蛋白质化学与代谢-酶的性质与维生素

第三单元蛋白质化学与代谢

——酶的性质与维生素新疆农业职业技术学院主讲：刘利群生物化学一、酶的概念与化学本质二、酶的特点三、酶的活性中心与专一性四、酶的作用机理五、维生素教学目标一、酶的概念与化学本质1、酶是生物催化剂

酶是具有催化活性和高度专一性的特殊生物大分子。包括蛋白质和核酸。2、酶的催化特性一般特性加快反应速度，而本身在反应前后没结构和性质的改变。只缩短反应达到平衡所需要的时间而不改变反应平衡点。3、酶的化学本质绝大多数酶是蛋白质证据：1.酸水解的产物是氨基酸，能被蛋白酶水解失活；2.具有蛋白质的一切共性，凡是能使蛋白质变性的因素都能使酶变性；3.1969年，人工合成牛胰核糖核酸酶。少数酶是RNA（核酶，ribozyme）1.酶催化效率高比非催化高108～1020倍，比非生物催化剂高107～1013倍。2.酶具有高度专一性酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。3.酶易失活常温、常压，中性pH环境下反应。4.酶的催化活性可被调节控制酶抑制剂调节、反馈调节、酶原激活、共价修饰、激素控制等。二、酶的特点三、酶的活性中心及专一性1、酶的活性中心酶的活性中心（activecenter）：酶分子中能直接与底物分子结合，并催化底物化学反应的部位。结合基团（Bindinggroup）催化基团（catalyticgroup）结合部位：酶分子中与底物结合的部位。决定酶的专一性。催化部位：催化底物敏感键发生化学变化的基团，决定酶的催化能力。组成活性中心的氨基酸残基的侧链在一级结构上可能相距很远，但在空间结构上相互靠近，形成活性区域。

酶活性中心的基团属于必需基团，必需基团还包括对酶表现活力所必需的基团，如Ser的羟基、Cys的巯基、His的咪唑基等，它们起维持酶分子空间构象的作用。

必需基团：直接参与对底物分子结合和催化的基团以及参与维持酶分子构象的基团。2、酶的专一性

（1）

结构专一性（structurespecificity）绝对专一性：只能作用于一个底物，或只催化一个反应。如：麦芽糖酶只作用于麦芽糖，脲酶只催化尿素水解。分为结构专一性和立体异构专一性。键专一性：只对底物分子中其所作用键要求严格。

O

如：R-C-O-R’RCOOH

+R’OH酯酶基团专一性：要求底物具有一定的化学键，而且对键的某一端所连基团也有一定要求。如：α-D-Glc苷酶，水解蔗糖和麦芽糖

（2）

立体异构专一性（stereospecificity）

几乎所有的酶对于立体异构体都具有高度专一性。当底物具有立体异构体时，酶只能作用于其中的一种。如：L-氨基酸氧化酶只催化L-氨基酸的氧化脱氨基。练习：试指出下列每种酶具有哪种类型的专一性？（1）脲酶（只催化尿素NH2CONH2的水解，但不能作用于NH2CONHCH3）；（2）β-D-葡萄糖苷酶（只作用于β-D-葡萄糖形成的各种糖苷，但不能作用于其他的糖苷，例如果糖苷）；（3）酯酶（作用于R1COOR2的水解反应）；（4）L-氨基酸氧化酶（只作用于L-氨基酸，而不能作用于D-氨基酸）；3、酶专一性的假说（1）

1894年，Fisher提出“锁钥学说”认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。Lockandkeymodel（2）

1958年，Koshland提出“诱导契合假说”该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。Induced-fitmodel1、活化能催化剂的作用是降低反应活化能，从而起到提高反应速度的作用

