酶学、维生素与辅酶
目 录
第一节 酶的概念及作用特点
第二节 酶的命名和分类
第三节 酶催化作用的结构基础
第四节 酶促反应的动力学
第五节 酶活性的调控
第二部分 维生素与辅酶
酶是由活细胞产生的一类具有生物催化作用的有机物
酶的化学本质
什么是酶
酶
蛋白质
RNA(核酶） ribozyme
酶作用的特点
一、极高的催化效率
机理：
大大降低反应所需的活化能
酶催化反应速度是无催化反应的108-1020倍
（二）高度的专一性
概念：酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和选择
类别：绝对专一性和相对专一性
绝对专一性和相对专一性

绝对专一性 有的酶对底物的化学结构要求非常严格，只作用于一种底物，不作用于其它任何物质，如脲酶仅作用于尿素。
相对专一性 有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键。
1） 键专一性 有的酶只作用于一定的键，而对键 两端的基团并无严格要求，如二肽酶水解二肽。
2）基团专一性 一些酶，除要求作用于一定的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往往是对其中一个基团要求严格，对另一个基团则要求不严格。
（三） 高度不稳定性

多数酶的化学本质是蛋白质，蛋白质易变性
（四）酶的调节性
酶活性调节
酶含量调节
据酶分子组成分类
单纯蛋白质酶
结合蛋白质酶
酶蛋白质（决定反应特异性）
辅助因子（决定反应的种类和性质）
二、酶的结构与功能
辅助因子
金属离子：常见的有K+、Na+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Zn2+
维持酶的活性构象在酶与底物间起桥梁作用，将酶与底物联结起来
小分子有机化合物：维生素等
传递电子、质子或某些化学基团
辅酶(结合疏松）
辅基(结合紧密）
第二节 酶的命名和分类
一、 命名：习惯命名；系统命名
二、 国际系统分类法
*国际生物化学会酶学委员会（Enzyme Commsion）将酶分成六大类：
1.氧还原酶类 4.裂合酶类
2.转移酶类 5.异构酶类
3.水解酶类 6.合成酶类
第三节 酶催化作用的结构基础
一、 酶催化的中间产物理论
二、 酶的活性中心
三、 酶作用专一性机理
酶催化的中间产物理论
酶（E）与底物（S）结合生成不稳定的中间物（ES），再分解成产物（P）并释放出酶，使反应沿一个低活化能的途径进行，降低反应所需活化能，所以能加快反应速度。
二、酶的活性中心
活性中心（active center）
酶分子中必需基团相对集中，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异性结合并能将底物转化成产物。
必需基团
酶分子中与催化相关，不可缺少的化学基团
活性中心内的必需基团
活性中心外的必需基团
催化基团、结合基团
维持空间构象
三、酶作用专一性机理
锁钥学说(lock and key thoery)：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。
诱导契合学说(induced-fit hypothesis)：酶的活性中心在结构上具柔性，底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，这样就使使酶活性中心有关基团正确排列和定向，使之与底物成互补形状有机的结合而催化反应进行。
酶专一性的“锁钥学说”
酶专一性的“诱导契合学说”
第四节
酶促反应动力学
Kinetics of Enzyme-Catalyzed Reaction
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
底物浓度远远大于酶浓度
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。
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。
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
酶促反应初速度的概念
二、底物浓度对酶反应速度的影响
酶反应速度与底物浓度的关系曲线
（Michaelis—Menten曲线）
米氏方程的提出及推导
米氏常数的意义
米氏常数的测定
单分子酶促反应的米氏方程及Km
米氏方程:
米氏常数:
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]
则(2)变为: （[Et]－[ES]）[S] ＝Km [ES]
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)
将(5)代入(4)得米氏方程式:
Km和Vmax的意义：
1. 当= Vmax／2时，Km=[S]。因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度。
