化学生物学化学物质与酶省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第七章第七章化学物质与酶相化学物质与酶相互作用互作用第1页v自自然然界界中中发发觉觉酶酶已已达达30003000各各种种,而而且且这这个个数数目目伴伴随随基基因因工工程程和和蛋蛋白白质质工工程程方方面面研研究究发发展展而而大大大大增增加。加。v酶酶能能够够直直接接作作为为药药品品用用于于医医药药工工业业,如如溶溶菌菌酶酶可可治治疗疗各各类类炎炎症症,如如咽咽喉喉炎炎、口口腔腔溃溃疡疡、慢慢性性鼻鼻炎炎、带带状状疤疤疹疹及及各各种种刀刀伤伤引引发发发发炎炎等等,天天冬冬酞酞胺胺酶酶治治疗癌症,治疗血栓尿激酶等。疗癌症,治疗血栓尿激酶等。v酶酶也也广广泛泛应应用用于于食食品品工工业业、化化学学工工
2、业业、医医药药工工业业、环环境境保保护护工工业业等等,在在临临床床检检验验、生生物物分分析析等等领领域域也广泛使用。也广泛使用。第2页v另另外外,每每种种酶酶都都有有一一定定抑抑制制剂剂,这这类类抑抑制制剂剂能能够够参参加加生生物物代代谢谢过过程程化化学学调调控控,所所以以有有些些酶酶抑抑制制剂剂可能属于毒物,而有些抑制剂能够作为药品使用。可能属于毒物,而有些抑制剂能够作为药品使用。v酶酶抑抑制制剂剂作作为为新新药药寻寻找找与与开开发发,在在近近一一、二二十十年年来分子生物学发展基础上得以实用化。来分子生物学发展基础上得以实用化。v化化学学物物质质(无无机机物物质质、有有机机物物质质和和高高分
3、分子子物物质质)与与酶酶相相互互作作用用包包含含化化学学物物质质对对酶酶激激活活作作用用、抑抑制制作用、改性作用和酶对化学物质催化作用等。作用、改性作用和酶对化学物质催化作用等。第3页第一节第一节 化学物质对酶抑制作用化学物质对酶抑制作用v凡凡能能降降低低酶酶促促反反应应速速度度作作用用,称称为为酶酶抑抑制制作作用用。能能使使酶酶活活性性受受抑抑制制物物质质,称称为为酶酶抑抑制制剂剂。近近年年来来对对酶酶抑制作用研究进展快速。抑制作用研究进展快速。v因因为为经经过过酶酶抑抑制制作作用用研研究究,不不但但对对了了解解酶酶专专性性,酶酶活活性性部部位位物物理理和和化化学学结结构构,酶酶动动力力学学
4、性性质质以以及及酶酶作作用用机机制制等等;而而且且对对了了解解药药品品和和毒毒物物作作用用于于机机体体方方式式及及机机理理等等也也有有主主要要意意义义;对对代代谢谢路路径径中中酶酶调调整整也也能提供信息。能提供信息。v抑抑制制剂剂之之所所以以能能抑抑制制酶酶促促反反应应,主主要要是是因因为为它它们们能能使使酶酶必必需需基基因因或或活活性性部部位位性性质质和和结结构构发发生生改改变变,从从而造成酶活性降低或丧失。而造成酶活性降低或丧失。v按按抑抑制制剂剂作作用用方方式式不不一一样样,酶酶抑抑制制作作用用可可分分为为可可逆逆和不可逆两种类型。和不可逆两种类型。第4页一、可逆抑制作用一、可逆抑制作用
5、v按可逆抑制剂对酶按可逆抑制剂对酶底结合影响不一样,可分为底结合影响不一样,可分为许多类型,它们反应历程可用一通式表示许多类型,它们反应历程可用一通式表示:第5页速度方程通式速度方程通式v依据此反应历程依据此反应历程,依据快速平衡学说或恒态学说依据快速平衡学说或恒态学说推导,得到其总速度方程通式以下推导,得到其总速度方程通式以下在不一样抑制作用中,仅在于在不一样抑制作用中,仅在于K Ki i和和K Ki i两个数值两个数值不一样,普通可分为不一样,普通可分为4 4种类型:即竞争性抑制、非种类型:即竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合性抑制。竞争性抑制、反竞争性抑制和混合性抑制。将该方程
