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6-3-3可逆抑制作用及其动力学
可逆性抑制剂与酶的结合以解离平衡为基础,属非共价结合,可通过透析等物理方法除去抑制剂、减轻
或清除抑制之后,酶活性可以恢复。
酶促反应中,当有抑制剂时,其一般反应机制可用如下模式表示:
右式中I为抑制剂,EI为酶-抑制剂复合物,ESI为酶-抑制剂-底物三元复合物,K、K、K'分别
sii
为相应的中间复合物的解离常数。
根据米氏方程的推导方法,令K=K,并有。v=K[E]可推导出可逆抑制作用速度方程的一般表达式:
sm120
并可由此推导出竞争、非竞争、反竞争抑制的速度方程式。
6-3-3-1竞争性抑制作用
竞争性抑制作用(Competitiveinhibition)是最简单的模型,由于抑制剂I与底物S结构相似因此可竞
争性结合于酶活性中心同一结合部位,而且是非此即彼完全排斥。此类抑制中,酶不能同时和S又和I结
合,即不能形成ESI三元复合物。
,即有K'=∞,上述一般方程式可改写为:
i
速度方程的双倒数方程为:
:.
(图6-9)
图6-9竞争性抑制动力学图(a)S对v作图
图6-9竞争性抑制动力学图(b)Lineweaver-Buck双倒数作图
由图6-9可见,当固定不同抑制剂浓度时,以1/v对1/[S]作图,各直线交纵轴于一点,说明V不变,
max
直线与横轴交点右移,说明竞争性抑制时,随I浓度增加,K数值增大了(1+[I]/K)倍。
mi
例题6-2某消化酶K=×10-4mol·L-1,[S]=×10-3mol·L-1,当其竞争性抑制剂浓度
m
[I]=×10-4mol·L-1时,可产生75%的抑制作用。
试计算:?,底物浓度必须增加到多少?
解:=V/V
i0:.
或
抑制强度:
整理得:
计算得:K=×10-5mol·L-1
i
,则有v=v。
1
无抑制时反应速度为:
有抑制时反应速度为:
计算得:[S]=×10-2mol·L-1
6-3-3-2非竞争性抑制作用
非竞争性抑制作用(Noncompetitiveinhibition)中,S和I与酶结合互不相关,即无竞争性,也无先后
次序,两者都可以与酶及相应中间复合物(EI或ES)结合,但形成三元复合物(ESI或EIS相同)不能
再分解。:.
当K=K'时则有
ii
双倒数方程为:
(图6-10)
图6-10非竞争性抑制动力学图(a)S对v作图:.
图6-10非竞争性抑制动力学图(b)Lineweaver-Burk双倒数作图
由图6-10可见,各直线在横轴交于一点,说明非竞争性抑制对反应速度V影响最大,而不改变K,
maxm
[I]越大或K越小,则抑制因子(1+[I]/K)越大,对反应抑制能力越大。非竞争性抑制在生物体内大多表现为
ii
代谢中间产物反馈调控酶的活性。
例题6-×10-4mol·L-1时,对水解反应的抑制程度为75%求
K?
i
解:在非竞争性抑制剂存在条件下。相对活性
抑制强度:
则有::.
求解得:K=×10-5mol·L-1
i
6-3-3-3反竞争性抑制作用
反竞争性抑制作用(Uncompetitiveinbihition)中,I只能与ES结合形成无活性三元复合物ESI,而不
能与游离酶E结合。这种情况与竞争性抑制相反,故称为反竞争性抑制。
,因此K=∞,一般反应方程式可改写为:
i
双倒数方程为:
图6-11反竞争性抑制动力学图(a)S对v作图:.
图6-11反竞争性抑制动力学图(b)Lineweaver-Burk双倒数作图
从图6-11可看出,无论在纵轴上或横轴上,随[I]变化,截距均发生变化,而斜率V/K不变,随[I]
maxm
增加,V和K均降低了(1+[I]/K)倍,反竞争性抑制在简单系统中少见,但在多元反应系统中是常见的
maxmi
动力学模型。
6-3-3-4混合性抑制作用
在一般动力学方程中,K≠K'时,即E或ES结合I的亲和力,以及E或EI结合S的亲和力都不相当
ii
时,就是混合性抑制,当K>K'时表现为非竟争与竟争性抑制的混合,而K<K'时,表现为非竞争性与反
iiii
竞争性混合。
,实际上就是一般速度方程表达式:
(图6-12)
由图6-12可见,当有抑制剂I存在时,V均减小,K则可大可小,在V和K均减小情况下,
maxmmaxm
V减小甚于K减小,故K/V增大,抑制强度与[I]成正比,与[S]成正比(K>K')或反比(K<K'),
maxmmmaxiiii
但无论[S]怎样增加,v均小于V。
max:.
图6-12混合性抑制动力学图(a)K>K'
ii
图6-12混合性抑制动力学图(b)K<K'
ii
四种抑制类型比较如下:
表6-2四种抑制类型的动力学比较
抑制类型
表观K()表观V()
mmax:.