四、酶的作用机理二、中间产物学说在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。

E+SE-SP+EES+ESE+P根据酶的分子结构可将酶分为

和

。全酶由

和

组成。酶具有

、

、

和

等催化特点。酶的活性中心包括

和

两个功能部位，其中

直接与底物结合，决定酶的专一性，

是发生化学变化的部位，决定催化反应的性质。练习五、维生素维生素是参与生物生长发育和代谢，维持生命现象所必需的一类微量小分子有机物质。动物体内或者不能合成维生素，或者合成量不足，所以必须从食物中摄取。有些维生素可以由动物肠道内的细菌合成，合成量可以满足动物的需要。1、维生素的作用

维生素在生物体内的作用不同于糖类、脂肪和蛋白质，不作为能量来源，不是结构物质，但它们在调节代谢中起着非常重要的作用。已知绝大多数维生素是作为辅酶或辅基的组成成分起作用。机体缺乏维生素时，会产生各种相应的维生素缺乏症。生物对维生素的需要量非常小。

2、维生素的分类

各种维生素在化学结构上没有共同性。通常按其溶解性质分为脂溶性和水溶性两大类。脂溶性的维生素有维生素A、D、E、K等，水溶性的维生素有维生素B1、B2、烟酸和烟酰胺、B6、泛酸、生物素、叶酸、B12（它们都属于B族维生素）和维生素C等。

3、脂溶性维生素

维生素A又名视黄醇（retinol），通常以脂肪酸酯的形式存在，其氧化态为视黄醛（retinene）。视黄醇是一种类异戊二烯分子。维生素A维生素A

视黄醇从动物类食品中吸收，或从植物类食品中吸收β－胡萝卜素后自身合成。β－胡萝卜素是维生素A合成的前体。维生素A包括A1和A2两种，A2的生理活性只有A1的一半。视黄醛的顺反异构体911β－胡萝卜素的结构维生素A的生理功能

维生素A是构成视觉细胞内感光物质的成分。眼球视网膜上有两类感觉细胞，即圆锥细胞和杆细胞。圆锥细胞对强光及颜色敏感，杆细胞对弱光敏感，对颜色不敏感。杆细胞内含有感光物质视紫红质（rhodopin）。视紫红质在光中分解，在暗中再合成。视紫红质是由9,11－顺视黄醛和视蛋白中赖氨酸残基的ε－氨基通过schiff碱缩合而成的一种缀合蛋白质。眼睛对弱光的感光性取决于视紫红质的合成。当维生素A缺乏时，视紫红质合成受阻，暗中的视力下降，严重时可出现夜盲症。维生素A的来源和需要量

维生素A主要来自动物性食品，以肝脏、乳制品和蛋黄中含量最多。维生素A原（β－胡萝卜素）主要来自植物性食品，以胡萝卜、绿叶蔬菜和玉米等含量较多。正常人每日维生素A的需要量为2600～3300国际单位，过多摄入维生素A可引起中毒症状。

1个国际单位的维生素A为0.3μg维生素A。维生素D

维生素D为类甾醇衍生物。它与动物骨骼的钙化有关，故又称为钙化醇（calciferol），具有抗佝偻病的作用。维生素D家族最重要的成员是麦角钙化醇（维生素D2）及胆钙化醇（维生素D3）。植物或酵母中所含的麦角甾醇经紫外线激活后可转化为维生素D2，动物皮下的7-脱氢胆甾醇经紫外线照射也可以转化为维生素D3。因此麦角甾醇和7-脱氢胆甾醇被称为维生素D原。维生素D2与D3的结构维生素D的活性形式与生理作用

维生素D3经过肝和肾中的羟基化，最终形成高活性的1,25-二羟胆钙化醇。1,25-二羟胆钙化醇的生理功能是促进钙、磷的吸收，减少钙、磷从尿中排出，提高血钙、血磷浓度，有利于新骨的生成与钙化。孕妇、婴儿和青少年对维生素D的需要量大，如果此时维生素D不足，会出现骨骼变软及畸形，发生在儿童身上称为佝偻病，在孕妇身上为骨质软化症。

