Chapter3Enzymes–Kineticsandspecificity

酶：反應動力學及其專一性酶的作用是降低生物化學反應的活化能絕大多數酶是蛋白質Chapter3Enzymes–Kineti1EnzymeinchemicalreactionsEnzymesprovidecellswiththeabilitytoexertkineticcontroloverthermody-namicpotentiality,andcatalyzereactionstoproceedatreasonablespeedsinthelivingsystems(酶在生命體中的作用是控制化學反應速度)Enzymeinchemicalreactions2Enzymes:thedistinctivefeatures（酶反應的特點）

Catalyticpower：高效率

Specificity：高度專一性或特異性

Regulation：酶的活力具有可調節性

Isoenzyme:同工酶：不同分子結構但具有同種催化功能的一組酶。如乳酸脫氫酶(LDH)。Enzymes:thedistinctivefeatu3酶的作用機制酶的作用機制4酶的分類Basedoncatalyzedreactions,thenomenclaturecommitteeoftheInternationalUnionofBiochemistryandMolecularBiology(IUBMB)recommendedthefollowingclassification：1.Oxidoreductases（氧化還原酶）catalyzeavarietyofoxidation-reductionreactions.

Commonnamesincludedehydrogenase,oxidase,reductaseandcatalase（過氧化氫酶）.Transferases（轉移酶）catalyzetransfersofgroups(acetyl,methyl,phosphate,etc.).

Commonnamesincludeacetyltransferase,methylase,proteinkinaseandpolymerase.酶的分類Basedoncatalyzedreactio53.Hydrolases（水解酶）catalyzehydrolysisreactionswhereamoleculeissplitintotwoormoresmallermoleculesbytheadditionofwater.

Includingproteases,nucleasesandphosphatase,etc4.Lyases（裂解酶）catalyzethecleavageofC-C,C-O,C-SandC-Nbondsbymeansotherthanhydrolysisoroxidation.

Commonnamesincludedecarboxylaseandaldolase（醛縮酶）.5.Isomerases（異構酶）catalyzeatomicrearrangementswithinamolecule.

Examplesincluderotamase（旋轉異構酶

）,proteindisulfideisomerase(PDI),epimerase（差向異構酶）andracemase（消旋酶）.6.Ligases（連接酶）catalyzethereactionwhichjoinstwomolecules.

Examplesincludepeptidesynthase,DNAligaseandRNAligase.3.Hydrolases（水解酶）catalyzehyd6Enzymenomenclature（酶的命名）Traditionalnames（經典命名）phosphatase;urease;catalase;trypsin;pepsin;chymotrypsin;phospholipase;etcSystematicnomenclature（系統命名）EC(EnzymeCommission)number：

CatalaseEC1.11.1.6

Coenzyme（輔酶）Someenzymescontainnon-proteincomponentsfortheirenzymaticfunctions,whicharerefertoascoenzyme很多酶含有非蛋白部分，通常為活性中心，這類酶為結合酶，非蛋白部分稱為輔酶。CoenzymesandcofactorsprovideproteinswithchemicallyversatilefunctionsnotfoundinAAsidechains.Apoproteinandapoenzyme（脫輔基酶）Enzymenomenclature（酶的命名）7Kineticsofenzyme-catalyzedreactions酶催化反應動力學Thesaturatedcurveindicatesthatanenzymeinteractedwithitssubstratebybindingit酶催化反應的動力學特征表明：酶與底物通過結合而起作用底物產物enzymeKineticsofenzyme-catalyzedr8TheMichaelis-MentenEquation（米氏方程）E+SESE+Pk1k-1k2酶-底物復合物TheMichaelis-MentenEquation（9TheMichaelis-MentenEquation（底物過量）（酶的結合位點飽和）（米氏常數：與結合常數有關）TheMichaelis-MentenEquation（10Enzymeunits（酶的國際單位）Oneinternationalunitofenzymeistheamountthatcatalyzestheformationofonemicromoleofproductinoneminute.每分鐘催化一毫摩爾產物生成的酶量。Enzymeunits（酶的國際單位）11LinearplotsoftheMichaelis-MentenEquation實驗測定米氏常數（雙倒數法）LinearplotsoftheMichaelis-12Typesofenzymeinhibition（酶抑制的各種方式）Reversibleinhibition（可逆抑制）Competitive（競爭性抑制）：抑制劑和底物競爭活性中心Non-competitive:pureandmixed（非競爭性抑制）：抑制劑不與活性中心結合，但影響酶-底物的親和性。Irreversibleinhibition（不可逆抑制）：共價修飾Enzymeinhibitor（酶抑制劑）Typesofenzymeinhibition（酶抑制13Competitive（競爭性抑制）Non-competitive（非競爭性抑制）E+S

