同工酶 1 . 定义不同种类、不同器官、不同组织来源的酶可作用于同一底物催化相同的化学反应但其结构和性质可不尽相同。 2 . 普遍性在生物界广泛存在5 0 以上的酶分子发现有同工酶。 最常见的同工酶有乳酸脱氢酶L D H 、醇脱氢酶A D H 、己糖激酶H K 、碳酸酐酶C A 、3 磷酸甘油酸脱氢酶G D D 、醛缩酶A L D 、磷酸果糖激酶P F K 、丙酮酸激酶P K 、肌酸激酶C K 、谷丙转氨酶G P T 、酸性磷酸酶A C P 、谷草转氨酶G O T 、超氧化物歧化酶S O D 、苹果酸脱氢酶M D H 等。 3 . 分类命名 按电泳迁移率 如 L D H 同工酶按向阳极方向速率差异可分为 5 种即B 4 、B 3 A 1 、B 2 A 2 、B 1 A 3 、A 4 故可分别称其为L D H 1 …D H 5 根据组织分布 如心肌 L D H 、脑 L D H 、肌酸磷酸激酶C P K 、鼠脑醛缩酶A L D 、鼠肾丙酮酸激酶P K 等 动力学判断法及结构判断法 类似于血红蛋白的命名法实施比较困难只有少数酶可行。 4 . 同工酶的结构基础 同工酶之所以能催化相同反应是因为其结构、尤其是活性中心有类同之处。而它们所以存在着物理特性、催化性质及免疫特异性上的区别主要是由于分子组成和结构上有一定差别。 1 一级结构上的差异① 分子量不同氨基酸组成相差很大② 分子量接近但氨基酸组成及水解图谱不同③ 分子量接近氨基酸组成类似水解图谱接近但免疫性质不同。 2 构像变化造成同工酶的差异 同工酶的互变i n t e r c o n v e r t i b l e i s o z y m e 原级同工酶p r i m a r y i s o z y m e 次级同工酶s e c o n d a r y i s o z y m e 同工酶与别构酶a l l o s t e r i c i s o z y m e  5 . 同工酶的形式 蛋白质三级结构——亚基S u b u n i t  ( 1 ) 亚单位学说 亚单位学说认为“同工酶是由亚基按不同的相互结合方式组成的两种或两种以上的酶” L D H 由 A 、B 两种亚基组成这两种亚基通过杂交为四聚体时可以有五种组成方式。 H a r r i s 曾统计了百余种同工酶发现单亚基占 3 0 多亚基占 7 0 在多亚基中双亚基的最多占 4 3 、四亚基的占 2 4 、三亚基的占 4 三亚基的只发现一种即嘌呤核苷酸磷酸化酶。 亚基在聚合成酶分子过程中可以因聚合度不同而形成各种同工酶。 2 组成多肽的氨基酸不同 在一级结构上有差异。以 G O T 谷草转氨酶为例分子量 1 0 万左右指纹图谱相差很大胞浆 G O T N - 端为 A l a 线粒体 G O T N - 端为 S e r 。 也可以相差很小如 G - 6 - P 脱氢酶美国人群普查发现黑人该酶电泳速率较其他人快细分析 B 亚基一 A s n 被 A s p 代替相差仅一个酰胺。 3 酶空间构像的差异 酶的多肽链在折叠弯曲形成二、三级结构时不是杂乱无章的而是遵循量子力学的规律形成一定的空间构像此时有可能形成不止一种稳定的构像。不同构像的酶暴露在外表的氨基酸残基不同可能导致其理化性质的差异有人用此理论来解释苹果酸脱氢酶M D 同工酶形成的原因。 6 . 同工酶亚基的杂交 同工酶的亚基在一定条件下能解聚为单体又能在一定条件下重新聚合或重组成新的杂交体。 1 体外杂交 在高离子强度的介质中反复冻融或调节介质的 p H 值可使同工酶的纯聚体解聚成单体并再重组成杂交体。因亚基的重组是随机的故重组后生成同工酶的数目包括原来的纯聚体在内应符合随机分配的数学公式即。式中 n 为每一酶分子的亚基数s为可杂交的亚基种类数。例如某一种酶为四聚体有三种不同的亚基均能杂交则杂交后应形成( 4 + 3 - 1 ) ! / 4 ! ( 3 - 1 ) ! = 1 5 种同工酶其中 1 2 种为杂交体。 2 体内杂交 同种或异种动物中同一种酶的亚基在体外可杂交但在体内并非如此主要原因为 A 、不同亚基的编码基因在有些组织种不全部表达 B 、能表达的亚基有时在不同组织种合成 C 、不同亚基虽在同一细胞但在不同的亚细胞组分中合成 、即使在同一亚细胞组分中合成但其基因不在同一时间内开放。 3 亚基聚合的可能机理 随机聚合先合成 A 、B 亚基然后 A A 、A B 、B B 聚合。 先合成纯聚体 A A 或 B B 然后通过交换而形成杂交体 A B 。 血红蛋白的合成模式先合成α亚基 βαβ αβ α2 β2 。 还可能另有其他聚合机理。 7 . 