6、作双倒数处理,可得将该方程作双倒数处理,可得第6页1 1,竞争性抑制作用,竞争性抑制作用v竞争性抑制作用中竞争性抑制作用中I I只与自由酶结合,因而阻止只与自由酶结合,因而阻止S S与酶结合。而与酶结合。而S S又不能与又不能与EIEI结合,结合,I I也不能与也不能与ESES结结合,所以合,所以EISEIS不存在;不存在;EIEI亦不能分解成产物。亦不能分解成产物。第7页v个个 竞竞 争争 性性 抑抑 制制 剂剂 只只 增增 加加 酶酶 底底 结结 合合 表表 现现Km(Kmapp)Km(Kmapp),即即I I浓浓度度增增加加,KmappKmapp就就增增加加;而而VmaxVmax则则保保
7、持持不不变变。在在竞竞争争性性抑抑制制剂剂存存在在下下,要要到到达达最最大大反反应应速速度度VmaxVmax,必必须须加加入入更更高高底底物物浓浓度度。如如SS100Km100Km时,时,VmaxiVmaxi可达可达VmaxVmax。v竞争性抑制剂对酶促反应抑制程度,决定于竞争性抑制剂对酶促反应抑制程度,决定于II,SS,K Km m和和K Ki i大小。大小。II一定,增加一定,增加S,S,降低降低抑制程度;抑制程度;SS一定,增加一定,增加II,增加抑制程度,增加抑制程度,K Ki i值较低时,任何给定值较低时,任何给定II和和SS,抑制程度都较,抑制程度都较大;大;K Km m值越低,在
8、一定值越低,在一定SS、II下,抑制程度越下,抑制程度越小。小。第8页竞争性抑制作用双倒数图竞争性抑制作用双倒数图 第9页竞争性抑制作用竞争性抑制作用KiKi求解求解 v从从双双倒倒数数图图计计算算出出表表观观米米氏氏常常数数K Kmappmapp,然然后后代代入入K Kmapp=mapp=K Km(1+I/m(1+I/K Ki)i)可计算出可计算出KiKi。v从从双双倒倒数数图图求求得得各各I I浓浓度度下下K Kmappmapp值值对对对对应应II再再作作图图,从从再再制制图图纵纵截截距距可可直直接接测测得得K Km m,从从其其横横截截距距可可直接测得直接测得K Ki i。v从不一样固定
9、从不一样固定II下所作一簇直线斜率下所作一簇直线斜率1/S1/S对对应对对应II再制图,其纵截距为再制图,其纵截距为K Km/Vmax,m/Vmax,斜率为斜率为Km/VmaxKiKm/VmaxKi,横截距即为,横截距即为-K Ki i。第10页DixonDixon作图法求作图法求K Ki i 第11页竞争性抑制剂竞争性抑制剂ICIC5050值值 v取决于试验所用酶和底物浓度,当酶浓度固取决于试验所用酶和底物浓度,当酶浓度固定时,定时,ICIC5050值与值与K Ki i、K Km m和底物浓度和底物浓度SS呈以下呈以下关系:关系:v依据该方程式,当底物浓度大于依据该方程式,当底物浓度大于K
10、Km m值时,值时,ICIC5050值高于值高于K Ki i值,尤其当底物浓度较高时,值,尤其当底物浓度较高时,K Ki i值值偏低愈加显著。偏低愈加显著。第12页第13页竞争性抑制剂结构特征竞争性抑制剂结构特征 v底物类似物底物类似物v因为人们对一个酶所催化底物性质了解比因为人们对一个酶所催化底物性质了解比较多,所以,经常利用酶底物类似物作为较多,所以,经常利用酶底物类似物作为竞争性抑制剂研究一些三维结构不清楚酶竞争性抑制剂研究一些三维结构不清楚酶活性中心结构。另外,也能够依据底物结活性中心结构。另外,也能够依据底物结构特点设计一些临床上使用药品。构特点设计一些临床上使用药品。第14页v比如
