酶与维生素最新

1、酶与维生素酶的分子结构与功能 酶的命名与分类 酶促反应的特点与机制 酶动力学 酶活性调节 酶与生物医学的关系 维生素与辅酶 酶的发现1857年法国巴斯德-发酵是酵母细胞生命活动的结果;1878年Buchner等用酵母提取液实现了无细胞发酵，证实有生物催化剂的存在。1926年，Sumner从刀豆得到脲酶（urease）结晶，并明确其化学本质为蛋白质。此后发现近万种酶，证实其化学本质都是蛋白质，因此，人们一直认为生物催化剂的化学本质就是蛋白质。1980s，Cech和Altman等人在研究中发现，部分核酸也具有催化作用，提出了核酶的概念，进一步扩展了生物催化剂的范围。 酶enzyme是生物催化剂（b

2、iocatalyst） 体内生化反应均是由酶催化 酶的偶联作用形成生物体内的代谢途径SPE底物substrate产物 productSP1E1P2E2P3E3PxEx关键酶Key enzyme第一节 酶的分子结构与功能一、酶的分子组成非蛋白部分：辅助因子 (cofactor) 单纯酶（single enzyme）纯蛋白结合酶（conjugated enzyme） 酶有机辅助因子又称为 辅酶 (coenzymes)，与维生素(Vitamins)密切相关。与酶蛋白结合紧密，甚至是共价结合的辅助因子又被称之为辅基(prosthetic groups) 辅酶 与 辅基辅酶：在单一酶组成的反应体系中会随

3、着酶促反应的进行不断被消耗，直到反应达到平衡，如果补充辅酶则可以继续生成产物。辅基：在酶促反应过程中通常不离开酶蛋白，在酶完成对底物的转化作用前后不会被消耗，自身结构也要恢复原状。在独立化学反应达到平衡后，补充辅基通常既不能提高酶反应速度，也不能增加产物的生成。酶的必需基团 （essential groups）：酶分子整体构象中对于酶发挥活性所必需的基团 ；酶活性中心或活性部位（ active center，active site）：酶的必需基团在在空间结构上彼此靠近，组成具有特定动态构象的局部空间结构，形状如口袋或裂穴，开口在酶分子表面，能与底物特异地结合并将之转化为产物；二、酶的活性中心

4、底物结合基团（substrate binding group）：直接参与酶对底物的结合，形成酶-底物复合物（E-S complex）；催化基团（catalytic group）：影响底物中某些化学键的稳定性或直接与底物发生化学反应，促进底物转变成中间产物或产物。必需基团essential groups1976国际生化学会（IUB）酶学委员会规定：在特定的反应条件下，在25每分钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量为一个国际单位 (international unit, IU)。1979催量单位（katal）: 1催量（1kat）是指在对应条件下，每秒钟使1mol底物转化为产物所需的酶量。 1k

5、at=6.0107 IU。酶的比活性: 为单位质量蛋白中的酶活性(应用于酶提取) 三、酶活性单位 按照酶促反应的性质可分为六大类： 氧化还原酶类（oxidoreductases） 转移酶类 (transfersaes) 水解酶类 (hydrolases) 裂解酶类或裂合酶类（lyases）异构酶类 (isomerases)合成酶类或连接酶类（ligases） 第二节 酶的命名与分类 1. 氧化还原酶类（oxidoreductases）E.C. (enzyme commission) Number: 1.1 -OH 1.2 C=O 1.3 CH-CH一、酶的分类 2. 转移酶类 (transfe

6、rsaes) E.C. Number: 2.1 C1 groups 2.2 aldehydic or ketonic residues 2.3 Acyltransferases 2.6 Aminotransferases 2.7 P-containing groups3. 水解酶类(hydrolases) E.C. Number 3.1 Cleaving ester linkage 3.1.1 Carboxylic ester hydrolases 3.1.3 Phosphoric monoester hyrolases 4. 裂解酶类或裂合酶类（lyases） 5. 异构酶类(isomera

7、ses) 合成酶类或连接酶类（ligases） E.C. Number 6.1 Forming C-O bonds 6.2 Forming C-S bonds 6.3 Forming C-N bonds 6.4 Forming C-C bonds EC编 号 推荐名称 系统名称 催化反应1.1.1.1 醇脱氢酶 乙醇: NAD+ 氧化还原酶 乙醇+ NAD+ 乙醛+NADH+H+ 2.6.1.2 丙氨酸氨基转移酶 Glu:丙酮酸转氨酶 Glu +丙酮酸 Ala +-酮戊二酸 3.1.1.7 乙酰胆碱酯酶 乙酰胆碱水解酶 乙酰胆碱 + H2O 胆碱 + 乙酸4.2.1.2 延胡索酸酶 延胡索酸水

