生物热化学和热动力学研究进展

谢文，周莲娇，徐娟，郭清莲，蒋风雷，刘义,＊

1武汉大学中南医院检验科，武汉 430071

2武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072

1 引言

生命相关过程伴随着极其复杂的化学和物理过程，包含着物质变化和能量转换。随着传统热力学框架的完善，热化学测量技术的快速发展以及学科交叉渗透发展，热化学技术和方法在生命科学领域的应用越来越显示出其迫切性和优越性。

与化学过程相比，生物工艺过程忽视了生物过程中的热力学规则，忽略了复杂生物分子和细胞代谢的热力学中的一些特定规律1。而随着生物工艺的发展，人们可以更实时、定量地描述生物分子的构-效关系，可采用模拟和建模方法降低实验成本2，热力学推导的模型3-7在这方面做出了非常显著的贡献。然而，传统的热力学处理方法对具有极其复杂结构和电荷分布的生物分子的行为描述不够精确，同时全细胞生物催化过程的热力学处理，也对传统热力学提出了很高的要求。细胞新陈代谢过程通常发生在远离平衡态的状态下，并且还具有高度不可逆性和自组织性，而复杂的反应环境、强烈的相互作用以及活细胞或细胞器内大量小分子的存在，都使这一过程更加复杂。

我们可以将生命体系看作复杂而开放的热力学系统，所有生物生长代谢过程都伴随着物质和能量交换。生物体在新陈代谢过程中部分能量以热的形式散发出来，即产生代谢热，这是生物热化学发展的基础。生物代谢产热过程一般有强度低、周期长、速率慢的特点，利用高精度、自动化和连续式的微量热仪，可对其进行连续跟踪监测，获取相关过程热力学和动力学信息。量热计是用于热量测定的仪器。量热计在量热计腔与量热计恒温块之间设置大量的热电偶。测量池中的样品由于某反应的进行而产生热效应，使得其本身的温度发生改变。此时样品和恒温块之间存在一定的温差(ΔT)，高灵敏度的热电偶将量热计腔与恒温块之间的温度差转换为电信号，经放大后输出。量热计连续地、无损地检测化学或生物过程所产生的热量，并绘制热功率P随时间t变化的精确曲线，即为热谱图。热谱图包含了反应过程的热力学和动力学信息。

量热计可分为间接量热计和直接量热计。间接量热计通过体系中O2的消耗量及CO2的产量或者某种已知热容物质的温度变化来推算待测体系的热效应。间接量热计的对象是开放系统，因此适用于需要气体交换的生物个体生长代谢的能量代谢测定。直接量热计通过测定体系热流变化从而实现实时监测反应过程的热效应。灵敏度很高的直接量热计适用于研究生物生理过程的代谢热、生物大分子的热动力学性质、生物大分子与小分子或者生物大分子之间相互作用的热效应。

高度灵敏的微量热法如差示扫描量热法(DSC)、恒温滴定量热法(ITC)和热活性微量热法(TAM)等，可用于研究简单分子相互作用和理解构效关系，也用于理解和预测生物系统的复杂非线性行为。量热法以各种运动形式产生的热效应为研究对象8，揭示能量变化规律和定量能量转化。量热方法中，由热信号提供生物过程的动力学及化学计量学相关的实时信息，可有效获取化学反应和生命相关过程的焓变(ΔH)、熵变(ΔS)、吉布斯自由能变化(ΔG)、平衡常数(K)和结合计量数(n)等系列热力学参数，这些参数可以体现单个物质的热力学特性，也能反映化学反应中相关分子的结构、性质及其作用机制9。

量热学在生命科学领域中的应用十分广泛，可以用来描述生态系统、生物进化等宏观过程，也可以观测个体和细胞生长、线粒体代谢状况，还可以研究酶促反应、小分子与生物大分子相互作用等分子水平的生命科学微观问题。

2 量热法在生态学中的应用

全球变暖引发了一系列生态问题，全球碳循环中最大的通量之一，是土壤有机质降解从土壤表面排放二氧化碳。土壤微生物代谢活性是评价土壤质量的普适指标10，土壤中生物的生长代谢、物质的理化过程往往伴随着热量释放。热量释放通常是一种非选择性信号，应用等温微量热技术，非特异性地监测和记录土壤微生物代谢特征，极大地推动了复杂土壤体系微生物代谢研究。

