輔酶

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輔酶(coenzyme)是一類可以將化學基團從一個酶轉移到另一個酶上的有機小分子,與酶較為鬆散地結合,對於特定酶的活性發揮是必要的。有許多維他命及其衍生物,如核黃素硫胺素葉酸,都屬於輔酶。這些化合物無法由人體合成,必須通過飲食補充。不同的輔酶能夠攜帶的化學基團也不同:NAD或NADP+攜帶離子輔酶A攜帶乙酰基,葉酸攜帶甲酰基,S-腺苷蛋氨酸也可攜帶甲酰基。

定義

  由於輔酶在酶催化反應中其化學組分發生了變化,因此可以認為輔酶是一種特殊的底物或者稱為「第二底物」。這種所謂的第二底物可以被許多酶所利用。例如,目前已知有約七百種酶可以利用輔酶NADH進行催化。   在細胞內,反應后的輔酶可以被再生,以維持其胞內濃度在一個穩定的水平上。例如,NADPH可以通過磷酸戊糖途徑和甲硫氨酸腺苷基轉移酶作用下的S-腺苷基蛋氨酸來再生。由於輔酶的再生對於維持酶反應體

硫胺素

系的穩定是必要的,因此,輔酶再生系統獲得了大量的實驗室以及工業應用。

常見的輔酶

硫胺素

  即維生素B1。它在生物體內的輔酶形式是硫胺素焦磷酸 (TPP)(圖1[硫胺素焦磷酸(TPP)的結構式])。   硫胺素焦磷酸過去也稱為輔羧酶。它在動物糖代謝中起著重要作用,例如酮酸在脫羧作用時需要它。在TPP缺少的情況下,代謝中間物丙酮酸不能順利脫羧會積聚血液組織中而出現神經炎癥狀。TPP 還是其他酶例如 -酮酸氧化酶、轉酮醇酶的輔酶。TPP催化的酶反應還需要有鎂離子的存在

酰胺

  是一系列酶類的輔酶的前體。   很早就知道煙酰胺可以防止糙皮病。1904年已知酒精發酵時不能缺少一種叫輔酶Ⅰ物質,1933年這種輔酶Ⅰ被分離出來。1934年德國生化學家O.瓦爾堡又分離出一個與輔酶Ⅰ相近似的物質,稱為輔酶Ⅱ,並證實了煙酰胺是這兩種輔酶的組成部分,現在已經弄清楚輔酶Ⅰ的化學組成是煙酰胺腺嘌呤核苷酸 (NAD),輔酶Ⅱ的化學組成為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)。   以NAD(和NADP(為輔酶的酶,稱為吡啶核苷酸(或煙酰胺核苷酸)連接的脫氫酶。這些酶催化細胞內的氧化還原反應。一般說來,與NAD(相連的脫氫酶類通常與呼吸過程有關,而與NADP(相連的則與生物合成反應有關。

核黃素

  即維生素B2。參與組成兩種輔酶,是細胞內的氧化還原系統的主要成分,它們是黃素單核苷酸(FMN)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。   FMN和FAD是一系列黃素連接的氧化還原酶或稱為黃素蛋白類的輔酶,從它們與酶蛋白結合緊密的程度來說,也可認為是輔基。這些酶中有的除了FMN或FAD外,還需要一些金屬輔助因子,如鐵或鉬離子等。因此它們被稱為金屬黃素蛋白。這些酶催化一系列可逆或不可逆的細胞中的氧化還原反應。

吡哆醛及其衍生物

  吡哆醛、吡哆胺吡哆醇總稱為維生素B6(圖3[維生素的結構式]的結構式" class=image>)。維生素B6參與形成兩種輔酶,即吡哆醛磷酸和吡哆胺磷酸。   需要吡哆醛磷酸或吡哆胺磷酸作為輔酶的酶在氨基酸代謝中特別重要,催化轉氨、脫羧以及消旋作用等。