8、化酶 延胡索酸+ H2O 琥珀酸5.3.1.1 磷酸丙糖异构酶 磷酸丙糖异构酶 3-磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮6.3.1.1 天冬酰胺合成酶 天冬氨酸: NH3: ATP合成酶 Asp + ATP + NH3 Asn + ADP +Pi二、酶的命名 极高的催化效率 高度专一性对环境因素敏感活性可调节 第三节 酶促反应的特点与机制 一、酶催化作用的特点 酶的高催化效率：降低反应的活化能脲酶催化尿素水解速度比H+催化作用高7106倍。酶底物结合以更高效率形成过渡态，从而实现高效的催化作用。 酶专一性或特异性（specificity） 酶对底物具有明确选择性，且只催化预定的化学反应，生成具有确定结构的

9、产物，这种对底物的选择性和生成确定产物的性质称为酶专一性或特异性 。特异性可按高低分：绝对专一性和相对专一性，如脲酶（urease）仅能催化尿素水解生成CO2和NH3；消化蛋白的胰蛋白酶、糜蛋白酶和弹性蛋白酶，均可水解多种蛋白质，但通常只断裂肽链中特定氨基酸对应的肽键。 蛋白水解酶中心局部空间结构与酶的专一性 选择性水解多肽链中Arg/Lys的羧基肽键 选择性水解肽链中芳香族氨基酸（Phe、Tyr和Trp）残基的羧基肽键内陷更浅，所以只能作用于侧链较短的氨基酸残基参与的肽键 立体异构体专一性 只能作用于立体异构体中的某一种，或生成产物只具有相应的某种立体结构。如：延胡索酸酶仅催化反丁烯二酸（即

10、延胡索酸）水化成苹果酸，对顺丁烯二酸则无作用。 光学异构体专一性 如：乳酸脱氢酶（LDH）只能催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，而不能作用于D-乳酸，催化丙酮酸还原生成乳酸时，也只生成L-乳酸而不生成D-乳酸。酶的化学本质是蛋白质，其发挥活性依赖于其特有的空间动态构象，因此酶只有在较温和条件下才能有效发挥其催化作用。所有可改变蛋白质构象的物质和环境条件，如: 溶液中的pH、反应体系的温度、有机溶剂、氧化剂等，都对酶的活性有明显影响。 酶活性对环境因素的敏感性 生物细胞调控代谢-通过调节酶活性来实施，尤其是限速酶活性。酶结构活性的调节: 一是通过抑制剂和激动剂改变酶的活性，另一是通过化学共价修饰改变酶

11、的结构以调节酶的活性，如酶的磷酸化或去磷酸化共价修饰而改变活性。酶总量活性的调节:通过改变酶的表达量而影响酶的总体活性，通过对酶生物合成的诱导与阻遏作用对酶量进行调节。酶活性的可调节性 各种酶具体的作用机制不尽相同，且还有许多不确定之处，但存有共性，即酶在催化反应过程中，都需要先与底物结合，形成过渡态(transition state)复合物后，再转变为酶与产物的复合物，再释放产物并复原酶分子，使酶分子可以再进行另一次催化反应酶催化循环。 酶降低反应的活化能是通过与底物结合成酶底物复合物（enzyme-substrate complex, ES复合物）实现的。 二、酶催化机制S EE - SP

12、E酶与底物相互接近时，通过相互诱导、相互变形和相互适应，才使酶与底物相互结合形成ES复合物，此即诱导契合学说(induced-fit theory) 酶与底物诱导契合 己糖激酶与葡萄糖结合的诱导契合 许多酶在催化过程中，先与底物分子共价结合，形成特殊的共价结构的中间产物，再转变成终产物。共价催化也常发生在双底物反应中，酶活性中心的结合基团可较某一底物更易攻击另一底物，首先形成以共价结合的酶底物中间产物，再和第二种底物分子结合反应。共价催化主要有两类: 亲核共价催化(covalent nucleophilic catalysis)与亲电共价催化(covalent electrophilic ca