为了更系统地监测土壤微生物动态，为早期预警提供实验方法和数据，Hansen等11通过量热仪模拟极端热浪，研究了温度对不同土壤类型的有机质分解速率的影响，如图 1显示了两种土壤样品的平均热速率、酶催化氧化速率和直接氧化速率随温度的变化。有机质直接氧化和酶催化氧化两类反应在正常环境温度下同时存在，一起组成土壤有机质矿化过程，而其对土壤有机质矿化速率的相对贡献随温度、土壤类型等因素的变化而变化。

图1 两种土壤样品平均热速率(红线)、直接氧化速率(蓝线)和酶催化氧化速率(绿线)随温度变化趋势11Fig. 1 An easily recognizable change of the averaged heat rates (red lines), direct oxidation rates (blue lines) and enzyme catalyzed oxidation rates (green lines) increasing trend with temperature in two samples 11.

Barros等12用热呼吸法，测定了经4 °C下储存后的土壤样品对土壤中微生物代谢的变化，得到了微生物代谢的产热速率和二氧化碳产生速率。结果表明土壤有机质越不稳定，土壤中的微生物代谢多样性越高，说明微生物代谢降解碳水化合物的能力强，且对贮藏条件更敏感。这为实验中土壤样品的合理保存提供指导。Barros等13用热分析方法，结合核磁共振法，研究了六种不同碳含量样品的热性质、其土壤有机质的结构和组成。证明可以利用差示扫描量热法(DSC)和热重法(TG)快速准确检测土壤总碳含量，推测土壤总能量含量。

Xu等14通过土壤热力学参数，研究不同微生物对不同碳基质的代谢能力差异，证明了细菌和真菌是土壤有机质最重要的分解者，且用微量热法可以量化土壤微生物对碳的利用效率。Karina与其合作者15,16评价改良土壤中的酶活性，研究热效应与纤维素酶、蛋白酶和尿素酶活性的关系，结果显示牛粪、城市污水污泥、蚯蚓粪来源的酶活性依次降低。证明了微量热法是分析土壤中微生物和酶活性的有力工具，可以帮助更好地了解土壤微生物代谢的动态。

Anne等17利用微量热法，监测了来自酵母废水处理厂的硫酸盐还原菌(SRB)的厌氧消化过程，并测量SRB的生长速率。Nabil等18测定以乙醇为溶剂的低压(LP)萃取和以二氧化碳和乙醇为共溶剂的亚临界流体(SF)萃取所得的废咖啡提取物的抗氧化活性差异，表明LP提取物具有比SF提取物更高的抗氧化能力。两种提取物抗氧化活性结果都表明废咖啡显示出作为抗氧化剂的巨大潜力，研究结果可为生态系统管理维护提供依据，证明量热法具有作为通用抗氧化剂和促氧化剂活性分析的能力。

3 量热法在组织和器官研究中的应用

量热法在组织和器官研究中的应用，主要指对离体动植物组织和器官的量热学研究。Kamrul等19应用恒温微量热法，检测到分别经抗坏血酸溶液、脉冲光和紫外-可见光处理后，鲜切苹果的产热量急剧下降。微量热数据与其他技术所得结果(乙烯产生量、酸碱度、颜色、质地、味道)的结合，可以帮助比较食品工业中不同处理对新鲜水果的影响。Kamrul等20基于抗氧化剂和浆果提取物与过氧化氢反应过程中的产热，在恒温条件下(25 °C)测定其清除自由基的活性。量热法能直接、同时提供抗氧化剂或天然提取物清除自由基反应的热力学和动力学性质，即过氧化氢反应的焓(ΔH)和速率常数(k)等。Haman等21提出了一种基于AIBN(2,2’-偶氮双(2-甲基丙腈))与亲脂性抗氧化剂反应过程中产热的测定氧化应激的方法。在没有抗氧化剂时，AIBN产生放热峰；在抗氧化剂的存在下，这种峰值会延迟。根据延迟的程度，对样品自由基清除活性可以进行简单而直接的估计。采用等温量热法，通过与AIBN的反应，测定合成抗氧化剂和天然亲油性抗氧化剂(五种特级初榨橄榄油样品)的自由基清除活性。各抗氧剂的量热结果与DPPH测定结果呈正相关，特级初榨橄榄油的量热结果与总酚含量呈正相关。

