1、第二章 酶 和维生素(Enzyme & vitamin),1.酶的概念酶是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。简单说，酶是一类由活性细胞产生的生物催化剂,现在研究发现，有蛋白质和核酸两大类。,一、酶的概念,二、酶的化学本质及结构功能特点,1.发展史 (1)酶是蛋白质:1926年,James Summer由刀豆制出脲酶结晶确立酶是蛋白质的观念，其具有蛋白质的一切性质。 (2)核酶的发现：19811982年，Thomas R.Cech实验发现有催化活性的天然RNARibozyme。L19 RNA和核糖核酸酶P的RNA组分具有酶活性是两个最著名的例子。1955年，发现DNA的催
2、化活性。 (3)抗体酶（abzyme）：1986年，Richard Lerrur和Peter Schaltz运用单克隆抗体技术制备了具有酶活性的抗体（catalytic antibody）。,第一节、酶的分子结构与功能 蛋白质的结构特点：一级、二级、三级、四级结构根据结构不同酶可分为： 单体酶：只有单一的三级结构蛋白质构成。 寡聚酶：由多个（两个以上）具有三级结构的亚基聚合而成。 多酶复合体：由几个功能相关的酶嵌合而成的复合体。,酶,单成份酶：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、核糖核酸酶等。,双成份酶,酶蛋白,辅因子,（单纯酶）,（结合酶）,（apoenzyme）,（cofacter),辅酶（coenzy
3、me),辅基(prosthetic group),全酶(holoenzyme）= 酶蛋白 + 辅因子,一、酶的分子组成,3.酶的辅因子酶的辅因子是酶的对热稳定的非蛋白小分子物质部分，其主要作用是作为电子、原子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程。 (1)传递电子体：如 卟啉铁、铁硫簇； (2)传递氢（递氢体）：如 FMN/FAD、NAD/NADP、C0Q、硫辛酸； (3)传递酰基体：如 C0A、TPP、硫辛酸； (4)传递一碳基团：如 四氢叶酸； (5)传递磷酸基：如 ATP，GTP； (6)其它作用： 转氨基，如 VB6 ；传递CO2，如 生物素。,催化部位(Catalytic sit
4、e): 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位。 通常将酶的结合部位和催化部位总称为酶的活性部位或活性中心。 结合部位决定酶的专一性， 催化部位决定酶所催化反应的性质。,调控部位(Regulatory site):酶分子中存在着一些可以与其他分子发生某种程度的结合的部位，从而引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用,(2)必须基团：酶表现催化活性不可缺少的基团。亲核性基团：丝氨酸的羟基，半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基。 酸碱性基团：门冬氨酸和谷氨酸的羧基，赖氨酸的氨基，酪氨酸的酚羟基，组氨酸的咪唑基和半胱氨酸的巯基等。,亲核性基团,酸碱性基团,三、酶活力单位 酶活力可用单位时间内
5、单位体积中底物的减少量或产物的增加量表示，单位为mol/min等。 酶活力单位的基本定义为：规定条件（最适条件）下一定时间内催化完成一定化学反应量所需的酶量。 据不同情况有几种酶活力单位（activity unit）或又称酶单位（enzyme unit）。 国际单位： 一般用活力单位U（Unit）表示，许多酶活力单位都是以最佳条件或某一固定条件下每分钟催化生成1mol产物所需要的酶量为一个酶活力单位。,一个“Katal”单位是指在一定条件下1秒钟内转化1mol底物所需的酶量。 Kat和U的换算关系：1 Kat=6107U，1U=16067n Kat 比活力（specific activity）
6、 酶的比活力是每单位（一般是mg）蛋白质中的酶活力单位数（如：酶单位/mg蛋白），实际应用中也用每单位制剂中含有的酶活力数表示（如：酶单位/mL（液体制剂），酶单位/g（固体制剂），对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高（含杂质越少），所以比活力是评价酶纯度高低的一个指标。,第二节、酶的分类及命名,一、酶的分类根据酶促反应性质，分为6类 氧化-还原酶 Oxidoreductase 氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(Dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,(2) 转移酶 Transferase转移酶催化
7、基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,水解酶 Hydrolase 水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应,(4) 裂解酶 Lyase裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或 原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。,(5) 异构酶 Isomerase 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,(6) 合成酶 Ligase
8、 or Synthetase 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,特殊的酶-核酶(Ribozyme) 核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA，能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。,二、 酶的命名,(1)习惯命名法: 根据其催化底物来命名； 根据所催化反应的性质来命名； 结合上述两个原则来命名； 有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。,(2)国际系统命名法 系统名称