13、talysis)。 共价催化 亲核共价催化酶底物共价复合物的形成普通催化剂常仅有一种解离状态，只能进行酸催化，或碱催化； 酶是两性电解质，同一种酶常常兼有酸、碱双重催化作用。酸碱催化可分为两类：特异酸碱催化和一般酸碱催化。特异性催化由氢离子和氢氧根离子进行的催化，酶的催化速率常数直接受缓冲溶液pH影响，但不受缓冲容量的影响。一般酸碱催化由酸碱分子参与的催化，在催化反应跃迁过程中，缓冲溶液可作为质子的受体或供体，因此酶的催化速率常数受缓冲容量影响。 酸碱催化 酸碱催化 全酶中金属离子的作用机制很复杂，目前主要有下列几个方面认识： (1)金属离子可作为酶活性中心的催化基团直接参与传递电子等催化反应

14、；(2)金属离子与酶蛋白结合后，可稳定酶发挥其催化作用所需要的活性构象；(3)金属离子结合在酶蛋白上，通过中和酶与底物结合的局部环境的负电荷，以降低静电排斥力而促进对底物的结合；(4)金属离子作为辅助底物通过特定方式连接酶与底物，便于酶对底物的识别。 金属离子催化 在多分子反应中，反应物（底物）之间必须以正确的方向发生碰撞，才有可能形成具有所需要分子取向的过度态。满足此要求的碰撞称为有效碰撞。底物和辅助因子按特定顺序和特定空间定向结合到酶的活性中心，使它们相互接近而获得有利于反应进行的正确定向，提高底物分子发生有效碰撞的几率，这种作用称为邻近效应（proximity）。邻近效应与表面效应 咪唑

15、催化的乙酸对硝基苯酯的水解反应，分子内反应速度为分子间反应速度的24倍 。化学反应速度和酶促反应速度底物浓度对酶促反应速度的影响 酶反应速度方程 米氏方程酶浓度对反应速度的影响 温度对反应速度的影响pH对反应速度的影响 抑制剂对酶促反应速度的影响 激活剂对酶活性的影响 第四节 酶动力学 initial rate 酶促反应进程曲线（progress curve） 一、化学反应速度和酶促反应速度测定化学反应速度常测定初速度 二、底物浓度对酶促反应速度的影响 酶促反应速度的底物饱和现象 ES 生成速度: vfVf = k1E S = k1 (ET-ES)SES 消耗速度: vd稳态时: vf = v

16、d Vd = k-1ES + k2ES= ES(k-1+ k2)k1 (ET-ES)S= ES(k-1+ k2) (ET-ES)S (k-1+ k2)ESk1= (k-1+ k2)/ k1 = Km -Michaelis Constatn ETS-ESS=KmES; ETS = ES (Km+S) ETSKm+ SES= v = k2ES; k2ET=Vmax Michaelis-Menten Equation:米氏方程 v VmaxSKm+ S=动力学行为可以用米氏方程描述的酶又称为米氏酶 米氏常数Km反映酶与底物的亲和力 米氏方程中动力学参数的意义 Km = S Km在数值上等于酶促反应速

17、度为最大反应速度一半时对应的底物浓度。Km值也反映了酶对底物的亲和力：Km值愈大，反应达最大所需的底物浓度愈大，因此酶对底物的亲合力越小；Km值愈小，酶与底物的亲和力愈高。 Vmax和k2（kcat）的意义 在特定的酶促反应体系中，最大反应速度Vmax是酶完全被底物 饱和时的反应速度， Vmax= k2E Vmax和E 成线性关系， 所以Vmax同酶浓度E呈正比，而与底物浓度无关; 而直线的斜率为k2，为一级反应速率常数，表示当酶被底物饱和时每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，k2值越大，表示酶的催化效率越高。k2这个常数又叫做转换数，通常称为催化常数（catalytic canstant，Kc

18、at）。酶动力学参数的测定 v VmaxSKm+ S=Lineweaver-Burk作图法三、酶浓度对酶促反应速度的影响 四、温度对反应速度的影响最适温度明显受到测定因素的影响，不是酶的特征常数。 五、pH对反应速度的影响不同酶的最适pH一般不同，但最适pH不是酶特征常数，它受底物种类与浓度、缓冲离子种类与浓度以及酶的纯度等多种因素影响 。酶抑制剂：凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白质构象发生非常显著变化的物质称为酶抑制剂(inhibitor)。 据抑制剂与酶结合的紧密程度和相互作用的化学本质，酶的抑制作用分为可逆性抑制 irreversible inhibition与不可逆性抑制 irre