→

ES

→

E+P++

I

I↓↓EI

+

S

→EIS

←

↑

↑E+S

→

ES

→

E+P+

I↓EI

←

↑Competitive（競爭性抑制）Non-competit14●

Sulfadrug(anti-inflammation抗炎藥物)Pseudosubstrate（類底物）competitiveinhibitor●

Protease

inhibitor（蛋白酶抑制劑）

●

HIVproteaseiscriticaltolifecycleofHIVprotease

inhibitorisusedtotreatAIDS（蛋白酶抑制劑用于治療AIDS）Enzymeinhibitorareextensivelyusedasremedies很多酶抑制劑都是藥物●Sulfadrug(anti-inflammatio15蛋白質分子的結合動力學

（血紅蛋白Hb和肌紅蛋白Mb）Hemoglobin(血紅蛋白Hb)andmyoglobin(肌紅蛋白Mb)aretheoxygen-carriersforaerobicmetabolism（有氧代謝）血紅蛋白Hb和肌紅蛋白Mb是目前研究最為全面的蛋白質。Mb：FW17000（單鏈）Hb:FW64000（四聚體；α2β2）二級結構均以α-螺旋為主。蛋白質分子的結合動力學

（血紅蛋白Hb和肌紅蛋白Mb）16Hb和Mb的載氧動力學曲線ThebindingcurvesofO2forHbandMbHb和Mb的載氧動力學曲線Thebindingcurv17TheMbmonomerTheHbtetramerHeme（血紅素）TheMbmonomerTheHbtetramerH18ThestructuraldiagramofhemeandO2binding血紅素如何與氧結合？Thestructuraldiagramofheme19NotonlyO2canbindtohemeWhyisCOtoxic?（一氧化碳的毒性機制）Highaffinity（高親和性）Lowaffinity（低親和性）FreehemeProteinboundhemeNotonlyO2canbindtohemeHi20Thepositionofironionofheme血紅素中的鐵離子Thepositionofironionofhe21ThepolypeptidechainsoccurredinHbandMb血紅蛋白和肌紅蛋白的外觀構象Thepolypeptidechainsoccurre22ContacteachotherContactwithothersubunitSubunitmotionduringO2bindingHb載氧過程中的構象變化TstateRstateContacteachotherSubunitmoti23H+promotesthedissociationofO2fromHb氫離子可促進氧分子從Hb分子中解離Bohreffect HbO2+H+ HbH++O2H+promotesthedissociationo24CO2alsopromotesthedissociationofO2fromHb二氧化碳也可以促進氧分子從Hb中解離CO2+H2O H2CO3 H++HCO3-CarbonicanhydraseCO2alsopromotesthedissocia25FetalHb,withγchaininsteadofβchain,hasahigheraffinityForO2duetotheloweraffinityforBPG嬰兒Hb的結構為α2γ2，具有更強的載氧能力

FetalHb,withγchaininstead26 蛋白質構象相關疾病Sickle-cellanemia（鐮刀形紅細胞貧血）Sickle-cellanemiaisamoleculardisease（分子疾?。￤hatisthedifferencebetweenHbSandHbA？HowdoesHbSinduceredcellintoasickleshape? 蛋白質構象相關疾病27Genemutation（基因突變）導致Hb中β鏈氨基酸序列改變：Glu6ValGenemutation28蛋白質構象相關疾病

Proteinamyloidfibrillation蛋白質構象相關疾病

Proteinamyloidfibr29Areallenzymesproteins?