维生素D治疗佝偻病人体维生素D3的来源及需要量

人体中的维生素D主要是D3，除了从食物中摄取外，多晒太阳是预防维生素D缺乏的主要方法之一。肝、奶及蛋黄中维生素D含量较高，尤以鱼肝油中含量最丰富。

1克维生素D为4千万国际单位。婴儿、青少年、孕妇及哺乳者每日需要量为400～800单位。长期过量服用会造成中毒。维生素E

维生素E与动物的生育有关，故称生育酚（tocopherol）。天然的生育酚共有8种，在化学结构上，均系苯骈二氢吡喃的衍生物。根据其化学结构分为生育酚及生育三烯酚两类，每类又可根据甲基数目和位置的不同，分为α、β、γ和δ四种。维生素E结构式R1、R2不同则成为不同的种类维生素E的功能

维生素E与动物的生殖功能有关，并有抗氧化作用。动物缺乏维生素E时，其生殖器官受损而不育。维生素E中以α－生育酚的生理活性最高，但δ－生育酚的抗氧化作用最强。维生素E的抗氧化作用维生素E的需要量

维生素E一般不易缺乏。成人每天对维生素E的需要量尚不清楚，但动物实验结果表明，每天食物中有50毫克即可满足需要，妊娠及哺乳期需要量略增。维生素E以麦胚油、大豆油、玉米油和葵花籽油中含量最为丰富，豆类及蔬菜中也含量较多。维生素K

维生素K具有促进凝血的功能，故又称为凝血维生素。天然的维生素K有两种：K1和K2。K1在绿叶植物及动物肝中含量较丰富，K2是人体肠道细菌的代谢产物。它们都是2-甲基-1,4-萘醌的衍生物。另外还有人工合成的K3和K4，它们的活性比天然维生素K还高。K3和K4是水溶性的。

维生素K的生理功能

维生素K的主要生理功能是促进肝脏合成凝血酶原，还能调节另外3种凝血因子Ⅶ、Ⅸ及Ⅹ的合成。缺少维生素K时，凝血功能减弱，常发生肌肉和胃肠道出血。

凝血酶原转变成凝血酶需要结合Ca2+，而结合Ca2+要求肽链上有γ羧基谷氨酸残基。此种不常见蛋白质氨基酸是由依赖维生素K的谷氨酰羧化酶催化完成的。当维生素K缺乏时，凝血酶原不能转变成凝血酶。维生素K的来源

一般情况下人体不会缺乏维生素K，因为维生素K在蔬菜中含量丰富，人和哺乳动物肠道中的大肠杆菌也可以合成维生素K。大剂量使用维生素K也有一定毒性，如新生儿注射30mg/天，连用3天有可能引起高胆红素血症。维生素B1和硫胺素焦磷酸

维生素B1由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环组成，故称为硫胺素（thiamine），在生物体内常以硫胺素焦磷酸（TPP）的辅酶形式存在。维生素B1在碱性溶液中加热极易被破坏，而在酸性溶液中则对热稳定。

4、水溶性维生素TPP参与催化的反应

硫胺素焦磷酸是涉及到糖代谢中羰基碳合成与裂解反应的辅酶，参与催化α－裂解反应、α－缩合反应、α－酮转移反应等。维生素B1的需要量

维生素B1主要存在于种子外皮及胚芽中，米糠、麦麸、黄豆、酵母、瘦肉中含量最丰富。人体每日需要量为2毫克，体内若维生素B1过多，极易随尿排出，未见因体内积累而造成中毒的情况。大剂量用于治疗时，也未见副作用。

维生素B1缺乏症

由于维生素B1和糖代谢关系密切，因此多食糖类食物，维生素B1的需要量也相应增多。当维生素B1缺乏时，糖代谢受阻，丙酮酸积累，使病人的血、尿和脑组织中丙酮酸含量增多。VB1还是乙酰胆碱酯酶的抑制剂，缺少VB1时，胆碱酯酶活性增加，乙酰胆碱减少，出现多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、肌肉萎缩及下肢浮肿等症状，临床上称为脚气病。根据其缺乏症，又将维生素B1称为抗神经炎维生素（抗脚气病维生素）。