9、包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个酶字。例如：习惯名称:谷丙转氨酶系统名称:丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶酶催化的反应: 谷氨酸 + 丙酮酸 -酮戊二酸 + 丙氨酸,一、酶催化作用的特点 (1) 酶和一般催化剂的共性： 加快反应速度； 不改变平衡常数； 自身不参与反应。 (2) 酶催化作用特性： A. 条件温和：常温、常压、pH=7； B. 高效率：反应速度与不加催化剂相比可提高108 1020，与加普通催化剂相比可提高1071013；,第三节、酶促反应的特点与机制,C. 专一性：即酶只能对特定的一种或一类底物起作用，这种专一性是由酶蛋白的立体结构所决定的。可分为：绝对专一性：有些酶只作用
10、于一种底物，催化一个反应， 而不作用于任何其它物质。相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作用。包括键专一性和簇（基团）专一性。立体异构专一性：这类酶不能辨别底物不同的立体异构体，只对其中的某一种构型起作用，而不催化其他异构体。包括旋光异构专一性和几何异构专一性。 易变敏感性：易受各种因素的影响，在活细胞内受到精密严格的调节控制。,D.酶活性的可调节性,1.酶催化作用的本质：降低反应活化能 2.酶催化作用的中间产（络合）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 + S = E-S P + E 许多实验
11、事实证明了ES复合物的存在。ES复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。,二、酶催化机制,3.酶与底物结合形成中间络合物的方式（理论）(1)锁钥假说(lock and key hypothesis)： 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。（但研究结果不太支持该学说。） (2)诱导契合假说（inducedfit hypothesis): 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。,4. 使酶具有高效催化的因素 (1)临近定向效应： 在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心，一方面底物在酶
12、活性中心的有效浓度大大增加，有利于提高反应速度； 另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基团的诱导和定向作用，使底物分子中参与反应的基团相互接近，并被严格定向定位，使酶促反应具有高效率和专一性特点。 (2)“张力”和“形变” ： 底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子又使底物分子的敏感键产生“张力”甚至“形变” ，从而促使酶底物中间产物进入过渡态。,(3)酸碱催化： 酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方式。 广义酸碱催化是指通过质子酸提供部分质子,或是通过质子碱接受部分质子的作用，达到降低反应活化能的过程。 酶活性部位上的某
13、些基团可以作为良好的质子供体或受体对底物进行酸碱催化。His 残基的咪唑基是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化功能团。,广义酸基团 广义碱基团（质子供体） （质子受体）,(4)共价催化： 催化剂通过与底物形成反应活性很高的共价过渡产物，使反应活化能降低，从而提高反应速度的过程，称为共价催化。 酶中参与共价催化的基团主要包括 His 的咪唑基，Cys 的硫基，Asp 的羧基，Ser 的羟基等。 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。,1.底物浓度对酶促反应速度影响 在酶浓度，pH，温度等条件不变的情况下研究底物浓度和反应速度的关系。如右图所示： 在低底物浓度时, 反应速度
14、与底物浓度成正比，表现为一级反应特征。 当底物浓度达到一定值，几乎所有的酶都与底物结合后，反应速度达到最大值（Vmax），此时再增加底物浓度，反应速度不再增加，表现为零级反应。,第四节、酶动力学,一、化学反应速度和酶促反应速度,米氏方程 1913年，德国化学家Michaelis和Menten根据中间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名公式，称为米氏方程。,Km 米氏常数 Vmax 最大反应速度,根据中间产物学说，酶促反应分两步进行:,米氏方程的推导：,P66,米氏常数Km的意义:,由米氏方程可知，当反应速度等于最大反应速度一半时,即V = 1/
15、2 Vmax, Km = S 上式表示,米氏常数是反应速度为最大值的一半时的底物浓度。 因此,米氏常数的单位为mol/L。不同的酶具有不同Km值，它是酶的一个重要的特征物理常数。 Km值只是在固定的底物，一定的温度和pH条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同条件下具有不同的Km值。 Km值表示酶与底物之间的亲和程度：Km值大表示亲和程度小，酶的催化活性低; Km值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。,测定Km和V的方法很多，最常用的是LineweaverBurk的作图法 双倒数作图法。,1 Km 1 1 = + V Vmax S Vmax,取米氏方程式的倒数形式：,1/Vmax,斜率=Km/Vma
