第二章下 酶的抑制动力学

酶抑制剂：是一类可以结合酶并降低 其活性的分子。由于抑制特定酶的活性可 以杀死病原体或校正新陈代谢的不平衡， 许多相关药物就是酶抑制剂。一些酶抑制 剂还被用作除草剂或农药
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20世纪60年代初，Umezawa提出了酶抑 制的概念,从而将抗生素的研究扩大到酶抑制剂 的新领域。酶抑制剂新药发现的途径：一是来 源于天然化合物，包括动植物和各种微生物等， 二是化学合成物。在目前上市的药物中，以受 体为作用靶点的药物占52%，以酶为靶点的药 物占22%，以离子通道为靶点的药物占6%，以 核酸为靶点的药物占3%。因此，酶抑制剂的开 发是新药来源的一个主要途径。以酶为靶点开 发新药存在巨大潜力，今后很长一段时间仍然 是发现新药的重要着手点。
1． 底物抑制 2． 产物抑制

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2． 产物抑制
产物对酶反应的抑制作用在生物体中 较为常见，在细胞内，酶反应的产物虽然 不断被另外的酶作用，但S和P总是同时存 在的，因此，考虑产物对反应速度的影响， 可能具有一定的意义。
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二、不可逆抑制作用
不可逆抑制作用： 如果[E ]> [I ],则I只能使部分的酶失活，余下 的酶仍是正常的，可以行使正常的催化功能。 米氏常数不变，而Vmax下降，得到的双倒 数图和可逆抑制中的非竞争性抑制非常相似。
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特点：




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⑴ 非竞争性抑制剂的化学结构不一定与底 物的分子结构类似； ⑵ 底物和抑制剂分别独立地与酶的不同部 位相结合； ⑶ 抑制剂对酶与底物的结合无影响，故底 物浓度的改变对抑制程度无影响； ⑷ 动力学参数：Km值不变，Vm值降低。
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非竞争性抑制的动力学
可推导得出如下的曲线
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（二） 专一性不可逆抑制剂


概念：抑制剂通常只作用于酶蛋白分子中一 种氨基酸侧链基团或仅作用于一类酶。 专一性不可逆抑制剂的类型:
1． Ks型结合型不可逆抑制剂
2． Kcat型催化型不可逆抑制剂（自杀底 物）
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1、Ks型结合型专一性不可逆抑制剂
抑制剂只能专一地与某种酶结合而引起的 不可逆抑制作用 根据底物的化学结构设计，可以和酶 结合，并对酶的必需基团进行化学修饰， 从而抑制酶的活性。是利用对酶的亲和力 而对酶进行修饰标记，所以又称亲和标记 试剂。 举例： 1 对甲苯磺酰-L-苯丙氨酰氯甲酮抑制胰凝 乳蛋白酶 2 对甲苯磺酰-L-赖氨酰氯甲酮抑制胰蛋白 酶
单胺氧化酶
肾上腺素（去甲肾上 腺素）
中枢兴奋，抗哮喘
丙二酸是琥珀酸的结构类似物， 可逆抑制琥珀酸脱氢酶活性
乙醇作为竞争性底物可以抑制乙二醇氧 化成乙醛的反应，（因此乙醇可以用于 治疗乙二醇中毒）
抑菌剂