Ksenia等22采用等温微量热法，对葡萄经酿酒酵母接种后的发酵能力进行了分析，葡萄栽培期间使用草甘膦除草，降低了葡萄的酵母生长速度，而尿素施肥可增强酵母生长能力。Rakhmatullina等23研究了一氧化氮(NO)对小麦幼苗耗氧量、产热及细胞超微结构的影响。用微量热计，通过电子顺磁共振(EPR)、呼吸法(气体计量法)、产热法测定NO。结果表明NO的生成伴随着小麦幼苗呼吸频率下降约30%，持续了5-6 h。说明植物组织的过量NO会导致能量交换的减速、超微结构的紊乱和细胞死亡。

4 量热法在细胞水平上的研究

对动物细胞和微生物细胞的量热学研究，可以说是量热学在生命科学研究的主要领域。微量热法在微生物研究工作中的应用主要包括细菌分类鉴定、细菌生长代谢及其规律、药物对微生物生长的抑制作用、结合动力学原理，研究微生物生长代谢热动力学特征等24。大量实验证明，微量热在无干扰地监测微生物的正常活动和固有代谢过程、定量描述微生物生长代谢过程、药物和毒物对微生物生长代谢影响等方面的作用显著。

根据细菌生长热谱曲线以及得到的热动力学参数，郜丹等25以微生物生长速率大于零及热功率差值大于三倍基线噪音为评价标准，以7种常见微生物为对象，测定了各菌株单独和混合培养的生长热谱曲线和检出时间。较常规方法，生物热动力学有实时、快速、灵敏度高、适用性好的优点。Winkelmann等26应用量热计对不溶于水的碳源(正十四烷和正十六烷)对乳白色葡萄球菌的生长影响进行了研究，建立了微生物生长过程热动力学方程。实践证明，量热法适用于研究多相体系中的微生物代谢过程。Russel等27设计了一种新型的LED照明的恒温微量热法，将微藻的热力学行为记录为功率-时间曲线，得出微藻的总热效应、最大输出功率和每个藻细胞产热等指标，来更好地了解藻类的二氧化碳固定性能和生长过程中的热力学行为。

