北京化工大学 870《生物化学综合》考研复习资料 · 第二册

酶学与维生素辅酶

开篇：为什么这两章要放在一起

酶和维生素在教材里是两章，在考试里是一体。理由是：水溶性维生素的绝大多数功能，是作为辅酶或辅基参与酶促反应。B₁ 是 TPP，参与脱羧；B₂ 是 FMN/FAD，递氢；PP 是 NAD⁺/NADP⁺，递氢；B₆ 是磷酸吡哆醛，转氨；泛酸是 CoA， carried 酰基；生物素是羧化酶的辅基；叶酸是 THF，传一碳单位；B₁₂ 是甲基转移的辅酶。

所以第二册的结构是：先用一整章把酶的催化逻辑讲透（这是全书最需要理解的一章），再把维生素作为"辅酶清单"装进去。两章合起来的分数在 870 里约 42 分，是单册里权重最高的。

学习顺序上的建议：先酶，后维生素。反过来学会变成死记一张对照表，考场上稍微换个问法就答不出来。比如 2020 年有一道选择题问"哪种维生素缺乏会导致丙酮酸堆积"，答案要经过"PDH 复合体需要 TPP → TPP 来自 B₁ → B₁ 缺乏"这条链，只背"B₁ 缺乏得脚气病"是答不出来的。

第 3 章 酶

本章知识骨架

酶├── 基本概念│   ├── 定义：生物催化剂，绝大多数是蛋白质，少数是 RNA│   ├── 催化特点（高效、专一、温和、可调）│   ├── 命名与 EC 分类（六大类）│   └── 酶与一般催化剂的异同├── 酶活力│   ├── 单位：U、IU、kat│   ├── 比活力、转换数（kcat）│   └── 测定方法（初速度法、终点法、偶联法）├── 酶的组成│   ├── 单纯酶 / 结合酶（全酶 = 酶蛋白 + 辅因子）│   ├── 辅酶（松散结合）/ 辅基（共价结合）│   └── 金属酶 / 金属激活酶├── 酶促反应动力学 ★★★│   ├── 米氏方程推导（稳态假设）│   ├── Km、Vmax、kcat/Km 的意义│   ├── 双倒数作图（Lineweaver-Burk）│   ├── 抑制作用四种类型的判别 ★★★│   └── pH、温度、激活剂的影响├── 酶的结构与催化机制│   ├── 活性中心（结合部位 + 催化部位）、必需基团│   ├── 诱导契合、过渡态稳定│   ├── 六大催化机制（酸碱、共价、邻近定向、张力、微环境、金属离子）│   └── 实例：丝氨酸蛋白酶、溶菌酶、羧肽酶 A├── 酶的调节│   ├── 别构调节（齐变/序变模型、Hill 系数）│   ├── 共价修饰（磷酸化/去磷酸化）│   ├── 酶原激活（级联放大）│   ├── 同工酶、多酶复合体、酶的区域化│   └── 酶合成的诱导与阻遏└── 特殊酶与应用    ├── 核酶、抗体酶、杂化酶、人工酶    ├── 固定化酶、酶工程    └── 酶在工业、医药、分析中的应用

3.1 酶的基本概念

3.1.1 定义与本质

酶（enzyme） 是由活细胞产生的、具有催化活性和高度专一性的生物催化剂。

关于"酶是蛋白质"这个命题，要加两条限定：

1. 绝大多数酶是蛋白质，但少数 RNA 具有催化活性（核酶），所以"所有酶都是蛋白质"是错的，"酶都是蛋白质"在 1982 年以前是对的，现在是错的。这是判断题的经典陷阱。
2. 有些酶是糖蛋白、脂蛋白、金属蛋白（结合酶），其催化活性依赖非蛋白部分。

酶与一般催化剂的共同点：只加速反应，不改变反应的平衡点；反应前后自身不被消耗；微量即可显著加速；通过降低反应活化能来加速反应。

酶的催化特点（四点，必背）

（1）高效性。酶的催化效率比非催化反应高 10⁸—10²⁰ 倍，比一般催化剂高 10⁷—10¹³ 倍。典型例子：过氧化氢酶催化 H₂O₂ 分解的速率是 Fe²⁺ 催化的 10⁷ 倍，一个酶分子每秒可分解 10⁷ 个 H₂O₂ 分子。原因：酶通过多种机制（邻近定向、酸碱催化、共价催化、过渡态稳定）协同降低活化能，且活性中心提供了非水环境。

（2）专一性（特异性）。一种酶只催化一种或一类底物的反应。分三种：

• ‎绝对专一性：只催化一种底物，如脲酶只水解尿素，不水解甲基尿素。
• ‎相对专一性：催化一类结构相似的底物。又分键专一性（只认化学键，如酯酶水解各种酯）和基团专一性（认键和邻近基团，如胰蛋白酶只切 Lys/Arg 的羧基侧肽键）。
• ‎立体异构专一性：只作用于特定构型的底物。包括旋光异构专一性（L-乳酸脱氢酶只作用于 L-乳酸）和几何异构专一性（延胡索酸酶只作用于反丁烯二酸，不作用于顺丁烯二酸）。

专一性的机制：活性中心与底物在形状、电荷分布、疏水性质上的互补，加上诱导契合带来的精准定位。

（3）反应条件温和。常温、常压、近中性 pH 的水溶液中即可高效催化高温高压才能进行的反应。这是酶在工业和食品中应用的基础，也是酶容易失活的原因。

（4）可调控性。酶的活性、含量、定位都受调控：别构调节、共价修饰、酶原激活、诱导与阻遏、区域化分布、降解速率。这使细胞代谢能精确响应环境变化。

3.1.2 命名与分类

习惯命名法：底物 + 反应类型 + "酶"，如乳酸脱氢酶、淀粉酶、脲酶。缺点：一酶多名、一名多酶。

系统命名法：底物1:底物2 + 反应类型 + 酶，如 L-乳酸:NAD⁺ 氧化还原酶。严谨但冗长，多用于正式文献。

EC 分类（国际酶学委员会，六大类）

注意区分（选择题常考）：

• ‎合成酶（ligase/synthetase） 与 合酶（synthase）：前者需要 ATP，归 EC 6；后者不需要 ATP（如柠檬酸合酶、脂肪酸合酶），归 EC 4 的逆反应或 EC 2。
• ‎激酶（kinase）：转移磷酸基，归 EC 2（转移酶），不是 EC 6。
• ‎磷酸化酶（phosphorylase）：用无机磷酸切断糖苷键，归 EC 2（转移酶），不是水解酶。
• ‎变位酶（mutase）：分子内转移磷酸基，归 EC 5（异构酶）。
• ‎异构酶与变位酶：变位酶是异构酶的一个亚类。
• ‎延胡索酸酶：催化加水/脱水，属裂合酶，不是水解酶。

3.1.3 酶活力

酶活力（enzyme activity）：酶催化化学反应的能力，用在一定条件下单位时间内催化底物转化的量（或产物生成的量）来表示。

活力单位

比活力（specific activity）：每毫克蛋白质所含的活力单位数，单位 U/mg。比活力是酶纯度的指标——纯化过程中比活力不断升高，达到恒定值时说明酶已纯化到恒定纯度。

转换数（turnover number，kcat）：每分子酶（或每个活性中心）在单位时间内催化底物转化的分子数，单位 s⁻¹。kcat = Vmax/[E]t（当酶全部被底物饱和时）。碳酸酐酶的 kcat 约 6×10⁵ s⁻¹，是已知最快的酶之一；溶菌酶约 0.5 s⁻¹。

kcat/Km（催化效率常数）：衡量酶对底物的"完美程度"。当 [S] << Km 时，反应速度 v = (kcat/Km)[E][S]，所以 kcat/Km 相当于二级速率常数。其上限受扩散限制，约 10⁸—10⁹ M⁻¹s⁻¹（"催化完美酶"）。超氧化物歧化酶、乙酰胆碱酯酶、碳酸酐酶接近这个极限。

活力测定方法

• ‎初速度法：测定反应初期（底物消耗 < 5%）的速度，此时 [S] 近似不变，速率恒定。这是测酶活力的标准方法。
• ‎终点法：让反应进行完全，测底物总消耗或产物总量。
• ‎偶联法：用辅助酶把产物转化成可检测的物质，如己糖激酶偶联 6-磷酸葡萄糖脱氢酶，测 NADPH 的生成（340 nm 吸光增加）。
• ‎检测手段：分光光度法（NADH 在 340 nm 有吸收）、荧光法、电化学法、放射性同位素法、pH 滴定法。

测定时的注意事项：必须有空白对照（不加酶或加失活酶）；必须保证底物过量、辅因子充足；必须控制温度和 pH；必须在线性范围内取点。

3.2 酶的组成与辅因子

3.2.1 单纯酶与结合酶

单纯酶（simple enzyme）：只由氨基酸组成，不含非蛋白部分。如脲酶、核糖核酸酶、淀粉酶、胃蛋白酶。

结合酶（conjugated enzyme）：由酶蛋白（apoenzyme）和非蛋白部分（辅因子 cofactor）组成，两者结合成全酶（holoenzyme）才有活性。

关系式：全酶 = 酶蛋白 + 辅因子。酶蛋白单独无活性，辅因子单独无活性（或活性极低），只有结合成全酶才具催化功能。

分工：酶蛋白决定反应的专一性和高效性（决定结合哪种底物、催化什么反应）；辅因子参与电子、原子或基团的转移（决定反应类型）。

3.2.2 辅酶与辅基

注意：这个划分不是绝对的。同一种辅因子在不同酶中的结合方式可能不同（如 TPP 在丙酮酸脱氢酶中是辅基，在转酮醇酶中较松散）。考试时按"能否透析除去"判断。

3.2.3 金属酶与金属激活酶

金属离子的作用：作为 Lewis 酸接受电子、桥接酶与底物、中和负电荷、稳定过渡态、传递电子（变价金属）。

3.2.4 辅因子总表（与第四册维生素章呼应）

这张表是第二册和第三册的连接点。第三册讲呼吸链、糖代谢时，会反复回头查它。

3.3 酶促反应动力学

这一节是 870 最需要"会用"的部分。判断、选择、简答、计算都可能出，而且一旦考计算题，就是送分的或者致命的。

3.3.1 底物浓度对反应速度的影响

实验现象：固定酶浓度，逐渐增加底物浓度，测初速度 v，得到一条矩形双曲线：

• [S] 很低时，v 与 [S] 成正比（一级反应）。
• [S] 升高，v 的增加变缓（混合级反应）。
• [S] 很高时，v 趋于最大值 Vmax，不再随 [S] 增加（零级反应）。此时酶被底物饱和，所有活性中心都结合了底物。

为什么是双曲线而不是直线：因为酶与底物先形成酶-底物复合物（ES），这是一个可逆的结合过程；只有 ES 转化成产物才是催化的步骤。当底物充足时，所有酶都以 ES 形式存在，速度达到上限。

