第七章 化学物质与酶的相互作用

Ki ' EIS
速度方程通式
• 根据此反应历程,根据快速平衡学说或恒态学说推导， 得到其总速度方程通式如下
v V max[ S ] [I ] [I ] Ks(1 ) [ S ](1 ) Ki Ki '
V max[ S ] v [I ] [I ] Km(1 ) [ S ](1 ) Ki Ki '
• 抑制剂能抑制酶促反应，主要是抑制剂能使酶的必需基因或活性 部位的性质和结构发生改变，从而导致酶活性降低或丧失。
抑制剂的分类
• 按抑制剂作用的方式不同，酶的抑制作用两 种类型 • 类型：不可逆抑制剂 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
半数有效浓度
• 为了评价化合物对酶的抑制活性，用半数有效浓度 IC50。
染料木素（genistein）
• Genistein对于-葡萄糖苷酶的抑制作用就是非竞争性 抑制作用。 • 他克林(tacrine)是治疗老年痴呆症的乙酰胆碱酯酶的
非竞争性抑制剂。
3、反竞争性抑制作用
• 反竞争性抑制剂I不能与 自由酶结合，而只能与 ES可逆结合生成不能分 解成产物的EIS。这一点 与竞争性抑制相反，Ki 值为∞，EIS只能解离成 ES + I，而不能解离成EI + S。
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③其它化合物
• 有些化合物的平面结构与底物并不相似，但立 体构象十分相近，也可以成为竞争性抑制剂。
非甾体抗炎药
• 非甾体抗炎药是一类具有不同结 构类型的化合物，由于选择性地 抑制环氧合酶的活性，用作抗炎 止痛药。
• 环氧合酶抑制剂消炎痛和底物花 生四烯酸的三维结构，整个分子 的立体构象中，羧基和双键的配 置有某种相似性，因而竞争性地 与环氧合酶结合。
CH3 R3 O C O N R1 R2 N N 毒扁豆碱 O C O N H CH3 H3C N+ H3C H3C O C O 新斯的明 N CH3
CH3
氨基甲酸酯的基本结构
实例
• 苯甲酰丙氨醛是胰凝乳蛋白酶的过渡态抑制剂；
• 其结构类似底物苯甲酰苯丙氨酰化合物与酶形成的 共价中间物中的底物酰基部分，比底物中的肽键羰 基更易受到酶活性中心羟基的亲核进攻，但不能形 成酰化酶共价中间物。
2、非竞争性抑制作用
• 典型的非竞争性抑制剂 不影响酶-底物结合； • 底物也不影响酶-I的结 合；S和I都可可逆独立 地结合于酶的不同部位 上；并且ESI为端点复 合物。
非竞争性抑制作用的双倒数方程
1 Km [I ] 1 1 [I ] (1 ) (1 ) v V max Ki [ S ] V max Ki
塞来克西(Celebrex)
• 作为环氧合酶（COX2，炎症细胞产生的酶）的特异 性抑制剂，难以进入开口较小的COX1活性中心的通 道，故而不能对其产生抑制作用，但仍能进入口径稍 大，后段略有柔性的COX2通道，而能对COX2产生 抑制作用。
5-脂氧合酶(LOX)
• 某些竞争性抑制剂的化学结构与底物的结构没有任何关系，其 抑制作用的原理是抑制剂与一些酶活性中心的金属离子络合， 妨碍了底物的进入，从而起到抑制酶活性的目的。 • LOX的活性中心含有一个非血红素铁原子，通过Fe2+与Fe3+的 循环实现其催化功能。该酶的抑制剂（CGS-23885,A-76745） 就是通过铁的螯合而与底物竞争性地与酶活性中心结合。
将该方程作双倒数处理，可得
1 km [I ] 1 1 [I ] (1 ) (1 ) v V max Ki [ S ] V max Ki '
在不同的抑制作用中，仅在于EI的解离常数Ki和EIS的解离常 数Ki’两个数值的不同，一般可分为4种类型：竞争性抑制、非 竞争性抑制、反竞争性抑制和混合性抑制作用。
非竞争性抑制作用Ki 的求解
• ①从[I]＝0和[I]为某一固定浓度所作1/对1/[S]双倒数 图的纵截距可直接测得1/Vmax和(1/Vmax)· (1+[I]/Ki)， 从而计算出Ki。
