生化课件生秀梅第03章酶维生素

EnzymeandVitamin第三章

酶和维生素酶的概念目前将生物催化剂分为两类酶、核酶（脱氧核酶）酶是一类由活细胞产生的，对其特异底物具有高效催化作用的蛋白质。酶学研究简史公元前两千多年，我国已有酿酒记载。一百余年前，Pasteur认为发酵是酵母细胞生命活动的结果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一词。1897年，Buchner兄弟用不含细胞的酵母提取液，实现了发酵。1926年，Sumner首次从刀豆中提纯出脲酶结晶。1981年，Cech首次发现RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先报道了具有DNA连接酶活性DNA片段，称为脱氧核酶(deoxyribozyme)。基本概念酶所催化的反应称为酶促反应

S+EP+E酶所催化的物质称为底物(substrate)底物被酶作用所生成的物质称为酶的产物(product)酶所具有的催化功能称为酶活性，酶失去催化功能称为酶的失活酶促反应体系中，酶活性最低，能够影响到整个代谢途径的速度的酶，称为关键酶或限速酶基本概念单体酶：发挥催化作用只要单一多肽链的酶（只具有三级结构的酶）寡聚酶：发挥催化作用需要多条相同或不同的多肽链以非共价键聚合成整体的酶（多个相同或不同亚基以非共价键连接组成的酶。）多酶体系(multienzymesystem)：由几种不同功能的酶彼此聚合形成的多酶复合物。前一种酶的产物是下一个酶的底物，有利于代谢途径的连续进行。多功能酶(multifunctionalenzyme)或串联酶(tandemenzyme)：一些多酶体系在进化过程中由于基因的融合，多种不同催化功能存在于一条多肽链中，这类酶称为多功能酶。又称串联酶。第一节

酶的分子结构与功能

TheMolecularStructureandFunctionofEnzyme

一、酶的分子组成蛋白质部分：酶蛋白(apoenzyme)辅基辅酶辅助因子

金属离子小分子有机化合物全酶(holoenzyme)结合酶(conjugatedenzyme)单纯酶(simpleenzyme)*各部分在催化反应中的作用酶蛋白决定反应的特异性非蛋白成分决定反应的种类与性质非蛋白成分分类（按其与酶蛋白结合的紧密程度）

辅酶

:与酶蛋白结合疏松，可用透析或超滤的方法除去。

辅基

:与酶蛋白结合紧密，不能用透析或超滤的方法除去。小分子有机化合物的作用在反应中起运载体的作用，传递电子、质子或其它基团。

辅助因子

:指与酶蛋白或底物短暂结合、可分离的非蛋白成分。必须在酶促反应的介质中存在，才能保证酶的催化作用。金属离子的作用稳定酶的构象；参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等。金属酶(metalloenzyme)金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。

金属激活酶(metal-activatedenzyme)金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。小分子有机化合物在催化中的作用

二、酶的活性中心必需基团(essentialgroup)酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的化学基团。目录或称活性部位(activesite)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。酶的活性中心(activecenter)活性中心内的必需基团结合基团(bindinggroup)与底物相结合催化基团(catalyticgroup)催化底物转变成产物位于活性中心以外，维持酶活性中心应有的空间构象所必需。活性中心外的必需基团底物活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心目录溶菌酶的活性中心*谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基团；*色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是结合基团；*A~F为底物多糖链的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。一些酶的命名举例第二节

酶促反应的特点与机理

TheCharacteristicandMechanismofEnzyme-CatalyzedReaction

酶与一般催化剂的共同点加快反应速度，反应前后酶的质量和性质都没有变化；只催化热力学允许的化学反应；只能加速可逆反应的进程，而不改变反应的平衡点。降低反应的活化能(activationenergy)。酶比一般催化剂更有效地降低反应的活化能。反应总能量改变非催化反应活化能酶促反应活化能