3.3.2 米氏方程的推导

反应式

E + S ⇌(k₁, k₋₁) ES →(k₂) E + P

其中 k₁ 是 ES 形成速率常数，k₋₁ 是 ES 解离速率常数，k₂ 是 ES 转化为产物的催化常数（即 kcat）。

两个假设

1. ‎[S] >> [E]，所以 [S] 在反应初期基本不变，可以用初始浓度代替。
2. ‎稳态假设（Briggs-Haldane）：反应开始后很短时间，ES 的浓度达到稳态，即 ES 的生成速率等于消耗速率：

d[ES]/dt = k₁[E][S] - k₋₁[ES] - k₂[ES] = 0

推导

由稳态：k₁[E][S] = (k₋₁ + k₂)[ES]

令 Km = (k₋₁ + k₂)/k₁，则：

[E][S] = Km[ES]，即 [ES] = [E][S]/Km

由质量守恒：[E]t = [E] + [ES]（[E]t 是总酶浓度，[E] 是游离酶浓度）

代入：[E]t = [ES]·Km/[S] + [ES] = [ES](Km/[S] + 1)

所以 [ES] = [E]t[S]/(Km + [S])

反应速度 v = k₂[ES] = k₂[E]t[S]/(Km + [S])

当 [S] → ∞ 时，v → Vmax = k₂[E]t

于是得到米氏方程：

推导的意义：米氏方程把"酶被底物饱和"这个定性现象，变成了一个可以定量预测的公式。考试的简答题如果问"推导米氏方程"，必须写出两个假设、稳态等式、Km 的定义、质量守恒、最后结果。

3.3.3 Km 与 Vmax 的意义

Km（米氏常数）

1. ‎Km 是反应速度达到 Vmax 一半时的底物浓度。这是 Km 的操作定义，也是作图求 Km 的依据：在 v-V 曲线上找 v = Vmax/2 对应的 [S]。
2. ‎Km 的单位是浓度单位（mol/L 或 mmol/L），因为它是 [S] 的值。
3. ‎Km 是酶的特征常数，与酶的浓度无关（这是判断题高频点：Km 不随酶浓度变化，Vmax 随酶浓度成正比变化）。
4. ‎Km 反映酶与底物的亲和力：Km 越小，达到半饱和所需的底物浓度越低，亲和力越大。所以 Km 是亲和力的倒数指标。
5. ‎Km 可以判断底物和抑制剂的性质、判断反应方向（正逆反应的 Km 不同）、判断代谢途径中的限速步骤（Km 大的酶在低底物浓度下活性低）。
6. ‎Km 与 kcat 的关系：Km = (k₋₁ + k₂)/k₁。当 k₂ << k₋₁ 时，Km ≈ k₋₁/k₁ = Ks（ES 的解离常数），此时 Km 真正反映亲和力。当 k₂ 不可忽略时，Km 大于真实的 Ks，此时 Km 不是纯粹的亲和力指标。

Vmax

1. Vmax = kcat[E]t，与酶的总浓度成正比。
2. Vmax 是理论最大值，实际达不到（需要无限大的底物浓度）。
3. Vmax 的单位是速度单位（mol/(L·s) 或 μmol/min）。

常见陷阱：Km 会随酶浓度改变吗？不会。Vmax 会随底物浓度改变吗？不会（Vmax 是 [S]→∞ 的极限）。Vmax 会随酶浓度改变吗？会，成正比。

3.3.4 双倒数作图（Lineweaver-Burk 作图）

把米氏方程取倒数：

这是 y = ax + b 的形式：

• y 轴截距 = 1/Vmax
• x 轴截距 = -1/Km
• 斜率 = Km/Vmax

优点：把双曲线变成直线，容易外推求 Km 和 Vmax（尤其是底物溶解度有限、达不到饱和浓度时）。缺点：低底物浓度（1/[S] 大）的数据点误差被放大，权重不均。所以有了 Eadie-Hofstee 作图（v/[S] vs v）和 Hanes-Woolf 作图（[S]/v vs [S]），误差分布更均匀。

双倒数作图的最大用处：判断抑制类型。四种抑制类型的直线位置不同，这是必考内容。

3.3.5 多底物反应机制

判别方法：双倒数作图，固定 [A] 改变 [B]，看直线的交点位置。有序和随机机制的交点不在坐标轴上（在第二或第三象限）；乒乓机制得到一组平行线。

3.4 酶的抑制作用

3.4.1 分类

按可逆性分

• ‎不可逆抑制：抑制剂与酶共价结合，不能用透析、超滤等方法除去。如有机磷农药与胆碱酯酶的 Ser-OH 共价结合。
• ‎可逆抑制：抑制剂与酶非共价结合，可以通过透析除去。又分竞争性、非竞争性、反竞争性、混合型四类。

3.4.2 可逆抑制的四种类型（核心考点）

设抑制剂为 I，抑制常数 Ki = [E][I]/[EI]。

（1）竞争性抑制（competitive inhibition）

• 机制：抑制剂与底物结构相似，竞争酶的同一活性中心，形成 EI 复合物，不能形成 ES。
• 特点：增加底物浓度可以减弱抑制（因为底物与抑制剂竞争，底物过量时抑制剂被"挤掉"）。
• 动力学：Km 增大，Vmax 不变。因为 Vmax 取决于酶的总量，竞争性抑制剂不减少功能性酶的数量（底物足够多时全部酶都能结合底物），但达到半饱和需要更高的底物浓度，所以表观 Km 增大（Km'app = Km(1 + [I]/Ki)）。
• 双倒数图：直线交于 y 轴（1/Vmax 不变），斜率增大。
• 例子：
• 丙二酸抑制琥珀酸脱氢酶（丙二酸与琥珀酸结构相似）。
• 磺胺类药物抑制细菌的二氢蝶酸合酶（磺胺与对氨基苯甲酸 PABA 相似）。
• 甲氨蝶呤（MTX）抑制二氢叶酸还原酶（与二氢叶酸相似）。
• 5-氟尿嘧啶代谢后抑制胸苷酸合酶。
• 他汀类药物抑制 HMG-CoA 还原酶（与 HMG-CoA 相似）。

（2）非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）

• 机制：抑制剂结合到酶活性中心以外的部位，底物和抑制剂可以同时结合酶，形成 EI、ES、IES 三种复合物，但 IES 不能转化为产物。
• 特点：抑制程度与底物浓度无关，增加底物浓度不能解除抑制。
• 动力学：Km 不变，Vmax 减小。因为抑制剂不改变底物与酶的结合（Km 不变），但减少了能催化反应的酶的数量（Vmax 减小）。
• 双倒数图：直线交于 x 轴（-1/Km 不变），斜率增大，y 轴截距增大。
• 例子：重金属离子（Ag⁺、Hg²⁺、Pb²⁺）与酶分子中的巯基结合；某些药物结合到酶的别构位点。

（3）反竞争性抑制（uncompetitive inhibition）

• 机制：抑制剂只与 ES 复合物结合，形成 IES，不与游离酶结合。
• 特点：抑制剂"锁住"了 ES，使 ES 不能转化为产物，同时由于 ES 被消耗，平衡向生成 ES 的方向移动，表观亲和力反而升高。
• 动力学：Km 减小，Vmax 减小，且减小比例相同（Km/Vmax 不变）。
• 双倒数图：得到一组平行线（斜率不变），y 轴截距增大、x 轴截距左移。
• 例子：某些抗生素（如磷霉素抑制 MurA）、部分药物作用于双底物反应的 ES 形式。在单底物反应中较少见，多底物反应中常见。

（4）混合型抑制（mixed inhibition）

• 机制：抑制剂既可结合游离酶，也可结合 ES，但对两者的亲和力不同（Ki ≠ Ki'）。
• 动力学：Km 增大（或减小），Vmax 减小。
• 双倒数图：直线交于第二或第三象限（交点不在坐标轴上）。
• 当 Ki' = Ki 时，退化为非竞争性抑制；当 Ki' → ∞（抑制剂只结合 ES）时，退化为反竞争性抑制。

四种抑制类型对照表（必背）

记忆法：竞争性"抢位置"，所以 Km 变（要更多底物才能半饱和），Vmax 不变；非竞争性"拆台"，酶少了但结合能力不变，所以 Vmax 降、Km 不变；反竞争性"只抓 ES"，把 ES 拖走，表观 Km 变小、Vmax 也变小，比例一致所以平行。

3.4.3 不可逆抑制

特点：抑制剂与酶共价结合（或极牢固的非共价结合），不能用透析除去，抑制程度取决于抑制剂浓度和酶浓度，与底物浓度无关（但底物可以保护酶，延缓抑制）。

专一性不可逆抑制：抑制剂只作用于某一种酶的特定基团，可用于研究活性中心的必需基团。

典型例子

有机磷中毒的解毒：用解磷定（PAM）或氯解磷定，它们能夺取磷酰化酶上的磷酰基，使酶复活；同时用阿托品拮抗乙酰胆碱的毒蕈碱样作用。

过渡态类似物抑制：抑制剂模拟反应的过渡态，与酶结合得比底物更牢，因此是极强的抑制剂（Ki 可达 10⁻¹⁵ M）。例子：蛋白酶抑制剂（如 HIV 蛋白酶抑制剂）、碳酸酐酶抑制剂。这是药物设计的核心策略之一。

3.4.4 抑制剂的应用

• 农药（有机磷、氨基甲酸酯）
• 抗生素（青霉素、磺胺、磷霉素）
• 抗癌药（MTX、5-FU、伊马替尼）
• 降脂药（他汀）
• 抗病毒药（HIV 蛋白酶抑制剂、逆转录酶抑制剂）
• 抗痛风药（别嘌醇抑制黄嘌呤氧化酶）
• 解毒剂（解磷定）

3.5 酶的结构与催化机制

3.5.1 活性中心

活性中心（active site）：酶分子中直接与底物结合并催化底物发生化学反应的特定区域。

组成

• ‎结合部位（binding site）：与底物结合，决定专一性。由若干氨基酸残基的侧链（或主链）组成，形成与底物互补的凹槽或口袋。
• ‎催化部位（catalytic site）：催化化学键的断裂和形成。由 2—3 个关键残基组成。

两个部位可以重叠，也可以分开。

必需基团（essential group）：酶活性所必需的基团，包括活性中心内的催化基团和结合基团，以及维持活性中心构象的基团（活性中心以外）。

活性中心的特点

1. ‎只占酶分子的一小部分（通常几个残基，占总体积的 1%—2%）。
2. ‎是一个三维实体，由一级序列上相距很远的残基经折叠后在空间上靠近形成（如丝氨酸蛋白酶的 His57、Asp102、Ser195，在一级序列上相距很远）。
3. ‎位于酶分子的表面凹槽或裂隙中，形成非水环境。非水环境的作用：增强离子键、提高介电常数效应、防止反应中间体被水攻击。
4. ‎构象具有柔性，通过诱导契合与底物结合。