11、,比如,-葡糖苷酶抑制剂如阿卡波糖葡糖苷酶抑制剂如阿卡波糖(acarbose)(acarbose)、伏格列波糖(伏格列波糖(voglibosevoglibose)和米格列醇)和米格列醇(MiglitolMiglitol)第15页v黄嘌呤氧化酶催化次黄嘌呤氧化成黄嘌呤,进而黄嘌呤氧化酶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被氧化成尿酸,黄嘌呤氧化酶抑制剂-别嘌呤醇别嘌呤醇治疗痛风病就是经过抑制黄嘌呤氧化酶,降低尿治疗痛风病就是经过抑制黄嘌呤氧化酶,降低尿酸生物合成。酸生物合成。第16页过渡态类似物过渡态类似物v酶催化化学反应效率高原因在于酶能与高能酶催化化学反应效率高原因
12、在于酶能与高能态过渡态相结合,从而大大降低了化学反应态过渡态相结合,从而大大降低了化学反应活化能。活化能。v假如对催化某一特定生物化学反应酶三维结假如对催化某一特定生物化学反应酶三维结构尚不清楚,能够依据其生化反应过程,设构尚不清楚,能够依据其生化反应过程,设计合成含有特定结构、疏水性匹配、电子和计合成含有特定结构、疏水性匹配、电子和空间原因与过渡态类似稳定化合物,作为该空间原因与过渡态类似稳定化合物,作为该酶特异抑制剂,这无疑为药品合理分子设计酶特异抑制剂,这无疑为药品合理分子设计提供了另一强有力伎俩。提供了另一强有力伎俩。第17页v比比如如,乙乙酰酰胆胆碱碱酯酯酶酶(AChE)(AChE)
13、羟羟基基与与酯酯酶酶酯酯解解部部位位形形成成共共价价键键,其其四四价价氮氮上上强强正正电电荷荷与与酯酯酶酶阴阴离离子子部部位位呈呈静静电电联联接接。酶酶乙乙酰酰化化很很快快造造成成酯酯键键断断裂裂和和胆胆碱碱消消除除,乙乙酰酰化化酶酶随随即即与与水水反反应应而而使使酶酶再再生生并并放出乙酸。放出乙酸。v氨基甲酸酯杀虫剂是乙酰胆碱酯酶水解过渡态稳氨基甲酸酯杀虫剂是乙酰胆碱酯酶水解过渡态稳定类似物,能与乙酰胆碱酯酶结合部位紧密结合定类似物,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。而抑制乙酰胆碱酯酶。第18页v又如苯甲酰丙氨醛是胰凝乳蛋白酶过渡态又如苯甲酰丙氨醛是胰凝乳蛋白酶过渡态抑制剂
14、,其结构类似底物苯甲酰苯丙氨酰抑制剂,其结构类似底物苯甲酰苯丙氨酰化合物与酶形成共价中间物中底物酰基部化合物与酶形成共价中间物中底物酰基部分,比底物中肽键羰基更易受到酶活性中分,比底物中肽键羰基更易受到酶活性中心羟基亲核进攻,但不能形成酰化酶共价心羟基亲核进攻,但不能形成酰化酶共价中间物。中间物。第19页其它化合物其它化合物 v有有些些化化合合物物平平面面结结构构与与底底物物并并不不相相同同,但但立立体体构构象象十十分分相相近近,也也能能够够成成为为竞竞争性抑制剂。争性抑制剂。v非甾体抗炎药是一类含有非甾体抗炎药是一类含有不一样结构类型化合物,不一样结构类型化合物,因为选择性地抑制环氧合因为选
15、择性地抑制环氧合酶活性,用作抗炎止痛药。酶活性,用作抗炎止痛药。环氧合酶抑制剂消炎痛和环氧合酶抑制剂消炎痛和底物花生四烯酸三维结构,底物花生四烯酸三维结构,整个分子立体构象中,羧整个分子立体构象中,羧基和双键配置有某种相同基和双键配置有某种相同性,因而竞争性地与环氧性,因而竞争性地与环氧合酶结合。合酶结合。第20页v塞来克西塞来克西(Celebrex)(Celebrex)作为环氧合酶(作为环氧合酶(COX2COX2,炎症细胞产生酶)特异性抑制剂,难以,炎症细胞产生酶)特异性抑制剂,难以进入开口较小进入开口较小COX1COX1活性中心通道,故而不活性中心通道,故而不能对其产生抑制作用,但仍能进入