生物素

  作為一些酶的輔基而起輔因子作用。它以共價鍵的形式通過酰胺鍵和脫輔基酶蛋白的一個專一賴氨酰殘基的ε- 氨基相連。ε-N-生物素酰-L-賴氨酸稱為生物胞素(biocytin) (圖4[生物素作為輔基的形式])。   需要生物素的酶類能催化二氧化碳的參入 (羧化作用)或轉移,因而生物素和二氧化碳的固定密切相關。在羧化作用時還需要腺苷三磷酸(ATP)和鎂離子的存在,此外生物素在蛋白質生物合成中以及轉氨基作用中也起著重要作用。

泛酸

  最初作為酵母生長因子被分離出來。由於在生物中廣泛存在,因而被稱為泛酸。泛酸的輔酶形式是輔酶A(CoA或CoASH),是酶促乙酰化作用的輔助因子(圖5[輔酶A的結構式]),在生物學上的重要性是作為酰基的載體供體,在代謝上尤其是脂肪酸的代謝上甚為重要。

葉酸

  由於最早是從菠菜葉中被分離出來,故名。   葉酸的輔酶形式是四氫葉酸(圖6[四氫葉酸的結構式]),它作為酶促轉移一碳基團(如甲酰基等)的中間載體而在嘌呤類、絲氨酸甘氨酸和甲基基團的生物合成中起作用。此外,葉酸在核蛋白的生物合成上也是不可缺少的。

維生素12

  在20年代已經發現給病人吃動物的肝能治療惡性貧血,說明肝中有一種因子對惡性貧血有效。現在維生素B12已經被分離提純並且結構也已弄清。維生素B12的結構中有一個咕啉(corrin)環系統,並且含有鈷離子及

輔酶 煙酰胺

氰基(CN),故又稱氰鈷胺素。純凈的維生素B12溶液紅色,這也是一般鈷化合物的特徵。作為輔酶時,維生素B12中的CN被5'-脫氧腺苷基團所代替,稱為輔酶B12。這是一個不穩定的化合物,當有氰化物存在或暴露于光照下即轉變為維生素B12。如以5'-脫氧腺苷基代替式中的黑體-CN基,就是輔酶B12的結構式。

意義

維生素B族輔酶

  在幾種重要的代謝反應中起作用。在二羧酸的異構作用中,例如在谷氨酸轉化為甲基天冬氨酸的酶促反應中,在乙二醇和甘油轉化為醛類,生物合成甲基基團以及核苷的合成中需要輔酶B12   其他重要輔酶 除了 B族維生素成員組成了大部分重要的輔酶以外,在生物化學上重要的還有輔酶Q谷胱苷肽尿苷二磷酸葡糖(UDPG)、維生素K族等。

其他重要的輔酶

  1、輔酶Q(CoQ) 輔酶 Q是生物體內廣為分佈的一類醌類物質,又稱為泛醌。存在於線粒體內膜中,是生物氧化呼吸鏈中的一個不可缺少的氫遞體,具有重要的生理意義。輔酶 Q側鏈的異戊二烯單位的長度對於不同的生物種可以是不同的。   2、谷胱甘肽(Glutathion) 谷胱甘肽是一個小分子量的胞內三肽,即γ-L-谷氨酰-L-半胱氨酰甘氨酸在大多數生物細胞中,谷胱甘肽的主要作用是保護一些蛋白質的巰基以維持它們在還原狀態。谷胱甘肽還在生物體內產生的過氧化氫還原上起一定作用,但這些都不是輔酶的作用。谷胱甘肽也作為一些酶的輔酶而起作用,例如它是乙二醛酶(Glyoxalase)及順丁烯二酸單酰乙酰乙酸異構酶(Maleoylacetoacetate isomerase) 的輔酶。谷胱甘肽也是體內甲醛氧化成甲酸反應的輔酶。   3、尿苷二磷酸葡糖 (UDPG) 是核苷二磷酸糖類的一種,作為輔酶主要是在糖類合成中起作用。其他可作為輔酶的核苷二磷酸糖類有尿苷二磷酸半乳糖(UDPGal)、尿苷二磷酸甘露糖(UDPMan)等,他們在糖類合成代謝中是非常重要的。例如 UDPG 作為半乳糖-4- 表異構酶(Galactose-4-epimerase)的輔酶,在D-半乳糖的代謝中起作用:   D-半乳糖-1-磷酸+UDPG[355-04]   UDPGal+D-葡萄糖-1-磷酸   4、維生素K族 維生素K族中的某些成員可能在生物體內起某些輔酶作用。如作為輔酶在谷氨酸殘基的羧化作用中的功能已獲得一些線索。   5、甲基萘醌類(Menaquinone,即維生素K2類)很可能是某些細菌中使二氫乳清酸轉變為乳清酸反應的酶的輔酶。