研究活性中心的方法

• 化学修饰法：用专一性试剂修饰特定残基，看活性变化（如 DFP 修饰 Ser）。
• 动力学法：测 pH-活性曲线，推断活性中心解离基团的 pK。
• X 射线晶体学、冷冻电镜：直接看结构。
• 定点突变：把怀疑的残基突变成 Ala，看活性变化。
• 亲和标记：用底物类似物带反应基团，特异标记活性中心。

3.5.2 诱导契合假说

锁钥模型（Fischer, 1894）：酶与底物像锁与钥匙，刚性互补。这个模型解释了专一性，但不能解释酶的柔性、别构现象和某些反应的广谱性。

诱导契合模型（Koshland, 1958）：酶的活性中心在游离状态下与底物的形状并不完全互补；底物结合时，诱导酶的构象发生变化，使活性中心与底物（或过渡态）互补。底物结合后，酶把底物"抱紧"，使底物进入过渡态。

诱导契合的证据：己糖激酶在结合葡萄糖时，两个结构域相对旋转 12°，把底物包裹起来；抗体结合抗原也有类似的构象变化。

诱导契合的意义：既保证了专一性（只有能诱导出正确构象的底物才能被催化），又提供了催化的能量（结合能用于扭曲底物、稳定过渡态）。

3.5.3 催化机制（六大类）

（1）邻近效应与定向效应

• 邻近效应：酶把两个底物结合到同一活性中心，使它们的有效浓度极大提高（相当于把分子间反应变成分子内反应，速率可提高 10⁵ 倍）。
• 定向效应：酶使底物的反应基团以正确的角度和距离相互靠近，减少碰撞的随机性。
• 例子：多酶复合体中的底物通道效应，中间产物不扩散到溶液中。

（2）张力效应（形变效应、应变效应）

底物结合时，酶使底物的某些键发生扭曲、拉伸，接近过渡态的能量水平，降低了达到过渡态所需的活化能。就像把一根要断的绳子先拉紧。

（3）酸碱催化

酶活性中心的酸性或碱性基团作为质子供体或受体，加速反应。包括：

• ‎一般酸碱催化：His 的咪唑基（pKa≈6，在生理 pH 下既可作为酸也可作为碱，是最常见的催化基团）、Asp/Glu 的羧基、Lys 的氨基、Cys 的巯基、Tyr 的酚羟基。
• ‎专一酸碱催化：H⁺ 或 OH⁻ 直接参与（在酶中较少见）。

（4）共价催化

酶与底物形成暂时的共价中间物（共价 ES 复合物），使反应分两步进行，每一步的活化能都低于一步完成的反应。

• ‎亲核催化：酶提供亲核基团攻击底物的亲电中心。常见的亲核基团：Ser 的 —OH、Cys 的 —SH、His 的咪唑氮、Asp 的羧基、Lys 的氨基。
• ‎亲电催化：酶提供亲电基团（如 Schiff 碱、金属离子）吸引电子。

（5）微环境效应（低介电常数）

活性中心的疏水环境使极性相互作用增强（库仑力在低介电常数介质中更强），也保护反应中间体不被水分子攻击。例如溶菌酶活性中心的 Asp/Glu 处于疏水口袋中，其 pKa 发生偏移，才能发挥催化作用。

（6）金属离子催化

金属离子作为 Lewis 酸接受电子、稳定负电荷中间体、桥接酶与底物、参与氧化还原。如碳酸酐酶中的 Zn²⁺ 极化水分子生成 OH⁻，攻击 CO₂。

多种机制的协同：真实的酶通常同时使用多种机制。溶菌酶同时使用酸碱催化、共价催化（氧碳鎓离子中间体的稳定）和张力效应（使糖环从椅式变为半椅式）。

3.5.4 实例一：丝氨酸蛋白酶

家族成员：胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶、凝血酶、枯草杆菌蛋白酶、乙酰胆碱酯酶（部分）。

催化三联体（catalytic triad）：Ser195 — His57 — Asp102（糜蛋白酶编号）。三个残基通过氢键网络连接：

Asp102 的羧基 → His57 的 Nδ1 → His57 的 Nε2 → Ser195 的羟基

这个网络叫电荷中继网（charge relay network）。Asp102 的负电荷稳定 His57 的质子化形式，使 His57 更容易夺取 Ser195 羟基的质子，把 Ser195 的 —OH 变成一个强亲核的 —O⁻（烷氧负离子）。

催化过程（两步）

1. ‎酰化：底物肽键的羰基碳受到 Ser195 的 —O⁻ 攻击，形成四面体中间体；His57 作为一般酸提供质子给离去基团（胺），肽键断裂；酰基共价连接到 Ser195 上，形成酰基-酶中间体。
2. ‎脱酰：水分子进入，His57 作为一般碱夺取水的质子，生成 OH⁻ 攻击酰基-酶，形成第二个四面体中间体，随后释放产物、酶复原。

过渡态稳定（氧负离子洞，oxyanion hole）：Gly193 和 Ser195 的主链酰胺 NH 形成两个氢键，稳定四面体中间体上带负电的氧。这是"过渡态稳定"的经典例子。

专一性差异：三种酶的催化机制相同，专一性由 S1 口袋（底物结合口袋）决定。胰蛋白酶的口袋底部有 Asp189（带负电），结合 Lys/Arg 的正电荷侧链；糜蛋白酶的口袋由疏水残基组成，结合 Phe/Tyr/Trp 的芳香环；弹性蛋白酶的口袋浅而窄，只能容纳小的侧链（Ala、Gly）。

抑制剂：DFP、PMSF（苯甲基磺酰氟）共价修饰 Ser195，是常用的蛋白酶抑制剂；胰蛋白酶抑制剂（如大豆胰蛋白酶抑制剂、抑肽酶）是天然的蛋白质抑制剂。

3.5.5 实例二：溶菌酶

来源与作用：鸡蛋清溶菌酶，129 个残基，水解细菌细胞壁肽聚糖中 NAM 与 NAG 之间的 β-1,4 糖苷键。

活性中心：一条长的裂隙，可容纳 6 个糖环（A—F）。催化基团是 Glu35 和 Asp52。

机制

1. ‎张力效应：底物结合后，D 环（NAM）从椅式构象被迫变成半椅式（能量较高的构象），接近过渡态。
2. ‎酸碱催化：Glu35（质子化形式）作为一般酸，把质子给糖苷键的氧，使 C1—O 键断裂。
3. ‎共价催化：Asp52 的 —COO⁻ 稳定正电荷的氧碳鎓离子（oxocarbenium ion）中间体。
4. 水分子攻击，完成水解，产物为还原端。

意义：溶菌酶是第一个用 X 射线晶体学解析出结构的酶（1965 年，Phillips），也是"结构-功能关系"教学的经典案例。

3.5.6 其他经典酶

• ‎羧肽酶 A：含 Zn²⁺，切除肽链 C 端的疏水氨基酸。Zn²⁺ 极化羰基，Glu270 作为一般碱，Arg145 结合 C 端羧基，Tyr248 通过诱导契合移动 12 Å 到位。
• ‎碳酸酐酶：含 Zn²⁺，催化 CO₂ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + H⁺，kcat 达 10⁶ s⁻¹，是已知最快的酶之一。Zn²⁺ 极化水分子产生 OH⁻。
• ‎核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（Rubisco）：光合作用的关键酶，也是世界上最丰富的蛋白质，催化效率低（kcat 约 3 s⁻¹），是光合作用的限速步骤。
• ‎固氮酶：含 Fe-Mo 辅因子，还原 N₂ 为 NH₃，对 O₂ 极其敏感。
• ‎超氧化物歧化酶（SOD）：催化 O₂⁻ 歧化为 H₂O₂ 和 O₂，接近扩散极限。

3.6 酶的调节

酶的调节分两个层次：活性调节（快速、可逆）和含量调节（慢速、涉及基因表达）。

3.6.1 别构调节（变构调节）

别构酶（allosteric enzyme）：活性受调节物（别构剂）非共价结合到活性中心以外的部位（别构位点）而改变的酶。

特点

1. 通常是寡聚酶，有多个亚基。
2. 动力学曲线不是双曲线，而是 S 形（Sigmoid）。原因是亚基间的协同效应。
3. 不服从米氏方程，不能用 Km 描述，用 K₀.₅（达到一半 Vmax 时的底物浓度）或 [S]₀.₅ 表示。
4. 用 Hill 系数（nH） 描述协同程度。nH > 1 为正协同，nH = 1 无协同，nH < 1 为负协同。
5. 别构剂分激活剂（正别构剂，使曲线左移，K₀.₅ 减小，nH 增大）和抑制剂（负别构剂，使曲线右移，K₀.₅ 增大，nH 减小）。
6. 别构酶通常是代谢途径的第一个酶或关键酶（限速酶），受终产物反馈抑制。

两种模型

反馈调节的类型

• ‎负反馈（反馈抑制）：终产物抑制途径的第一个酶。最常见，如 ATP 抑制磷酸果糖激酶、CTP 抑制天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）。
• ‎正反馈：产物激活前面的酶，较少见，如糖酵解中果糖-1,6-二磷酸激活丙酮酸激酶。
• ‎前馈激活：前体物质激活后面的酶。
• ‎协同反馈：多个终产物共同抑制同一个酶，只有全部过量才抑制。
• ‎累积反馈：多个终产物各自部分抑制同一个酶，效应叠加。
• ‎合作反馈：多个终产物中任何一个过量都能完全抑制。

ATCase 是研究别构调节的经典模型：催化 Asp + 氨甲酰磷酸 → N-氨甲酰天冬氨酸，受终产物 CTP 的负反馈抑制，受 ATP 的正反馈激活。CTP 和 ATP 都结合到调节亚基，通过改变亚基间的相互作用影响催化亚基的构象。

3.6.2 共价修饰调节

共价修饰（covalent modification）：酶蛋白上的特定基团在其他酶的催化下发生可逆的共价结合或脱落，从而改变活性。

磷酸化的特点（最常考）

1. 由蛋白激酶催化，ATP 提供磷酸基；由蛋白磷酸酶水解。
2. 磷酸化引入两个负电荷，可显著改变酶的构象和活性。
3. ‎一个酶被磷酸化后可能激活，也可能抑制，取决于酶的种类：糖原磷酸化酶磷酸化后激活，糖原合酶磷酸化后失活。这个"反向调节"是糖原代谢协调的关键。
4. 级联放大：一个激酶分子可以催化多个酶分子，信号被逐级放大（肾上腺素 → cAMP → PKA → 磷酸化酶激酶 → 糖原磷酸化酶，放大 10⁴—10⁶ 倍）。
5. 磷酸化是可逆的、快速的（秒到分钟级），适合应急调节。