同工酶与基因 酶不是基因的直接产物同样同工酶也不是基因的直接产物。从本质上分析同工酶的结构差异主要来自基因的差异只有少部分修饰同工酶是在多肽链合成后再发生结构改变而形成新的同工酶。 同工酶与基因关系可分为四类 1 单基因决定的同工酶 产生这类同工酶的基因是不同的它们大都是结构差异大的单链酶或同聚体酶。例如过氧化物酶它属于单体酶它在植物的不同部位和不同生长发育期合成多种同工酶。 2 多基因决定的同工酶 这类同工酶的基因是由两个或两个以上的基因决定的几种不同的多肽链组成它们都是异聚体酶。如 L D H 是四聚体酶由两个基因 L D H A 和 L D H B 决定的肽链组成。这两种多肽链可以通过异聚和同聚方式构成五种同工酶。 要知道多基因决定的同工酶总数i 可以由决定同工酶的基因数L 以及酶的多肽链数n 从下式算出人肝的醇脱氢酶有三个基因位点A D H A 、A D H B 、A D H C 产生三种多肽链而酶为二聚体故可以构成 6 种同工酶。 3 复等位基因决定的同工酶 由于基因位点的多向突变造成群体的不同个体之间等位基因的差别产生多肽链一级结构的差别而使个体与个体之间出现不同的同工酶。如玉米酯酶受同一位点的 E S 、E N 、E F三种等位基因所控制是二聚体。 如果酶中的多肽链是复等位基因决定的则计算式为 h 为等位基因数 上述玉米中酯酶如有一个杂合子 E F / E N h 1 则它的同工酶数为 3 同工酶多肽链的组合为 F F 、F N 、N N 。 4 修饰同工酶 这是指多肽链合成后再发生结构上的改变而形成新的同工酶。 日本学者证明一种水稻酯酶同工酶谱带 A 1 是一个显性基因控制的。在对有 A 1 谱带的品种和无 A 1 谱带的品种相杂交后代所作的遗传分析表明出现典型的孟德尔分离现象。在总数 8 3 6 个 F 2 植株中6 2 9 个出现 A 1 谱带2 0 7 个无 A 1 谱带由此可见同工酶谱带是受等位基因或不同位点基因控制的。 8 . 同工酶的应用 同工酶的应用范围很广它涉及到的领域有临床诊断、代谢调控、分子遗传、生物进化、个体发育、细胞分化和肿瘤发生等故在酶学、分子生物学和医药学中占有重要地位。 1 同工酶与临床诊断 血清中的同工酶在临床上可作为组织损伤的标记物。因此血清的酶浓度常被用来确定病人是否发生组织损伤以及损伤到何种程度。 酸性磷酸酶A P 存在于许多细胞组织中在成人的前列腺特别高此酶已应用于转移性前列腺癌的检测当它与非转移性癌比较时发现其血清酸性磷酸酶活性明显升高。通过测定加入抑制剂和未加抑制剂的血清可判断是前列腺还是非前列腺的同工酶。 肌酸磷酸激酶C P K  C P K 同工酶存在于兴奋组织中如神经和肌肉。尤其在心肌可大量找到肌脑型M B 杂合体同工酶M B 同工酶是心肌损伤高度特异的标记物。 血清中同工酶研究还可用于特殊遗传病诊断如先天性代谢缺陷是由于某些特异酶类的合成有缺陷。 2 遗传与进化中的同工酶 同工酶作为遗传标记已被遗传学家广泛用于遗传分析的研究这是因为 同工酶是分子水平的指标同工酶可用测定活力的方法鉴定比非酶蛋白分析方便同工酶比其它指标灵敏可以反应 D N A 上一个碱基的微小变化。 同工酶作为遗传标记物的优点同工酶分析能方便地处理大批样品所需样品量少 等位基因的同工酶能同时显性表达同工酶的这种优点胜过使用颜色如像颜色变异和形态特化等经典的遗传标记物 用同工酶分析法检出变种比用肉眼观察其外表的办法灵敏得多。经典遗传学中所看到得颜色变化和异常形态常常是因为一个基因产物无论是酶还是蛋白质得整体缺失而引起的。 3 代谢调节中的同工酶 细菌中同工酶对氨基酸合成的调节 有关同工酶参与代谢调节最早也是最成功的例子之一是关于细菌中的合成控制。如在大肠杆菌中某些氨基酸的合成当单一的酶反应同时产生几种终产物时必将引出一个调节的问题。由这些产物中的一种引起的反馈抑制不仅会干扰自身也会干扰其它产物的形成。例如 A s p 激酶催化 T h r 、M e t 、L y s 和 I l e 的合成。 哺乳动物体内同工酶对代谢的调节 哺乳动物体内的同工酶系统远比细菌复杂不少代谢通路中均存在同工酶。有人统计了糖代谢四条通路中的酶发现大多是多基因位点调控的。 如参与葡萄糖酵解的 1 1 个酶中竟有 9 个具有多基因位点的同工酶 。 代谢途径区域化同工酶 多酶复合体m u l t i e n z y m e c o m p l e x  同工酶复合体p o l y e n z y m e c o m p l e x  区域化c o m p a r t m e n t a t i o n  肿瘤状态下同工酶谱改变的生物学意义 发育与分化中的同工酶