16、口径稍能对其产生抑制作用,但仍能进入口径稍大,后段略有柔性大,后段略有柔性COX2COX2通道,而能对通道,而能对COX2COX2产生抑制作用。产生抑制作用。第21页v一一些些竞竞争争性性抑抑制制剂剂化化学学结结构构与与底底物物结结构构没没有有任任何何关关系系,其其抑抑制制作作用用原原理理是是抑抑制制剂剂与与一一些些酶酶活活性性中中心心金金属属离离子子络络合合,妨妨碍碍了了底底物物进进入入,从从而而起起到到抑抑制制酶酶活活性目标。性目标。v比如比如5-5-脂氧合酶脂氧合酶(LOX)(LOX)活性中心含有一个非血红素活性中心含有一个非血红素铁原子,经过铁原子,经过FeFe2+2+与与FeFe3+
17、3+循环实现其催化功效。该循环实现其催化功效。该酶一些抑制剂(酶一些抑制剂(CGS-23885,A-76745CGS-23885,A-76745)就是经过铁)就是经过铁螯合而与底物竞争性地与酶活性中心结合。螯合而与底物竞争性地与酶活性中心结合。第22页2 2,非竞争性抑制作用,非竞争性抑制作用 v经典非竞争性抑制经典非竞争性抑制剂不影响酶剂不影响酶-底物底物结合;底物也不影结合;底物也不影响酶响酶-I-I结合;结合;S S和和I I都可可逆独立地结都可可逆独立地结合于酶不一样部位合于酶不一样部位上;而且上;而且ESIESI为端为端点复合物。点复合物。第23页非竞争性抑制作用双倒数方程非竞争性抑
18、制作用双倒数方程第24页非竞争性抑制作用非竞争性抑制作用Ki Ki 求解求解 v从从II0 0和和II为为某某一一固固定定浓浓度度所所作作1/1/对对1/S1/S双双倒倒数数图图纵纵截截距距可可直直接接测测得得1/Vmax1/Vmax和和(1/Vmax)(1/Vmax)(1+I/Ki)(1+I/Ki),从而计算出,从而计算出KiKi。v从从不不一一样样固固定定II所所作作双双倒倒数数图图斜斜率率1/S1/S对对II再制图可求得再制图可求得KiKi。v从不一样固定从不一样固定II所作双曲数图纵截距对所作双曲数图纵截距对II再制图,从其横截距可直接到得再制图,从其横截距可直接到得K Ki i。第2
19、5页DixonDixon作图法求作图法求KiKi 第26页非竞争性抑制剂非竞争性抑制剂ICIC5050值值 v非竞争性抑制剂非竞争性抑制剂ICIC5050值与底物浓度关系以下:值与底物浓度关系以下:v依据该式,当底物浓度较高时,依据该式,当底物浓度较高时,ICIC5050值靠近于值靠近于KiKi值;当底物浓度较低时,值;当底物浓度较低时,ICIC5050值显著低于值显著低于KiKi值。值。第27页非竞争性抑制剂结构特征非竞争性抑制剂结构特征 v因为非竞争性抑制剂并非结合于酶活性中心底物结因为非竞争性抑制剂并非结合于酶活性中心底物结合位点,而是活性中心附近一些区域或基团,不影合位点,而是活性中心
20、附近一些区域或基团,不影响酶与底物亲和力。响酶与底物亲和力。v而非竞争性抑制剂作用部位不是十分清楚,所以,而非竞争性抑制剂作用部位不是十分清楚,所以,不能依据酶底物及酶活性中心结构设计非竞争性抑不能依据酶底物及酶活性中心结构设计非竞争性抑制剂。制剂。v当前所发觉一些酶非竞争性抑制剂大多数都是随机当前所发觉一些酶非竞争性抑制剂大多数都是随机筛选得到化合物。筛选得到化合物。第28页v比如,染料木素(比如,染料木素(genisteingenistein)对于)对于-葡萄糖葡萄糖苷酶抑制作用就是非竞争性抑制作用。他克林苷酶抑制作用就是非竞争性抑制作用。他克林(tacrine)(tacrine)是治疗老
