酶与医学的关系及应用

酶与医学的关系及应用_生物化学

第四节　酶与医学的关系及应用

一方面，酶催化生物体体内的物质代谢在有条不紊地进行；另一方面，又对物质代谢发挥着调节作用，酶在物质代谢过程中这种独特的作用决定了酶在临床上的广泛应用。人体的许多疾病与酶、酶活性的改变有关；血浆中酶活性的改变对许多疾病的发生、发展及判断都具有重要意义。

一、酶与疾病的发生

1．遗传性疾病

因蛋白质先天性缺陷引起的疾病称为遗传性疾病。酶是基因表达的特殊蛋白质，先天性或遗传性缺陷可使某些酶的基因表达缺如或异常，从而导致酶的质和量的先天性异常。因酶的缺陷使相应的正常物质代谢途径不能进行而引起的疾病称为酶遗传性缺陷病。例如，当酪氨酸酶遗传性缺陷时，由于酶的缺乏使酪氨酸不能转化成黑色素，导致皮肤、毛发缺乏黑色素而患白化病。表4－1列出部分酶遗传性缺陷病及其所缺陷的酶。

表4－1　部分酶遗传性缺陷病及其所缺陷的酶

2．中毒性疾病

临床上有些疾病是由于酶活性受到抑制引起的，这种情况多见于中毒性疾病。例如，有机磷杀虫剂中毒是由于抑制了胆碱酯酶活性而引起的；重金属盐中毒是由于抑制了巯基酶活性；氰化物中毒是由于抑制了细胞色素氧化酶等。

二、酶与疾病诊断

1．血清（浆）酶活性的测定

不同组织细胞中分布着能参与不同代谢途径的酶类。因血液与全身各组织细胞相通，当组织细胞损伤时，导致细胞内酶大量进入血液，使血清（浆）酶活性增高；或因细胞病变使其合成酶的能力下降，使血清（浆）中酶活性降低。测定血清（浆）酶活性对于疾病的辅助诊断、治疗评价和预后判断都具有重要的临床意义。

（1）血清（浆）功能性酶的测定：此类酶是血浆蛋白质的固有成分，因其是一种在血浆中能发挥特异催化作用的酶，故称为血浆功能性酶。如与血液凝固和纤维蛋白溶解有关的酶类、催化血浆中胆固醇酯化的卵磷脂胆固醇酰基转移酶、使乳糜微粒中三脂酰甘油水解的脂蛋白酯酶等。这些酶主要由肝细胞合成后分泌入血，在血浆中的含量较为恒定。测定这些酶在血液中的活性，有助于了解肝功能。

（2）血清（浆）非功能性酶的测定：此类酶在血浆中的浓度很低，主要来自于全身各组织细胞，因在血浆中没有实际的生理功能，而被称为非功能性酶。因血液与全身各组织细胞相通，故测定血浆中这些酶活性，能反映产生该酶的组织器官的功能状态，实现对疾病辅助诊断的目的。许多组织器官的疾病可引起血浆中酶活性的改变，主要有以下几种原因。①体内某些物质代谢发生障碍时，细胞中酶合成增加，从而使得进入血液中的酶量增加。如发生成骨肉瘤或佝偻病时，成骨细胞中碱性磷酸酶合成增加，使血清中碱性磷酸酶活性升高；发生前列腺癌时血清酸性磷酸酶活性升高。②组织细胞损伤或细胞膜通透性变大，使进入血液中的酶量增加。例如，急性胰腺炎时，血清淀粉酶活性升高，急性肝炎、心肌梗塞时血浆丙氨酸转氨酶（ALT）、天冬氨酸氨转氨酶（AST）活性升高。③酶在细胞内合成障碍，使得血清中酶活性降低。如发生肝病时，血液中凝血酶原和某些凝血因子含量均显著降低。④酶活性受到抑制，如有机磷中毒时，红细胞的胆碱酯酶活性降低。