噬菌体大量存在于自然环境中，可分为烈性噬菌体和温和噬菌体。温和噬菌体侵染细菌后，噬菌体的基因组能够整合入宿主染色体，整合后的细菌称为溶源性细菌。溶源性细菌在正常环境中可稳定生长繁殖，并且对同类噬菌体及其近缘噬菌体的侵染具有免疫性。但任何可以引起基因突变的物理、化学因素，都可能诱导沉默的原噬菌体激活繁殖28。利用细菌与未感染细菌之间的代谢热差异，Xu等29发现在恒温微量热实验中，溶源细菌与非溶源细菌混合体系对化学试剂的诱导效应高度敏感，可用于化学试剂对原噬菌体诱导活性的快速检测。该方法工作负载低、需要诱导药物极少，且可实时监测预防激活效果、适用于自动化和高通量测量。以该快速检测方法为基础，Xu等30研究了CdTe量子点的原噬菌体诱导活性，图2的量热结果发现分别经巯基丙酸(MPA)和谷胱甘肽(GSH)表面修饰的 MPA-CdTe和 GSH-CdTe量子点均能激活原噬菌体，而且MPA-CdTe量子点的诱导活性强于 GSH-CdTe量子点。结合细菌内活性氧含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性及脂质过氧化水平检测结果，发现CdTe量子点引起的氧化应激是导致原噬菌体诱导的重要原因。在研究宿主细胞与噬菌体相互作用上，微量热学方法可以更快速地得到更多丰富的热动力学信息。刘国生等31-33采用微量热学方法对噬菌体侵染大肠杆菌进行了研究，通过对热谱曲线数据分析，可以得到噬菌体-大肠杆菌系统变化的热动力学方程、细胞生长抑制热动力学方程、宿主细胞裂解热动力学方程等。这些热力学信息用于研究噬菌体与宿主之间的相互作用，结果表明微量热技术对这样的复杂系统进行研究有着独特的优越性。在T4噬菌体增殖过程微量热研究中，得到了停流法在 37 °C测定的不同感染复数下E. coliB的热功率曲线(如图3)。将热谱曲线的三个主要峰标记为峰 I、峰 II和峰III。在感染复数(Multiplicity of Infection，MOI)为2.8 × 10−4时，热谱曲线2几乎与对照组曲线1重合，说明加入的噬菌体样品因为多次稀释与加样随机误差，样品中的T4噬菌体几乎为0；曲线3上的峰 I为典型的对数生长峰，可以看成大肠杆菌的有氧呼吸产热峰，同时峰II为肩峰，可看成厌氧生长产热峰，峰III为缓慢产热峰；曲线4、5的峰II也是缓慢产热峰；MOI为2.8和28的曲线6、7在一个产热峰后基线几乎回到零点，说明E.coliB几乎被完全裂解。通过对热谱曲线数据分析可以得到丰富的热力学信息，反映 T4噬菌体与宿主细胞相互作用的关系。细胞静息培养是指在最低限度培养基中研究细胞生理活性的一种方法，此时细胞不能进行生长和繁殖，可避免细胞生长产生的大量热量干扰，刘国生等32用停流法研究了静息培养下 T4噬菌体感染大肠杆菌细胞过程中两者的相互作用，计算得到单个细胞的发热功率和发热量，说明感染状态下细菌细胞代谢速率加快，但繁殖速率明显下降。

图2 不同浓度量子点对大肠杆菌生长代谢产热的影响30 Fig. 2 Dependency of the metabolic heat production rate of E. coli on the dosage of MPA-CdTe and GSH-CdTe QDs 30.

图3 T4噬菌体与大肠杆菌生长的功率-时间曲线31Fig. 3 Power-time curve recorded from the growth of E. coli B and T4 phages in LBG medium 31.

目前主要通过视觉检查(VI)来评估注射药物溶液的无菌性，Brueckner等34提出用热流分析代替视觉生长检测。他们评估了恒温微量热测定法(IMC)作为无菌控制的VI的替代品的可能性，发现IMC可以检测到所有接种样品中的微生物生长，并且在92%的样品中检测到微生物生长的速度明显快于VI。IMC的可靠性和灵敏度对提高无菌控制有很大的潜力。

以微生物和人工培养的动物细胞为模型，研究药物分子的药理和毒性作用，也是目前比较活跃的研究领域。结合微量热方法，定量研究药物对细胞模型生长代谢过程影响，可为发现和筛选有效抗癌药物、探究药物作用机理和探索最佳用药配比，提供可靠的数据和指导。用含银伤口敷料治疗，已成为在愈合过程中消除机会性伤口病原体生长的普遍策略。考虑到银的成本及其可能产生的副作用，人们在确保银在伤口环境中达到最低杀菌浓度(MBC)的同时，希望伤口敷料中含有尽量少的银活性成分。Gaisford等35报导了一种采用热活性微量热法(TAM)测定伤口敷料中银功效的定量方法，测得银对铜绿假单胞菌的MBC为1 ×10−4mol·L−1。采用该方法，Jawal等36测定了含银敷料对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌两种常见伤口病原体的疗效。实验在营养肉汤培养基和模拟伤口液中进行。模拟伤口液且厌氧条件下银的最低抑菌浓度和最低杀菌浓度较高。结果表明了药品在生物相关介质中试验和进行体外分析的重要性，也说明该方法在生物体和生长介质改变时也能很好的应用。