21、年痴呆症乙酰胆碱酯酶非是治疗老年痴呆症乙酰胆碱酯酶非竞争性抑制剂。竞争性抑制剂。第29页 3 3,反竞争性抑制作用,反竞争性抑制作用v反竞争性抑制剂反竞争性抑制剂I I不不能与自由酶结合,能与自由酶结合,而只能与而只能与ESES可逆结可逆结合生成不能分解成合生成不能分解成产物产物EISEIS。这一点与。这一点与竞争性抑制相反,竞争性抑制相反,K Ki i值为值为,EISEIS只能只能解离成解离成ES+IES+I,而,而不能解离成不能解离成EI+SEI+S。第30页v反竞争性抑制程度取决于反竞争性抑制程度取决于II、SS、K Ki i和和K Km m等。等。它抑制程度随底物浓度增加而增加。它抑制
22、程度随底物浓度增加而增加。v反竞争性抑制剂使酶反竞争性抑制剂使酶KmKm值降低,即值降低,即KmappKmappKmKm。v从这点看,反竞争性抑制剂不是一个抑制剂,而从这点看,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抑制像是一个激活剂。它之所以造成对酶促反应抑制作用,完全是因为它使作用,完全是因为它使VmaxVmax降低而引发。所以假降低而引发。所以假如如SS很小,反应主要为一级反应,则抑制剂对很小,反应主要为一级反应,则抑制剂对VmaxVmax影响几乎完全被对影响几乎完全被对KmKm相反影响所抵消。这时相反影响所抵消。这时几乎看不到抑制作用。几乎看不到抑制作用。
23、第31页反竞争性抑制作用双倒数方程反竞争性抑制作用双倒数方程 第32页反竞争性抑制剂结构特征反竞争性抑制剂结构特征 v反竞争性抑制在单底物酶催化反应中比较少反竞争性抑制在单底物酶催化反应中比较少见见v胎盘碱性磷酸酯酶以葡萄糖胎盘碱性磷酸酯酶以葡萄糖-6-6-磷酸或磷酸或-萘酚萘酚磷酸酯为底物时,磷酸酯为底物时,L-L-苯丙氨酸为反竞争性抑苯丙氨酸为反竞争性抑制剂;制剂;v顺铂对乙酰胆碱酯酶抑制作用也是属于反竞顺铂对乙酰胆碱酯酶抑制作用也是属于反竞争类型。争类型。第33页v在双底物反应中,反竞争性抑制比较多见,如乒在双底物反应中,反竞争性抑制比较多见,如乒乓机制酶促反应时,因为乓机制酶促反应时,
24、因为I I能够与能够与EBEB复合物结合,复合物结合,对一个底物(对一个底物(A A)表现竞争性抑制化合物()表现竞争性抑制化合物(I I)对)对另一个底物(另一个底物(B B)展现反竞争性抑制。)展现反竞争性抑制。v如抗坏血酸对兔肌乳酸脱氢酶抑制作用,抗坏血如抗坏血酸对兔肌乳酸脱氢酶抑制作用,抗坏血酸相对于酸相对于NADHNADH表现为乳酸脱氢酶反竞争抑制,相表现为乳酸脱氢酶反竞争抑制,相对于丙酮酸为乳酸脱氢酶竞争性抑制剂。对于丙酮酸为乳酸脱氢酶竞争性抑制剂。第34页 4 4,混合性抑制作用,混合性抑制作用v混合性抑制作用中混合性抑制作用中S S和和E E或或EIEI都能够结合,都能够结合,
25、I I也也可和可和E E或或ESES结合,但亲和力都不相等,表明结合,但亲和力都不相等,表明S S和和I I对酶结合互有影响,对酶结合互有影响,K Ki i和和K Ki i二者既不二者既不等于无穷大,又互不相等,等于无穷大,又互不相等,KsKsi i和和K Ks s也不相也不相等。相关可逆抑制作用通式就是混合性抑制等。相关可逆抑制作用通式就是混合性抑制作用公式。作用公式。第35页v当用双倒数方程作图时,有抑制剂和无抑制剂当用双倒数方程作图时,有抑制剂和无抑制剂直线既不平行,又不相交于纵轴或横轴,而是直线既不平行,又不相交于纵轴或横轴,而是相交于横轴负侧上方(第二象限)或下方(第相交于横轴负侧上
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