二氢叶酸合成酶
转肽基酶
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两者结构类似，故可竞争性地抑制转 肽酶，导致胞壁合成障碍。
1、Vm降低
形成不能转变为 产物的EI和EIS 越多，V降低的程度越
显著。 2、Km不变 3、增大底物浓度，不能 减轻抑制作用，无竞争关 系；
即I越大、Ki越小，
2. 非竞争性抑制举例
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（四）混合型抑制作用
是非竞争性与其他两种类型的混合， 竞争性与反竞争性抑制二者之间不存 在混合型。
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（五） 其他可逆抑制
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第四节 酶的调节
酶活性的调节
酶浓度的调节
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酶活性调节的实例：
凝血酶、胰蛋白酶激活 糖元磷酸化酶活性转化 母体分娩后母乳中乳糖合成 丙二酸抑制琥珀酸脱氢酶活性 苏氨酸到异亮氨酸的代谢途径控制
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说明了—— 正常情况下生物体并不要求每个酶处于最 有效的催化状态，而是要求有快有慢。 在长期的进化、选择过程中，生物体为适 应外界环境变化，满足生理功能的需要， 形成了一整套调节机制。（酶合成水平上 的调节和酶结构活性水平上的调节)
腺苷酸环化酶
AMP
磷酸二脂酶
cAMP + H2O
乳糖操纵子模型
2. 生理调节或激素调节
在特殊生理条件下，分泌某一种激素来调
节酶的活性。如：乳腺组织中的乳糖合成酶。
乳糖合成酶是蛋白A和蛋白B两组分构成的 复合物，可以催化乳糖合成反应：
E
UDP-半乳糖 + 葡萄糖
乳糖 + UDP
蛋白A不能催化上述反应而能催化下述合成反应：
胰凝乳蛋白酶原 （无活性） 胰蛋白酶
α --胰凝乳 蛋白酶为稳定的 形式，A、B两链 及B、C两链间各 通过一对大的二 硫键相连，其活 性只有π --胰凝 乳蛋白酶的2/5
◆
π--胰凝乳蛋白酶 （有活性） 胰凝乳蛋白酶 Ser14—Arg15 Thr147—Asn148 α--胰凝乳蛋白酶 （有活性,稳定）
治疗高血压；癫痫；抗青霉素的菌株； 在肿瘤治疗上；治疗震颠麻痹症；痛风症 的自杀底物疗法。
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例：以FMN或FAD为辅酶的单胺氧 化酶的Kcat型不可逆抑制剂迫降灵
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酶抑制剂的抑制程度：
在抑制剂存在下，酶反应速度下降的成 都，常用有抑制作用的反应速度（vi）与 无抑制作用的反应速度（v）。 a：相对活力分数 i：抑制分数 i＝1－a
UDP-半乳糖 + N-乙酰葡糖胺
A N-乙酰半乳糖胺 + UDP
蛋白B本身无催化能力，但其与蛋白Байду номын сангаас结合，可以 改变蛋白A的底物专一性。
3、共价修饰调节 不可逆共价调节——酶原激活
◆一些酶（主要是消化酶和执行防御功能的酶）在细胞内以
无活性前体形式（即酶原）合成和分泌，然后输送到胞内 外作用部位去，当功能需要时就会被活化而起作用。可以 想象，必须有一种调控机制，使其在胞内合成时处于失活 状态，而在需要时激活； ◆在酶原激活过程中，酶原分子结构发生了这样的变化： 首先，酶原分子被切去若干小段，即发生一级结构变化、 一级结构变化引起酶分子活性部位构象变化，形成能与 特异性底物相结合的完整的疏水口袋。
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非竞争性抑制
酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子 构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物 质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所 以称为非竞争性抑制剂。 如某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA 等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基 团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性 抑制。
H7N9新药(帕拉米韦) 强效神经氨酸酶抑制剂
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整合酶抑制剂的发现和发展
4．过渡态的类似物作为竞争性 的抑制剂
所谓过渡态底物是指底物和酶结 合成中间复合体后被活化的过渡形式， 一般用S*表示，由于其能障小，和酶 结合就紧密得多。
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4过渡态的类似物作为竞争性的抑制剂
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（二） 反竞争性抑制
理论上： 阐明酶活性中心、酶催化机理、代谢途径、 代谢调节、药物和毒物作用机理。 应用上： （1）药物：抑制病原微生物；治疗代谢疾病；保 健、美容等功效。 （2）农业中的杀虫剂和杀菌剂。 （3）食品加工过程中有害酶的活性抑制剂。
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（一）竞争性抑制作用的含义
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(1) 竟争性抑制
某些抑制剂的化学结构与底物相似， 因而能与底物竟争与酶活性中心结合。 当抑制剂与活性中心结合后，底物被 排斥在反应中心之外，其结果是酶促 反应被抑制了。 米氏常数变大 竟争性抑制通常可以通过增大底物浓 度，即提高底物的竞争能力来消除。

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竞争性抑制动力学曲线
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竞争性抑制的动力学
经推导可得如下曲线
1、Km增大
即抑制剂与酶结合后， 酶和底物亲和力降低； I越高、Ki越小，Km增大。 酶和底物亲和力降低，酶 反应速度减慢。 2、Vm不变 3、增大底物浓度，有利于 酶和底物结合，可减轻抑 制作用；反之，增加抑制 剂浓度，加深抑制程度。
2. 竞争性抑制作用的机理
（1 ）抑制剂与底物在结构上有类似之处
（2 ）可能结合在底物所结合的位点（如 结合基团）上，从而阻断了底物和酶的结
合
（3） 降低酶和底物的亲和力。
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3. 竞争性抑制作用举例
被抑制的酶
二氢叶酸合成酶（细 菌） 二氢叶酸还原酶
药物（抑制剂）
磺胺药 氨基蝶呤
竞争底物
苯甲酸 二氢叶酸 尿嘧啶（胸腺嘧啶）
多种调节方式： 浓度调节（ 合成降解调节)； 生理调节(激素调节)； 共价修饰调节（可逆，不可逆)； 抑制剂调节； 反馈调节（别构调节）； 存在方式调节（多酶体系）； 寡聚酶的聚合、解聚调节；
1. 调节酶在细胞内的浓度
如：大肠杆菌的葡萄糖效应，即在有葡萄 糖存在时，它不利用乳糖。原理可以 用乳糖操纵子模型来解释。
Enzyme Engineering 酶工程
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第二章 酶催化的基础知识
第三节
酶的抑制动力学及应用
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去激活作用：
如EDTA去除二阶金属离子，以 降低酶的活性。 此作用并非是化学物质对酶蛋白 或其辅因子的直接作用。
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食品加工过程中由于多酚氧化 酶的作用，发生酶促褐变，使果蔬 类加工食品货架寿期缩短。多酚氧 化酶是含铜金属蛋白，因而许多金 属螯合剂是其抑制剂。
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（三）非竞争性抑制
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非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）
抑制剂在酶的活性部位以外的部位与酶结合， 不对底物与酶的活性产生竞争。
作用：抑制剂不仅与游离酶结合，也可以与 酶-底物复合物结合的一种酶促反应抑制作 用。酶-底物-抑制剂复合物（ESI）不能进 一步释放出产物。
A链
B链
C链
酶活性中 心的氨基酸残基 来自B、C二链
◆
α--胰凝乳蛋白酶 （三链间有二硫键）
胰蛋白酶原
肠激酶 胰凝乳蛋白酶原
六肽
+
胰蛋白酶
弹性蛋白酶原
胰凝乳蛋白酶
弹性蛋白酶
羧肽酶
羧肽酶原
胰蛋白酶对各个胰脏蛋白酶原的激活作用
综上所述，酶原激活有两个特点：