一般催化剂催化反应的活化能能量反应过程底物产物酶促反应活化能的改变

活化能：底物分子从初态转变到活化态所需的能量。（一）酶促反应具有极高的效率一、酶促反应的特点酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。酶的催化不需要较高的反应温度。酶的本质是蛋白质，故最适宜的催化温度是37度，人体的正常温度。一种酶仅作用于一种或一类化合物，或一定的化学键，催化一定的化学反应并生成一定的产物。酶的这种特性称为酶的特异性或专一性。*酶的特异性(specificity)（二）酶促反应具有高度的特异性（三）酶对环境因素的敏感性酶的化学本质是蛋白质，受环境影响极大，极易变性，所以只有在温和的条件下才能有效的发挥作用，酶活性受很多因素的影响，如T、PH、有机溶剂等都能改变酶的活性。大多数酶的最适温度为37度，但也有耐高温的酶，如参与DNA复制的DNAtaq酶（四）酶活性存在组织和亚细胞部位特异的区域分布有些酶只存在于机体的特定组织，从而决定组织器官具有特定的代谢途径。如生成尿素和酮体的关键酶只存在于肝脏中，从而肝脏具有将氨代谢生成尿素和将脂类氧化生成的CoA代谢成酮体，从而向外输出能源物质的功能。（五）酶促反应的可调节性对酶生成与降解量的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等酶促反应受多种因素的调控，以适应机体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。其中包括三方面的调节。二、酶促反应的机理（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说*诱导契合假说(induced-fithypothesis)酶底物复合物E+SE+PES

酶与底物相互接近时，其结构相互诱导、相互变形和相互适应，进而相互结合。这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。目录酶的诱导契合动画羧肽酶的诱导契合模式底物目录金属离子催化邻近效应与表面效应张力与变形作用第三节酶促反应动力学KineticsofEnzyme-CatalyzedReaction

概念研究各种因素对酶促反应速度的影响，并加以定量的阐述。影响因素包括有酶浓度、底物浓度、pH、温度、抑制剂、激活剂等。※研究一种因素的影响时，其余各因素均恒定。一、底物浓度对反应速度的影响单底物、单产物反应酶促反应速度一般在规定的反应条件下，用单位时间内底物的消耗量和产物的生成量来表示反应速度取其初速度，即底物的消耗量很小（一般在5﹪以内）时的反应速度底物浓度远远小于酶浓度研究前提

在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈矩形双曲线关系。当底物浓度较低时反应速度与底物浓度成正比；反应为一级反应。[S]VVmax目录随着底物浓度的增高反应速度不再成正比例加速；反应为混合级反应。[S]VVmax目录当底物浓度高达一定程度反应速度不再增加，达最大速度；反应为零级反应[S]VVmax目录（一）米－曼氏方程式中间产物

酶促反应模式——中间产物学说E+Sk1k2k3ESE+P※1913年Michaelis和Menten提出反应速度与底物浓度关系的数学方程式，即米－曼氏方程式，简称米氏方程式(Michaelisequation)。[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)

Ｋm：米氏常数(Michaelisconstant)

ＶVmax[S]Km+[S]＝──米－曼氏方程式推导基于两个假设：E与S形成ES复合物的反应是快速平衡反应，而ES分解为E及P的反应为慢反应，反应速度取决于慢反应即

V＝k3[ES]。

(1)S的总浓度远远大于E的总浓度，因此在反应的初始阶段，S的浓度可认为不变即[S]＝[St]。推导过程稳态：是指ES的生成速度与分解速度相等，即[ES]恒定。K1([Et]－[ES])[S]＝K2[ES]+K3[ES]K2+K3＝Km

（米氏常数）K1令：则(2)变为:([Et]－[ES])[S]＝Km[ES](2)＝([Et]－[ES])[S]K2+K3[ES]K1整理得：当底物浓度很高，将酶的活性中心全部饱和时，即[Et]＝[ES]，反应达最大速度Vmax＝K3[ES]＝K3[Et](5)[ES]＝───[Et][S]Km+[S](3)整理得:将(5)代入(4)得米氏方程式：Vmax[S]Km+[S]V＝────将(3)代入(1)得K3[Et][S]Km+[S](4)V＝────当反应速度为最大反应速度一半时Km值的推导Km＝[S]∴Km值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是mol/L。2＝Km+[S]VmaxVmax[S]VmaxV[S]KmVmax/2（二）Km与Vmax的意义Km值①Km等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。②意义：Km是酶的特征性常数之一；Km可近似表示酶对底物的亲和力；同一酶对于不同底物有不同的Km值。同工酶的Km值不同

