劑并不區(qū)分其結(jié)合的基團(tuán)屬必需基團(tuán)或非必需基團(tuán)。如重金屬離子Pb ^2＋、Cu ^2＋和對(duì)氯汞苯甲酸與酶分子的巰基進(jìn)行不可逆結(jié)合，化學(xué)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(tuán)巰基結(jié)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(jié)合于酶分子上的重金屬離子而使酶恢復(fù)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(tuán)并導(dǎo)致酶活性的抑制。如二異丙基氟磷酸（diisopropyl phosphofluoride，DIFP）專一性地共價(jià)結(jié)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(jī)磷農(nóng)藥（如敵敵畏等）具有與DIFP類似的結(jié)構(gòu)，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(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)有關(guān)。正常機(jī)體在神經(jīng)興奮時(shí)，神經(jīng)末梢釋放出乙酰膽堿傳導(dǎo)刺激。乙酰膽堿發(fā)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(jīng)末梢分泌的乙酰膽堿不能及時(shí)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(jīng)過度興奮，如抽搐等癥狀，最后可使人畜受害，因此，這類物質(zhì)又稱神經(jīng)毒劑。解磷定等藥物可以置換結(jié)合于膽堿酯酶上的磷酰基而恢復(fù)酶活力，故用于搶救農(nóng)藥中毒患者。

氰化物和一氧化碳等這些物質(zhì)能與金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)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(xì)胞色素氧化酶。

抑制劑以非共價(jià)鍵與酶結(jié)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(fù)催化活性，故稱酶的可逆性抑制（reversible inhibition）作用。根據(jù)抑制劑、底物與酶三者的相互關(guān)系，可逆性抑制又可分競(jìng)爭(zhēng)性抑制（competitive inhibition）、非競(jìng)爭(zhēng)性抑制（non competitive inhibition）和反競(jìng)爭(zhēng)性抑制（uncompetitive inhibition）三種。

抑制劑I的化學(xué)結(jié)構(gòu)與酶作用的底物S十分類似，它們都能與酶的活性中心結(jié)合，兩者對(duì)酶的結(jié)合有競(jìng)爭(zhēng)作用。結(jié)合后分別形成EI或ES復(fù)合物。形成EI后酶不具催化作用，由此導(dǎo)致反應(yīng)系統(tǒng)中游離酶濃度降低并使酶活性抑制。競(jìng)爭(zhēng)性抑制的顯著特點(diǎn)是其抑制作用可用高濃度的底物來解除。經(jīng)典的例子是丙二酸競(jìng)爭(zhēng)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(yīng)。丙二酸只比琥珀酸少一個(gè)碳原子，故可與琥珀酸競(jìng)爭(zhēng)與琥珀酸脫氫酶的活性中心結(jié)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(shí)增加反應(yīng)系統(tǒng)中琥珀酸的濃度，可以解除丙二酸對(duì)酶的抑制作用。草酰乙酸、蘋果酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)亦與琥珀酸相似，它們亦是琥珀酸脫氫酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。

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

酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制有重要的實(shí)際應(yīng)用，很多藥物是酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑。如磺胺類藥物的抑制作用就基于這一原理。細(xì)菌利用對(duì)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(zhuǎn)變?yōu)樗臍淙~酸，是細(xì)菌合成核酸所不可缺的輔酶。磺胺藥的化學(xué)結(jié)構(gòu)與對(duì)氨基苯甲酸十分相似，故能與對(duì)氨基苯甲酸競(jìng)爭(zhēng)二氫葉酸合成酶的活性中心，造成該酶活性抑制，進(jìn)而減少四氫葉酸和核酸的合成，最終導(dǎo)致細(xì)菌繁殖生長(zhǎng)停止。

非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑可逆地與酶的非活性中心區(qū)結(jié)合，故酶與抑制劑形成EI后，還可結(jié)合底物形成EIS。由于抑制劑不與底物競(jìng)爭(zhēng)酶的活性中心，故稱非競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，因此增加底物濃度不能解除非競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑的抑制作用。

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

反競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑不直接與酶結(jié)合，而是與ES復(fù)合物結(jié)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(duì)1/[S]雙倒數(shù)作圖，可得到反競(jìng)爭(zhēng)性抑制的持征性曲線（圖4-29）。由圖可知，反競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑使最大反應(yīng)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(jìng)爭(zhēng)性抑制劑時(shí)得到一組平行線。氰化物、肼、L-苯丙氨酸對(duì)腸堿性磷酸酶的抑制，肼對(duì)胃蛋白酶的抑制等均屬反競(jìng)爭(zhēng)性抑制。