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血清转氨酶升高常提示有肝损伤

人体体内存在很多氨基转移酶，临床上通过抽血化验检测肝功能的转氨酶主要有两种，一种为丙氨酸转氨酶（ALT）；另一种为天冬氨酸转氨酶（AST）。

ALT及AST主要存在于肝细胞中，其他脏器中（如肾、心肌、胰腺、肌肉、脾、胆、肺）也含有一定数量的ALT和AST。ALT主要存在于细胞质中，而AST主要存在于细胞质的线粒体中。当细胞损伤时（如肝炎、心肌炎、胰腺炎等），ALT首先进入血液；当细胞严重损伤、危及线粒体时，AST也会进入血液中。此外，营养不良、酗酒、应用某些药物、发烧等情况均能使转氨酶有轻度升高。在生理状态下，血清转氨酶也有变异，如剧烈活动、体育锻炼、月经期时，转氨酶也可暂时升高。

由于ALT、AST主要存在于肝细胞中，当其浓度明显升高时常提示有肝损伤。当然，引起肝损伤的原因很多，如肝脏外伤、各种肝脏的急慢性炎症、脂肪肝、肝硬化以及肝癌。因此，当发现转氨酶升高时既不要恐慌，也不可掉以轻心，应该进一步追查原因。

一般认为，如果ALT血清值超过正常上限2～3倍，并持续两周以上，表明有肝胆疾病存在的可能，须排除嗜酒、心肌炎、化学药物中毒、寄生虫病等；如果测定值超过正常上限20倍，表明有肝胆疾病存在；此时若伴有阳性肝炎病毒标志物，可以诊断为肝炎。ALT的正常上限是40单位，超过正常上限2．5倍时为100单位，20倍时为800单位。

患急性肝炎时，ALT升高幅度较大，ALT多在500单位以上，甚至达到1000单位以上，有时AST也明显升高。不管是急性肝炎、慢性肝炎乃至肝硬化，如果AST升高幅度等于或大于ALT，即AST/ALT≥1时，常说明肝细胞损伤严重，病情相对较重。慢性肝炎ALT升高幅度不大，多在300单位以下。

2．同工酶在临床诊断上的价值

对某种具有两种以上同工酶形式的酶来说，其总活性是各种同工酶形式活性的总和。求得各种同工酶活性的方法是先测得某一样品中该酶的总活性，再用电泳的手段将各种同工酶彼此分离，以求得它们的相对百分比例，再以各自的比例与总酶活性相乘，便可获得每一种同工酶的活性单位。检测同工酶对于疾病的器官定位具有实用价值。

（1）检测同工酶能提高酶学诊断的特异性：体液中的同工酶多来自不同的组织器官。当体液（主要是血清）中某一种酶的总活性升高时，通过同工酶的分离与检测，可确定升高的那部分同工酶来自于何种组织，便能较准确地反映出哪些器官组织受到损伤及损伤程度，从而提高酶学诊断水平。如乳酸脱氢酶（LDH）总活性升高的同时，若证实总活性升高主要是由于LDH1升高引起的，则应主要考虑为心肌病变所致；若证实主要是由于LDH₅引起的，则应当怀疑肝或骨骼肌病变所致。

（2）检测同工酶能提高酶学诊断的敏感性：因为某些同工酶的异常升高可在总酶活性改变之前出现。如急性心肌梗塞时，血清中心型肌酸激酶（CK－MB）的升高早于肌酸激酶总活性的升高。

（3）检测同工酶对某些疾病还具有预后的价值：如肝炎患者血液中天冬氨酸氨转氨酶（AST）主要来自肝细胞液（细胞液型AST），若血液中出现线粒体型AST，说明细胞由炎症发展到坏死，提示病情预后不好。

三、酶与疾病治疗

酶在医学研究中得到广泛应用。酶既可作为药剂用于治疗，也可作为试剂用于临床诊断，还可以作为工具用于科学研究。下面仅就酶在临床治疗上的应用归纳如下。

1．帮助消化

如胃蛋白酶、胰蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和木瓜蛋白酶都可用于帮助消化。

2．消炎抑菌

如溶菌酶、菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶可缓解炎症，促进消肿；糜蛋白酶可用于外科清创和烧伤患者痂垢的清除，以及防治脓胸患者浆膜粘连等。磺胺类药物能通过酶的竞争性抑制机制起到抑菌消炎的作用。

3．防治血栓

因链激酶、尿激酶和纤溶酶等均可溶解血栓，以防止血栓形成，故可用于脑血栓、心肌梗塞等疾病的防治。

4．治疗肿瘤

天门冬酰胺具有促进血癌生长的作用。利用天门冬酰胺酶分解天门冬酰胺可抑制血癌细胞的生长。人工合成的巯嘌呤（6－巯基嘌呤）、氟尿嘧啶（5－氟尿嘧啶）等药物，通过酶的竞争性抑制作用阻碍肿瘤细胞的异常生长，可起到抑制肿瘤的作用。