Vmax定义：Vm是酶完全被底物饱和时的反应速度，与酶浓度成正比。意义：Vmax=K3[E]如果酶的总浓度已知，可从Vmax计算酶的转换数(turnovernumber)，即动力学常数K3。定义—

当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。意义—

可用来比较每单位酶的催化能力。

酶的转换数（三）Ｋm值与Ｖmax值的测定1.双倒数作图法(doublereciprocalplot)，又称为林-贝氏(Lineweaver-Burk)作图法-1/Km1/Vmax1/[S]1/VVmax[S]Km+[S]V=（林－贝氏方程）+1/V=KmVmax1/Vmax1/[S]两边同取倒数2.Hanes作图法[S][S]/V-KmKm/Vm在林－贝氏方程基础上，两边同乘[S][S]/V=Km/Vmax+[S]/Vmax二、酶浓度对反应速度的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V=K3[E]0V[E]当[S]>>[E]时，Vmax=k3[E]酶浓度对反应速度的影响

双重影响温度升高，酶促反应速度升高；（温度每升高10度，反应速度可提高2-3倍）。由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。三、温度对反应速度的影响最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。*低温的应用（酶暂时处于低活性状态酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响

四、pH对反应速度的影响最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。0酶活性pH

pH对某些酶活性的影响

胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶246810五、抑制剂对反应速度的影响酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。

区别于酶的变性

抑制剂对酶有一定选择性引起变性的因素对酶没有选择性

抑制作用的类型不可逆性抑制(irreversibleinhibition)可逆性抑制(reversibleinhibition)：竞争性抑制(competitiveinhibition)非竞争性抑制(petitiveinhibition)反竞争性抑制(petitiveinhibition)(一)不可逆性抑制作用*概念抑制剂通常以共价键与酶活性中心(外）的必需基团相结合，使酶失活。

*举例有机磷化合物

羟基酶解毒------解磷定(PAM)重金属离子及砷化合物

巯基酶解毒------二巯基丙醇(BAL)

有机磷化合物路易士气失活的酶羟基酶失活的酶酸巯基酶失活的酶酸BAL巯基酶BAL与砷剂结合物（二）可逆性抑制作用*概念抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂可用透析、超滤等方法除去。竞争性抑制非竞争性抑制反竞争性抑制*类型１.竞争性抑制作用+IEIE+SE+PES反应模式定义抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍酶底物复合物的形成，使酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。

+++EESIESEIEP*特点抑制程度取决于抑制剂和底物与酶的相对亲和力及各自浓度；I与S结构类似，竞争酶的活性中心；动力学特点：Vmax不变，表观Km增大。抑制剂↑

无抑制剂1/V1/[S]*举例

丙二酸与琥珀酸竞争琥珀酸脱氢酶琥珀酸琥珀酸脱氢酶FADFADH2延胡索酸

磺胺类药物的抑菌机制与对氨基苯甲酸竞争二氢叶酸合成酶二氢蝶呤啶＋对氨基苯甲酸＋谷氨酸二氢叶酸合成酶二氢叶酸2.非竞争性抑制*反应模式E+SESE+P+

S－S+

S－S+ESIEIEESEP+IEI+SEIS+I*特点抑制剂与酶活性中心外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系；抑制程度取决于抑制剂的浓度；动力学特点：Vmax降低，表观Km不变。抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂３.反竞争性抑制*反应模式E+SE+PES+IESI++ESESESIEP*特点：抑制剂只与酶－底物复合物结合；抑制程度取决与抑制剂的浓度及底物的浓度；动力学特点：Vmax降低，表观Km降低。抑制剂↑1/V1/[S]无抑制剂•各种可逆性抑制作用的比较