體內(nèi)代謝是一系列酶促反應(yīng)的總和，整個(gè)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(shù)最大，也就是催化反應(yīng)速度最慢的酶，它起著限速反應(yīng)作用，故稱之為限速酶（rate-limiting enzyme），有時(shí)幾條代謝途徑又常會(huì)有代謝途徑的交叉點(diǎn)或共同的代謝中間物，代謝中間物究竟朝哪個(gè)方向繼續(xù)進(jìn)行代謝，決定機(jī)體當(dāng)時(shí)的需要與條件，而調(diào)節(jié)即靠每條代謝途徑的關(guān)鍵步驟并往往是由催化各代謝途徑反應(yīng)的第一個(gè)酶活力決定著多酶體系催化代謝反應(yīng)的方向，故稱關(guān)鍵酶（key enzyme）。而關(guān)鍵酶往往同時(shí)又是限速酶，酶的調(diào)節(jié)就是通過改變這些酶的活性來發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的。改變酶的活性與含量是體內(nèi)酶調(diào)節(jié)的主要方式。此外，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中，酶的基因表型的差別使不同的組織細(xì)胞中具有其不同的獨(dú)特代謝途徑。

酶活性的調(diào)節(jié)是對(duì)酶促反應(yīng)速率的快速調(diào)節(jié)。

變構(gòu)酶（allosteric enzyme）往往是具有四級(jí)結(jié)構(gòu)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(diǎn)（catalytic site）外，還有別構(gòu)位點(diǎn)（allosteric site）。后者是結(jié)合別構(gòu)劑的位置，當(dāng)它與別構(gòu)劑結(jié)合時(shí)，酶的分子構(gòu)象就會(huì)發(fā)生輕微變化，影響到催化位點(diǎn)對(duì)底物的親和力和催化效率。別構(gòu)劑一般都是生理小分子物質(zhì)，若別構(gòu)劑結(jié)合使酶與底物親和力或催化效率增高的稱別構(gòu)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(gòu)抑制劑（allosteric inhibitor）。酶活性受別構(gòu)劑調(diào)節(jié)的作用稱別構(gòu)調(diào)節(jié)（allosteric regulation）作用。別構(gòu)酶的催化位點(diǎn)與別構(gòu)位點(diǎn)可共處一個(gè)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(diǎn)的亞基稱催化亞基，而具別構(gòu)位點(diǎn)的稱調(diào)節(jié)亞基。多數(shù)別構(gòu)酶處于代謝途徑的開端，而別構(gòu)酶的別構(gòu)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(chǎn)物或終產(chǎn)物，故別構(gòu)酶的催化活性受細(xì)胞內(nèi)底物濃度、代謝中間物或終產(chǎn)物濃度的調(diào)節(jié)。終產(chǎn)物抑制該途徑中的別構(gòu)酶稱反饋抑制（feedback inhibition），它作為別構(gòu)抑制劑抑制處于代謝途徑起始的酶，及時(shí)調(diào)整該代謝途徑的速度，以適應(yīng)細(xì)胞生理功能的需要。別構(gòu)酶在細(xì)胞物質(zhì)代謝上的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。故別構(gòu)酶又稱調(diào)節(jié)酶（regulatory enzyme）。別構(gòu)酶的動(dòng)力學(xué)特征是底物濃度影響酶促反應(yīng)速度呈S型曲線，這不同于一般酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的矩形雙曲線。

體內(nèi)有些酶需在其他酶作用下，對(duì)酶分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾后才具催化活性，這類酶稱修飾酶（modification enzyme）。其中以共價(jià)修飾為多見，如酶蛋白的絲氨酸，蘇氨酸殘基的功能基團(tuán)—OH被磷酸化，均屬共價(jià)修飾（covalent modification）。由于這種修飾導(dǎo)致酶活力改變稱酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)（covalent modification regulation）。體內(nèi)最常見的共價(jià)修飾是酶的磷酸化與去磷酸化，由于共價(jià)修飾反應(yīng)迅速，具有級(jí)聯(lián)式放大效應(yīng)，所以亦是體內(nèi)調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的重要方式。如催化糖原分解第一步反應(yīng)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(gòu)調(diào)節(jié)與共價(jià)修飾是體內(nèi)酶活性快速調(diào)節(jié)的兩種主要方式。

酶含量的調(diào)節(jié)是對(duì)酶促反應(yīng)速率的緩慢調(diào)節(jié)。

使酶蛋白合成增加的作用稱誘導(dǎo)（induction），引起誘導(dǎo)作用的物質(zhì)稱誘導(dǎo)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(zhì)稱阻遏劑。誘導(dǎo)劑與阻遏劑發(fā)揮作用的環(huán)節(jié)是通過DNA的轉(zhuǎn)錄與翻譯過程，尤其是通過基因表達(dá)的調(diào)控來發(fā)揮作用，但蛋白質(zhì)生物合成的過程需時(shí)較長(zhǎng)，故誘導(dǎo)與阻遏的調(diào)節(jié)效應(yīng)出現(xiàn)得較遲，故為遲緩調(diào)節(jié)，且酶蛋白生物合成后，即使去除了誘導(dǎo)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(diào)節(jié)效應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，生物合成蛋白質(zhì)消耗的能量也較多。