16、x,-1/Km,米氏常数Km的测定：,Hanes-woolf作图法,S Km 1 = + SV Vmax Vmax,取米氏方程式的如下形式：,Km/Vmax,斜率=1/Vmax,-Km,米氏常数Km的测定：,三、酶浓度对反应速度的影响,SKm时，V Vmax,四.温度对酶反应的影响一方面是温度升高,酶促反应速度加快。 另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。 因此大多数酶都有一个最适温度。 在最适温度条件下,反应速度最大。,最适温度,五.pH对酶反应的影响在一定的pH下, 酶具有最大的催化活性,通常称此pH为最适pH。,六、抑制剂对酶反应的影响 有些物质能与酶
17、分子上某些必须基团结合（作用),使酶的活性中心的化学性质发生改变，导致酶活力下降或丧失，这种现象称为酶的抑制作用。 能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂（inhibitor)。 酶的抑制剂一般具备两个方面的特点： a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。 b.能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。,抑制作用的类型： (1)不可逆抑制作用：抑制剂与酶反应中心的活性基团以共价形式结合，引起酶的永久性失活。如有机磷毒剂二异丙基氟磷酸酯。,(2)可逆抑制作用： 抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。抑制剂可以通过透析等方法被除去，并且能
18、部分或全部恢复酶的活性。 根椐抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类： 竞争性抑制： 某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。 竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。 竞争性抑制可用下式表示：,有竞争性抑制剂存在时，Km值增大(1+I/Ki)倍，且Km值随I的增高而增大； 在E固定时，当S Km (1+I/Ki), Km (1+I/Ki)项可忽略不计，则v= Vmax，即最大反应速度不变。,竞争性抑制作用的速度方程：,竞争性抑制作用的LineweaverBurk图 ：
19、,非竞争性抑制： 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。 如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。 非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法来消除。非竞争性抑制可用下式表示：,有非竞争性抑制剂存在时，V值减小(1+I/Ki)倍，且V值随I的增高而降低； Km值不变。,非竞争性抑制作用的速度方程：,非竞争性抑制作用的LineweaverBurk图 ：,有反竞争性抑制剂存在时，Km和V值均减小(1+I/K
20、i)倍，且都随I的增高而降低。,反竞争性抑制： 酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶活性下降。 反竞争性抑制可用下式表示：反竞争性抑制作用的速度方程：,反竞争性抑制作用的LineweaverBurk图 ：,七、激活剂对酶反应的影响 凡是能提高酶活力的简单化合物都称为激活剂（activator)。其中大部分是一些无机离子和小分子简单有机物。如：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Cr2+、Fe2+、Cl-、Br-、I-、CN-、NO3-、PO4-等； 这些离子可与酶分子上的氨基酸侧链基团结合，可能是酶活性部位的组成部分，也可能作为辅酶或辅基的一个组成部分起作
21、用； 一般情况下，一种激活剂对某种酶是激活剂，而对另一种酶则起抑制作用； 对于同一种酶，不同激活剂浓度会产生不同的作用。 4.酶浓度对酶反应的影响 在底物足够过量而其它条件固定的情况下，并且反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时，酶促反应的速度和酶浓度成正比。,一、酶原和酶原的激活： 酶原：没有活性的酶的前体。 酶原的激活：酶原在一定条件下经适当的物质作用可转变成有活性的酶。酶原转变成酶的过程称为酶原的激活。 本质：酶原的激活实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。 二、同功酶：能催化同一化学反应的一类酶。 活性中心相似或相同：催化同一化学反应。 分子结构不同：理化性质和免
22、疫学性质不同。,第五节、酶活性调节,三.酶的共价修饰与级联效应 酶的共价修饰是指酶蛋白质分子中的某些基团在特定催化条件下被某些化学基团发生共价结合而被修饰或脱落，从而改变酶活性的过程。 作用特点：细胞内的发生的修饰通常是不可逆的；常见方式为磷酸化与脱磷酸化，此外有甲基化与去甲基化、腺苷化与脱腺苷化。 级联效应是指在细胞内，由多种酶串联成一系列连续的酶催化酶的修饰反应，使最终酶的催化效应获得极度放大的效应,四.酶的别构（变构）效应： 由于效应物的存在，而引起酶的结构（构象）变化。 别构酶(Allosteric enzyme)的特点： 一般是寡聚酶，由多亚基组成，包括催化部位和调节（别构）部位；
23、具有别构效应。指酶和一个配体（底物，调节物）结合后可以影响酶和另一个配体（底物）的结合能力。,相同（均为底物）：同促效应（homotropic effect）,不同（效应调节物）：异促效应（heterotropic effect）,根据配体结合后对后继配体的影响,根据配体性质,正协同效应（positive cooperative effect）,负协同效应（negative cooperative effect）,动力学特点：不符合米曼方程双曲线。,别构酶与非调节酶动力学曲线的比较,第六节、酶与生物医学的关系,一、酶与疾病的发生酶的先天性缺失导致的遗传性代谢缺陷病有140多种。 二、酶与疾病诊