六、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。•必需激活剂(essentialactivator)•非必需激活剂(non-essentialactivator)第四节

酶的调节

TheRegulationofEnzyme

酶活性的调节（快速调节）酶含量的调节（缓慢调节）

调节方式

调节对象关键酶一、酶活性的调节（一）酶原与酶原的激活酶原(zymogen)有些酶在细胞内合成或初分泌时只是酶的无活性前体，此前体物质称为酶原。酶原的激活在一定条件下，酶原向有活性酶转化的过程。一、

酶原激活的机理酶原分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心

一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽在特定条件下赖缬天天天天甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS肠激酶胰蛋白酶活性中心胰蛋白酶原的激活过程级联放大效应

酶原激活的生理意义1.避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化；2.使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢正常进行。3.有的酶原可以视为酶的储存形式。在需要时，酶原适时地转变成有活性的酶，发挥其催化作用。二、同工酶*定义同工酶(isoenzyme)是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构理化性质乃至免疫学性质不同的一组酶。HHHHHHHMHHMMHMMMMMMMLDH1

(H4)LDH2(H3M)LDH3(H2M2)LDH4(HM3)LDH5

(M4)乳酸脱氢酶的同工酶*举例：乳酸脱氢酶(LDH1～

LDH5)M：骨骼肌型亚基；H：心肌型亚基（三）酶的共价修饰调节与级联反应共价修饰(covalentmodification)在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。

常见类型磷酸化与脱磷酸化（最常见）乙酰化和脱乙酰化甲基化和脱甲基化腺苷化和脱腺苷化－SH与－S－S互变

酶的磷酸化与脱磷酸化-OHThrSerTyr酶蛋白H2OPi磷蛋白磷酸酶ATPADP蛋白激酶ThrSerTyr-O-PO32-酶蛋白（二）变构酶变构效应剂(allostericeffector)变构激活剂变构抑制剂

变构调节(allostericregulation)

变构酶(allostericenzyme)

变构部位(allostericsite)一些代谢物可与某些酶分子活性中心外的某部分可逆地非共价结合，使酶构象改变，从而改变酶的催化活性，此种调节方式称变构调节。变构酶常为多个亚基构成的寡聚体，具有协同效应变构激活变构抑制变构酶的Ｓ形曲线[S]V无变构效应剂五、酶含量的调节（一）酶蛋白合成的诱导和阻遏诱导作用(induction)阻遏作用(repression)（二）酶降解的调控第六节

酶与生物医学的关系

TheRelationofEnzymeandMedicine

（一）酶与疾病的发生（二）酶与疾病的诊断（三）酶与疾病的治疗一、酶与疾病的关系酶与疾病诊断二、酶在医学上的其他应用（一）酶作为试剂用于临床检验和科学研究

1．酶法分析即酶偶联测定法(enzymecoupledassays)，是利用酶作为分析试剂，对一些酶的活性、底物浓度、激活剂、抑制剂等进行定量分析的一种方法。

2．酶标记测定法

酶可以代替同位素与某些物质相结合，从而使该物质被酶所标记。通过测定酶的活性来判断被标记物质或与其定量结合的物质的存在和含量。3．工具酶

除上述酶偶联测定法外，人们利用酶具有高度特异性的特点，将酶做为工具，在分子水平上对某些生物大分子进行定向的分割与连接。

（二）酶作为药物用于临床治疗（三）酶的分子工程1．固定化酶(immobilizedenzyme)将水溶性酶经物理或化学方法处理后，成为不溶于水但仍具有酶活性的一种酶的衍生物。固定化酶在催化反应中以固相状态作用于底物，并保持酶的活性。

2．抗体酶3．模拟酶具有催化功能的抗体分子称为抗体酶(abzyme)。模拟酶是根据酶的作用原理，利用有机化学合成方法，人工合成的具有底物结合部位和催化部位的非蛋白质有机化合物。定义维生素(vitamin)是机体维持正常功能所必需，但在体内不能合成或合成量很少，必须由食物供给的一组低分子量有机物质。脂溶性维生素

