从钒溶液丰富的化学性质可以推知，钒主要有下面三个方面的生物化学性质。首先，钒以钒酸根的形式与磷酸根竞争磷酸盐传递蛋白、磷酸水解酶和磷酸转移酶的活性位点；其次，以氧钒离子的形式同其它过渡金属离子竞争在金属蛋白质上的结合位点，争夺小的配位体如ATP；第三，钒还参加细胞内的氧化还原反应，特别是与能把钒酸根通过非酶反应还原的小分子如谷胱甘肽反应。钒作为一个氧化还原体系的接触剂能阻滞电子传递系统，并对许多酶产生抑制作用，最常见的是对Na、K-ATP酶的抑制作用。

一、Na、K-ATP酶

1965年，人们已发现钒对Na、K-ATP酶有抑制作用。1975年，Cherney从马骨骼肌中提出了一种商品ATP，其中包含Na、K-ATP酶的抑制剂，后来研究证明这种抑制剂就是钒酸盐，它对Na、K-ATP酶有强烈的抑制作用，是钠泵的一种内源性调节物。

Na、K-ATP酶是一种膜结合酶蛋白，该酶的基本功能是催化ATP末端磷酸水解并利用该反应的自由能来对抗电化学梯度，进行Na⁺、K⁺的主动运输[36]。Na、K-ATP酶以E₁、E₂两种状态存在。状态E₁与Na⁺、ATP和Mg²⁺成键，Na⁺促进ATP的水解并形成E₂-Pi中间体（Pi=磷酸根）；中间体又与K⁺键合，这促进了磷酸根和Mg²⁺的离解和释放，这一步是速率控制步骤（RDS），然后回到E₁状态（图4—4）[6]。

钒酸根与Na、K-ATP酶在磷酸化位点成键，一旦成键，钒酸根就得将酶稳定在E₂态，钒酸根脱离酶的速度是很慢的，特别是在低温时更是如此（0.045h^-1，4℃）[37]。钒酸根能通过降低E₂→E₁构象变化速度来干扰Na、K-ATP酶的活性。VO₃^-与E₂态结合的模型中，对E₂态有利的Mg²⁺、K⁺、乌本（箭毒）苷和二甲亚砜都能提高VO₃^-的成键能力，而有利于E₁态的如ATP、Na⁺和寡霉素则降低VO₃^-的成键作用。对VO₃^-抑制有干扰的试剂有：牛血清蛋白、可从酶上取代VO₃^-的阴离子、柠檬酸、EDTA，能将VO₃^-转变为活性较低的VO²⁺的还原剂有：谷胱甘肽，抗坏血酸，NADH，亚甲兰，丙咪嗪胺[38～44]。

钒酸盐和乌本（箭毒）苷都能抑制Na、K-ATP酶的活性[45]，不同的是钒酸根是在细胞质位点产生抑制作用的。由于磷酸根与钒酸根化学性质上的相似，可以认为VO₃^-是通过与磷酸根位点结合而对Na、K-ATP酶产生强烈的抑制作用，因此钒酸根必须透过细胞膜进入这些位点。在红细胞和牛蛙角膜内已发现钒酸根是通过阴离子转运系统进入细胞内的，但心肌细胞中的钒酸根则明显地经由非耗能系统而进入细胞内的。在血浆中，正常的氧压使钒处于高氧化态而以钒酸根形式存在，VO₃^-是Na、K-ATP酶的强抑制剂，因此钒元素的生物化学效应取决于细胞内的氧化还原环境，进而有人提出与细胞膜相连的NADH-钒酸盐氧化还原酶能通过调节细胞内钒酸根的浓度来调节Na、K-ATP酶的活性[46]。

在人体血红细胞中[47]，只有当VO₃^-与细胞膜表面的Na、K-ATP酶键合时，VO₃^-才是Na、K-ATP酶的强抑制剂。细胞外的K⁺（Rb⁺、Cs⁺、Li⁺等）可通过变构机理来调节VO₃^-对Na、K-ATP酶活性的抑制，低浓度激活Na⁺流出，高浓度则抑制Na⁺流出[48]。

⁴⁸VO₃^-通过类似于PO₄^3-的阴离子转运系统进入血红细胞[49]。在细胞内，VO²⁺被谷胱甘肽、NADH、抗坏血酸和邻苯二酚经非酶过程还原成对Na、K-ATP酶活性抑制作用较小的VO²⁺。

在细胞内pH条件下，VO²⁺倾向于被氧化而以VO₃^-形式存在。但VO²⁺通过与ATP、磷酸根和羧基配体络合而稳定存在。正是通过细胞内氧化还原反应及各种络合平衡提供了适量的VO₃^-，得以调节Na、K-ATP酶的活性。