是蛋白质肽链的水解过程，不可逆激活后，不能 变为酶原状态，因而这是“一次性”的调节，能 及时地从靶部位通过自身催化或组织蛋白酶的作 用而降解移去 都是通过级联系统实现的快速的信号放大过程， 以完成特定功能
非专一性： 专一性
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（一）非专一性的不可逆抑制作用

1． 概念：抑制剂能和酶上的一类或 几类基团反应。

2 类型：重金属、酰化剂、烃基化剂、 含活泼双键的试剂、 有机磷化合物、 烷化剂、 还原剂
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农药杀虫的机理-抑制生物体中的靶酶。 乙酰胆碱酯酶（ACHE）：催化乙酰胆碱， 水解为胆碱和乙酸 例如：有机磷的杀虫原理主要是： 有机磷对生物体神经突触后膜上的 乙酰胆碱酯酶（ACHE）的抑制，造成突触 间隙乙酰胆碱的积蓄，持续地作用于受体， 引起一系列反应使病虫神经过度兴奋而死 亡
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一、可逆抑制

按抑制剂与酶的结合方式：
同位抑制作用：抑制剂与酶活性中心结合， 阻断酶分子的结合基团或催化基团，或者 与ES复合物相结合，阻止底物形成产物。 别位抑制作用：抑制剂与酶活性中心以外 的部位结合，通过酶分子构象的改变影响 底物与酶的结合，进而影响催化效率。
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研究酶抑制剂及其抑制作用的意义：
临床应用及机 理
抗菌作用（抑制四氢 叶酸） 抗白血病
尿嘧啶核苷磷酸化酶 5-氟尿嘧啶（5-FU） （胸腺嘧啶核苷磷酸 化酶） 别嘌呤醇 黄嘌呤氧化酶
抗癌作用（抑制核苷 酸合成）
抗通风（抑制尿酸生 成） 止血，抗纤溶（抑制 纤溶酶）
黄嘌呤，次黄嘌呤
6-氨基已酸
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纤溶酶
-赖氨酸-氨基酰
苯丙胺（麻黄素）

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2． Kcat型催化型不可逆抑制剂（自 杀底物）
抑制剂能专一地与某种酶结合并发
生催化反应，而反应的产物中含有一个 基团可以与酶分子活性中心的基团共价 结合，导致酶分子不可逆地丧失催化活
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性。
Kcat型不可逆抑制剂（自杀底物）
（1） 天然酶的自杀底物
（2）治疗用人工合成的酶自杀底物
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（2） 治疗用人工合成的酶自杀 底物
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反竞争抑制作用
加入I时，反而可增加S对E的亲和 力，而增加S并不能减轻或消除抑制； 有I时，Km减小，说明I可使E对S的亲 和力增大。
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反竞争性抑制动力学曲线
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2. 反竞争性抑制举例
单底物酶：芳香基硫酸基的肼解 氰化物抑制芳香硫酸酯酶的作用
多底物：如双底物乒乓机制中，任何一 个底物的竞争性抑制剂也是另一底物 的反竞争性抑制剂。
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反竞争性抑制（uncompetitive
inhibition）
对酶活性的一种抑制作用，由于 所加入的抑制剂能与酶-底物复合物结 合，而不与游离酶结合，所以其特征 是反应的最大速度比未加抑制剂时反 应的最大速度低，当以速度的倒数相 对底物浓度的倒数作图，所得图线与 未被抑制反应的图线平行。