维生素PP和烟酰胺辅酶

维生素PP包括烟酸（nicotinicacid）和烟酰胺（nicotinamide），也称为维生素B3，二者均属于吡啶衍生物。在体内烟酰胺与核糖、磷酸、腺嘌呤组成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamideadeninedinucleotide，NAD+，辅酶Ⅰ）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamideadeninedinucleotidephosphate，NADP+，辅酶Ⅱ）。

烟酰胺辅酶参与催化的反应

烟酰胺辅酶是电子载体，参与催化氧化还原反应，是多种脱氢酶的辅酶。这些反应涉及到从底物转移氢负离子给NAD+或从NAD+转移氢负离子给底物，其吡啶环的C4位是反应中心。依赖NAD+和NADP+的脱氢酶至少催化6种不同类型的反应。

维生素PP需要量及缺乏症

维生素PP在酵母、花生、肝、鱼及瘦肉中含量丰富。人体每日需要量约20毫克。人缺乏维生素PP时，表现为神经营养障碍，初时全身乏力，以后在两手、两颊、左右额及其他裸露部位出现对称性皮炎。故维生素PP又名抗癞皮病维生素。

维生素B2和黄素辅酶

维生素B2又名核黄素（riboflavin），是核醇与7,8-二甲基异咯嗪的缩合物。由于在异咯嗪的1位和5位氮原子上具有两个活泼的双键，易起氧化还原反应，故维生素B2和有氧化型和还原型两种形式，在催化氧化还原反应时起传递氢的作用。核黄素易受光照射破坏。核黄素、FMN和FAD的结构核黄素的辅酶形式

在体内核黄素是以黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的形式存在。是生物体内一些氧化还原酶（黄素蛋白）的辅基，与脱辅酶以非共价键结合。黄素是比NAD+和NADP+更强的氧化剂，能被1个电子和2个电子还原。FMN和FAD广泛参与体内的各种氧化还原反应。

FAD和FMN的氧化还原态无色黄色蓝色红色维生素B2的需要量及缺乏症

维生素B2广泛存在于动植物中，在酵母、肝、肾、蛋黄、奶及大豆中含量丰富。人体每日需要量为2～3毫克。当维生素B2缺乏时，引起口角炎、唇炎、阴囊皮炎、眼睑炎及角膜血管增生、混浊、溃烂、畏光等。

泛酸和辅酶A

泛酸广泛存在于生物界，故又名遍多酸（pantothenicacid），是由β－丙氨酸通过肽键与α,γ-二羟基-β,β-二甲基丁酸缩合而成的一种有机酸。泛酸是辅酶A（coenzymeA）和磷酸泛酰巯基乙胺的组成成分，辅酶A是泛酸的主要活性形式，常简写为CoA，是由3’,5’-ADP以磷酸酐键连接4-磷酸泛酰巯基乙胺而成。

辅酶A的结构磷酸泛酰巯基乙胺辅酶A参与催化的机理

辅酶A主要起传递酰基的作用，是各种酰化反应中的辅酶。由于携带酰基的部位在－SH上，故辅酶A通常以CoASH表示。硫酯键的水解比酯键的水解更为有利，所以酰基CoA是酰基的活化形式。

泛酸含量高的食物

泛酸在酵母、肝、肾、蛋、小麦、米糠、花生和豌豆中含量丰富，在蜂王浆中含量最高。辅酶A被广泛用作各种疾病的重要辅助药物。

维生素B6和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺

维生素B6包括3种物质，即吡哆醇（pyridoxine）、吡哆醛（pyridoxal）和吡哆胺（pyridoxamine），它们都是吡啶的衍生物。维生素B6在体内以磷酸酯的形式存在，磷酸吡哆醛（pyridoxal-5-phosphate，PLP）和磷酸吡哆胺是其活性形式，是氨基酸代谢中多种酶的辅酶。