酶原激活（见下节）

同工酶（isoenzyme）

• 定义：催化同一化学反应，但分子结构、理化性质（电泳迁移率、Km、Vmax、免疫学性质、调节性质）不同的一组酶。
• 例子：乳酸脱氢酶（LDH）有 5 种同工酶（LDH₁—LDH₅），由 H 亚基和 M 亚基以不同比例组成的四聚体（H₄、H₃M₁、H₂M₂、H₁M₃、M₄）。心肌中 LDH₁ 为主（对乳酸亲和力高，有利于乳酸氧化），骨骼肌中 LDH₅ 为主（对丙酮酸亲和力高，有利于丙酮酸还原）。
• 临床意义：心肌梗死时血清 LDH₁ 升高，LDH₁/LDH₂ 比值 >1；肝病时 LDH₅ 升高。同理，肌酸激酶（CK）的 CK-MB 是心肌梗死的标志物。
• 同工酶的来源：不同基因编码（如 LDH 的 H 和 M 基因）、同一基因的不同转录本（可变剪接）、翻译后修饰（糖基化、磷酸化）。

多酶复合体与底物通道

• 多酶复合体：多个酶通过非共价键结合成复合体，连续催化一系列反应。如丙酮酸脱氢酶复合体（三酶 + 五辅酶）、脂肪酸合酶、蛋白酶体。
• 优点：提高效率（底物通道，中间产物不扩散）、减少副反应、便于协调调节。
• 底物通道（substrate channeling）：中间产物从一个酶的活性中心直接传给下一个酶，不进入溶液。

酶的区域化分布：不同的酶分布在细胞的不同区域（线粒体、胞质、溶酶体、内质网），使代谢途径在空间上隔离，互不干扰。如脂肪酸 β-氧化在线粒体，脂肪酸合成在胞质。

酶含量的调节：诱导（底物或类似物诱导酶的合成，如 lac 操纵子）和阻遏（终产物阻遏酶的合成，如 trp 操纵子）。这是第五册基因表达调控的内容。

3.6.3 酶原与酶原激活

酶原（zymogen / proenzyme）：酶的无活性前体。

意义：① 保护自身组织不被水解（消化酶在胰腺中以酶原形式合成，进入肠道才激活）；② 保证酶在特定部位和特定时间发挥作用；③ 级联放大，少量激活信号产生巨大的生理效应（血液凝固）。

典型例子

酶原激活的本质：肽键的断裂导致构象改变，活性中心形成或暴露。这个过程是不可逆的（一旦激活就不能变回酶原），所以必须在正确的部位发生。

急性胰腺炎的机制：胰蛋白酶原在胰腺内提前激活，导致胰腺自身消化。这是"酶原激活的失控"的典型病理例子。

3.7 特殊酶与应用

3.7.1 核酶

已在第一册详述。补充考点：核酶的分类（自我剪接的内含子、RNase P、锤头核酶、发夹核酶、丁型肝炎病毒核酶、核糖体）、核酶的催化机制（多数通过金属离子介导的水解或转酯反应）、核酶在基因治疗中的应用（设计核酶特异切割致病 mRNA）。

3.7.2 抗体酶（abzyme）

定义：具有催化活性的免疫球蛋白。用过渡态类似物作为半抗原免疫动物，产生的抗体能结合并稳定过渡态，从而催化反应。

原理：抗体的结合部位与过渡态互补，降低活化能。这是"过渡态稳定"理论的直接应用。

应用：催化酯水解、酰胺水解、Diels-Alder 反应、肽键形成。局限：催化效率一般低于天然酶，且难以大规模制备。

3.7.3 杂化酶与人工酶

• ‎杂化酶（hybrid enzyme）：把酶的催化部位与另一种分子的结合部位结合，创造新功能。如把黄素衍生物连接到抗体上，得到具有氧化还原活性的抗体。
• ‎人工酶（synzyme）：人工合成的具有催化功能的分子，如环糊精衍生物、分子印迹聚合物。
• ‎定向进化（directed evolution）：通过随机突变 + 高通量筛选，在试管中"进化"出具有新功能的酶。2018 年诺贝尔化学奖（Arnold）。方法：易错 PCR、DNA shuffling、噬菌体展示。

3.7.4 固定化酶

定义：把酶固定在固体载体上或限制在特定空间内，使其可以重复使用。

方法：吸附法、共价结合法、交联法、包埋法（海藻酸钙、聚丙烯酰胺、脂质体）。

优点：可重复使用、产物易分离、可连续操作、稳定性提高。缺点：固定化过程中可能损失活性、传质阻力、载体成本。

应用：高果糖浆的生产（葡萄糖异构酶）、青霉素酰化酶生产 6-APA、乳糖水解（低乳糖牛奶）、生物传感器（葡萄糖氧化酶电极）、污水处理。

3.7.5 酶工程

化学酶工程：对酶分子进行化学修饰（PEG 修饰降低免疫原性、交联提高稳定性）、固定化、人工合成。

生物酶工程：基因工程改造酶（定点突变、定向进化）、重组酶的生产、酶的融合表达。

应用领域：食品（淀粉糖、乳制品、酿酒）、纺织（退浆、牛仔布石磨）、洗涤剂（蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶）、造纸（木聚糖酶漂白）、医药（L-天冬酰胺酶治疗白血病、尿激酶溶栓、链激酶）、能源（纤维素酶降解秸秆产乙醇）、环保（脂肪酶处理含油废水）。

3.7.6 酶在分析中的应用

• ‎酶标法（ELISA）：用酶（辣根过氧化物酶 HRP、碱性磷酸酶 AP）标记抗体，通过显色反应放大信号。这是免疫检测的核心。
• ‎生物传感器：葡萄糖氧化酶 + 电极 → 血糖仪。
• ‎酶法分析：用酶特异地测定代谢物浓度（如用己糖激酶/6-磷酸葡萄糖脱氢酶测血糖，用脲酶测尿素）。
• ‎酶循环放大：用两种酶循环转化底物，放大检测信号。

3.8 本章高频考点与易错点

判断题陷阱

1. "所有酶都是蛋白质"——错，核酶是 RNA。
2. "酶能改变反应的平衡点"——错，只加速，不改变平衡。
3. "Km 随酶浓度增大而增大"——错，Km 是特征常数，与酶浓度无关。
4. "Vmax 随底物浓度增大而增大"——错，Vmax 是 [S]→∞ 的极限。
5. "竞争性抑制使 Vmax 降低"——错，Vmax 不变，Km 增大。
6. "非竞争性抑制可通过增加底物浓度解除"——错，不能。
7. "反竞争性抑制使 Km 增大"——错，Km 减小。
8. "酶的最适温度就是酶不失活的最高温度"——不准确，最适温度是酶促反应速度最大的温度，超过后酶开始变性失活，最适温度是一个"速度与失活的平衡点"，不是一个固定的常数（受反应时间影响）。
9. "酶的最适 pH 是一个常数"——多数酶有一个最适 pH，但同一酶在不同底物、不同缓冲液中可能不同。
10. "别构酶的动力学曲线是双曲线"——错，是 S 形。
11. "别构酶的 Hill 系数越大，协同效应越弱"——错，越大越强。
12. "酶原激活是可逆过程"——错，不可逆。
13. "同工酶是同一基因的不同表达产物"——不完全，可以是不同基因、不同转录本或翻译后修饰。
14. "有机磷中毒可用透析治疗"——错，有机磷与酶共价结合，不可逆，需用解磷定复活酶。
15. "酶促反应速度与酶浓度总是成正比"——只在底物过量（[S]>>Km）时成立；底物不足时不成正比。
16. "磺胺类药物是竞争性抑制剂"——正确，竞争二氢蝶酸合酶的 PABA 位点。
17. "青霉素是竞争性抑制剂"——错，青霉素是不可逆抑制剂（共价修饰转肽酶）。
18. "辅酶与辅基的区别是分子大小"——错，是结合牢固程度（能否透析除去）。

简答题高频

1. 酶与一般催化剂的异同。
2. 酶的专一性类型及机制。
3. 米氏方程的推导及 Km、Vmax 的意义。
4. 四种可逆抑制类型的动力学特点及判别。
5. 酶的高效催化机制。
6. 别构调节的特点及两种模型。
7. 酶原激活的机制及生理意义。
8. 同工酶的概念及临床意义。
9. 影响酶促反应速度的因素。
10. 酶的变构调节与共价修饰调节的比较。
11. 固定化酶的优缺点及应用。
12. 过渡态类似物在药物设计中的应用。

论述题方向

1. 从酶的结构出发，说明酶催化的高效性和专一性。
2. 酶抑制剂在医药和农业中的应用，举例说明其作用机制。
3. 代谢途径中的酶如何被调节？以糖原代谢为例说明级联放大。
4. 设计实验测定某酶的 Km、Vmax 和抑制类型。
5. 酶工程在工业中的应用及发展趋势。

3.9 随章练习（附答案要点）

一、名词解释

1. ‎酶：由活细胞产生、具有催化活性和高度专一性的生物催化剂，绝大多数是蛋白质，少数是 RNA。
2. ‎全酶：酶蛋白与辅因子结合形成的具有催化活性的复合物。
3. ‎辅基：与酶蛋白共价或牢固结合、不能用透析除去的小分子有机化合物。
4. ‎比活力：每毫克蛋白质所含的酶活力单位数，是酶纯度的指标。
5. ‎转换数：每分子酶在单位时间内催化底物转化的分子数，即 kcat。
6. ‎米氏常数：反应速度达到最大速度一半时的底物浓度，是酶的特征常数。
7. ‎竞争性抑制：抑制剂与底物结构相似，竞争酶的活性中心，使表观 Km 增大、Vmax 不变的抑制作用。
8. ‎不可逆抑制：抑制剂与酶共价结合、不能用透析除去、使酶永久失活的抑制作用。
9. ‎别构酶：活性受别构剂结合到别构位点调节的寡聚酶，动力学曲线为 S 形。
10. ‎协同效应：一个亚基结合配体后改变其余亚基对配体亲和力的现象。
11. ‎酶原：酶的无活性前体。
12. ‎酶原激活：酶原通过肽键断裂、构象改变而生成有活性酶的过程。
13. ‎同工酶：催化同一化学反应但分子结构、理化性质和调节性质不同的一组酶。
14. ‎诱导契合：底物结合时诱导酶活性中心构象改变，使其与底物（过渡态）互补的假说。
15. ‎过渡态类似物：模拟反应过渡态结构、与酶结合极牢的强抑制剂。
16. ‎抗体酶：具有催化活性的免疫球蛋白。
17. ‎固定化酶：固定在固体载体上或限制在特定空间内、可重复使用的酶。
18. ‎多酶复合体：多个酶通过非共价键结合、连续催化一系列反应的复合物。
19. ‎底物通道：中间产物从一个酶的活性中心直接传给下一个酶、不扩散到溶液中的现象。
20. ‎活性中心：酶分子中直接与底物结合并催化反应的特定区域。