四、酶与医学研究

1．酶作为试剂用于临床检验

酶法分析即酶偶联测定法，是指以酶作为分析试剂，对某些酶的活性、底物浓度、抑制剂等进行定量测定的一种方法。其原理是利用一些酶（称为指示酶）的底物或产物可以直接、简便地检测的特性，将该酶偶联到待测的酶促反应体系中，使原本不易直接测定的反应转化为可以直接监测的系列反应。例如，用辣根过氧化物酶来标记抗体，通过测定酶的活性来判断被标记抗体或其定量结合的物质的存在和含量。

2．酶作为工具用于科学研究

在基因工程领域中，人们利用酶具有高度特异性的特点，以限制性核酸内切酶和连接酶等为工具，在分子水平上对某些生物大分子进行定向的分割与连接。酶标记测定法可代替同位素与某些物质结合，从而使该物质被酶标记。通过测定酶的活性来判断被标记物质或与其定量结合的物质的存在和含量。该方法具有灵敏性和特异性强等特点。抗体酶是具有催化作用的抗体分子。该方法是利用底物与酶结合时底物发生变形，从而产生过渡态。当将底物的过渡态类似物作为抗原，注入动物体内产生抗体时，则抗体的结构与过渡态类似物互相适应并可互相结合。该抗体便具有催化该过渡态反应的酶活性。当抗体与底物结合时，就可使底物转变为过渡态进而发生催化反应。抗体酶研究是目前酶工程研究的前沿之一。通过抗体酶的途径可制备自然界不存在的新酶种，从而生产出目前不易获得的各种酶类。

本章小结

生物体的基本特征之一是不断地进行新陈代谢，新陈代谢是由很多的化学反应组成的，这些反应在温和的条件下（如体温、常压、中性pH值等）进行，并且几乎每一步反应都需要有生物催化剂——酶的参与。大多数酶的本质是蛋白质，还有少量酶的本质是核酸，称为核酶。国际酶学委员会将酶分为六大类，即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、异构酶类、合成酶类。

酶与一般化学催化剂相比，具有独有的特性，例如：催化效率高，比一般化学催化剂高10⁷～10¹³倍；对其作用的底物有严格的专一性；反应条件温和；催化活性易受外界环境因素（如酸、碱、热、变性剂、剧烈搅拌、振荡等）的影响。

酶按化学组成可分为单纯酶和结合酶。结合酶（全酶）＝酶蛋白＋辅助因子，酶蛋白或辅助因子单独存在时均无催化活性。

酶在最初合成分泌时不具有活性，这种没有催化活性的酶的前体称为酶原。酶原在适当条件下可转化成具有催化活性的酶，该转化过程称为酶原的激活，实质上是酶活性部位形成或暴露的过程。

能发生反应的分子称为活化分子。处于常态的分子由于其能量低不能发生反应，分子由常态吸收一定的能量后可转化为活化分子，由常态分子转化为活化分子所需的能量称为活化能。酶的作用是降低反应的活化能，而提高反应速度。

影响酶促反应速度的因素如下。①酶浓度对酶作用的影响。②底物浓度对酶作用的影响。当底物浓度较高时，底物浓度增加，反应速度也随之升高，但不显著。当底物浓度很大而达到一定限度时，反应速度则达到一个最大值，此时即使再增加底物浓度，反应速度也不再改变。③pH值对酶作用的影响：每一种酶只能在一定的pH值范围内才表现出活性。即使在这一范围内，酶的活性也随着pH值的变化而变化。④温度对酶作用的影响：在一定范围（0～40℃）内，反应速度随温度升高而加快，但酶遇热会变性失活，大多数酶在60℃以上失活；各种酶在一定条件下都有一定的最适温度，如动物的最适温度为37～40℃。⑤激活剂对酶作用的影响：能提高酶活力的物质为激活剂。激活剂通常是一些金属离子，如Mg^2＋、Mn^2＋、K^＋、Cl^－。⑥抑制剂对酶作用的影响：使酶的必需基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶完全失去活性的物质称为抑制剂。抑制作用可分为不可逆性抑制作用和可逆性抑制作用。