维生素B6的各种形式磷酸吡哆醛的作用

PLP在生理条件下有两种互变异构形式。PLP参加涉及氨基酸代谢的各种反应，包括转氨作用，α－和β－脱羧作用，β－和γ－消除作用，消旋作用和羟醛反应。人体对维生素B6的需要量

维生素B6在动植物中分布很广，酵母、肝、瘦肉、卷心菜等食物中均含量丰富。人体每日需要量约1.5～2毫克，因为食物中富含维生素B6，同时肠道细菌也可以合成维生素B6，所以人类很少发生维生素B6缺乏病。

维生素B12（氰钴胺素）及其辅酶

维生素B12的化学名称为氰钴胺素，它在体内转变成两种辅酶形式，主要辅酶形式是5’-脱氧腺苷钴胺素，次要的辅酶形式是甲基钴胺素。该结构由一个咕啉环和一个中心钴离子组成，钴离子同4个吡咯氮相配位，钴轴向的一个配位是二甲基苯并咪唑基的氮，另一个轴向配位可以是－CN、－CH3、－OH、或者5’-脱氧腺苷基的5’-碳。

维生素B12及其辅酶形式的结构式维生素B12的缺乏症

维生素B12参与DNA的合成，对红细胞的成熟很重要，当缺少维生素B12时，巨红细胞中DNA的合成受到障碍，影响了细胞分裂，不能分化成红细胞，引起恶性贫血。人体对维生素B12需要量极少，每日注射1μg即可治疗缺乏症。维生素B12广泛来源于动物性食品，特别是肉类和肝中含量丰富。人和动物的肠道细菌都能合成，故在一般情况下不会缺少维生素B12。生物素

生物素（biotin）是由噻吩环和尿素结合而成的一个双环化合物，噻吩环2位侧链上有一分子戊酸。它在多种酶促羧化反应中作为羧基的活动载体起作用。生物素通过其侧链羧基与酶蛋白上赖氨酸的ε氨基共价结合，生物素与酶蛋白主肽链之间有一个长长的柔性链，这使得生物素可以在酶活性部位的一个亚位上接受羧基，并运动到另一个亚位上释放羧基。生物素与酶蛋白中赖氨酸的连接人体对生物素的需要量

人体每天对生物素的需要量约100～300毫克。生物素来源广泛，肝、肾、蛋黄、酵母、蔬菜和谷物中都有，肠道细菌也能合成，所以一般很少出现缺乏症。

叶酸和四氢叶酸

叶酸（folicacid）由2-氨基-4-羟基-6-甲基蝶啶（6-甲基蝶呤）、对氨基苯甲酸和L-谷氨酸三部分组成，因其在绿叶中含量十分丰富，因此命名为叶酸。叶酸是除了CO2以外所有氧化水平一碳单位的重要受体和供体，参与催化一碳单位的转移反应。四氢叶酸是叶酸的活性辅酶形式，又称为辅酶F（CoF）。

叶酸的结构叶酸还原成四氢叶酸二氢叶酸四氢叶酸四氢叶酸携带的一碳单位中碳的氧化态叶酸类似物可抑制二氢叶酸还原酶，它们是抗肿瘤药物人体对叶酸的需要量和缺乏症

由于叶酸与核酸的合成有关，当叶酸缺乏时，DNA的合成受到抑制，造成巨红细胞性贫血。叶酸广泛存在于肝、酵母及蔬菜中，人类肠道细菌也能合成叶酸，故一般不易发生缺乏症。当吸收不良，代谢失常或长期使用肠道抑菌药时，可引起叶酸缺乏症。人体每日需要量约400μg，孕妇需要量增加一倍。

硫辛酸的结构

硫辛酸（lipoicacid）是6,8-二巯基辛酸，以氧化态和还原态两种形式存在，这两种形式可以通过氧化还原互相转变。在酶