19、versible inhibition。 六、抑制剂对反应速度的影响抑制剂以共价键与酶必需基团结合使酶失去活性，用透析、超滤等方法除去剩余抑制剂后，抑制效应不能逆转，这类作用称为不可逆性抑制作用（irreversible inhibition），抑制剂为不可逆抑制剂（irreversible inhibitor）。据抑制剂对酶分子上氨基酸残基反应的选择性，可以分为专一性不可逆抑制剂 ( specific irreversible inhibitor )和非专一不可逆抑制剂(non-specific irreversible inhibitor)。 不可逆性抑制作用 irreversible i

20、nhibition 可逆抑制作用 reversible inhibition：抑制剂以非共价键与酶或酶-底物复合物的特定区域可逆结合成复合物，并使酶活性降低甚至消失，采用透析或超滤将未结合抑制剂除去，则抑制剂和酶蛋白复合物解离，同时酶活性逐步恢复。 据可逆抑制剂同酶结合后对酶动力学的改变，可逆抑制作用可分为：竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。 可逆抑制作用 reversible inhibition 竞争性抑制作用 competitive inhibition酶表观Km增大 酶表观Vmax不变非竞争性抑制作用 noncompetitive inhibition酶表观Vmax降低 酶表观K

21、m 不变反竞争性抑制作用 uncompetitive inhibition酶表观Km降低 酶表观Vmax降低 通过特定机制使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶激活剂（activator）；酶的激活剂最常见的是金属离子，如Mg2+、K+、Mn2+等；有些酶没有激活剂则没有活性，即此激活剂是酶发挥催化作用必需的，称为必需激活剂；有些酶在激活剂不存在时仍有一定的催化活性，这类激活剂称为非必需激活剂。 七、激活剂对酶活性的影响除了酶活性可受抑制剂或激动剂的影响外，细胞可通过改变酶蛋白的结构来调节酶活性，其中包括酶原的激活，同工酶形成，化学修饰和别构效应等。 第五节 酶活性调节 无活性的酶前

22、体称做酶原（zymogen）。酶原转变成有活性酶的过程称为酶原激活（zymogen acticvation），也称为酶解激活。酶原激活过程实际上是酶活性中心形成或暴露的过程。 一、酶原激活同工酶（isoenzyme）：在同一个体内的可催化相同化学反应，而分子结构、理化性质及免疫学特性不同的一组酶。同工酶是生物进化适应环境的产物，由不同基因编码，或从同一基因转录后，因翻译差异所得的不同多肽链组成。同工酶由于多肽链或亚基的特性差别，通常动力学特征不同。同工酶在机体内分布存在明显的组织特异性或亚细胞结构特异性。同工酶在组织或细胞内的定位通常和对应组织或细胞区域的代谢作用相一致，但这些部位对代谢速率需

23、求有一定差异，同工酶的形成是机体适应组织细胞代谢需要的进化结果，也是机体调节酶活性的一种基本形式。 二、同工酶LDH1 LDH2 LDH3 LDH4 LDH5乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）同工酶为四聚体，有两种亚基，骨骼肌型（M型）和心肌型（H型），受不同基因的控制。 心肌肝脏肺同工酶的检测在临床医学具有重要的鉴别诊断价值三、酶的共价修饰与级联效应酶蛋白肽链上的一些基团在特定酶催化下可与某种化学基团发生共价结合而被修饰，连接在酶蛋白氨基酸残基上的特定化学基团，也可以通过在对应酶作用下与其它化合物反应而从酶蛋白上脱落。这两种相反变化都能改变酶的活性，此现象称为

24、酶共价修饰（covalent modification）或化学修饰(chemical modification)。 PProOHProOP+ProOHProOPATPADPProtein kinaseH2OPphosphoprotein phosphatasedephosphorylationphosphorylation酶级联效应 酶的修饰需由另一种酶催化，由多种酶串联成一系列连续的酶催化酶的修饰反应，可以使最终酶的催化效应获得极度放大，这种效应称为酶级联效应（enzyme cascade） 四、别构酶体内一些代谢物可以与对应酶分子活性中心或活性中心以外的特定部位可逆地结合，使酶活性中心构象

