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华南农业大学《生物化学》课程综述1华南农业大学课程综述（生物化学）题目：酶与医学——酶的基本机理以及在医学上的运用系（院）：专业：学生姓名：陈泽豪指导教师：2014年5月27日目录1.引言......................................................................................................................................3华南农业大学《生物化学》课程综述22.酶的作用机理.......................................................................................................................33.1酶的作用机制...............................................................................................................33.2影响酶促反应速率的因素...........................................................................................33.酶在医学诊断上的运用.......................................................................................................43.1同工酶检测...................................................................................................................43.2检测体内酶的含量及活性...........................................................................................54.酶在医学治疗上的运用.......................................................................................................54.1直接使用酶作为药物...................................................................................................54.2用酶制造各种药物.......................................................................................................65.结束语..................................................................................................................................6参考文献..........................................................................................................................................6酶与医学——酶的基本机理以及在医学上的运用华南农业大学《生物化学》课程综述3摘要：酶，是由活细胞产生的能在体内或体外产生催化作用的一类具有特殊空间结构的生物大分子，其化学本质是核酸或者蛋白质。酶以特殊的机理催化着化学反应的发生，效率受到反应环境的温度以及底物浓度等因素的影响。酶的催化作用是机体实现物质代谢以维持生命活动的必要条件。因先天性或后天性条件导致人体内的酶的含量、工作发生异常，则会使人体内环境失调，患上疾病。因而，酶在医学上的诊断和治疗方面充当着十分重要的角色。本文从酶的基本机理讲起，着重介绍酶在医学上诊断以及治疗方面的应用，现在的状况和发展前景。此外，本文中仅讨论蛋白质属性的酶。关键词：酶，催化剂，遗传病1.引言酶是具有高效催化作用的蛋白质，具有高效性、特异性、不稳定性以及可调节性的特点。酶促反应受到温度、底物浓度等多种因素影响。根据酶本身的工作机理以及其在人体内各部分所担当的作用，医学上可以根据人体内酶的状况对病人作诊断，或者用酶作为药物治疗某些疾病。2.酶的作用机理3.1酶的作用机制化学反应的发生取决于底物分子之间的碰撞，只有那些能量达到或超过一定水平的分子（活化态分子）互相碰撞才能产生化学反应，能量低的初态分子要转变为活化态分子需要一定的能量，这部分能量称为活化能。而酶能够通过特有的作用机制使反应的活化能降低，使底物只需要比较少的能量就能从初态转化为活化态。酶是如何令活化能下降的？中间产物学说认为，酶与反应底物结合形成酶—底物复合物，然后再分解成酶与底物，在这个过程中酶的某些化学基团发生作用使到底物发生形变，处于不稳定的过渡期，因此转化成活化态分子所需的能量大大降低。此外，酶与底物的结合并非简单的机械关系，两者结构一般不完全互补，当它们相互靠近时彼此有道，空间构象都发生改变，从而使两者结构互补形成酶—底物结合物。3.2影响酶促反应速率的因素影响酶促反应速率的因素有多种。一是底物浓度，当底物浓度较低时，酶促反应速率随着底物浓度的上升而增加。随着底物浓度的上升，酶促反应速率上升的趋势也会逐渐减缓，最后反应速率稳定于一定水平，此时再增加底物浓度酶促反应速率也不会进一步上升。二是酶的浓度。