2. Km可以反映酶与底物亲和力的大小。Km越小，酶与底物的亲和力越大。
=Ks
3. 可用于判断反应级数：
当[S]<0.01Km时，反应为一级反应；
当[S]>100Km时，ν=Vmax，反应为零级反应；
当0.01Km<[S]<100Km时，为混合级反应。
4. Km是酶的特征性常数：在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。
5. Km可用来判断酶的最适底物：当酶有几种不同的底物存在时，通过测定酶在不同底物存在时的Km值，Km值最小者，即为该酶的最适底物。
练习题：
已知某酶的Km值为0.05mol.L-1，要使此酶所催化的反应速度达到最大反应速度的80％时底物的浓度应为多少？
某酶今有4种底物(S)，其Km值如下，该酶的最适底物为 （ ）
A．S1：Km＝5×10-5 mol．L-1
B．S2：Km＝1×10-5 mol．L-1
C．S3：Km＝10×10-5 mol．L-1
D．S4：Km＝0．1×10-5 mol．L-1
米氏常数的测定
例：双倒数作图法（Lineweaver-Burk法）
米氏方程的双倒数形式：
1 Km 1 1
— = —— . — + ——
v Vmax [S] Vmax
酶动力学的双倒数图线
3、pH对酶反应速度的影响
过酸过碱导致酶蛋白变性
影响底物分子解离状态
影响酶分子解离状态
影响酶的活性中心构象
pH
最适 pH
v
4、温度与酶反应速度的关系
 在达到最适温度以前，反应速度随温度升高而加快
 酶是蛋白质，其变性速度亦随温度上升而加快
温度
最适 温度
5、激活剂对酶作用的影响
类别
金属离子：K+、Na+、 Mg2+、Cu2+、Mn2+、Zn2+、Se3+ 、 Co2+、Fe2+
阴离子： Cl-是唾液淀粉酶的激活剂
有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽
金属螯合剂：EDTA
凡是能提高酶活性的物质，称为酶的激活剂（activator）
6、抑制剂对酶作用的影响
凡是使酶的必需基因或酶的活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶完全丧失活性的物质，叫酶的抑制剂（inhibitor） 。
类型：可逆抑制剂
不可逆抑制剂
应用：研制杀虫剂、药物
研究酶的作用机理，确定代谢途径
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。
如有机磷化合物能与许多种酶活性中心丝氨酸残基上的羟基结合，使酶失活。

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，并且能部分 或全部恢复酶的活性。
竞争性抑制
非竞争性抑制
反竞争性抑制
1. 竞争性抑制（competitive inhibition)：
抑制剂与底物竞争与酶的同一活性中心结合，从而干扰了酶与底物的结合，使酶的催化活性降低，称为竞争性抑制作用。
竞争性抑制的作用模式图
竞争性抑制曲线
Vmax不变，Km变大
竞争性抑制
2. 非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）：
抑制剂既可以与游离酶结合，也可以与ES复合物结合，使酶的催化活性降低，称为非竞争性抑制。
反应模式
非竞争性抑制的作用模式图
非竞争性抑制曲线
Vmax变小，Km不变
竞争性非竞争性抑制作用机理示意图
3．反竞争性抑制（uncompetitive inhibition)：
抑制剂不能与游离酶结合，但可与ES复合物结合并阻止产物生成，使酶的催化活性降低，称酶的反竞争性抑制。
反竞争性抑制的作用模式图
反竞争性抑制的双倒数图形特征
Vmax变小，Km变小
有无抑制剂存在时酶促反应的动力学方程
酶的非竞争性抑制剂对酶促反应的影响是： （ ）
A．Vmax不变，Km增大
B．Vmax不变，Km减小
C．Vmax增大，Km不变
D．Vmax减小，Km不变
在酶促反应中，如果加入竞争性抑制剂：
A．米氏常数不变
B．最大反应速度不变
C．米氏常数和最大反应速度都不变
D．米氏常数和最大反应速度都变

酶需要在正确的时间和正确的地点有活性
不合适的表达或激活导致细胞的癌变或死亡！
第五节 重要的酶类及酶活性的调节控制
一、多酶体系(multienzyme system)
二、别构酶(allosteric enzyme)
三、共价调节酶(covalent regulatory enzyme)
四、酶原(enzymogen或proenzyme)的激活
五、同工酶(isoenzyme)
一、多酶体系和多酶复合体
细胞中的许多酶常常是在一个连续的反应链中起作用，即前一个反应的产物是后一个反应的底物，在完整细胞内的某一代谢过程中，由几个酶形成的反应体系，称为多酶体系（multienzyme system）。
如果体系中几种酶彼此有机地组合在一起。精巧地镶嵌成一定的结构，即形成多酶复合体。这种结构即能提高反应途径的效率，又能增强调控的准确性。
分散多酶体系与中间物示意图
多酶复合体示意图
二、酶的别构（变构）效应和别构酶
