同工酶

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概述

同工酶 (同功酶)(isozyme,isoenzyme)广义是指生物体内催化相同反应而分子结构不同的酶。按照国际生化联合会(IUB)所属生化命名委员会(CBN)的建议,则只把其中因编码基因不同而产生的多种分子结构的酶称为同工酶。最典型的同工酶是乳酸脱氢酶(LDH)同工酶,用电泳方法将LDH同工酶分离,分析其酶谱,发现脊椎动物各组织中有五条酶带。每条酶带的酶蛋白都是由四条链组成的四聚体,LDH有两类肽链,A(M)或B(H),各有不同的免疫性质,按排列组合可形成符合于电泳酶带数的五种同工酶。LDH1及LDH5分别由纯粹的4条B链(B4)和4条A链(A4)形成,称为纯聚体;而LDH2、LDH3和LDH4都是由两类肽链杂交而成的,分别可写成AB3、A2B2、A3B,称为杂交体。

同工酶的基因先转录成同工酶的信使核糖核酸(mRNA)、后者再转译产生组成同工酶的肽链,不同的肽链可以不聚合的单体形式存在,也可聚合成纯聚体或杂交体,从而形成同一种酶的不同结构形式。  

分类

根据产生酶分子不同结构形式的原因,可将同工酶分为:

1、基因性同工酶或原级同工酶:由不同基因产生的肽链而衍生的同工酶。这里所指的不同基因可以在不同染色体或在同一染色体的不同位点上,例如LDH中A、B两条肽链的基因分别在第11及第12对染色体上,唾液淀粉酶胰淀粉酶的基因在第1对染色体的不同位点上。这类同工酶因分子结构差异较大,彼此间无交叉免疫。但同工酶的不同基因也可以是同源染色体等位基因,这种成对的等位基因上两个基因结构不同的情况,在遗传学上称为杂合子。杂合子在同一个体中可合成同一种酶的两种不同肽链,或亚基,这两种亚基尚可杂交,形成同工酶。在生物群体的不同个体中,有时同一基因位点上的一个(对杂合子来说)或一对(对纯合子来说)基因也可发生遗传变异,从而产生变异的酶,出现群体中的遗传多态。不同个体中这些遗传变异的酶也属于基因性同工酶。其在免疫学上常有交叉反应

由同一基因转录出前体核糖核酸(前体RNA),经过不同的加工剪接过程而生成多种不同的mRNA,再转译出多种肽链,从而组成同工酶。这类同工酶因发现较晚,在国际上尚无统一命名,彼此间也有交叉免疫。

2、次生同工酶或转译后同工酶:由同一基因、同一mRNA转译生成原始的酶蛋白,再经过不同的化学修饰,如酰胺基水解、磷酸化、肽链断裂、糖链上的糖基增减等形成不同结构的酶蛋白,它们的免疫性往往相同。

国际生化协会命名委员会(CBN)建议只将原级同工酶列为同工酶,而将次生同工酶称为共合酶,但不少生化学家还是把上述各类酶的不同结构形式都包括在广义的同工酶概念中。  

功能

在动、植物中,一种酶的同工酶在各组织、器官中的分布和含量不同,形成各组织特异的同工酶谱,叫做组织的多态性,体现各组织的特异功能。大多数基因性同工酶由于对底物亲和力不同和受不同因素的调节,常表现不同的生理功能,例如动物肝脏的碱性磷酸酯酶和肝脏的排泄功能有关,而肠粘膜的碱性磷酸酯酶却参与脂肪和钙、磷的吸收。对LDH催化的可逆反应,心肌中富含的LDH1及LDH2在体内倾向于催化乳酸的脱氢,而骨骼肌中丰富的LDH4及LDH5则有利于丙酮酸还原而生成乳酸。所以同工酶只是做相同的“工作”(即催化同一个反应),却不一定有相同的功能。  

应用

生物学中,同工酶可用于研究物种进化、遗传变异、杂交育种和个体发育组织分化等。例如最原始的脊椎动物七鳃鳗(Lamprey)只有一种LDH肽链,进化到较高级的鱼类才有A、B两类肽链。又如通过对地理分布不同的物种间某一同工酶谱的普查可以推测物种的地理来源。动、植物的遗传变异可通过子代和亲代同工酶谱的比较来鉴别。法医学中也可用多种同工酶谱的分析来鉴定亲子关系细胞杂交或植物杂交育种后是否出现新品种也可用周工酶谱的比较来确定。在个体发育中,从胚胎到出生,再到成年,随着组织的分化和发育,各种同工酶谱也有一个分化转变的过程。某型同工酶在胚胎的大多数组织中出现,成为主要型式,称为原始型同工酶。但出生后在某些组织中逐渐减少而被另一型同工酶取代,后者在胚胎组织中几乎不存在或含量极微,只在分化成熟的少数组织中存在,称为成年型同工酶。在植物的不同发育阶段,同样可见同工酶谱的相应改变。

在医学方面,同工酶是研究癌瘤发生的重要手段,癌瘤组织的同工酶谱常发生胚胎化现象,即合成过多的胎儿型同工酶。如果这些变化可反映到血清中,则可利用血清同工酶谱的改变来诊断癌瘤。此外。因同工酶谱有脏器特异性,故测定血清同工酶常可较特异地反映某一脏器的病变,如血清的LDH1(B4)或MB型肌酸激酶(CK-MB)增加是诊断心肌梗塞较特异的指标,较测定血清LDH或肌酸激酶(CK)总活力更为可靠。

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