第三章酶和维生素解析

人民卫生出版社第三章酶和维生素第三章酶和维生素第一节影响酶促反应速度的因素第二节酶的分类、命名及其在医学上的应用第三节维生素第四节第五节酶的概述学习目标1.掌握酶的概念、酶的必需基团及活性中心的概念。2.熟悉同功酶的概念及临床应用、酶的化学组成、酶原及酶原激活的概念。3.掌握B族维生素和维生素C的生理功能和缺乏病。4.了解影响酶促反应速度的影响。第一节酶的概述酶的概念：酶（E）是由活细胞合成的具有高效催化作用的蛋白质。一、酶的分子组成酶可根据其化学组成的不同，分为两类：酶单纯酶结合酶（全酶）小分子有机化合物金属离子辅助因子酶蛋白一、酶的分子组成由酶蛋白与辅助因子组成的酶称为全酶。酶蛋白决定反应的特异性。辅助因子决定反应的种类与性质。金属酶金属离子与酶结合紧密，提取过程中不易丢失。金属激活酶金属离子为酶的活性所必需，但与酶的结合不甚紧密。金属离子是最多见的辅助因子一、酶的分子组成金属离子的作用：参与催化反应，传递电子；在酶与底物间起桥梁作用；稳定酶的构象；中和阴离子，降低反应中的静电斥力等一、酶的分子组成小分子有机化合物是一些化学稳定的小分子物质，称为辅酶。其主要作用是参与酶的催化过程，在反应中传递电子、质子或一些基团。辅酶的种类不多，且分子结构中常含有维生素或维生素类物质。一、酶的分子组成与酶蛋白疏松结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅酶。与酶蛋白牢固结合并与酶的催化活性有关的耐热低分子有机化合物称为辅基。二、酶的分子结构（一）酶的活性中心和必需基团必需基团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。酶的活性中心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。活性中心内的必需基团结合基团与底物相结合催化基团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和（或）作为调节剂的结合部位所必需。活性中心外的必需基团底物活性中心外的必需基团结合基团催化基团活性中心二、酶的分子结构（二）酶原与酶原的激活有些酶在细胞内合成或初分泌时无催化活性，必须在一定的条件下才能转变为有活性的酶。这种无活性的酶的前身物称酶原。酶原转变成有活性的酶的过程称为酶原的激活。酶原激活的实质就是酶的活性中心形成或暴露的过程。胰蛋白酶原的激活过程甘异赖缬天天天天缬组丝SSSS46183甘异缬组丝SSSS活性中心肠激酶/胰蛋白酶二、酶的分子结构酶原的激活具有重要的生理意义：避免细胞产生的蛋白酶对自身进行消化，使酶在特定部位和环境中发挥催化作用。如消化腺的蛋白水解酶以酶原的形式分泌。临床上急性胰腺炎就是因为某些原因引起胰蛋白酶原等在胰腺组织被激活所致。此外，酶原可视为酶的贮存形式。如参与凝血和纤维蛋白溶解的酶类以酶原形式存在血液中，从而保证血流畅通。一旦需要便迅速转化为有活性的酶，发挥其对机体的保护作用。二、酶的分子结构（三）同工酶同工酶是指催化相同的化学反应，而酶蛋白的分子结构、理化性质及免疫学性质不同的一组酶。同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织中，甚至存在于同一细胞的不同亚细胞结构中，在代谢调节中起重要作用。乳酸脱氢酶有骨骼肌型(M型)和心肌型(H型)两型亚基，由两种亚基以不同比例组成的四聚体，存在五种LDH形式：即H4（LDHl）、H3M1（LDH2）、H2M2(LDH3)、H1M3(LDH4)和M4(LDH5)乳酸脱氢酶的同工酶二、酶的分子结构二、酶的分子结构同工酶的测定已应用于临床诊断。当某组织病变时，存在这些组织中的某种特殊的同工酶就会释放出来，使同工酶谱发生改变，测定血清中相应同工酶谱能较准确地反映病变的部位和损伤程度，有助于疾病诊断。如正常血清LDH2活性高于LDH1，心肌梗死时细胞内LDH1大量释放到血液，使血清中LDH1活性高于LDH2，而肝病时LDH5活性升高。