酶与医学的关系密切。临床上许多疾病的发生都与酶的缺陷有关，因酶的缺陷使相应的正常代谢途径不能进行而引起的疾病称为酶遗传性缺陷病；血清酶活性的测定可帮助疾病的诊断，如血清转氨酶的测定有助于肝脏疾病的诊断。另外，酶还可作为药物用于某些疾病的治疗，如溶菌酶可作为杀菌剂，尿激酶可以溶解血栓、治疗血管栓塞。

能力检测

一、案例引导题

患者，男，51岁，用农药灭虱蚊、苍蝇，但没有穿着长筒靴、长袖衣，也没有戴帽子和口罩。喷完农药30min后出现恶心、呕吐、多汗、流涎、视力模糊、呼吸困难等症状。

体格检查：瞳孔缩小、支气管分泌物增多。

诊断：有机磷农药吸入和接触性中毒。

分析思考：

（1）患者中毒的生物化学机制是什么？

（2）从生物化学角度分析有机磷农药中毒的治疗原则。

（3）简要说明如何急救中毒患者。

（4）如何预防有机磷农药中毒？

二、单项选择题

1．下列说法正确的是（　　）。

A．酶都是蛋白质　B．蛋白质都是酶　　C．少数酶是蛋白质

D．多数酶是RNA　　E．绝大多数酶是蛋白质

2．人在发烧时食欲较差，其发病机制是（　　）。

A．胃不能及时排空　　　B．摄入的食物未能被消化

C．消化酶活性受影响　　D．完全抑制了消化酶的分泌

E．酶发生了变性

3．能水解淀粉的酶是（　　）。

A．淀粉酶　　B．蛋白酶　　C．脂肪酶　　D．肽酶　　E．转氨酶

4．酶的活性中心是指（　　）。

A．酶分子的中心部位

B．酶蛋白与辅助因子结合的部位

C．酶分子上有必需基团的部位

D．能与底物结合并催化底物转化为产物的部位

E．酶分子上的任何部位

5．酶原的激活是由于（　　）。

A．激活剂能将结合在酶原分子上的抑制物除去

B．激活剂能使酶原的空间构象发生变化

C．激活剂能使酶原的活性中心暴露或形成

D．激活剂能活化酶原分子上的催化基团

E．激活剂能结合在活性中心上

6．不影响酶促反应速度的因素是（　　）。

A．底物浓度　　B．pH值　　C．时间　　D．温度　　E．抑制剂

7．下列关于酶蛋白与辅助因子的论述不正确的是（　　）。

A．酶蛋白与辅助因子单独存在时无催化活性

B．一种酶蛋白只能与一种辅助因子结合形成全酶

C．一种辅助因子只能与一种酶蛋白结合形成全酶

D．酶蛋白决定酶促反应的特异性

E．辅助因子包括金属离子、B族维生素的衍生物

8．酶的催化作用对能量的影响在于（　　）。

A．增加产物能量水平　　　B．降低反应活化能

C．降低反应物能量水平　　D．降低反应的自由能

E．降低反应体系中活化分子数量

9．下列影响酶促反应速度的因素中，错误的是（　　）。

A．最适pH值时反应速度最大　　　B．最适温度时反应速度最大

C．底物浓度与反应速度总呈正比　D．抑制剂能减慢反应速度

E．以上都对

10．下列有关竞争性抑制剂的论述，错误的是（　　）。

A．抑制剂结构与底物相似　　　　B．抑制剂与酶的活性中心相结合

C．抑制剂与酶的结合是可逆的　　D．抑制程度只与抑制剂的浓度有关

E．抑制程度与抑制剂和底物的浓度比有关

11．下列哪些抑制作用属于竞争性抑制作用？（　　）

A．砷化合物对巯基酶的抑制作用

B．敌敌畏对胆碱酯酶的抑制作用

C．磺胺类药物对细菌二氢叶酸合成酶的抑制作用

D．氰化物对细胞色素氧化酶的抑制作用

E．以上都不对

三、拓展题

1．何谓酶的抑制剂？比较各种类型抑制作用的特点。说明磺胺类药物抑菌的生物化学机制。

2．查阅资料，举例说明酶与疾病发生的关系和在疾病治疗中的应用。

（沈建林）