恒温微量热法已被广泛应用于评价抗生素对细菌和真菌生物膜嵌壁细胞的杀菌活性37,38。细菌生物膜对传统的抗菌治疗有很高的抵抗力，最近烈性噬菌体被重新评估为在生物膜中也能杀死抗生素抗性细菌的有效药剂。Tkhilaishvili等39使用等温微量量热法评估T3噬菌体与浮游和生物膜大肠杆菌TG1的相互作用。将T3与大肠杆菌TG1一起孵育，在较低的噬菌体浓度(103PFU·mL−1)下，对浮游和生物膜中的产热都有很强的抑制作用。

5 量热法在亚细胞水平上的应用

亚细胞水平上的微量热研究，主要集中在线粒体和细胞膜/模拟细胞膜上。为了改进生物分子相互作用研究，有必要建立热力学模型部分替代昂贵且精细的实验。

微量热法在生物膜的研究中具有很大的潜力，由饱和脂质和不饱和脂质组成的二元脂质混合物，是细胞膜的重要模型。Wu等40研究了饱和和不饱和磷脂二元混合物分子水平的相变图。利用氘化二铝酰磷脂酰胆碱(DPPC-d(62))和氢化二元醇磷脂酸(DOPA)，差示扫描量热法分别分析两种脂质组分的热致相变过程，实验中观察到单一吸热峰。结合傅立叶变换红外光谱，表明两种脂质在热致相变后的尾部区域有非同步构象重排。给出了由饱和脂肪和不饱和脂肪组成的二元脂质混合物中单组分脂质的热致相变速率，该方法可以扩展到揭示各种其他脂质混合物(如脂质筏)或表面活性剂混合物中相转变过程的分子机制。Wu等41用微量热法和圆二色谱法，研究了溶菌酶分子在双亲水性嵌段共聚物，甲氧基聚乙二醇5K嵌段聚天冬氨酸钠盐 10(MPEG5K-B-PLD10)存在下的展开和再折叠行为。结果表明，天然溶菌酶在加热和冷却时呈现可逆的展开和再折叠，而处于新折叠状态(与聚合物带相反电荷的 PLD段复合)的溶菌酶因为失去部分三级结构且二级结构发生改变，热稳定性降低，在加热时可以展开，但是在随后冷却时不能再折叠。由于生物膜难以在密闭安瓿中生长和维持，其应用往往局限于监测已建立的生物膜的活性。

图4 流动量热计的示意图42Fig. 4 Schematic representation of the flow calorimeter 42.

Jawal等42使用流动系统从外部连续供应营养素的方法，允许生物膜在安瓿内形成，从而实现直接实时监测能量变化。实验观测到金黄色葡萄球菌处于生物膜内时，对抗菌剂的抗性增强，同时证明该流动系统可用于在医用级塑料上建立和监测生物膜的形成和生长。设计的流动量热计的简单系统(如图 4)主要包括外部生物反应器、TAM 量热仪和废水箱。生物反应器通过夹套水浴保持在37 °C，其中的介质通过硅胶管进入TAM系统。在TAM中，待测介质先经过热交换线圈以保持与量热计内温度一致，接着进入与安瓿瓶入口连接的不锈钢管，不锈钢管在充满传热介质的安瓿瓶中盘绕后与安瓿瓶出口相连。蠕动泵安装在流出管中，维持介质循环速度为4 mL·h−1。Sanatan等43用等温滴定量热法研究了油酸对肾上腺素诱导的大鼠心脏线粒体损伤的保护作用。与肾上腺素体外孵育后，线粒体膜的脂质过氧化和蛋白质羰基化水平升高，谷胱甘肽含量降低，线粒体形态、膜电位和完整性改变。当线粒体在体外与肾上腺素和油酸共孵育时，所有这些变化得到明显改善，结合早期研究说明油酸可以是一种有效的心脏保护抗氧化剂。Dong等44研究了牛血清白蛋白(BSA)包覆的超小银纳米团簇(NCS)对离体大鼠肝线粒体的生物学效应。阐明Ag-BSA-NCS通过两种不同方式的协同作用诱导线粒体功能障碍：(1)通过与线粒体膜磷脂双层相互作用，诱导线粒体膜通透性转变(MPT)；(2)通过产生活性氧(ROS)，造成线粒体呼吸损伤。首次提出并阐述了超小尺寸纳米颗粒(约2 nm)在亚细胞水平的生物学效应。