二、简答题

1. 酶与一般催化剂有何异同？

相同点：都只加速反应、不改变平衡点；反应前后自身不被消耗；微量即可显著加速；都通过降低活化能加速反应。

不同点：① 高效性，酶的催化效率比一般催化剂高 10⁷—10¹³ 倍；② 专一性强，酶对底物有严格的选择性，一般催化剂无；③ 反应条件温和，酶在常温常压近中性 pH 下工作，一般催化剂常需高温高压强酸强碱；④ 可调控，酶的活性受别构调节、共价修饰、酶原激活、基因表达等多种机制调控；⑤ 酶的化学本质是蛋白质（或 RNA），对环境敏感，易变性失活。

2. 推导米氏方程并说明 Km 的意义。

设反应 E + S ⇌ ES → E + P，速率常数 k₁、k₋₁、k₂。假设 [S] >> [E] 且反应初期 [S] 不变；采用稳态假设，ES 的生成速率等于消耗速率：k₁[E][S] = (k₋₁ + k₂)[ES]。令 Km = (k₋₁ + k₂)/k₁，则 [ES] = [E][S]/Km。由 [E]t = [E] + [ES] 得 [ES] = [E]t[S]/(Km + [S])。反应速度 v = k₂[ES] = k₂[E]t[S]/(Km + [S])。当 [S]→∞ 时 Vmax = k₂[E]t，故 v = Vmax[S]/(Km + [S])。

Km 的意义：① 是 v = Vmax/2 时的底物浓度；② 是酶的特征常数，与酶浓度无关；③ 反映酶与底物的亲和力，Km 越小亲和力越大；④ 可用于判断抑制类型和代谢途径的限速步骤；⑤ 当 k₂ << k₋₁ 时，Km ≈ Ks，即 ES 的解离常数。

3. 比较四种可逆抑制类型的动力学特点。

竞争性抑制：抑制剂与底物竞争活性中心，只结合游离酶。Km 增大、Vmax 不变，双倒数图交于 y 轴，增加底物浓度可解除抑制。

非竞争性抑制：抑制剂结合活性中心以外的部位，E 和 ES 都能结合抑制剂，但 IES 无活性。Km 不变、Vmax 减小，双倒数图交于 x 轴，增加底物不能解除。

反竞争性抑制：抑制剂只结合 ES 复合物。Km 减小、Vmax 减小，两者比例相同，双倒数图得平行线，增加底物反而加重抑制。

混合型抑制：抑制剂既结合 E 又结合 ES，但亲和力不同。Km 增大或减小、Vmax 减小，双倒数图交于第二或第三象限。

4. 简述酶的高效催化机制。

① 邻近效应与定向效应：酶把多个底物结合到同一活性中心，提高有效浓度，并使反应基团以正确角度靠近，把分子间反应变为分子内反应。② 张力效应：底物结合时被扭曲、拉伸，接近过渡态能量水平，降低活化能。③ 酸碱催化：活性中心的 His、Asp、Glu、Lys、Cys 等基团作为质子供体或受体加速反应。④ 共价催化：酶与底物形成暂时的共价中间物，把一步反应分成两步，每步活化能都较低。⑤ 微环境效应：活性中心的疏水环境增强静电作用、保护中间体不被水攻击。⑥ 金属离子催化：金属离子作为 Lewis 酸、稳定负电荷、传递电子。真实酶通常同时使用多种机制。

5. 别构调节有何特点？

① 别构酶通常是寡聚酶，有多个亚基；② 动力学曲线为 S 形而非双曲线，表明有协同效应；③ 不服从米氏方程，用 K₀.₅ 而非 Km，用 Hill 系数描述协同程度；④ 别构剂结合到活性中心以外的别构位点，通过构象改变影响活性中心；⑤ 别构剂分激活剂和抑制剂，分别使曲线左移和右移；⑥ 别构酶通常是代谢途径的第一个酶或关键酶，受终产物反馈抑制；⑦ 响应灵敏，底物浓度微小变化可引起活性大幅改变，适合快速调节。

6. 酶原激活的机制和生理意义。

机制：酶原在特定条件下（特定酶的切割、酸性 pH、辅因子结合）发生一个或几个肽键的断裂，导致构象改变，活性中心形成或暴露，从而生成有活性的酶。如胰蛋白酶原在肠激酶作用下切除 N 端 6 个氨基酸（Lys6-Ile7 键断裂），形成活性中心。这个过程不可逆。

生理意义：① 保护自身组织不被水解，消化酶在胰腺中以酶原形式合成；② 保证酶在特定部位、特定时间发挥作用；③ 级联放大，少量激活信号产生巨大生理效应（血液凝固）；④ 酶原激活失控会导致疾病，如急性胰腺炎。

7. 同工酶的概念及临床意义。

同工酶是催化同一化学反应但分子结构、理化性质（电泳迁移率、Km、免疫学性质）和调节性质不同的一组酶。来源包括不同基因编码、同一基因的不同转录本、翻译后修饰。典型例子是乳酸脱氢酶（LDH），由 H 和 M 两种亚基组成五种四聚体（LDH₁—LDH₅），心肌以 LDH₁ 为主，骨骼肌以 LDH₅ 为主。

临床意义：组织损伤时，该组织特异的同工酶释放入血，可辅助诊断。心肌梗死时血清 LDH₁ 升高、LDH₁/LDH₂ >1；肝病时 LDH₅ 升高。类似地，肌酸激酶的 CK-MB 是心肌梗死标志物，碱性磷酸酶的同工酶可区分肝源和骨源。

三、计算与推理题

1. 某酶 Vmax = 100 μmol/min，Km = 5 mmol/L。当 [S] = 5 mmol/L 时，v 是多少？当 [S] = 50 mmol/L 时呢？

[S] = Km = 5 时，v = Vmax/2 = 50 μmol/min。[S] = 50 = 10Km 时，v = 100×50/(5+50) = 90.9 μmol/min。

2. 双倒数作图中，某酶的直线 y 轴截距为 0.02，x 轴截距为 -0.5，求 Vmax 和 Km（[S] 单位为 mmol/L）。

1/Vmax = 0.02 → Vmax = 50（单位同 v）。-1/Km = -0.5 → Km = 2 mmol/L。

3. 加入某抑制剂后，Vmax 不变，Km 从 2 mmol/L 增大到 6 mmol/L，判断抑制类型并求 Ki（设 [I] = 4 mmol/L）。

Vmax 不变、Km 增大，是竞争性抑制。Km'app = Km(1 + [I]/Ki)，6 = 2(1 + 4/Ki)，3 = 1 + 4/Ki，4/Ki = 2，Ki = 2 mmol/L。

4. 一个有 4 个亚基的别构酶，Hill 系数为 3.2，说明什么？

nH = 3.2 > 1，说明有正协同效应，且协同程度较高（接近理论最大值 4）。底物浓度微小变化即可引起活性大幅改变，适合作为代谢途径的开关。

5. 某酶 kcat = 1000 s⁻¹，Km = 1×10⁻⁴ mol/L，求 kcat/Km，并判断其催化效率。

kcat/Km = 1000/10⁻⁴ = 10⁷ L/(mol·s)。扩散限制上限约 10⁸—10⁹，所以该酶的催化效率较高，接近但未达到"完美酶"水平。

3.10 本章名词解释速记卡（50 条）

第 4 章 维生素与辅酶

本章知识骨架

维生素├── 概念│   ├── 定义：维持机体正常生命活动必需、机体不能合成或合成不足、需少量外源的有机小分子│   ├── 特点：不供能、不构成组织、需要量微、多数是辅酶前体│   └── 分类：水溶性（B 族 + C）、脂溶性（A、D、E、K）├── 水溶性维生素 → 辅酶│   ├── B₁（硫胺素）→ TPP → 脱羧、转酮│   ├── B₂（核黄素）→ FMN/FAD → 递氢│   ├── PP（烟酸/烟酰胺）→ NAD⁺/NADP⁺ → 递氢│   ├── B₆（吡哆醇）→ 磷酸吡哆醛 → 转氨、脱羧│   ├── 泛酸 → CoA、ACP → 酰基载体│   ├── 生物素 → 羧化酶辅基 → CO₂ 固定│   ├── 叶酸 → THF → 一碳单位│   ├── B₁₂（钴胺素）→ 甲基钴胺素/5'-脱氧腺苷钴胺素 → 甲基转移、变位│   ├── 硫辛酸 → 酰基转移、抗氧化│   └── 维生素 C → 抗氧化、羟化酶辅因子├── 脂溶性维生素│   ├── A → 视黄醛（视觉）、视黄酸（基因表达）、抗氧化│   ├── D → 1,25-(OH)₂D₃ → 钙磷代谢│   ├── E → 生育酚 → 抗氧化│   └── K → 凝血因子 γ-羧化├── 辅酶与代谢反应的对应关系（大表）└── 应用    ├── 维生素缺乏症与过量中毒    ├── 维生素作为药物    └── 抗氧化剂与自由基清除

4.1 概述

4.1.1 定义与特点

维生素（vitamin） 是维持机体正常生命活动所必需的一类有机小分子化合物。机体自身不能合成，或合成量不能满足需要，必须由食物提供；每日需要量很少（毫克或微克级），但缺乏会导致特定的缺乏症。

五个特点

1. ‎不供能：不是能源物质，氧化分解提供的能量可忽略。
2. ‎不构成组织：不是结构材料（与蛋白质、脂类、矿物质不同）。
3. ‎需要量极少：每日毫克到微克级。
4. ‎多数是辅酶或辅酶的前体：这是维生素在生化中的核心角色。
5. ‎机体不能合成或合成不足：必须外源补充（少数可由肠道菌群合成，如维生素 K、生物素、叶酸，但量不足）。

"维生素原"：能在体内转化为维生素的物质。如 β-胡萝卜素是维生素 A 原，7-脱氢胆固醇是维生素 D₃ 原，色氨酸可转化为烟酸（60 mg 色氨酸 ≈ 1 mg 烟酸）。

4.1.2 分类

这个分类的实践意义：水溶性维生素要每天补充，脂溶性维生素不需要每天补但过量会中毒；脂溶性维生素的吸收依赖胆汁和脂肪，所以胆道梗阻、脂肪吸收不良的病人容易缺乏脂溶性维生素。

4.1.3 命名

历史上按发现顺序用字母命名（A、B、C、D、E），后来发现"维生素 B"是混合物，分成 B₁、B₂、B₃（烟酸）、B₅（泛酸）、B₆、B₇（生物素）、B₉（叶酸）、B₁₂ 等。命名混乱，考试时按教材的常用名即可。