(lipid-solublevitamin)水溶性维生素

(water-solublevitamin)分类:第七节

维生素与辅酶共同特点﹡易溶于水，故易随尿液排出。﹡体内不易储存，必须经常从食物中摄取。种类B族维生素和维生素C

水溶性维生素与辅酶一、维生素B1﹡维生素B1又名硫胺素(thiamine)﹡体内活性形式为焦磷酸硫胺素(TPP)（一）化学本质及性质

焦磷酸硫胺素(TPP)目录﹡TPP是α-酮酸氧化脱羧酶的辅酶，也是转酮醇酶的辅酶。﹡在神经传导中起一定的作用，抑制胆碱酯酶的活性。（二）生化作用及缺乏症1.生化作用2.缺乏症﹡脚气病，末梢神经炎二、维生素B2（二）生化作用及缺乏症﹡生化作用：FMN及FAD是体内氧化还原酶的辅基，主要起氢传递体的作用。﹡缺乏症：口角炎，唇炎，阴囊炎等。（一）化学本质及性质﹡维生素B2又名核黄素(riboflavin)﹡体内活性形式为黄素单核苷酸(FMN)黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)VitB2FMNAMPFADⅠⅡⅢ三、维生素PP﹡维生素PP包括尼克酸(nicotinicacid)尼克酰胺(nicotinamide)﹡体内活性形式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+)（一）化学本质及性质NAD+：R为HNADP+：R为尼克酰胺目录1.生化作用﹡NAD+及NADP+是体内多种脱氢酶（如苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶）的辅酶，起传递氢的作用。（二）生化作用及缺乏症2.缺乏症﹡癞皮病四、维生素B6（一）化学本质及性质﹡维生素B6包括吡哆醇，吡哆醛及吡哆胺﹡体内活性形式为磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺（二）生化作用﹡磷酸吡哆醛是氨基酸转氨酶及脱羧酶的辅酶，也是

-氨基-酮戊酸合酶（ALA合酶）的辅酶。目录五、泛酸（一）化学本质及性质﹡泛酸(pantothenicacid)又名遍多酸﹡体内活性形式为辅酶A(CoA)酰基载体蛋白(ACP)

（二）生化作用及缺乏症﹡CoA及ACP是酰基转移酶的辅酶，参与酰基的转移作用。泛酸4-磷酸泛酰巯基乙胺CoA的结构式目录六、生物素生化作用生物素(biotin)是多种羧化酶（如丙酮酸羧化酶）的辅酶，参与CO2的羧化过程。与羧基结合生成羧基生物素与赖氨酸残基ε-氨基结合成生物胞素目录七、叶酸﹡生化作用：FH4是一碳单位转移酶的辅酶，参与一碳单位的转移。﹡缺乏症：巨幼红细胞贫血（一）化学本质及性质（二）生化作用及缺乏症﹡叶酸(folicacid)又称蝶酰谷氨酸﹡体内活性形式为四氢叶酸(FH4)叶酸二氢叶酸还原酶NADPH+H+NADP+二氢叶酸二氢叶酸还原酶NADPH+H+NADP+四氢叶酸5,6,7,8-四氢叶酸目录八、维生素B12﹡生化作用：参与体内甲基转移作用﹡缺乏症：巨幼红细胞贫血、神经疾患（一）化学本质及性质﹡维生素B12又称钴胺素(coholamine)﹡体内活性形式为甲基钴胺素5

-脱氧腺苷钴胺素（二）生化作用及缺乏症R：-CH3甲基钴胺素

R：5`-脱氧腺苷5`-脱氧腺苷钴胺素目录九、维生素C﹡生化作用：参与氧化还原反应，参与体内羟化应，促进胶原蛋白的合成，促进铁的吸收。﹡缺乏症：坏血病（一）化学本质及性质﹡维生素C又称L-抗坏血酸(as