Zhao等45采用微量热法，分析了Gd3+对体外线粒体的影响。Yang等46研究了聚羟基富勒烯C60(OH)44对分离线粒体的影响。Lai等47研究了不同粒径的GSH-CdTe量子点对线粒体的毒性作用，同时证明量子点与蛋白质的结合亲和力高于磷脂。Shore等48将热力学分析与分子模型和结构测定相结合，研究了一种基于尿素的亲环素小分子对线粒体的保护作用。袁莲等49-54使用热活性检测仪(TAM)和等温滴定量热仪(ITC)，研究了经一系列药物(呼吸抑制剂、有机砷、Ca2+、In3+、Ag+、Gd3+等)作用后，离体线粒体的实时产热功率、总产热量、新陈代谢速率常数等热力学参数，同时获得线粒体代谢加快或减慢、活性增加或减小等信息。

6 分子水平的量热学研究

生物大分子包括核酸、蛋白质、生物多糖和脂质，是构成生命的基础。生物大分子的空间构象、热力学稳定性等，与其生物活性和生物学功能直接相关。量热法很好的用于生物大分子结构与功能关系的热分析研究。Frank等55以比较的方法来确定红球菌和混合细菌培养物使用表面活性剂作为唯一碳源和能源的能力。这些表面活性剂包括鼠李糖醇、槐糖脂和海藻糖四酯及Tween 80。量热法、热力学计算、质谱、高效液相色谱以及生物量测定的结果说明，纯培养物的红球菌只能够利用表面活性剂Tween 80；混合细菌培养物能够使用所有选定的表面活性剂作为唯一的碳和能源，但只有鼠李糖脂被完全降解，其他表面活性剂仅发生了初级降解。其中每摩尔碳的焓变作为评估降解程度的重要参数，说明量热法是识别复杂分子降解途径中特征的有力工具。Goldber等56报道了四种纤维素同素异形体(非晶态纤维素、纤维素I、纤维素II和纤维素III)在25 °C下水解为结晶无水α-D-葡萄糖的热动力学数据，以及四种同素异形体从2 K到300 K的热容量。Marko等57报道了纤维素水解的热力学数据以及平衡葡萄糖浓度，测定了葡萄糖水溶液的活度系数与温度的函数。随着温度的升高，反应ΔG变得更负，这表明在更高温度下生产纤维素生物燃料会有更高的转化率。同时，全球变暖会加速纤维素被土壤微生物降解为二氧化碳和水的过程，通过正反馈加速全球变暖。Liu等58采用过氧化氢预处理及胃蛋白酶水解的方法，提取蛇头皮中的胃蛋白酶可溶性胶原蛋白，并经氨基酸分析、紫外光谱和差示扫描量热法证实了胶原蛋白较高的纯度和热稳定性。

Marco等59报道了一种能表征固定化酶活性和稳定性的量热法。以固定在尼龙-6纳米纤维膜上的转化酶为研究对象，采用分光光度法和恒温滴定量热法，测定了固定化和游离转化酶活性和稳定性；采用差示扫描量热法，测定了膜上转化酶结构的热稳定性和表面浓度，证明ITC可用于测定固定在膜上的酶的活性和稳定性。Neha等60通过量热，测定了在不同温度下NaH2PO4、NH4H2PO4和K3PO4水溶液中各种糖及其衍生物的热变化。Gennady等61对纤维素、淀粉和葡萄糖形成左旋葡萄糖的平衡进行了热力学分析。用绝热量热法，测定了在5-370 K左旋葡聚糖的热容量。用差示扫描量热法，测定了该化合物的固相转变和熔融的温度和焓。从得到的结果计算出在0-384 K左旋葡聚糖晶体的热力学性质。Wu等62采用加热-冷却-再加热方案，研究了溶菌酶在负电荷聚电解质-聚苯乙烯磺酸钠(PSS)存在下的展开和再折叠行为。纳瓦差示扫描量热(nano DSC)和CD光谱法结果表明，溶菌酶与PSS的络合作用能显著改变溶菌酶的折叠和复性行为。这种加热-冷却-再加热的过程，可以提供有关聚电解质复合蛋白的结构和性质的线索，该方法也可用于研究目标蛋白在其他含蛋白质混合物中的展开和重折叠细节。