4.2 水溶性维生素

4.2.1 维生素 B₁（硫胺素，thiamine）

结构要点：由含硫的噻唑环和含氨基的嘧啶环通过亚甲基连接。在体内被磷酸化为**焦磷酸硫胺素（TPP，thiamine pyrophosphate）**才有活性。

辅酶形式：TPP。

TPP 的作用机制：TPP 的噻唑环 C2 位上的氢可解离，形成碳负离子（ylide），这是一个强亲核体，能攻击底物的羰基碳，形成共价的加成中间体。这个中间体脱羧后释放 CO₂，再质子化释放出醛。TPP 本质上是一个"活性醛"的载体。

参与的酶与反应

缺乏症：脚气病（beriberi）

• 干性脚气病：多发性周围神经炎，下肢无力、感觉异常、肌肉萎缩。
• 湿性脚气病：心力衰竭、水肿（因为丙酮酸堆积导致血管扩张）。
• 婴儿脚气病：哭声低哑、心脏扩大、猝死。
• ‎Wernicke-Korsakoff 综合征：慢性酒精中毒者因 B₁ 吸收障碍和需求增加而发病，表现为眼球震颤、共济失调、精神错乱、记忆障碍。

生化机制：B₁ 缺乏 → TPP 不足 → PDH 和 α-酮戊二酸脱氢酶活性下降 → 丙酮酸和 α-酮戊二酸堆积 → 能量供应不足（神经系统对能量缺乏最敏感）→ 神经和心脏症状。

富含食物：全谷物（精加工会损失，所以"精米白面"易缺乏）、豆类、瘦肉、动物内脏、酵母。

4.2.2 维生素 B₂（核黄素，riboflavin）

结构要点：异咯嗪环 + 核糖醇。异咯嗪环的 N1 和 N5 可逆地接受和给出氢。

辅酶形式：FMN（黄素单核苷酸） 和 FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）。两者都是辅基（与酶蛋白牢固结合）。

功能：作为递氢体，参与氧化还原反应。FAD/FMN 的氧化型（黄色）和还原型（无色）之间转换。

参与的酶

缺乏症：口角炎、唇炎、舌炎（地图舌）、脂溢性皮炎、阴囊炎、眼部症状（畏光、流泪、角膜血管增生）。典型的是"口腔-生殖器综合征"。

富含食物：奶类、蛋类、动物肝脏、瘦肉、绿叶蔬菜。B₂ 对光敏感（牛奶应避光保存）。

4.2.3 维生素 PP（烟酸、烟酰胺，niacin）

结构要点：吡啶环衍生物。烟酸（nicotinic acid）和烟酰胺（nicotinamide）都有活性。注意：这里的"烟酸"与烟草中的尼古丁无关，这是常考的干扰点。

辅酶形式：NAD⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶 I） 和 NADP⁺（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，辅酶 II）。两者都是辅酶（松散结合）。

功能：递氢体。NAD⁺/NADH 主要参与分解代谢（供能），NADP⁺/NADPH 主要参与合成代谢（还原性合成、抗氧化）。

关键区别（必考）

NAD⁺ 的其他功能：作为 ADP-核糖基转移酶的底物（PARP，参与 DNA 修复）、作为 sirtuins 的去乙酰化酶底物（与衰老、代谢调节有关）。这是近年研究热点，简答题可能涉及。

缺乏症：癞皮病（pellagra）

"三 D"症状：皮炎（Dermatitis）、腹泻（Diarrhea）、痴呆（Dementia），严重时死亡（Death，第四 D）。

皮炎的特点是暴露部位（手背、面部、颈部"项链区"）对称性红斑、粗糙、脱屑。

生化机制：NAD⁺ 不足 → 氧化还原反应受阻 → 细胞能量代谢障碍 → 皮肤、消化道、神经系统（更新快的组织最先受影响）。

癞皮病的历史：20 世纪初美国南方玉米产区流行，因为玉米中的烟酸是结合型（niacytin），不能被吸收，且玉米缺乏色氨酸。后来通过添加烟酸或改进玉米加工（碱处理，如墨西哥的石灰水处理）解决。

富含食物：肉类、肝脏、花生、酵母、全谷物。色氨酸可转化为烟酸（60:1）。

4.2.4 维生素 B₆（吡哆醇，pyridoxine）

结构要点：吡啶环，包括吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺三种形式，在体内互相转化。

辅酶形式：磷酸吡哆醛（PLP，pyridoxal phosphate） 和磷酸吡哆胺。

作用机制：PLP 与底物氨基酸的 α-氨基形成 Schiff 碱（醛亚胺），通过"电子槽"（吡啶环的质子化氮）稳定碳负离子中间体，从而催化转氨、脱羧、消旋、β-消除、γ-消除等多种反应。PLP 是"氨基酸代谢的万能辅酶"。

参与的酶

缺乏症：脂溢性皮炎、舌炎、口角炎、周围神经炎、贫血（血红蛋白合成受影响）、婴儿惊厥（GABA 合成不足）。异烟肼（抗结核药）是 B₆ 的拮抗剂（与 PLP 形成腙），长期使用需补充 B₆ 防止神经炎。

富含食物：肉类、肝脏、鱼类、蛋类、豆类、香蕉。肠道细菌可合成部分。

4.2.5 泛酸（pantothenic acid）

结构要点：由泛解酸和 β-丙氨酸通过肽键连接。

辅酶形式：CoA（辅酶 A） 和 ACP（酰基载体蛋白）。

CoA 的结构：3'-磷酸腺苷-5'-二磷酸 + 泛酰巯基乙胺，末端是巯基（—SH），与酰基形成高能硫酯键。

ACP 的结构：由泛酸衍生的 4'-磷酸泛酰巯基乙胺共价连接到蛋白质的 Ser 上，末端也是巯基。

功能：酰基载体。CoA 携带乙酰基、丙二酰基、琥珀酰基等，参与 TCA 循环、脂肪酸氧化和合成、胆固醇合成、乙酰化反应。ACP 是脂肪酸合酶和聚酮合酶的酰基载体。

缺乏症：人类罕见（食物中广泛存在，"pantothenic"来自希腊语"到处都有"）。动物实验表现为生长迟缓、皮炎、肾上腺功能不全。

富含食物：几乎一切食物，尤其是动物内脏、蛋类、豆类、全谷物。

4.2.6 生物素（biotin）

结构要点：含硫的双环化合物（噻吩环 + 咪唑酮环），侧链是戊酸。

辅酶形式：与羧化酶的赖氨酸残基的 ε-氨基共价结合（形成生物胞素），作为羧基载体。

作用机制：生物素的尿素环上的氮可结合 CO₂（形成羧基生物素），然后把羧基转移给底物。反应消耗 ATP。

参与的酶（都是羧化酶）

缺乏症：皮炎、脱发、毛发变白、食欲不振、肌肉疼痛、轻度贫血。生鸡蛋清中的抗生物素蛋白（avidin） 能与生物素极牢固地结合（Kd≈10⁻¹⁵ M），长期大量食用生蛋清会导致生物素缺乏。加热可使 avidin 变性失活。

富含食物：肝脏、蛋黄、坚果、豆类、肠道细菌合成。

4.2.7 叶酸（folic acid）

结构要点：蝶啶环 + 对氨基苯甲酸（PABA）+ 谷氨酸（通常多个谷氨酸，形成蝶酰多谷氨酸）。

辅酶形式：四氢叶酸（THF，FH₄），由二氢叶酸还原酶（DHFR）两步还原生成。

功能：一碳单位的载体。THF 的 N⁵ 和 N¹⁰ 位可结合不同氧化态的一碳单位：

一碳单位的来源：丝氨酸、甘氨酸、组氨酸、色氨酸的分解，以及甲硫氨酸的代谢。

缺乏症：巨幼红细胞性贫血（megaloblastic anemia）。机制：THF 不足 → dTMP 合成受阻 → DNA 合成受阻 → 细胞分裂减慢 → 红细胞前体体积增大但分裂不足 → 巨幼红细胞。

孕期缺乏：神经管缺陷（脊柱裂、无脑儿）。所以孕前和孕早期要补充叶酸（400 μg/天）。

与 B₁₂ 的关系（重要考点）：N⁵-甲基-THF 是 THF 的"储存形式"，要释放出来必须由甲硫氨酸合酶把甲基转给同型半胱氨酸生成甲硫氨酸，这个反应的辅酶是甲基钴胺素（B₁₂）。所以 B₁₂ 缺乏时，THF 被"锁"在 N⁵-甲基形式，产生叶酸陷阱，表现为叶酸缺乏的症状（巨幼红细胞性贫血）。这就是"B₁₂ 缺乏引起的贫血可以用叶酸缓解症状但不能治本"的原因——叶酸能改善血液指标，但掩盖了 B₁₂ 缺乏对神经系统的损害。

叶酸拮抗剂：甲氨蝶呤（MTX）抑制 DHFR，用于抗癌和抗风湿；甲氧苄啶（TMP）抑制细菌 DHFR，抗菌；乙胺嘧啶抑制疟原虫 DHFR。磺胺类药物抑制二氢蝶酸合酶（阻断 PABA 掺入），也阻断叶酸合成。

富含食物：绿叶蔬菜（"folium"即叶）、肝脏、豆类。叶酸不稳定，加热易破坏。

4.2.8 维生素 B₁₂（钴胺素，cobalamin）

结构要点：咕啉环（类似卟啉但缺一个桥碳）+ 中心钴离子 + 5,6-二甲基苯并咪唑核苷酸。是唯一含金属（钴）的维生素，也是结构最复杂的维生素。

辅酶形式：甲基钴胺素（参与甲基转移）和 5'-脱氧腺苷钴胺素（参与变位反应）。

参与的酶

缺乏症

• ‎巨幼红细胞性贫血（与叶酸缺乏相似）。
• ‎神经系统损害：亚急性联合变性，表现为四肢麻木、深感觉障碍、共济失调、精神症状。这是 B₁₂ 缺乏的特征性表现，叶酸不能纠正。
• ‎同型半胱氨酸血症：心血管疾病的独立危险因素。

吸收的特殊性：B₁₂ 需要与胃壁细胞分泌的内因子（intrinsic factor） 结合，在回肠末端通过特异性受体吸收。所以胃切除、萎缩性胃炎、恶性贫血（自身免疫破坏壁细胞）会导致 B₁₂ 缺乏，需要注射补充而不是口服。