25、发生改变，并改变其催化能力，这种效应称为酶的别构效应allosterism ；可表现出别构效应的酶称别构酶(allosteric enzyme) 五、酶含量的调节DNAmRNAPro诱导剂(inducer)诱导作用 induction 阻遏作用repression阻遏物(repressor) E一、酶与疾病的发生二、酶与疾病的诊断 三、酶与疾病的治疗四、酶在生物医学研究等方面的应用第六节 酶与生物医学的关系维生素是维持机体正常生命活动所必需的一类小分子有机化合物，但在体内不能合成，或合成量甚微，不能满足机体需求，必须由食物供给。维生素种类多，按溶解度不同可分为水溶性维生素（water solu

26、ble vitamin）和脂溶性维生素（lipid soluble vitamin）。在人体内维生素或其代谢产物可以作为辅酶参与物质代谢作用，有些还具有激素样的特殊作用。 第七节 维生素与辅酶水溶性维生素: B族维生素、维生素C和硫辛酸等，B族维生素有B1、B2、B6、PP、泛酸、生物素、叶酸和B12，都属于含氮化合物。水溶性维生素容易随尿排出，摄入过量时不易发生蓄积中毒，另外也因体内储存较少，如持续摄入量过低，易造成体内缺乏，并致代谢异常。 一、水溶性维生素与辅酶 表4-1 主要有机辅助因子和其在酶催化过程中转移的基团氢原子 被转移基团 辅酶或辅基 所含维生素 NAD+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷

27、酸） 尼克酰胺(VitPP) NADP+（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸） 尼克酰胺(VitPP) FMN（黄素单核苷酸） 核黄素（VitB2） FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸） 核黄素（VitB2） 硫辛酸 硫辛酸 醛基 TPP（焦磷酸硫胺素） 硫胺素（VitB1）酰基 辅酶A（CoASH） 泛酸 烷基 钴胺素辅酶类 钴胺素（VitB12）二氧化碳 生物素 生物素氨基 磷酸吡哆醛 吡哆醛（VitB6）一碳单位 四氢叶酸 叶酸 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）OH 若为OPO32-,则为NADP+尼克酰胺(VitPP)NNNHNCH2H3CH3COO (CHO

28、H)3CH2OPOO-POO-OCH2 ONNNNH3NOOHOHVB2AMPFMNFAD黄素单核苷酸 (FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 焦磷酸硫胺素TPP泛酸:COA维生素B1(硫胺素, thiamine)缺乏时，导致神经组织能量不足，同时磷酸戊糖途径代谢障碍，使神经细胞膜鞘磷脂合成受影响，典型症状是外周多发性神经炎，四肢肌肉麻木萎缩，消化道则出现胃肠蠕动缓慢，消化不良，食欲不振等症状，总称为脚气病(beriberi)。维生素B2(核黄素,riboflavin）缺乏时，可引起口角炎、唇炎、舌炎、阴囊炎、眼睑炎等症。胺维生素PP(尼克酸和烟酰)缺乏引起糙皮病（pellagra），主要表

29、现为暴露于阳光的皮肤出现对称性皮炎、腹泻和痴呆。维生素B6 (吡哆醇pyridoxine,吡哆醛pyridoxal, 吡哆胺pyridoxamine) 促进神经递质的生成，利于神经兴奋与抑制的调节。临床上常用维生素B6治疗神经官能症、小儿惊厥和妊娠呕吐。 维生素与临床叶酸(folic acid, FA) 蝶呤啶 对氨基苯甲酸 谷氨酸 10FH4为一碳单位载体，其分子内部N5、N10 两个氮原子能与各种形式的一碳单位结合。一碳单位在体内参与多种物质的合成，如嘌呤、嘧啶核苷酸等。叶酸缺乏，DNA合成原料减少，骨髓幼红细胞DNA合成受阻，细胞分裂速度降低，细胞体积增大，形成巨幼红细胞性贫血。 因B12与叶酸之间的密切关系，缺乏B12的个体也常常表现出FH4缺乏的症状，出现巨幼红细胞性贫血。 B12缺乏可干扰脂肪酸合成，导致脂肪酸合成异常，甚至引起髓鞘变性退化，出现进行性脱髓鞘等神经组织病变 维生素B12 (钴胺素cobalamine) 维生素C作为多种羟化酶的辅助因子，参与体内多种羟化反应（胶原合成，激素转化等）；维生素C具还原性，有抗氧化作用（解毒等）； 维生素C缺乏时患坏血病，因为胶原蛋白合成障碍，使微血管通透性增加，柔韧性降低，血管易于破裂，出现皮下出血、伤口和溃疡不愈。 维生素C (抗坏血酸, ascorbic acid) 脂溶性维生素包括A、