三、酶促反应的机制（一）酶-底物复合物的形成与诱导契合假说E＋S→ES→E＋P酶底物酶底复合物酶产物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酶的诱导契合动画四、酶促反应的特点（一）高度的催化效率酶具有极高的催化效率，通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。（二）高度的特异性酶对其作用底物的选择性称为酶的特异性或酶的专一性。即一种酶只能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产生一定的产物。四、酶促反应的特点（三）酶活性的不稳定性和可调节性酶的化学本质是蛋白质，具有蛋白质的理化性质。凡能使蛋白质变性的理化因素都能使酶蛋白变性失活。因此酶对环境因素的变化非常敏感，如温度、pH和抑制剂等，表现出高度的不稳定性。酶活力是受调节控制的，它的调节方式很多，包括抑制调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素的调节控制等。第二节影响酶促反应速度的因素影响酶促反应速度的因素主要有底物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂和抑制剂等。一、底物浓度的影响当酶的浓度不变的情况下，底物浓度对酶促反应的影响呈矩形双曲线关系二、酶浓度的影响在一定温度和pH的条件下，当底物浓度大大超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速度成正比关系三、温度的影响温度对酶促反应速度具有双重影响。升高温度一方面使酶促反应速度加快；同时也使酶蛋白变性加速，反应速度则因酶蛋白变性而减慢。使酶促反应速度最快时的环境温度称为酶的最适温度。四、pH的影响酶促反应速度受环境pH的影响。酶促反应速度最大时的pH称为酶的最适pH五、激活剂的影响使酶从无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称酶的激活剂。金属离子（Mg2+、K+等）激活剂小分子有机物（胆汁酸盐等）。六、抑制剂的影响凡能使酶活性降低而不引起酶蛋白变性的物质统称为酶的抑制剂(I)。其抑制作用可分为不可逆性抑制与可逆性抑制两类。（一）不可逆性抑制此类抑制剂与酶活性中心上的必需基团以共价键结合，使酶失去活性，用透析、超滤等方法不能将其去除，酶活性难以恢复。这种抑制作用称为不可逆抑制。例如农药1059、敌百虫、敌敌畏等有机磷化合物等，低浓度的重金属离子Hg2＋、Ag＋等及As3＋能与酶分子的巯基共价结合，使酶失活。六、抑制剂的影响（二）可逆性抑制此类抑制剂以非共价键与酶或酶-底物结合可逆性结合，使酶活性降低或丧失，用透析或超滤等方法能去除以直接，使酶恢复活性。可逆性抑制可分为2类。1.竞争性抑制抑制剂和底物的结构相似，可与底物竞争同一酶的活性中心，从而阻碍酶与底物结合形成中间产物，酶促反应速度减慢，这种抑制作用称竞争性抑制。其反应过程如下：+IEIE+SE+PESIS2.非竞争性抑制抑制剂与底物的结构不相似，不影响酶与底物结合，而是与酶的活性中心以外的必需基团结合，底物与抑制剂之间无竞争关系。这种抑制作用称为非竞争性抑制。抑制作用的强弱仅取决于抑制剂的浓度，增加底物浓度不能解除抑制。第三节酶的分类、命名及其在医学上的应用一、酶的分类与命名（一）酶的分类根据国际酶学委员会（IEC）的规定，按照酶促反应性质酶可分为6大类：1．氧化还原酶类2．转移酶类3．水解酶类4．裂解酶类5．异构酶类6．合成酶类（或连接酶类）（二）酶的命名1.习惯命名法2.系统命名法二、酶在医学上的应用（一）酶与疾病的发生1.遗传性疾病至今已发现数千种先天性代谢病是由于遗传性酶缺陷引起的。如酪氨酸酶缺乏会引起白化病。2.中毒性疾病酶活性受抑制也将引起疾病。如有机磷农药中毒是由于胆碱酯酶活性受抑制所致；氰化物中毒是由于细胞色素氧化酶受抑制所致。（二）酶与疾病的诊断许多组织器官的病变能引起血液等体液中酶活性的改变，临床上常通过测定血中某些酶的活性来协助对疾病的诊断。引起血中酶活性改变的常见原因有：1．某些组织器官受损造成细胞破坏或细胞膜通透性增高，使细胞内某些酶大量释放入血。如急性肝炎时，血清丙氨酸氨基转移酶活性升高；急性胰腺炎时，血清和尿中淀粉酶活性升高。2．