VO₃^-对某些动物大脑弥落松体Na、K-ATP酶的抑制作用要比这些动物的心脏、肾脏Na、K-ATP酶的抑制作用弱，产生这一差异的原因可能是存在两种Na、K-ATP酶，当然可能还有其它原因。

VO₃^-的性质并不仅限于对Na、K-ATP酶的抑制，在两栖动物的上皮组织中，VO₃^-还能阻碍由CAMP诱导的与Na⁺、H₂O运输有关的促进作用，并且对海龟膀胱中H⁺泵的运转有影响[13]。

二、Ca-ATP酶

VO₃^-并非Na、K-ATP酶的专有抑制剂，除了能强烈抑制Na、K-ATP酶的活性外，对肌浆网Ca-ATP酶和人体红细胞Ca-ATP酶也有抑制作用[13]。

肌浆网Ca-ATP酶以E₁、E₂两种脱除磷酸状态存在，无Ca²⁺时，E₁和E₂构象之间存在着下面的热力学平衡[50]：

E₁ E₂

Ca²⁺可使E₁构象稳定，VO₃^-则使E₂构象稳定。当Ca²⁺与Ca—ATP酶成键时会引起构象从E₂向E₁转变，这一步骤通常被认为是在Ca-ATP酶循环中最慢的一步。由于Ca²⁺在高亲和力位点成键，从而使E₁态稳定下来，VO₃^-对Ca-ATP酶的活性有抑制作用。Ca²⁺则抵消这种作用。

Ca-ATP酶这个构象变化的速率与温度、pH、Ca²⁺浓度等因素有关。

温度对上述构象平衡有显著影响[50]。

由于E₂→E₁的变化是一个放热反应，放出的热量约为20kcal/mol，所以无Ca²⁺时，低温下的Ca-ATP酶主要以E₁构象存在，高温时则大多以E₂态存在。从构象平衡的-ΔH值可知，E₂→E₁构象变化的熵变大约为-70cal/mol·K。熵变化如此之大，说明在Ca-ATP酶蛋白质内部发生了重大的结构变化。实验发现，引起Ca-ATP酶蛋白质结构变化的温度约为20℃，这个变化会影响该酶随后的反应步骤。

介质的H⁺对E₁、E₂构象平衡也有影响。介质为酸性时，Ca-ATP酶大都是E₂构象；在碱性条件下则多以E₁态存在。即高温酸性条件下E₂构象的Ca-ATP酶是主要的，而低温碱性条件下则E₁构象较稳定，如图4—5所示[50]。

Ca²⁺与H⁺之间是相互联系的。E₁构象对Ca²⁺的亲和力大，对H⁺的亲和力小；反之，E₂构象对H⁺亲和力比对Ca²⁺要大，Ca²⁺在亲和力大、小两个成键位点的表观亲和力随介质H⁺浓度降低而升高，这说明Ca²⁺和H⁺在竞争活性位点，如图4—6所示[50]。

Ca²⁺对E₂的成键亲和力较小，在E₁成键位点则有较大的亲和力。对于Ca²⁺的加入或除去而引起的构象变化，VO₃^-能降低其变化速率。

在VO₃^-存在时，降低H⁺浓度会使变化速率增大。当Ca-ATP酶正常工作时，高浓度的Ca²⁺可降低VO₃^-的抑制作用。在VO₃^-存在时，只需要1个当量的Ca²⁺成键就足以引起构象变化；同样，在Na、K-ATP酶中，只要1个当量的K⁺就可起类似的构象变化。

人体红细胞上的Ca-ATP酶对低浓度钒酸盐的抑制作用也十分敏感[54]。Ca-ATP酶的所有致活剂：Mg²⁺、K⁺、Na⁺和钙调蛋白也都能促进钒酸盐的抑制作用。

Mg²⁺会影响Ca-ATP酶的活性[46]。在Mg²⁺存在时，Ca-ATP酶才有活性。Mg²⁺可使Ca-ATP酶对VO₃^-的表观亲和力增大，所以Mg²⁺浓度增大，VO₃^-的抑制作用也增大。实验发现[14]，K⁺、Na⁺对抑制作用影响最显著；而这两种阳离子是以同样的机理在相同的位点上进行活化的，这种位点对K⁺的亲和力要比对Na⁺的大。从这两种阳离子对VO₃^-抑制作用的增强来看，K⁺的效力要比Na⁺的大得多[51]。

Na⁺对Ca-ATP酶的活化要受到VO₃^-的干扰，K⁺与VO₃^-可以相互促进对方的成键，在K⁺浓度固定增大VO₃^-浓度时，抑制作用趋于完全；但固定VO₃^-的浓度、增加K⁺的浓度则抑制作用不会进化得很完全。当K⁺达到饱和浓度时，抑制作用就要受到VO₃^-浓度的限制。在实验过程中，发现[51]140mmol/L的Li⁺不会使Ca-ATP酶活化，对VO₃^-的抑制作用也没有促进能力。