• ②从不同固定[I]所作双倒数图的斜率1/S对[I]再制图可 求得Ki。
• ③从不同固定[I]所作双曲数图的纵截距对[I]再制图， 从其横截距可直接到得Ki。
教学要求
•
• • •
熟练掌握抑制作用的类型，动力学特性以 及抑制剂研究的意义； 掌握酶激活作用的类型、动力学特性； 掌握酶对化学物质的催化作用； 掌握酶制剂的类型、催化反应的介质以及 酶催化的有机合成反应类型。
化学物质与酶的相互作用
• 自然界中发现的酶已达3000多种，而且这个数目随着基因 工程和蛋白质工程方面研究的发展而大大增加。 • 酶可以直接作为药物用于医药工业，如溶菌酶可治疗各类 炎症（咽喉炎、口腔溃疡、慢性鼻炎、带状疤疹及各种刀 伤引起的发炎等），天冬酞胺酶治疗癌症，治疗血栓的尿 激酶等。
在不同的固定[I]下，改变[S]并测定相应[S]下ν，如图所示
图中：有竞争性抑制剂存 在，不管[I]如何，其双倒 数图的纵截距不变，仍为 1/Vmax ,而横截距则随[I]的
增加其负值增加，如[I] 达饱 和浓度，则可使初始速度降
为零，Vmax unchanged,
Km increases
竞争性抑制作用Ki的求解
乙酰胆碱酯酶(AChE)
• AChE的羟基与酯酶的酯解部位形成共价键，其四价氮上的强 正电荷与酯酶的阴离子部位呈静电联接。酶的乙酰化很快导致 酯键断裂和胆碱的消除，乙酰化酶随即与水反应而使酶再生并 放出乙酸。
• 氨基甲酸酯杀虫剂是乙酰胆碱酯酶水解过渡态的稳定类似物， 能与乙酰胆碱酯酶结合部位紧密结合而抑制乙酰胆碱酯酶。
降低尿酸的生物合成。
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②过渡态类似物
• 酶催化化学反应效率高的原因在于酶能与高能态的过 渡态相结合，从而大大降低了化学反应的活化能。 • 如果对催化某一特定生物化学反应的酶的三维结构尚 不清楚，可以根据其生化反应的过程，设计合成具有 特定结构、疏水性匹配、电子和空间因素与过渡态类 似的稳定化合物，作为该酶特异的抑制剂，这无疑为 药物合理分子设计提供了另一强有力的手段。
可逆抑制作用的类型和特点
竞争性抑制作用 可逆抑制作用 非竞争性抑制作用 反竞争性抑制作用 混合性抑制作用
1、竞争性抑制作用
• 竞争性抑制作用（Competitive inhibition ）中I只与自 由酶结合，因而阻止S与酶结合。而S又不能与EI结合， I也不能与ES结合，所以EIS不存在；EI亦不能分解成 产物。反应历程：
[S ] IC 50 Ki(1
) Km
• 根据该方程式，当底物浓度大于Km值时，IC50值 高于Ki值，尤其当底物浓度较高时，Ki值偏低更加 明显。
竞争性抑制剂的结构特征
• 底物类似物 • 过渡态类似物 • 其他化合物
①底物类似物
• 利用酶底物类似物作为竞争性抑制研究一 些三维结构不清楚的酶活性中心结构； • 根据底物结构设计临床药物。
• ①从双倒数图计算出表观米氏常数Kmapp，然后代入 Kmapp=Km(1+[I]/Ki)可计算出Ki。 • ②从双倒数图求得各[I]浓度下的Kmapp值对相应[I]再作 图，从再制图的纵截距可直接测得Km，从其横截距可 直接测得Ki。 • ③从不同固定[I]下所作一簇直线的斜率1/[S]对相应[I]再 制图，其纵截距为Km/Vmax, 斜率为Km/VmaxKi，横截 距即为-Ki。
实例1
• α-葡糖苷酶抑制剂如阿卡波糖(acarbose)、伏格列波糖 （voglibose）和米格列醇（Miglitol）的结构与酶的低聚糖 类底物和葡萄糖糖苷类相似。 • 可与活性部位发生竞争性结合，抑制肠道内双糖分解，从 而降低餐后的高血糖。
实例2
• 黄嘌呤氧化酶可催化次黄嘌呤氧化成黄嘌呤，进而 被氧化成尿酸，黄嘌呤氧化酶抑制剂 • 别嘌呤醇治疗痛风病就是通过抑制黄嘌呤氧化酶，
非竞争性抑制剂的结构特征
• 由于非竞争性抑制剂并非结合于酶活性中心的底物结 合位点，而是活性中心附近的某些区域或基团，不影 响酶与底物的亲和力。