并不是所有酶都是蛋白質

Ribozyme（核酶）

Antibody（Abzyme）

Areallenzymesproteins?

并不是所30 與消化有關的酶

胃酶：胃蛋白酶，由胃黏膜內的腺體細胞分泌。與同時分泌的鹽酸和黏液組成胃液。（為什么胃液不會消化自身組織？）

胰酶：由胰腺分泌的胰液中含有碳酸氫鈉、胰蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶等。胰液通過胰腺管排入十二指腸，有中和胃酸、消化蛋白質、脂肪和糖的作用。

與消化有關的酶

胃酶：胃蛋白酶，由胃黏膜內的腺體細胞分31

蛋白質分子的結合動力學

蛋白質（P）與配體（L）的結合平衡：

結合常數

解離常數

蛋白質分子的結合動力學

蛋白質（P）與配體（L）的結合32定義：平均結合數（Averagenumberofligandmoleculesboundtoeachprotein）Singlebindingsite,oneligandspecies:定義：平均結合數（Averagenumberoflig33蛋白質-配體結合曲線上述曲線可變換為線性方程Scatchardplot：蛋白質-配體結合曲線上述曲線可變換為線性方程34維生素(vitamins)人類必需的一類營養素。是維持機體正常生理功能所必需、機體自身又不能合成或合成量不足，必需靠外界供給的一類微量低分子有機化合物。

維生素(vitamins)35依據溶解性：水溶性：VB族；VC脂溶性：VA；VD；VE；VK功能：水溶性—輔酶：參與酶催化反應中底物基團的轉移脂溶性—調控生物機能

維生素的分類依據溶解性：維生素的分類36B族維生素B族維生素都是水溶性維生素，它們協同作用，調節新陳代謝，維持皮膚和肌肉的健康，增進免疫系統和神經系統的功能，促進細胞生長和分裂（包括促進紅血球的產生，預防貧血發生）。其中維生素B1、B6和B12有助保護神經組織細胞，維生素B2具有抗氧化作用。B族維生素B族維生素都是水溶性維生素，它們協同作用，調節新陳37維生素名稱一般使用的化學名其他常用別稱及說明維生素B1硫胺維生素B2核黃素維生素G維生素B3煙酸維生素PP、煙堿酸、尼古丁酸維生素B5泛酸遍多酸維生素B6吡哆醇類包括吡哆醇、吡哆醛及吡哆胺維生素B7生物素維生素H、輔酶R維生素B9蝶酰谷氨酸葉酸、維生素M、葉精維生素B12鈷胺素氰鈷胺、輔酶B12