来源：动物性食品（肝、肉、蛋、奶）。植物性食品几乎不含 B₁₂，所以严格素食者易缺乏。肠道细菌可合成但吸收部位在回肠，合成的部分难以利用。

4.2.9 硫辛酸（lipoic acid）

结构要点：含二硫键的八碳脂肪酸衍生物。

辅酶形式：与酶蛋白的 Lys 残基共价结合，二硫键可逆地氧化还原。

功能：酰基载体和电子载体。在丙酮酸脱氢酶复合体和 α-酮戊二酸脱氢酶复合体中，硫辛酸接受羟乙基（来自 TPP）并转移给 CoA，同时把氢传给 FAD。

抗氧化：还原型二氢硫辛酸可清除自由基，再生维生素 C 和谷胱甘肽。作为保健品用于糖尿病神经病变。

4.2.10 维生素 C（抗坏血酸，ascorbic acid）

结构要点：含烯二醇结构的六碳内酯。烯二醇的 C2 和 C3 位羟基易被氧化为脱氢抗坏血酸（两者都有活性）。

功能

1. ‎抗氧化剂：清除自由基，保护细胞膜和蛋白质。可还原维生素 E 自由基，使其再生。
2. ‎羟化酶的辅因子：脯氨酸羟化酶、赖氨酸羟化酶（胶原合成）、多巴胺 β-羟化酶（儿茶酚胺合成）、色氨酸羟化酶。
3. ‎促进铁的吸收：把 Fe³⁺ 还原为 Fe²⁺，利于肠道吸收。
4. ‎参与肉碱合成、胆固醇转化为胆汁酸、酪氨酸代谢。
5. ‎免疫调节：促进白细胞功能。

缺乏症：坏血病（scurvy）

症状：牙龈出血、牙齿松动、皮下出血（瘀点瘀斑）、伤口愈合慢、关节疼痛、贫血。严重时内脏出血、死亡。

机制：VitC 不足 → 脯氨酸羟化酶和赖氨酸羟化酶活性下降 → 胶原蛋白的羟化不足 → 三股螺旋不稳定 → 血管壁脆性增加、结缔组织修复障碍。

历史意义：18 世纪英国海军外科医生 Lind 发现柑橘类水果能预防坏血病，这是"营养缺乏病"概念的开端。1932 年 Szent-Györgyi 分离出维生素 C。

富含食物：新鲜蔬菜（青椒、西兰花）、水果（猕猴桃、柑橘、草莓）。VitC 不耐热、易氧化，长时间烹调会大量损失。

4.3 脂溶性维生素

4.3.1 维生素 A（视黄醇，retinol）

结构：含 β-紫罗酮环和不饱和侧链的 20 碳化合物。天然形式包括视黄醇、视黄醛、视黄酸、视黄酯。β-胡萝卜素是维生素 A 原，可裂解为两分子视黄醛。

活性形式与功能

视觉循环：11-顺视黄醛 + 视蛋白 → 视紫红质（吸收光子）→ 全反视黄醛 + 视蛋白 → 激活 G 蛋白（转导蛋白）→ 激活磷酸二酯酶 → 降解 cGMP → 关闭 Na⁺ 通道 → 超极化 → 神经信号。全反视黄醛再异构化为 11-顺视黄醛，循环使用。

缺乏症

• ‎夜盲症（night blindness）：最早出现的症状，暗适应能力下降。
• ‎干眼症（xerophthalmia）：结膜干燥、Bitot 斑、角膜软化、溃疡、穿孔，是全球儿童失明的主要原因之一。
• ‎上皮组织角化：皮肤干燥、毛囊角化、呼吸道和泌尿道上皮鳞状化生，易感染。
• ‎生长发育迟缓、免疫功能下降。

过量中毒：急性（恶心、头痛、颅内压升高）、慢性（肝损伤、骨痛、脱发、皮肤干燥、致畸）。孕期过量可致胎儿畸形，所以孕期补充要控制剂量（β-胡萝卜素相对安全）。

富含食物：动物肝脏（含量极高）、鱼肝油、蛋黄、奶制品；β-胡萝卜素来自胡萝卜、南瓜、菠菜、红薯等深色蔬果。

4.3.2 维生素 D（钙化醇）

结构：固醇类衍生物。D₃（胆钙化醇）由皮肤中的 7-脱氢胆固醇经紫外线照射生成；D₂（麦角钙化醇）来自植物和酵母。

活化过程（两步羟化）

1. 肝脏：25-羟化酶 → 25-OH-D₃（主要储存形式，血清水平反映维生素 D 状态）。
2. 肾脏：1α-羟化酶 → 1,25-(OH)₂-D₃（骨化三醇），是活性形式。1α-羟化酶受 PTH 激活、受血磷和 FGF23 抑制。

功能：1,25-(OH)₂D₃ 结合核受体（VDR），调控基因表达：

• 促进小肠对钙和磷的吸收（诱导钙结合蛋白）。
• 促进肾小管对钙磷的重吸收。
• 促进骨钙动员（与 PTH 协同）和骨矿化。
• 调节免疫（抑制过度免疫反应）、抑制细胞增殖、促进分化。

缺乏症

• ‎儿童：佝偻病（rickets）。骨骼不能正常矿化，表现为方颅、肋骨串珠、鸡胸、O 型腿或 X 型腿、囟门闭合延迟。
• ‎成人：骨软化症（osteomalacia）。骨痛、肌无力、易骨折。
• ‎骨质疏松：长期缺乏导致骨量减少。

过量：高血钙、高血磷、软组织钙化（肾结石、血管钙化）、恶心、多尿。

来源：紫外线照射皮肤（主要来源）、鱼肝油、深海鱼、蛋黄、强化食品。晒太阳是最经济的补充方式，但要注意防晒与合成的平衡。

4.3.3 维生素 E（生育酚，tocopherol）

结构：色满环 + 植醇侧链。α-生育酚活性最高。

功能

1. ‎主要抗氧化剂：溶于细胞膜和脂蛋白的脂相，清除脂质过氧自由基（LOO·），终止脂质过氧化链式反应，生成生育酚自由基，再由维生素 C 或谷胱甘肽再生。
2. 保护不饱和脂肪酸、膜蛋白、DNA 免受氧化损伤。
3. 调节基因表达、抑制血小板聚集、调节免疫（部分是通过非抗氧化机制）。

缺乏症：人类罕见（食物广泛存在）。严重吸收不良、早产儿、遗传性无 β-脂蛋白血症可出现：溶血性贫血（红细胞膜脂质过氧化）、周围神经病变、肌病、视网膜病变。

过量：相对毒性低，但大剂量可能增加出血风险（干扰维生素 K 的凝血功能）。

富含食物：植物油（小麦胚芽油、葵花籽油）、坚果、种子、绿叶蔬菜。

4.3.4 维生素 K（凝血维生素）

结构：萘醌衍生物。K₁（叶绿醌，植物来源）、K₂（甲萘醌，肠道细菌合成）、K₃（人工合成，水溶性）。

功能：γ-羧化酶的辅因子。维生素 K 的还原形式（KH₂）在 γ-羧化反应中被氧化为环氧化物，使谷氨酸残基（Glu）羧化为 γ-羧基谷氨酸（Gla）。Gla 残基能结合 Ca²⁺，是凝血因子结合磷脂膜所必需的。

依赖维生素 K 的蛋白

缺乏症：出血倾向（皮下瘀斑、鼻出血、消化道出血、新生儿颅内出血）。新生儿因肠道无菌、胎盘转运少、母乳含量低，易发生新生儿出血症，所以出生后常规注射维生素 K。

拮抗剂：华法林（warfarin） 抑制维生素 K 环氧化物还原酶（VKOR），阻断 KH₂ 的再生，从而抑制 γ-羧化，是常用的口服抗凝药。使用时需监测 INR。双香豆素同理。

富含食物：绿叶蔬菜（菠菜、西兰花、羽衣甘蓝）、植物油、发酵食品（纳豆富含 K₂）。肠道细菌可合成。

4.4 辅酶与代谢反应对照大表（背诵核心）

五个"最"的记忆点

• 最容易与"脱羧"挂钩的：B₁（TPP）。
• 最容易与"转氨"挂钩的：B₆（PLP）。
• 最容易与"羧化"挂钩的：生物素。
• 最容易与"一碳单位"挂钩的：叶酸（THF）。
• 最容易与"甲基转移"挂钩的：B₁₂。

B 族维生素与辅酶的"二三"规律

• 递氢的三种：B₂（FMN/FAD）、PP（NAD/NADP）、硫辛酸。
• 转移一碳的两种：叶酸、B₁₂。
• 转移氨基的：B₆。
• 转移酰基的：泛酸（CoA）、硫辛酸。
• 转移 CO₂ 的：生物素。
• 转移醛基的：B₁。

4.5 维生素的临床应用与抗氧化

4.5.1 维生素作为药物

4.5.2 抗氧化体系

体内有三道抗氧化防线：

1. ‎预防性抗氧化剂：SOD（清除 O₂⁻）、过氧化氢酶（清除 H₂O₂）、谷胱甘肽过氧化物酶（清除 H₂O₂ 和脂质过氧化物，需硒）。
2. ‎链式反应阻断剂：维生素 E（脂相）、维生素 C（水相）、β-胡萝卜素、尿酸。
3. ‎修复酶：DNA 修复酶、蛋氨酸亚砜还原酶、脂质过氧化物酶。

维生素 C 与 E 的协同：维生素 E 清除脂质过氧自由基后变成生育酚自由基，维生素 C 在水-脂界面把它还原回生育酚，维生素 C 自身变成脱氢抗坏血酸，再由谷胱甘肽还原。这个循环使少量的维生素 E 能反复使用。

4.5.3 维生素缺乏的原因

1. ‎摄入不足：食物单一、精加工、贫困。
2. ‎吸收障碍：胃肠道疾病、胆汁缺乏（脂溶性维生素）、胃切除（B₁₂）。
3. ‎需要量增加：妊娠、哺乳、生长发育、发热、感染、甲亢、肿瘤。
4. ‎排泄增加：肾病、透析、利尿剂。
5. ‎药物干扰：异烟肼拮抗 B₆、甲氨蝶呤拮抗叶酸、华法林拮抗维生素 K、抗生素破坏肠道菌群。
6. ‎先天代谢缺陷：如遗传性叶酸吸收障碍。

4.6 本章高频考点与易错点

判断题陷阱

1. "维生素都能提供能量"——错，不供能。
2. "维生素是构成组织的主要成分"——错。
3. "所有维生素都是辅酶"——错，脂溶性维生素多数不是辅酶（A 是视紫红质的组分和核受体配体，D 是激素样分子，E 是抗氧化剂，K 是羧化酶辅因子）。
4. "维生素 B₁ 缺乏导致癞皮病"——错，B₁ 缺乏导致脚气病，癞皮病是 PP 缺乏。
5. "烟酸就是尼古丁"——错，两者无关。
6. "NADH 和 NADPH 功能相同"——错，NADH 主要参与分解供能，NADPH 主要参与还原性合成。
7. "生物素缺乏可通过多吃生鸡蛋清补充"——错，生蛋清含抗生物素蛋白，会加重缺乏。
8. "叶酸可以治愈 B₁₂ 缺乏的神经损害"——错，叶酸只能改善贫血，不能纠正神经损害，反而可能掩盖。
9. "维生素 C 缺乏导致佝偻病"——错，导致坏血病；佝偻病是维生素 D 缺乏。
10. "维生素 D 是真正的维生素，不需要活化"——错，需经肝、肾两步羟化生成 1,25-(OH)₂D₃ 才有活性。
11. "维生素 K 只参与凝血"——不全面，还参与骨钙蛋白和 MGP 的 γ-羧化。
12. "脂溶性维生素过量会随尿排出"——错，会蓄积中毒。
13. "维生素 B₁₂ 缺乏只影响造血"——错，还导致神经系统损害。
14. "维生素 C 能预防感冒"——证据不足，大剂量无明确预防效果。
15. "所有 B 族维生素都是水溶性"——正确（包括 B₁₂，虽然结构复杂但仍是水溶性）。