在底物充足的前提下，酶促反应的速率与酶的浓度成正比。当酶的浓度到达底物浓度的饱和水平时，再增加酶的浓度反应速率也不会上升。华南农业大学《生物化学》课程综述4三是反应环境的pH。不同种类的酶有不同的最适pH，处于最适pH水平左右的反应环境可以提高酶促反应速率。极端的不适合的pH环境（过酸、过碱）会使酶永久失活。酶促反应的最适pH本身也受多种因素影响，如酶的种类，底物浓度，温度，反应环境等。四是反应环境的温度。在最适温度附近酶的催化效率达到最大，温度对酶促反应速率的影响总体成抛物线趋势。最适温度受到反应时间的影响。温度过高和温度过低均会使酶促反应速率下降，但影响的本质不同。低温是抑制了酶的活性，温度回升后酶活性可以恢复；高温则是使酶变性失活，是不可逆的过程，即使将温度下调酶的活性也不可恢复。此外还有抑制剂和催化剂，在酶促反应中加入它们也可以人为地调节酶促反应的速率。3.酶在医学诊断上的运用分子生物学有一门专门研究酶的学科，称为“酶学”。进年来，酶学在临床诊断中的应用发展极为迅速，这一分支称为诊断酶学。当人罹患某一种疾病，人体内的稳态遭到破坏，相应地体内的某一些酶的含量、活性也会产生一定的变化。根据这种变化，利用测定酶活性或者酶含量的方法进行疾病的诊断，成为了现代医学中一个惹人注意的领域。目前已有数百种酶实验可用于临床诊断，许多酶的测定也已经用于常规检测之中，在国内、外也有相应的试剂盒出售。国内诊断酶学的发展还处于发展过程中，不过其仍具十分大的发展潜力。这里列举一些利用酶检测作临床诊断的例子。3.1同工酶检测同工酶是指能够催化相同的化学反应，但其蛋白质分子结构、理化性质和免疫性能等各方面都存在十分明显差异的一组酶。同工酶可以存在在同一个个体的不同组织之中，或统一细胞的不同亚细胞结构之中。同工酶在人体内各处组织和器官中的含量及分部都不同，在不同部位酶的存在形式以及含量都处于一定稳态之中，正常情况下血清中同工酶的状况是相对稳定的。当某一组织或者器官发生病变时，会引擎血清之中酶的含量以及活性发生相应改变。通过对血清中酶的活性以及含量等标准的检测，就可以诊断出相应的疾病。例如，乳酸脱氢酶(lactatedehydrogenase,LDH)是由4个亚基组成的寡聚酶，其亚基又分为骨骼肌型（M）和心肌型（H）两种类型。这两种亚基可以装配成M4、M3H、M2H2、MH3、H45种四聚体，在电场中的电泳行为互不相同，容易分离。LDH同工酶相对含量的改变能在一定程度上反应某脏器的功能状况。如急性心肌梗死或心肌细胞受到损害时，细胞内华南农业大学《生物化学》课程综述5的LDH1（H4）释放入血，引起血中LDH1大量增加；同理，患急性肝炎时血清中LDH5明显增加。因而通过检测血清中LDH1或LDH5的含量，可以辅助诊断急性心肌梗死或急性肝炎。同工酶的检测在病变初期就可以提供准确的诊疗信息，对于疾病的早期检查诊断以及治疗都有十分大的指导作用，特别是对器官癌变的早期诊断和治疗有重要意义。通过同工酶的测定，可以为医生提供对疾病的诊疗和往后应采取的处理手段提供十分有价值的资料。3.2检测体内酶的含量及活性酶作为生物进行正常生命活动必不可少的物质，在维持内环境稳态乃至整个人体生命活动中都起到了重要的总用。某些疾病发生时，体内某些酶的含量和活性会发生明显的变化，通过检测血清中这些酶的状况与正常状况作比较，对疾病的诊断，了解病情变化以及后续发展都有一定的作用。例如，检测碱性磷酸酶（ALP）在体液中的含量可以检测骨及肝脏疾病；检测体内谷草转氨酶的含量可以预测肝胆疾患、心肌梗塞、肌肉肌酸肌酶（CK）：心肌梗塞、肌肉疾患；而检测淀粉酶（AMY）的含量则可以对胰腺疾患作预先诊断，等等。检测体内酶的活性变化也可以作疾病的预先诊断。例如，当肝功能出现问题，罹患肝病、肝硬化、有机磷中毒等状况时，体内的胆碱酯酶活性会上升；当发生心肌梗塞，肌发炎，肌肉创伤时，体内肌酸磷酸激酶的活性会显著提高；又如癌细胞之中含有端粒酶，正常细胞之中不会检测到端粒酶活性，通过这个特性可以检测人体内细胞是否发生癌变。4.酶在医学治疗上的运用医学上酶学应用的另一分支——治疗酶学，通过使用酶作为药物治疗直接治疗人的疾病，或者使用酶来制造能供疾病治疗使用的药物。4.1直接使用酶作为药物因酶缺乏而引起的疾病可以通过补充所缺乏的酶来进行替代治疗。例如，治疗消化不良，食欲不振，可以使用淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等消化酶的酶制剂进行治疗。此外，还可以使用酶作为杀菌物质进行治疗，如治疗各种细菌性和病毒性疾病可以服用溶菌酶。通过酶的催化作用亦可以治疗某些疾病，例如链激酶可以治疗血栓性静脉炎，咳痰，下出血，骨折和血肿等。作为蛋白质的酶，将其直接口服、注射作为医疗用，往往效果较差。利用酶的固定化以华南农业大学《生物化学》课程综述6及新的给药技术，可以提高酶制药物的效用。例如，将酶以微囊、红细胞、人白蛋白载体等作为载体，通过肌肉注射、静脉注射、腹腔注射等方法注入人的体内，可以令酶缓慢释放，提高酶的功效。此外，可以将酶固定在玻璃球、纤维素、胶原蛋白等体外载体上，安装在透析器上，透过血液透析来解决体内的问题。包埋的含酶颗粒，经过口服也可以让酶在肠胃之中释放。4.2用酶制造各种药物利用酶的催化作用将底物转变成药物的技术被称作药物的酶法生产。酶在药物生产上的使用日渐增多，酶法制药可以大大提高制药的效率，降低制药的成本，尤其是制造那些那些贵重的药物时。例如，利用微生物中的青霉素酰化酶可以制造头孢菌素和半合成的青霉素；利用L-酪氨酸转氨酶和β-酪氨酸酶可以制造多巴（L-二羟苯丙氨酸）；利用无色杆菌蛋白酶可以将猪胰岛素（Ala-30）转变为人胰岛素（Thr-30）；利用从黑曲霉等微生物中获取的β-葡萄糖苷酶可以生产人参皂甙-Rh2，等等。5.结束语酶在人的体内担当着生物催化剂的作用，在维持人体内环境稳态以及正常新陈代谢、生命活动的过程中是一名不可或缺的角色。医用酶学作为诊断、治疗疾病的一个有效手段，可以帮助人们更有效地预防、检测身体内潜藏的疾病，也可以协助