24、断 三、酶与疾病治疗 酶 尿激酶 酶抑制剂 磺胺类 四、酶在科学研究中的应用 工具酶、固定化酶、抗体酶等,第七节、维生素与辅酶 维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类小分子有机物质。 多数维生素维生素作为辅酶和辅基的组成成分，参与体内的物质代谢。 维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两大类。其中脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的调节作用，而水溶性维生素是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。 某些小分子有机化合物与酶蛋白结合在一起并协同实施催化作用，这类分子被称为辅酶（或辅基）。 辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。 大多数辅酶的前体主要是水
25、溶性 B 族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。,脂溶性维生素 维生素A,D,E,K均溶于脂类溶剂，不溶于水，在食物中通常与脂肪一起存在，吸收它们，需要脂肪和胆汁酸。 维生素A 维生素A分A1, A2两种，是不饱和一元醇类。维生素A1又称为视黄醇，A2称为脱氢视黄醇。 主要功能：维持上皮组织健康及正常视觉，促进年幼动物的正常生长。,维生素D 维生素D是固醇类化合物，主要有D2,D3, D4, D5。其中D2,D3活性最高。,维生素D的结构在生物体内，D2和D3本身不具有生物活性。它们在肝脏和肾脏中进行羟化后，形成1，25-二羟基维生素D。其中1，25-二羟基维生素D3是生物活性最
26、强的。 主要功能：调节钙、磷代谢，维持血液中钙、磷浓度正常，促使骨骼正常发育。,维生素E 维生素E又叫做生育酚，目前发现的有6种，其中，四种有生理活性。主要功能：具有抗氧化剂的功能，可作为食品添加剂使用，还可保护细胞膜的完整性；同时还有抗不育的作用。,维生素K 维生素K有3种：K1,K2,K3。其中K3是人工合成的。维生素K是2-甲基萘醌的衍生物。主要功能：促进肝脏合成凝血酶原，促进血液的凝固。,水溶性维生素 维生素B1和羧化辅酶 维生素B1又称硫胺素，在体内以焦磷酸硫胺素(TPP)形式存在。缺乏时表现出多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。,焦磷酸硫胺素(TPP)是脱羧酶的辅
27、酶，催化丙酮酸或酮戊二酸的氧化脱羧反应，所以又称为羧化辅酶。,维生素B2和黄素辅酶 维生素B2又称核黄素，由核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪两部分组成。 缺乏时组织呼吸减弱，代谢强度降低。主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。,FAD(黄素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸)是核黄素(维生素B2)的衍生物。它们在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用。,泛酸和辅酶A（CoA） 维生素B3又称泛酸，是由,-二羟基-二甲基丁酸和一分子-丙氨酸缩合而成。,辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它是含泛酸的复合核苷酸。它的重要生理功能是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶
28、。,维生素PP和辅酶I、辅酶II 维生素PP包括尼克酸（又称烟酸）和尼克酰胺（又称烟酰胺）两种物质。在体内主要以尼克酰胺形式存在，尼克酸是尼克酰胺的前体。,尼克酸,尼克酰胺,维生素PP能维持神经组织的健康。缺乏时表现出神经营养障碍，出现皮炎。 NAD+ (烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I) 和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为辅酶II )是维生素烟酰胺的衍生物，它们是多种重要脱氢酶的辅酶。,维生素B6和磷酸吡哆醛 维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。维生素B6在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂，参加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是氨基酸转氨作用、脱羧作用和
29、消旋作用的辅酶。,生物素 生物素是B族维生素B7，它是多种羧化酶的辅酶。 生物素的功能是作为CO2的递体，在生物合成中起传递和固定CO2的作用。,叶酸和叶酸辅酶 维生素B11又称叶酸，作为辅酶的是叶酸加氢的还原产物四氢叶酸。四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3, -CH2-, -CHO 等的载体，参与多种生物合成过程。,维生素B12和B12辅酶 维生素B12又称为钴胺素。维生素B12分子中与Co+相连的CN基被5-脱氧腺苷所取代，形成维生素B12辅酶。 维生素B12辅酶的主要功能是作为变位酶的辅酶，催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。,维生素C 维生素C能防治坏血病，故又称抗坏血酸。在体内参与氧化还原反应，羟化反应。人体不能合成。,硫辛酸 硫辛酸是少数不属于维生素的辅酶。硫辛酸是6,8-二硫辛酸，有两种形式：即硫辛酸（氧化型）和二氢硫辛酸（还原型）。,辅酶Q（CoQ） 辅酶Q又称为泛醌，广泛存在与动物和细菌的线粒体中。 辅酶Q的活性部分是它的醌环结构，主要功能是作为线粒体呼吸链氧化-还原酶的辅酶，在酶与底物分子之间传递电子。,完成下表 维生素的结构与功能,