易混淆的分類

  輔酶、輔基和激活劑   根據酶催化反應最適條件的要求,原則上在酶測定體系中應加入一定量的輔助因子。輔助因子(cofactors)是指酶的活性所需要的一種非蛋白質成分,包括輔酶、輔基和金屬離子激活劑。與酶緊密結合的輔因子稱為輔基;不含輔基的酶蛋白稱為脫輔基酶蛋白(apoenzyme),沒有催化活性,必須加入足量輔基,和它結合成為全酶(holoenzyme),才有催化活性。脫輔基酶蛋白與輔基孵育一段時間后,酶活性才會恢復,因此,往往需要樣品與試劑中的輔基先預孵育的過程。輔基的用量往往較少。   與酶蛋白結合很鬆弛,用透析和其它方法很易將它們與酶分開的稱為輔酶(Coenzyme)。輔酶儘管不同於酶的底物,但在作用方式上和底物類似,在酶反應過程中與酶結合、分離及反覆循環。輔酶用量的確定可將它們按底物處理。例如乳酸脫氫酶中輔酶按雙底物動力學方程計算。   激活劑(activator)的化學本質是金屬離子,可以是酶的活性中心,也可以通過其他機制激活酶的活性。作為激活劑的金屬離子,其影響酶促反應的動力學更加複雜。最常見的是二價金屬離子如Mg2+、Zn2+、Mn2+、Ca2+、Fe2+等。重金屬離子大多是酶的變性劑。金屬離子之間往往存在相互拮抗或相互抑制。在酶測定體系中經常加入EDTA目的是螯合一部分非必要的離子。合適的金屬離子濃度是必要的,過量的離子往往抑制酶反應速度。由於激活劑的動力學往往與酶的動力學不同,這就可以解釋不同的樣品與反應液的比例,造成酶活性測定結果的不呈比例。N-乙酰半胱氨酸肌酸激酶激活作用與此類似。激活劑的用量一般通過反覆實驗來確定。   輔酶Q-10有助於(1)保護心臟   輔酶Q-10有助於為心肌提供充足氧氣,預防突發性心臟病,尤其在心肌缺氧過程中輔酶Q10發揮關鍵作用。   (2)促進能量轉化,提升精力   輔酶Q-10幫助把食物轉化為細胞生存必需的能量(如ATP),使細胞保持最佳狀態,使人感覺精力更充

輔酶 核黃素

沛;   (3)提高免疫力延緩衰老   輔酶Q-10是細胞自身產生的天然抗氧化劑,可阻止自由基的形成,有助於維護免疫系統的正常運作及延緩衰老;   近年來的研究表明,輔酶Q-10在預防冠心病緩解牙周炎,治療十二指腸潰瘍胃潰瘍及緩解心絞痛方面有顯著效果。同時還有抗腫瘤作用,臨床對於晚期轉移性癌症有一定療效。   各種輔酶在生物體正常生長發育中,發揮各種重要的作用,使生命活動有序的進行。

輔酶主要的作用

  1. 抗心肌缺血作用。   2. 增加心輸出量,降低外周阻力,有助於抗心衰作用,醛固酮的合成與分泌抑製作用並干擾其對腎小管效應。   3. 抗心律失常作用。   4. 使外周血管阻力下降。   5. 能激活人體細胞和細胞能量的營養,具有提高人體免疫力、增強抗氧化、延緩衰老和增強人體活力。此外,還有抗阿霉素心臟毒性作用保肝等作用。