例如精氨酸可誘導(dǎo)Hela細(xì)胞中精氨酸酶的合成、色氨酸可誘導(dǎo)小鼠肝細(xì)胞中色氨酸吡咯酶的合成。長(zhǎng)期以高糖、低蛋白質(zhì)作為主要飲食的亞洲發(fā)展中國(guó)家人民，消化液中淀粉酶活性就要比西方發(fā)達(dá)國(guó)家人群高，而蛋白酶的活性就比較低。底物誘導(dǎo)酶蛋白生物合成的例子在自然界存在相當(dāng)普遍。

例如長(zhǎng)期用糖皮質(zhì)激素藥物的重度慢性哮喘和慢性腎性、紅斑狼瘡患者，體內(nèi)糖異生關(guān)鍵酶合成與活性就偏高，促使蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化生成糖，因此，常可表現(xiàn)出高血糖，且骨骼疏松而容易骨折、皮膚細(xì)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(dǎo)肝微粒體中葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶的生物合成，因此，也可用以治療新生兒黃疸，同時(shí)長(zhǎng)期服用安眠藥易產(chǎn)生了耐藥性、服用劑量常需不斷增加，乃因誘導(dǎo)肝中生物轉(zhuǎn)化的酶合成升高所致。而不規(guī)則亂用抗生素治療感染的患者也易誘導(dǎo)細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性而達(dá)不到治療效果，因此，必需正規(guī)使用抗生素。

高膽固醇可以阻遏機(jī)體膽固醇合成途徑中關(guān)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(fù)反饋調(diào)節(jié)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(shí)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(shí)體內(nèi)脂肪酸與脂肪的合成就會(huì)適應(yīng)性地調(diào)節(jié)減少，保證乙酰輔酶A大量氧化分解供能以應(yīng)急。但酶蛋白降解以調(diào)節(jié)細(xì)胞中酶含量的作用，遠(yuǎn)不如酶蛋白誘導(dǎo)生成調(diào)節(jié)細(xì)胞中酶含量的作用來得明顯與重要。

酶與疾病的發(fā)生、診斷及治療密切相關(guān)，同時(shí)可作為試劑用于臨床檢驗(yàn)和科學(xué)研究。

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

國(guó)際生化學(xué)會(huì)推薦的國(guó)際單位，即在特定條件下，1分鐘內(nèi)能使1μmol底物轉(zhuǎn)變的酶量作為一個(gè)酶國(guó)際單位。1979年國(guó)際生化學(xué)會(huì)為將酶的活力單位與國(guó)際單位制的反應(yīng)速率（mol/s）相一致，推薦用催量（Katal簡(jiǎn)稱Kat）來表示酶活力。1催量定義為：在特定的測(cè)定系統(tǒng)中，催化底物每秒鐘轉(zhuǎn)變1mol的酶量。催量與國(guó)際單位的換算為：1國(guó)際單位為1μmol/min＝1μmol/60s即16.67nKat。

既然體內(nèi)各種物質(zhì)代謝過程多為酶促反應(yīng)，則不論是遺傳缺陷或外界因素造成的對(duì)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(dǎo)致的白化癥等。

很多中毒現(xiàn)象都與酶有關(guān)，如常用的有機(jī)磷農(nóng)藥能與膽堿酯酶活性中心的絲氨酸羥基結(jié)合而失活，重金屬可與某些酶的巰基結(jié)合而使酶活性喪失，此外氰化物（CN ^－）能與細(xì)胞色素氧化酶的結(jié)合，可使生物氧化中斷，嚴(yán)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(dá)的缺陷，從而可采取早期流產(chǎn)，防患于未然。當(dāng)某些器官組織發(fā)生病變，由于細(xì)胞的壞死或破壞，或細(xì)胞通透性增加，可使原來在細(xì)胞內(nèi)的某些酶逸入體液中，使體液中該酶的含量升高。通過對(duì)血、尿等體液和分泌液中某些酶活性的測(cè)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(bǔ)充胃蛋白酶、胰蛋白酶等以助消化。

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

腫瘤細(xì)胞有其獨(dú)特的代謝方式，若能阻斷相應(yīng)酶的活性，就能達(dá)到遏止腫瘤生長(zhǎng)的目的。L-天冬酰胺是某些腫瘤細(xì)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(xì)胞因其必需的營(yíng)養(yǎng)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(jīng)介質(zhì)（如兒茶酚胺）與抑制性神經(jīng)介質(zhì)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(zhì)，具有很強(qiáng)的抗原性，故體內(nèi)用酶治療疾病還受到一定的限制。

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