钙调蛋白（Calmodulin）能增大Ca-ATP酶的活性，其致活能力比K⁺、Na⁺的还要大[51]，Mg²⁺则干扰钙调蛋白对Ca-ATP酶的活化。没有VO₃^-存在，有K⁺或Na⁺时钙调蛋白的活化作用非常明显；在钙调蛋白存在时，VO₃^-的抑制作用更强，这是因为钙调蛋白也能增大VO₃^-对抑制位点的亲和力。

实验发现[52]，各种来源的Na、K-ATP酶和Ca-ATP酶（肌浆网、红细胞）在VO₃^-抑制作用的动力学方面有着惊人的相似之处。Mg²⁺、K⁺也可以通过提高VO₃^-的成键能力来促进对Na、K-ATP酶的抑制作用，这样，从K⁺、Mg²⁺以及相互作用的意义上说，VO₃^-对两种酶抑制作用的机理就是非常相似的了。对Na、K-ATP酶的研究已证明VO₃^-优先与E₂构象作用。它对构象变化的速率有类似的影响；pH对构象平衡也有相似的作用。这些相似性说明这两种酶在结构和作用机理上都有相似之处。

三、腺苷环化酶

腺苷酸环化酶对于环化AMP的形成有催化作用，磷酸二酯酶则使环化AMP的活性降低[53]。浓度大于10^-5mol/L的钒酸盐与F^-、儿茶酚胺、抗利尿激素、前列腺素E₁、甲状旁腺激素以及胰高血糖素一起，对不同来源的腺苷酸环化酶都有活化作用；但V³⁺、V⁴⁺的化合物则不具有这种作用。钒酸盐的作用与激素无关，与茶叶碱对磷酸二酯酶的抑制作用也无关[13]；其作用与氟化物也不尽相同，估计有关的机理可能是通过鸟嘌呤核苷酸调节蛋白质形成了钒酸盐与酶的络合物。可以预料，钒酸盐在生物体内具有环化AMP调节的类似激素的作用。

表4—7钒对酶的抑制作用

浓度大于5mmol/L的钒酸盐才可能对腺苷酸环化酶产生抑制作用[54]。钒酸盐对人、猪和猫的心脏以及大鼠脂肪细胞的腺苷酸环化酶都有激活作用，在火鸡的血细胞中也观察到有类似的现象[3]。浓度为10^-5～10^-3mol/L的钒酸盐可刺激大鼠和豚鱼心房及心室腺苷环化酶的活性，10^-3mol/L的钒酸盐可使豚鱼心室的腺苷环化酶活性增大4～5倍[55]。这个刺激作用与饱和浓度的组氨酸、NaF的刺激作用相似；但钒酸盐不会与NaF在腺苷环化酶上竞争同一调节位点，而且钒酸盐对腺苷环化酶的作用不是直接通过ATP酶抑制作用进行调节的。钒酸盐对腺苷环化酶的刺激作用很有意义。由于钒酸盐很容易被细胞吸收，这样与F^-不同，钒酸盐就可用作完整细胞内调节环化AMP水平的有用工具。

除了上面讨论的三种主要酶之外，还有很多酶对钒酸盐也很敏感，如dynein-ATP酶，肌球蛋白ATP酶，H⁺、K⁺-ATP酶，Cu²⁺、Mg²⁺-ATP酶等，现列于表4—7[6]。

从表4－7数据可见，很多酶都很相似，不管是在结构上还是在离子转运机制上都与Na、K-ATP酶紧密相关。很可能它们都有一个共同的进化来源，在催化循环中都能产生E-Pi中间体，都受到钒酸盐的抑制。但是，也有对钒酸盐不敏感的酶，例如线粒体ATP酶、腹水质膜Ca²⁺-ATP酶和H⁺-易位ATP酶。比较来看，由于在H⁺易位ATP酶中没有检测到有E-Pi中间体存在，所以对钒酸盐就不敏感，这说明钒酸盐的抑制作用是非常特别的。

四、钒的类胰岛素作用

近年来，在钒的生物医学研究中发现它存在类胰岛素作用。如给动物喂养富含糖类的饲料时，数周后即可见动物血浆中的甘油三酯、葡萄糖乃至胆固醇的水平升高，同时血胰岛素水平也相应增加，而给钒酸盐则可使这些增高了的血糖、脂类等的含量明显下降[56，57]、仅仅几年时间，人们对钒酸盐的这一调节机体代谢的作用，通过体外实验[58，59]、动物模型[60～63]进行了大量研究，并对可能发挥的生物医学价值进行了广泛的探讨，证明钒酸盐对不论是Ⅰ型或Ⅱ型糖尿病的动物模型均显示了它的降糖效果[61，62，64]。