概念：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后导致酶分子发生构象改变，进而改变酶的活性状态，称为酶的别构调节(allosteric regulation)，具有这种调节作用的酶称别构酶(allosteric enzyme)。别构酶促反应底物浓度和反应速度的关系不符合米氏方程，呈S型曲线。
凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物(effector)，通常为小分子代谢物或辅助因子。如因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物(positive effector)或别构激活剂，反之称负效应物(negative effector)或别构抑制剂。
别构调节普遍存在于生物界，许多代谢途径的关键酶利用别构调节来控制代谢途径之间的平衡，研究别构调控有重要的生物学意义。
酶的别构（变构）效应示意图
别构酶的反馈调控机理
别构酶与米氏酶的动力学曲线比较
ATCase变构效应的动力学特征
Vmax
1/2Vmax
Km
三、酶的共价修饰
某些酶可以通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶或限速酶。
由于这种调节的生理意义广泛，反应灵敏，节约能量，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。
A
P1
G
E
D
C
B
H
Ea-b
Ec-d
Ec-g
关键酶（限速酶）
P2
酶的磷酸化与脱磷酸化
反应类型 共价修饰 被修饰的氨基酸残基
共价修饰反应的例子
磷酸化
腺苷酰化
尿苷酰化
Tyr,Ser,Thr.His
Tyr
Tyr
甲基化
Glu
S-腺苷-Met
S-腺苷-同型
Cys
四、酶 原 的 激 活
体内合成出来的酶，有时不具有生物活性，经过蛋白水解酶专一作用后，构象发生变化，形成活性中心，变成有活性的酶。这个不具活性的蛋白质称为酶原（zymogen或proenzyme），这个过程称为酶原的激活。
这种调控作用的特点：蛋白质由无活性状态转变成活性状态是不可逆的。
实例：消化系统蛋白酶原的激活
胰蛋白酶原
胰蛋白酶
六肽
肠激酶
活性中心
胰蛋白酶原的激活示意图
酶原激活的生理意义
避免细胞产生的酶对细胞进行自身消化，并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。
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。
五、酶的多种分子形式——同工酶
同工酶
催化相同的化学反应，但分子结构理化性质、免疫学反应不同的一组酶
乳酸脱氢酶是研究的最多的同工酶。
* 举例：乳酸脱氢酶(LDH1～ LDH5)
生理及临床意义
在代谢调节上起着重要的作用；
用于解释发育过程中阶段特有的代谢特征；
同工酶谱的改变有助于对疾病的诊断；
同工酶可以作为遗传标志，用于遗传分析研究。
1
2
3
4
5
酶活性
迁移位置
酶活性
迁移位置
a
b
(a) LDH同工酶电泳图谱 (b)
（a）正常人LDH同工酶电泳图谱,（b）心肌梗塞病人血清LDH同工酶电泳图谱
1
2
3
4
5
维生素与辅酶
维生素（vitamin）是是参与生物生长发育和代谢所必需的一类微量有机物质。这类物质由于体内不能合成或者合成量不足，所以必需由食物供给。已知绝大多数维生素作为酶的辅酶或辅基的组成成分，在物质代谢中起重要作用。机体缺乏维生素时，物质vitamin生障碍，引起维生素缺乏症。
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第一节　维生素的分类
第二节　脂溶性维生素
第三节　水溶性维生素
分类
脂溶性维生素
水溶性维生素
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B1，维生素B2，维生素B6，维生素PP，泛酸，
生物素，叶酸，维生素B12，维生素C
脂溶性维生素：维生素A、D、E、K
一、维生素A（抗干眼病维生素）
1、维生素A的化学本质及性质
维生素A的活性形式：视黄醇、视黄醛、视黄酸
化学本质：含β白芷酮环的多聚异戊二烯复合物
维生素A原：β胡萝卜素
主要类型：A1（视黄醇）、A2（脱氢视黄醇）
（1）β胡罗卜素可作为抗氧化剂捕捉自由基
（2）11顺视黄醛构成视觉细胞内的感光物质
（3）维生素A磷酸酯参与糖蛋白合成
（4）视黄醇和视黄酸具有类固醇激素样作用，影响细胞分化，促进机体生长和发育
3、维生素A的作用
维生素A在血浆中的运输：与视黄醇结合蛋白结合
2、维生素A的代谢转变
1分子β胡萝卜素可生成2分子维生素A
5、维生素A的激素作用机理
视黄酸与细胞内特异CRBP（细胞视黄醇结合蛋白）结合，进一步与核蛋白结合，调节特定基因表达
4、维生素A的缺乏症
缺乏症：夜盲症、干眼病、皮肤干燥和毛囊丘疹
（6）与上皮细胞的正常分化直接相关
（7）与癌症发生呈负相关
（5）增强机体抵抗力作用
维生素A (视黄醇)