细胞的转换率或细胞的增殖增快使其特异的标志性酶释放入血。如前列腺癌患者血中酸性磷酸酶活性增加。3.酶的合成增加或清除受阻。如佝偻病患者，成骨细胞活性增强，合成碱性磷酸酶增加；肝硬化时血清碱性磷酸酶不能及时清除，胆管阻塞时该酶不能及时排泄，均引起血清中该酶活性增高。4．酶的合成障碍或活性受抑制。如肝功能严重受损时，凝血酶原、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ等凝血因子合成减少，血中的含量降低；有机磷酸农药中毒时，红细胞中胆碱酯酶活性降低。第四节维生素维生素是维持机体正常生理功能所必需，但在体内不能合成或合成量不足，必须由食物供给的一类低分子有机化合物。脂溶性维生素维生素水溶性维生素一、脂溶性维生素1．维生素A又称为抗干眼病维生素。维生素A的生理作用主要是构成视网膜的感光物质、维持上皮细胞的完整、促进生长和发育等。维生素A缺乏可致夜盲症、干眼病，儿童可出现生长停顿、骨骼成长不良和发育受阻。2．维生素D又称抗佝偻病维生素。维生素D主要生理作用是促进小肠对钙、磷的吸收，提高血钙、血磷的浓度，有利于新骨的生成和钙化。维生素D3缺乏时，儿童发生佝偻病，成人特别是孕妇、乳母易发生骨软化症。一、脂溶性维生素3．维生素E又称为生育酚。主要的生理作用具有抗氧化、动物生殖及血红素合成有关。临床上常用维生素E治疗习惯性流产和先兆流产。4．维生素K又称凝血维生素。维生素K的主要生理作用是可以促进肝脏合成多种凝血因子，因而促进血液凝固，缺乏维生素K时，凝血时间延长，严重时发生皮下、肌肉和胃肠道出血。二、水溶性维生素B族维生素的共同特点是多在自然界中共存，酵母和肝脏较多；作为酶的辅基而发挥其调节物质代谢作用；主要有：硫胺素、硫辛酸、生物素、泛酸、维生素B2、维生素PP、维生素B6、叶酸和维生素B12。辅酶或辅基所含维生素主要功能结合酶举例焦磷酸硫胺素（TPP）维生素B1脱羧α－酮酸氧化脱氢酶系黄素单核苷酸（FMN）维生素B2递氢黄酶黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)维生素B2递氢琥珀酸脱氢酶尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）维生素PP递氢乳酸脱氢酶尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）维生素PP递氢6－磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸吡哆醛、磷酸吡多胺维生素B6转移氨基丙氨酸氨基转移酶辅酶A(HS－CoA)泛酸转移酰基酰基转移酶四氢叶酸（FH4）叶酸转移一碳单位一碳单位转移酶甲基钴胺素维生素B12转移甲基N5－甲基四氢叶酸转移酶表3－1含B族维生素的辅酶或辅基在酶催化中的作用4．维素素C又名抗坏血酸，植物组织中含有抗坏血酸氧化酶，能将维生素C氧化而失活。故食物贮存过久，维生素C会大量破坏。维生素C能可逆地脱氢和加氢，在体内氧化还原反应中发挥重要的作用，主要生理作用：①参与羟化反应；②肝的生物转化作用，与药物、毒物、激素等转化有关；③参与氧化还原反应。练习题选择题1.酶的活性中心是指（）A.结合抑制剂使酶活性降低或丧失的部位B.结合底物并催化其转变为产物的部位C.结合别构剂并调节酶活性的部位D.结合激动剂使酶活性增高的部位2.酶的辅酶是（）A.与酶蛋白结合紧密的金属离子B.分子结构中不含维生素的小分子有机化合物C.在催化反应中不与酶的活性中心结合D.在反应中作为底物传递质子,电子或其它基团3.关于同工酶（）A.它们催化相同的化学反应B.它们的分子结构相同C.它们的理化性质相同D.它们催化不同的化学反应4.有关酶与温度的关系,错误的叙述是（）A.最适温度不是酶的特性常数B.酶是蛋白质,即使反应的时间很短也不能提高反应温度C.酶制剂应在低温下保存D.酶的最适温度与反应时间有关5.磺胺类药物的类似物是:（）A.四氢叶酸B.二氢叶酸C.对氨基苯甲酸D.叶酸6.哺乳动物有几种乳酸脱氢酶同工酶?（）A.2种B.3种C.4种D.5种7.作为辅助因子的金属离子不起作用的是（）A.作为活性中心的必需基团，参与催化反应B.作为抑制剂