无抑制剂KV
mmax
竞争性K增大V不变
mmax
反竞争性K减小V减小
mmax
非竞争性K不变V减小
mmax
非竞争性与反竞争性混合K减小V减小
mmax
非竞争性与竞争性混合K增大V减小
mmax
6-3-3-5可逆性抑制作用的应用
***类药物与抗菌增效剂多数病原菌在生长时不能利用现成的叶酸,而只能利用对氨基苯甲酸台成
二氢叶酸(DHF),后者再转化成四氢叶酸(THF),参与核酸合成。
磺***类药物设计的结构由于和对氨基苯甲酸相似,因此可竞争性结合细菌的二氢叶酸合成酶,从而抑制
了细菌生长所必需的二氢叶酸合成,使细菌核酸合成受阻,从而抑制了细菌的生长和繁殖。而动物和人能
从食物中直接利用叶酸,故其代谢不受磺***影响。
磺***药对氨基苯甲酸(PABA)
抗菌增效剂三甲氧苄二氨嘧啶(TMP)可增强磺***药的药效。其结构与二氢叶酸有类似之处,是二氢叶
酸还原酶的竞争性抑制剂,但很少抑制人和动物的二氢叶酸还原酶。它与磺***药配合使用,可使细菌的四
氢叶酸合成受到双重阻断作用,因而严重影响细菌的核酸及蛋白质的生物合成,达到抑菌目的。
***取代,如氨基
蝶呤、***甲蝶呤(见下结构式),这类4-氨基衍生物的2,4-二氨基嘧啶部分能与四氢叶酸合成酶形成
更多的氢键。另外,由于4-氨基存在,增加了化合物的碱性,在生理pH下,质子化后易与酶活性中心
上的阴离子结合,因此对酶的亲和力大于叶酸。它们可竞争性抑制二氢叶酸还原酶,阻止叶酸还原成二氢
叶酸和四氢叶酸,从而阻断嘌呤核苷酸合成而抑制癌细胞生长。:.
、鸟嘌呤是DNA、RNA主要成分,次黄嘌呤是嘌呤碱合成的重要中间体。嘌呤
类似物主要是次黄嘌呤和鸟嘌呤的衍生物。如6-巯基嘌呤(6-MP)和溶癌呤,它们在体内首先转化成
有活性的6-巯基嘌呤核苷酸,抑制腺嘌呤琥珀酸合成酶,阻止次黄嘌呤核苷酸(IMP)转化成AMP,从
而达到干扰癌细胞核苷酸及蛋白质合成的目的。
,嘧啶类似物也主要是通过竞争性抑制作用妨碍癌细胞DNA
生成。
已设计的抗癌药物如5-***尿嘧啶(5-Fu),由于***的原子半径与氢原子半径相似,***化物体积与原化合物
几乎相等,加之C-F键的稳定性,特别是在代谢中不易分解,能在分子水平代替正常代谢物,欺骗性地进
入生物大分子中而导致"致死合成"。5-***尿嘧啶在体内转变为5-***尿嘧啶核苷(5-FUR)再进一步形成5-
***尿嘧啶核苷酸(5-FURP)和5-***尿嘧啶脱氧核苷酸(d-5FUDRP)(图6-13)挤人DNA。但5-FU
抗癌的主要作用,是由于d-5FUDRP是尿嘧啶脱氧核苷酸类似物,可竞争性抑制胸腺嘧啶核苷酸合成酶。
该酶的正常作用是将尿嘧啶脱氧核苷酸转变成胸腺嘧啶脱氧核苷酸。由于该酶受到抑制,尿嘧啶脱氧核苷
酸不能进行***化形成胸腺嘧啶脱氧核苷酸,从而影响癌细胞DNA合成。:.
-重氮-5-氧正亮氨酸,它们的化学结构与谷氨酸相似,
这些药物与天然谷氨酸可竞争结合氨基转移酶类,从而抑制嘌呤核苷酸合成。
有些化合物虽然其平面结构与底物类似处不多,但立体结构与底物十分相似(图6-14)。也可作为竞
争性抑制剂,如青霉素抑制革兰氏阳性菌的糖肽转肽酶(Glycopeptidetranspeptidase)的作用。革兰氏阳
性菌的胞壁以肽聚糖为主要成分,肽聚糖是由多糖链与肽链交叉联结的网状结构物质。青霉素在立体结构
上与转肽酶底物,肽聚精链中的D-丙氨酰-D-丙氨酸的相似故能竟争性地与转肽酶结合,抑制甘氨酸与丙
氨酸的交联,从而阻断肽聚糖的合成(图8-15)。
图6-14青霉素和肽聚酶链末端D-Ala-D-Ala立体模型结构
中左箭头指青霉素-内酰***环的CO-NH键部位;中右箭头指肽聚糖链D-Ala-D-Ala的CO-NH键部位。:.
图6-15青霉素竞争性抑制作用
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