• 而非竞争性抑制剂的作用部位不是十分清楚，所以， 不能根据酶的底物及酶活性中心的结构设计非竞争性 抑制剂。 • 目前所发现的一些酶的非竞争性抑制剂大多数都是随 机筛选得到的化合物。
反竞争性抑制作用的特点
• 反竞争性抑制程度取决于[I]、[S]、Ki和Km等。它的 抑制程度随底物浓度的增加而增加。 • 反竞争性抑制剂使酶的Km值降低，即Kmapp＜Km。 • 从这点看，反竞争性抑制剂不是一个抑制剂，而像是 一个激活剂。它之所以造成对酶促反应的抑制作用， 完全是由于它使Vmax降低而引起。所以如果[S]很小， 反应主要为一级反应，则抑制剂对Vmax的影响几乎完 全被对Km的相反影响所抵消。这时几乎看不到抑制作 用。
• 酶也广泛应用于食品工业、化学工业、医药工业、环保工 业等，在临床检验、生物分析等领域也广泛使用。
本章主要知识点
• 化学物质（无机物质、有机物质和高分子物质） 与酶的相互作用包括化学物质对酶的抑制作用、 激活作用 • 酶对化学物质的催化作用。
第一节 化学物质对酶的抑制作用
Inhibition of enzymes by chemicals
化学物质对酶的抑制作用
酶的抑制作用：凡能降低酶促反应速度的作用。 • 通过酶抑制作用的研究，不仅对了解酶的专—性，酶活性部位的 物理和化学结构，酶的动力学性质以及酶的作用机制等； • 对了解药物和毒物作用于机体的方式及机理等也有重要意义； • 对代谢途径中酶的调节也能提供信息。 酶的抑制剂（inhibitor）：能使酶活性受抑制的物质。
第七章
化学物质与酶的相互作用
Interaction between chemicals and enzymes
主要内容
• • • 化学物质对酶的抑制作用 化学物质对酶的激活作用 酶对化学物质的催化作用
Inhibition of enzymes by chemicals Activation of enzymes by chemicals Enzymatic catalysis of chemical substances
Dixon作图法求Ki
1 Km Km 1 Km (1 )[ I ] (1 ) v V max Ki [S ] V max [S ]
非竞争性抑制剂的IC50值
• 非竞争性抑制剂的IC50值与底物浓度的关系如下：
IC 50 Ki(1 Km
) [S ]
• 根据该式，当底物浓度较高时，IC50值接近于Ki值； 当底物浓度较低时，IC50值明显低于Ki值。
竞争性抑制作用的特点
• —个竞争性抑制剂只增加酶—底结合的表观米氏常数 Km(Kmapp)，即抑制剂I浓度增加，Kmapp就增加；而Vmax则 保持不变。在竞争性抑制剂存在下, 要达到最大反应速度Vmax， 必须加入更高的底物浓度。如[S]＞100Km时，Vmaxi可达Vmax。
• 竞争性抑制剂对酶促反应的抑制程度，决定于[I]，[S]，Km和Ki 的大小。
• [I]一定，增加[S], 减少抑制程度；[S]一定，增加[I]，增加抑制程 度，Ki值较低时，任何给定[I]和[S]，抑制程度都较大；Km值越 低，在一定[S]、[I]下，抑制程度越小。
竞争性抑制作用的双倒数图
1 Km 1 [I ] 1 (1 ) v V max [ S ] Ki V max
• ④Dixon作图法求Ki
Dixon作图法求Ki
将竞争性抑制剂存在下的双倒数重排成1/v随[I]而变化的方程
1 Km 1 Km [I ] (1 ) v V max Ki[ S ] V max [S ]
竞争性抑制剂的IC50值
• 取决于实验所用的酶和底物浓度，当酶的浓度固定 时，IC50值与Ki、Km和底物浓度[S]呈如下关系：
• 测定IC50方法：将底物与酶的浓度保持恒定，改变 抑制剂的Fra Baidu bibliotek度，求出使酶活性降低50%所需的抑制 剂浓度。
一、可逆抑制作用
• 按可逆抑制剂对酶—底结合的影响不同，可分为许
多类型，它们的反应历程可用一通式表示：
Ks E + S + I Ki EI + S Ks' ES + I kp E + P