简答题高频

1. 维生素的分类及各类的特点。
2. 维生素与辅酶的关系，举例说明。
3. 为什么 B₁₂ 缺乏会导致巨幼红细胞性贫血？与叶酸缺乏有何异同？
4. 维生素 C 的生理功能及缺乏症。
5. 维生素 D 的活化过程及生理功能。
6. 维生素 K 的凝血功能及华法林的作用机制。
7. 水溶性维生素与脂溶性维生素的区别。
8. 维生素 A 的视觉功能。

论述题方向

1. 从维生素与辅酶的关系，说明维生素在代谢中的核心作用。
2. 维生素缺乏症的生化机制（以脚气病、癞皮病、坏血病、佝偻病为例）。
3. 抗氧化维生素的协同作用及在疾病预防中的意义。
4. 维生素作为药物靶点：抗代谢物设计的原理（以叶酸拮抗剂为例）。

4.7 随章练习（附答案要点）

一、名词解释

1. ‎维生素：维持机体正常生命活动必需、机体不能合成或合成不足、需少量外源提供的有机小分子。
2. ‎辅酶：与酶蛋白松散结合、可透析除去、参与基团转移的小分子有机化合物。
3. ‎辅基：与酶蛋白牢固或共价结合、不可透析除去的小分子。
4. ‎维生素原：能在体内转化为维生素的物质，如 β-胡萝卜素。
5. ‎TPP：焦磷酸硫胺素，维生素 B₁ 的活性形式，参与脱羧和转酮反应。
6. ‎PLP：磷酸吡哆醛，维生素 B₆ 的活性形式，参与转氨、脱羧等反应。
7. ‎THF：四氢叶酸，叶酸的活性形式，是一碳单位的载体。
8. ‎一碳单位：代谢中产生的含一个碳原子的基团，如甲基、亚甲基、甲酰基，由 THF 携带。
9. ‎内因子：胃壁细胞分泌的糖蛋白，与 B₁₂ 结合后促进其在回肠吸收。
10. ‎叶酸陷阱：B₁₂ 缺乏时 THF 被锁在 N⁵-甲基形式、不能参与 dTMP 合成，产生类似叶酸缺乏的表现。
11. ‎抗生物素蛋白：生蛋清中的蛋白质，与生物素极牢固结合，导致生物素缺乏。
12. ‎视紫红质：11-顺视黄醛与视蛋白结合形成的感光色素。
13. ‎Gla 残基：γ-羧基谷氨酸，维生素 K 依赖的 γ-羧化反应的产物，能结合 Ca²⁺。
14. ‎骨化三醇：1,25-(OH)₂D₃，维生素 D 的活性形式。
15. ‎癞皮病：烟酸缺乏引起的皮炎、腹泻、痴呆综合征。

二、简答题

1. 维生素如何分类？各类有何特点？

按溶解性分水溶性和脂溶性两类。水溶性包括 B 族（B₁、B₂、PP、B₆、泛酸、生物素、叶酸、B₁₂）和维生素 C，特点：溶于水，吸收后直接入血，多余部分随尿排出，体内不蓄积，需每日补充，过量中毒风险低；多数是辅酶或辅基。脂溶性包括 A、D、E、K，特点：溶于脂肪和有机溶剂，吸收需胆汁乳化，经淋巴入血，可储存于肝和脂肪组织，排泄慢，不需每日补充，但过量易蓄积中毒；功能多样，不都是辅酶。

2. 维生素与辅酶的关系是什么？举例说明。

多数水溶性维生素是辅酶或辅基的前体，维生素本身无活性，需转化为辅酶形式才发挥作用。举例：B₁ → TPP，是丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶、转酮醇酶的辅酶，转移醛基；B₂ → FMN/FAD，是琥珀酸脱氢酶等的辅基，传递氢；PP → NAD⁺/NADP⁺，是多种脱氢酶的辅酶，传递氢负离子；B₆ → 磷酸吡哆醛，是转氨酶、脱羧酶的辅酶，转移氨基；泛酸 → CoA，是酰基载体；生物素 → 羧化酶辅基，固定 CO₂；叶酸 → THF，携带一碳单位；B₁₂ → 甲基钴胺素，参与甲基转移。脂溶性维生素中，K 是 γ-羧化酶的辅因子，其余多数不是辅酶。

3. 为什么 B₁₂ 缺乏会导致巨幼红细胞性贫血？与叶酸缺乏有何异同？

B₁₂ 是甲硫氨酸合酶的辅酶，该反应把 N⁵-甲基-THF 的甲基转给同型半胱氨酸生成甲硫氨酸，同时释放出 THF。B₁₂ 缺乏时，THF 被锁在 N⁵-甲基形式（叶酸陷阱），无法提供亚甲基用于 dTMP 合成，DNA 合成受阻，细胞分裂减慢，红细胞前体体积增大形成巨幼红细胞。

相同点：两者都导致巨幼红细胞性贫血，血象相似。不同点：① B₁₂ 缺乏还导致甲基丙二酰 CoA 变位酶活性下降，甲基丙二酸堆积，引起神经系统损害（亚急性联合变性），叶酸缺乏无此表现；② 叶酸治疗能改善 B₁₂ 缺乏的贫血，但不能纠正神经损害，还可能掩盖病情；③ B₁₂ 缺乏常因内因子不足（恶性贫血、胃切除）导致吸收障碍。

4. 维生素 C 的生理功能及缺乏症。

功能：① 抗氧化剂，清除自由基，再生维生素 E；② 羟化酶辅因子，参与胶原蛋白中脯氨酸和赖氨酸的羟化、多巴胺 β-羟化、色氨酸羟化；③ 促进铁的吸收，把 Fe³⁺ 还原为 Fe²⁺；④ 参与肉碱合成和胆固醇转化为胆汁酸；⑤ 调节免疫。

缺乏症为坏血病：牙龈出血、牙齿松动、皮下瘀斑、伤口愈合慢、关节疼痛、贫血，严重时内脏出血。机制是胶原羟化不足导致结缔组织脆弱、血管壁通透性增加。

5. 维生素 D 的活化过程及生理功能。

活化过程：皮肤中的 7-脱氢胆固醇经紫外线照射生成 D₃（或从食物摄入 D₂/D₃），在肝脏经 25-羟化酶生成 25-OH-D₃（主要储存形式），再在肾脏经 1α-羟化酶生成 1,25-(OH)₂D₃（活性形式）。1α-羟化酶受 PTH 激活、受血磷和 FGF23 抑制。

功能：① 促进小肠对钙磷的吸收（诱导钙结合蛋白）；② 促进肾小管对钙磷的重吸收；③ 与 PTH 协同促进骨钙动员，同时促进骨矿化；④ 调节免疫、抑制细胞增殖、促进分化。缺乏导致儿童佝偻病、成人骨软化症。

6. 维生素 K 的功能及华法林的作用机制。

维生素 K 是 γ-羧化酶的辅因子，使蛋白质中的谷氨酸残基羧化为 γ-羧基谷氨酸（Gla），Gla 能结合 Ca²⁺，使蛋白结合到磷脂膜上。依赖维生素 K 的蛋白包括凝血因子 II、VII、IX、X，抗凝蛋白 C、S，以及骨钙蛋白、基质 Gla 蛋白。

华法林抑制维生素 K 环氧化物还原酶（VKOR），阻断氧化型维生素 K 还原为氢醌形式，使 γ-羧化反应无法进行，凝血因子活性下降，产生抗凝作用。华法林过量可用维生素 K 拮抗。

三、综合题

1. 一位长期酗酒者出现眼球震颤、共济失调、意识模糊，最可能缺乏哪种维生素？说明机制。

最可能缺乏维生素 B₁（硫胺素），诊断为 Wernicke 脑病。机制：长期酗酒导致 B₁ 摄入不足、吸收障碍、肝脏储存减少，同时酒精代谢增加 B₁ 消耗。B₁ 缺乏使 TPP 不足，丙酮酸脱氢酶和 α-酮戊二酸脱氢酶活性下降，丙酮酸和 α-酮戊二酸堆积，能量供应不足；神经系统对能量缺乏最敏感，尤其是脑干、丘脑、小脑，出现眼球震颤、共济失调、意识障碍。治疗需及时静脉补充 B₁。

2. 一位严格素食者出现乏力、面色苍白、四肢麻木，血象示巨幼红细胞性贫血，血清同型半胱氨酸升高。最可能缺乏什么？为什么？

最可能缺乏维生素 B₁₂。机制：B₁₂ 几乎只存在于动物性食品中，严格素食者摄入不足；B₁₂ 缺乏使甲硫氨酸合酶活性下降，N⁵-甲基-THF 不能释放，dTMP 合成受阻，DNA 合成障碍，产生巨幼红细胞性贫血；同时同型半胱氨酸不能转化为甲硫氨酸而堆积；B₁₂ 缺乏还使甲基丙二酰 CoA 变位酶活性下降，甲基丙二酸堆积，损害神经髓鞘，出现四肢麻木等神经症状。治疗需肌注 B₁₂（口服吸收需内因子，且素食者吸收途径可能受损）。

4.8 本章名词解释速记卡（35 条）

本册收尾：酶与维生素的合流

这一册的两章，在考场上最常以三种方式合流：

第一种，给一个代谢反应，问需要什么辅酶。 比如"丙酮酸 → 乙酰 CoA 需要哪些维生素"，答案是 B₁（TPP）、B₂（FAD）、PP（NAD⁺）、泛酸（CoA）、硫辛酸，一共五种。这种题必须能秒答。

第二种，给一个缺乏症，问缺什么维生素、涉及哪个酶、机制是什么。 答题的三段式：症状 → 维生素 → 辅酶 → 酶 → 代谢途径 → 机制。缺任何一环都要扣分。

第三种，论述题问"维生素与辅酶的关系及其在代谢中的意义"。 这是把两章合并的大题，答题要分三层：结构层（维生素 → 辅酶形式）、功能层（转移什么基团）、代谢层（参与哪些途径）。

下一册进入能量代谢。生物氧化和糖代谢是全套资料里计算量最大的部分，ATP 账目要能自己推，不能背结论。

第二册完。下一册：《新陈代谢总论、生物氧化与糖代谢》。