人類必需的B族維生素維生素名稱一般使用的化學名其他常用別稱及說明維生素B1硫胺維38維生素B1存在方式功能缺乏：腳氣?。幌涣迹ㄒ种颇憠A酯酶）多存在于種籽皮、瘦肉、蔬菜中維生素B1存在方式功能缺乏：腳氣??；消化不良（抑制膽堿酯酶）39維生素B2（核黃素）存在方式功能：脫氫酶輔酶，傳遞H缺乏：舌炎、眼球充血等癥狀廣泛存在于酵母、肝、腎、蛋、奶、大豆中維生素B2（核黃素）存在方式功能：缺乏：舌炎、眼球充血等癥狀40維生素B3（煙酰胺）煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（輔酶I）NAD+煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（輔酶Ⅱ）NADP+維生素B3（煙酰胺）煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（輔酶I）NAD41維生素B5（泛酸）化學結構存在方式輔酶A（CoA~SH）巰基乙胺磷酸二酯鍵泛酸功能酰基轉移酶輔酶，傳遞?；谥惻c糖類代謝中起重要的作用輔酶A作為藥物應用廣泛維生素B5（泛酸）化學結構存在方式巰基乙胺磷酸二酯鍵泛酸功能42NCH2O—CHOHOH3CP（磷酸吡哆醛，PLP）吡哆醇吡哆醇氧化酶吡哆醛吡哆胺吡哆胺轉氨酶ATPADP磷酸吡哆醇磷酸吡哆醇氧化酶磷酸吡哆醛磷酸吡哆胺轉氨酶磷酸吡哆胺ATPADP激酶ATPADP維生素B6NCH2O—CHOHOH3CP（磷酸吡哆醛，PLP）吡哆醇吡43VB6的功能：作為輔酶參加多種代謝反應，包括脫羧、轉氨、氨基酸內消旋、Trp代謝、含硫氨基酸的脫硫、羥基氨基酸的代謝和氨基酸的脫水等。VB6的功能：作為輔酶參加多種代謝反應，包括脫羧、轉氨、氨基44維生素B7（Biotin生物素）功能：生物素是多種羧化酶的輔酶，在CO2固定反應中起重要作用。維生素B7（Biotin生物素）功能：生物素是多種羧化酶的45Biotinylation（生物素化）Biotinylationistheprocessofcovalentlyattachingbiotintoaprotein,nucleicacidorothermolecule.生物素對蛋白質的修飾Biotinylation（生物素化）Biotinylat46生物素－親合素系統

Biotin-AvidinSystem，BAS）Thedissociationconstantofavidin-biotinismeasuredtobeKd≈10?15M,makingitoneofthestrongestknownnon-covalentbonds.生物素能夠與親和素特異性結合，解離常數Kd≈10?15M，具有很高的親和性。Avidin;親合素生物素－親合素系統

Biotin-AvidinSystem47

鏈霉親合素(Streptavidin，SA)

鏈霉親合素是與親合素有類似生物學特性的一種蛋白質。是由Streptomycesavidin菌在培養過程中分泌的一種蛋白質產物，SA分子量為65000，由4條序列相同的肽鏈構成，每條SA肽鏈可以結合1個生物素分子。 鏈霉親合素(Streptavidin，SA)48葉酸作為重要的一碳載體，在核苷酸合成，半胱氨酸甲基化等諸多重要生理代謝功能方面有重要作用。葉酸在快速的細胞分裂和生長過程（如嬰兒發育、懷孕）中有尤其重要的作用。葉酸能促進骨髓中的幼細胞發育成熟形成正常形態的紅細胞，從而避免貧血。蔬菜中含有足量葉酸滿足人體需要，但孕婦有可能需要補充葉酸。維生素B9（Folicacid;葉酸）

葉酸作為重要的一碳載體，在核苷酸合成，半胱氨酸甲基49四氫葉酸（Tetrahydrofolicacid）是葉酸的一種還原型衍生物，由二氫葉酸還原酶還原二氫葉酸得到的一種輔酶。這種輔酶在轉移一碳化合物的過程中起重要作用。四氫葉酸（Tetrahydrofolicacid）是葉酸50含一個碳原子的基團葉酸的功能：傳遞一碳單位酶的輔酶葉酸參與嘌呤、嘧啶的合成，間接影響蛋白質合成。磺胺類藥物可競爭性地抑制細菌葉酸的合成，導致繁殖中斷。含一個碳原子的基團葉酸的功能：葉酸參與嘌呤、嘧啶的合成，間接51維生素B12

(鈷胺素；cyanocobalamine)

維生素B12

(鈷胺素；cyanocobalamine)

52VB12的功能：1.促進某些化合物的異構作用。2.

促進甲基轉移作用。3.

維持SH的還原型狀態。4.

促進核酸和蛋白質的生物合成。5.

維持造血機構的正常運轉。6.

促進上皮組織細胞的新生。VB12的功能：1.促進某些化合物的異構作用。2.促進甲基534.