二、维生素D（抗佝偻病维生素/钙化醇 ）
1、维生素D的化学本质和性质
化学本质：类固醇激素
主要类型：D2（麦角钙化醇）、D3(胆钙化醇)
维生素D3原：7-脱氢胆固醇
维生素D2原：麦角固醇
维生素D3在肝内的储存及血液中运输的形式：25-(OH)-D3
3、活性维生素D3生化作用
活性维生素D3形式：1,25-(OH)2-D3
升高血钙、升高血磷，促进骨骼生成和钙化
缺乏症：佝偻症（儿童）、软骨症（成人）
4、缺乏症
活性维生素D3生成的关键酶：1-α羟化酶
2、维生素D的代谢转变
维生素D3在血中的运输：与维生素D结合蛋白结合
维生素D
UV
自发转变
维生素D3
肝
肾
1，25—维生素D3
前维生素D3
7—脱氢胆固醇
25—羟维生素D3（胆钙化醇）
VD3的生成
1-生育三烯酚
维生素E（tecopherol）
-生育酚
三、维生素E（抗不育维生素或生育酚）
1、维生素E的化学本质和性质
维生素E的化学本质：苯骈二吡喃衍生物
维生素E的主要类型：α、β、γ和δ
α生育酚生理活性最高
促进血红素合成：提高δ-氨基-γ-酮戊酸（ALA）合成酶和ALA脱水酶活性
缺乏症：动物缺乏时可引起生殖器官受损而不育，人类尚未发现相关不育症；贫血；神经障碍
3、缺乏症：少见
2、活性维生素E的生理功能
维生素E与生殖功能有关
维生素E是最重要的天然抗氧化剂：避免脂质过氧化物产生
四、维生素K（凝血维生素）
1、维生素E的化学本质和性质
维生素K的化学本质：2-甲基1，4-萘醌的衍生物
维生素K的主要类型：K1（绿叶）和K2（肠道）
2、维生素K的生理功能
促进肝合成凝血酶原及凝血因子VII、IX和X
3、维生素K的缺乏症
凝血时间延长，易出血，但一般不缺乏
11-顺视黄醛
维生素K1
维生素K2
维生素K3
维生素K4
主要可溶性维生素和相应辅酶
维生素 辅酶 功能
1. B1(硫胺素) TPP 醛基转移、 α -酮酸脱羧
2. B2(核黄素 ) FMN、FAD 氧化还原反应、 氢转移
3. PP [尼克酸（酰胺）] NAD+、NADP+ 氧化还原反应、 氢转移
4. 泛酸（遍多酸） CoASH 酰基转移
5. B6 [吡哆醇（醛、酸）] 磷酸吡哆醇（醛） 转氨、脱羧、消旋
6. 叶酸 FH4(THFA) 传递一碳基团
7. 生物素 羧化辅酶
8. C（抗坏血酸） 氧化还原作用
9. 硫辛酸 酰基转移、氧化还原反应
10. B12（氰钴氨素） 分子重排、甲基化
维生素B1和焦磷酸硫胺素
焦磷酸硫胺素
（thiamin pyrophosphate,TPP）
维生素B1
是第一个被发现的维生素，又名为硫胺素。
辅酶——硫胺素焦磷酸（TPP）
TPP是体内催化α-酮酸氧化脱羧的辅酶，也是磷酸戊糖途径中转酮酶的辅酶。
缺乏症：脚气病，因此又称维生素B1为抗脚气病维生素
维生素B2
维生素B2由核糖醇与6,7-二甲基异咯嗪结合而成。由于氧化型的维生素B2呈现黄色，故又名为核黄素。
辅酶——黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它们分别构成各种黄酶或黄素蛋白的辅基参与体内生物氧化。
缺乏症：主要症状为口角炎、舌炎、阴囊炎、皮疹及角膜血管增生和巩膜充血等。
FMN
AMP
核黄素
ribiflavin
维生素B2和黄素单核苷酸（FMN）.黄素腺嘌呤二核苷（FAD）
泛酸(pantorthenic asaid)和 辅酶 A（coenzyme A）
SH
泛酸
巯基乙胺
ADP
维生素PP
即维生素B5，包括尼克酸和尼克酰胺两种物质，两者均为吡啶衍生物，在体内可以相互转变。
辅酶——辅酶Ⅰ（NAD+）和辅酶Ⅱ（NADP+）的成分，这两种辅酶结构中的尼克酰胺部分具有可逆地加氢和脱氢的特性，在生物氧化过程中起氢传递体的作用。
缺乏症：主要表现为癞皮病。由于补充维生素PP可预防和治愈癞皮病，因此维生素PP又称为抗癞皮病因子或抗癞皮病维生素。
R
AMP
尼克酰胺核苷酸
维生素pp和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸） NAD(P)+
NAD(P)H+H+
NAD(P)++2H
nicotinamide
维生素B6和磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺
(pyridoxol)
(pyridoxal)
(pyridoxamine)
(pyridoxal phosphate)
(pyridoxamine phosphate)
维生素B6
包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。
辅酶——主要是磷酸吡哆醛（PLP）和磷酸吡哆胺，它们在体内参与氨基酸的转氨、消旋、某些氨基酸的脱羧。此外它还参与羟色胺、去甲肾上腺素、鞘磷脂以及血红素的合成。
缺乏症：维生素B6在动植物中分布极广，同时，肠道细菌也能够合成它，因此在人类尚未发现单纯的维生素B6缺乏病。动物缺乏维生素B6可发生与癞皮病相似的皮炎。
叶酸(folic acid)和 四氢叶酸（FH4）
叶酸
对氨基苯甲酸
谷氨酸
蝶呤
叶酸
是由