微量热法同时适合用于生物大分子与其他小分子相互作用的热力学研究。Catherine等63研究了铝、镍和镉三种典型金属离子与DNA的作用及其核酸毒性，等温滴定法结果表明Al3+、Cd2+、Ni2+可强烈结合DNA的磷酸基团，生理条件下Cd2+、Ni2+具有遗传毒性。而随pH升高，金属铝的主要离子种类由Al3+变为[Al(OH)4]−，不再能与DNA强烈结合。实验结果强调了细胞内的pH范围变化的作用。

Burova等64采用比浊法、高灵敏度差示扫描量热法和等温滴定量热法，研究了可生物降解阴离子聚磷腈(PCPP)与蛋清溶菌酶模型球蛋白的相互作用，得到了相应的结合常数、协同性参数和结合焓。Escoba等65用差示扫描量热法，研究了新的潜在抗癌药物与二巯基磷胆碱(DMPC)脂质体的相互作用。Boros等66用差示扫描量热法、圆二色谱和核磁共振光谱以及分子动力学模拟，研究了丝氨酸蛋白酶抑制剂的稳定性、分子结构和动力学。Krauss等67采用等温滴定量热法，测量了小鼠抗c-myc抗体与其表位肽的相互作用，得到典型的焓-熵补偿数据。

冷冻条件会影响鱼类肌肉蛋白质功能，引起蛋白质的变性和聚集。然而，洪堡鱿鱼(Dosidicus gigas)肌肉蛋白的功能在冷冻后仍保持稳定，这可能是由于存在作为低温保护剂的低分子量化合物(LMMC)。Álvarez-Armenta等68利用傅立叶变换红外光谱法，测定LMMC的主要成分为游离氨基酸(精氨酸、肌氨酸和牛磺酸等)、碳水化合物(单糖葡萄糖、岩藻糖、阿拉伯糖等)、氯化铵等，同时通过差示扫描量热法，验证了LMMC可赋予蛋白质低温稳定性。

Wu等69在研究多肽Gly-Asn-Gly-Ser-Gly-Tyr-Val-Ser-Arg对血管紧张素转化酶(ACE)的抑制机制时，采用等温滴定量热法测定肽与ACE结合反应的热力学特征，结果暗示多肽在反应过程中分解并起到了底物型抑制剂的作用。

Yang等70应用各种光谱测量技术和等温滴定量热法(ITC)，研究了富勒烯与牛血清白蛋白(BSA)和γ-球蛋白之间的相互作用。ITC结果表明，富勒烯与BSA之间的相互作用是放热过程(ΔH＜0)，与γ-球蛋白的相互作用是吸热过程(ΔH＞ 0)。结合多种分析技术结果，提出了蛋白质在纳米颗粒上的络合涉及两个同时发生的过程，即非共价键形成(ΔH＜ 0, ΔS＜ 0)和溶剂重组(ΔH＞ 0, ΔS＞0)。Zhang等71通过ITC和其他光谱技术，研究了抗坏血酸(ASA)与人血清白蛋白(HSA)的相互作用，并通过ITC判断小分子与蛋白的结合位点。

7 结语

从内在生物过程(生长发育、厌氧消化、两相生物催化、蛋白质相互作用、核酸稳定性)、过程分析(芯片量热法和生物传感器)，到下游加工(生物分离)和环境过程(废水回收以及土壤微生物检测)等，生物量热的应用范围十分广泛，而且正在迅速地增加。随着微量热仪在测温精度、控温稳定性、自动化和多功能化发展等方面的巨大发展和进步，微量热技术在未来的生命科学领域必将扮演更重要的角色。同时，由于生物量热法自身缺乏特异性，无法直接获得分子层面信息等局限，相信在未来会有越来越多的量热法与多种分析技术结合的、多领域应用(尤其生物学、医学、药学中应用)的研究成果。