髓磷脂的生物合成減少，損害神經系統。VB12缺乏癥：1.兒童及幼齡動物發育不良。2.消化道上皮組織細胞失常。3.造血器官功能失常，導致惡性貧血。4.髓磷脂的生物合成減少，損害神經系統。VB12缺乏癥：54維生素C（Ascorbicacid;抗壞血酸）是一種天然存在的具有抗氧化性質的有機化合物，衍生于葡萄糖，純凈的抗壞血酸是白色固體，但有些雜質的樣品會帶點微黃色?？箟难嵋兹苡谒纬奢p度酸性的溶液?？箟难岬拇?酮互變異構維生素C（Ascorbicacid;抗壞血酸）是一種天然55抗壞血酸的功能：屬于高效抗氧化劑，保護細胞膜；氫傳遞體；脯氨酸羥基化酶的輔酶；一些酶的激活劑?？箟难嶙鳛闅涞膫鬟f體抗壞血酸的功能：抗壞血酸作為氫的傳遞體56VC的藥用用途人類自身不能合成抗壞血酸，需要從飲食中獲取。參加體內的氨基酸代謝，能夠增加肌體對抗病的能力，降低毛細血管的通透性，加速血液凝固，促進鐵在腸內的吸收，促進膽固醇的轉化，使血脂下降。常用于各種急、慢性感染性疾病，如過敏性皮膚病、紫癜、濕疹、尋麻疹、帶狀皰疹，急慢性肝炎、肝硬化等肝功能損壞，還可促進傷口的愈合以及高血脂、癌癥、感冒的輔助治療。VC的藥用用途人類自身不能合成抗壞血酸，需要從飲食中獲取。57維生素C的治療作用：在白細胞中協助噬食細菌、病毒及毒素，維持免疫系統

在腎上腺中制造腎上腺素，應付危機在晶狀體中保持晶狀體的透明，防止白內障及青光眼

在大腦及神經系統中維持思想及控制肌肉的工作在表皮層中更新皮膚

在睪丸中維持精子的運動能力在肝臟中排除有機及無機毒素在肺臟中防止病毒感染的肺炎維生素C的治療作用：58關于維生素C的歷史遠古時代的時候就已知要攝取新鮮蔬菜或是生的動物肉類能夠預防疾病。1536年，法國探險家雅克·卡蒂亞，探索圣羅倫斯河的時候，用當地原住民的知識，他將煮沸的水加入針葉喬木的樹葉作茶，以挽救他的人免死于壞血病。后來發現該茶中每100克含有50毫克的維生素C。外科醫生約翰·伍德爾，在1617年向英國東印度公司推薦能夠預防和治療壞血病用的檸檬汁。荷蘭作家JohannBachstrom在1734年提出：“壞血病是純粹由于完全禁食新鮮的蔬菜和食品，這是單獨的主要病因?！?970年，著名化學家鮑林的《維生素C與感冒》出版，聲稱維持健康所需要的維生素和其它營養素因人而異，差別懸殊，許多人的需要量遠比日供給量大得多。一般人每日口服維生素C1克，感冒的發病率可以下降近一半，有些人的需要量更大達4克。

關于維生素C的歷史59脂溶性維生素維生素A（視黃醇）;維生素D;維生素E（生育酚）;維生素K脂溶性維生素維生素A（視黃醇）;60弱光存在形式：視紫紅質（含視黃醛的糖蛋白）棒狀細胞細胞膜上視紫紅質的電腦模擬圖視黃醛功能

暗視野下感光視紫紅質全反式視黃醛全反型維生素A11-順型視黃醛視蛋白暗處NADH+E111-順型維生素ANADH+E1E2E2視黃醛異構酶缺乏：夜盲癥、影響發育等E1醇脫氫酶弱光存在形式：視紫紅質（含視黃醛的糖蛋白）棒狀細胞細胞膜上61維生素A的食物來源：肝、胡蘿卜、