同工酶的应用

12．1．2　同工酶的应用

同工酶作为一种生化指标，已广泛应用于物种鉴定、物种间亲缘关系比较及系统分类、基因连锁分析和基因作图、进化理论、个体发育过程中的基因表达与调控、环境生理、杂交育种以及种群遗传结构分析等理论研究和实际应用领域。同工酶在酶学、生物学和医学中占有重要地位。

12．1．2．1　同工酶与动植物分类

同工酶的电泳技术弥补了传统方法在种下亚分类方面的缺陷，并且能成功地区分形态上十分接近的近缘种；同时还能精确地阐明种以下各类群间、种间甚至属间的遗传分化程度，可进行动物种内各类群的遗传变异分析、近似种间的遗传变异分析以及属级水平以上的遗传变异分析。

植物分类等方面，同工酶技术分析植物间的亲缘关系目前得到了广泛的应用并获得了较为准确的结果。研究表明，不同种间的同一器官或同一种内不同组织器官间同工酶谱差异明显，通过对相关同工酶谱的比较可以确定被研究植物之间亲缘关系的远近。此外，同工酶技术已广泛应用于几乎所有的真菌门类，同工酶技术应用于真菌分类研究十分有效。

12．1．2．2　同工酶与农业

同工酶在农业上的应用由来已久，自20世纪70年代开始，人们尝试用同工酶电泳技术进行种子纯度测定。同工酶表现稳定，不容易受环境条件的影响，以同工酶为指标的检测结果可靠。由于许多同工酶在种子或幼苗期即可表达，可以进行早期的快速测定，这在杂交种子生产实践中具有特殊意义。另外，同工酶技术在诱导杂种突变体的鉴别以及杂种优势的预测等方面也具有广泛的应用。

12．1．2．3　同工酶与临床诊断

血清中的同工酶是临床上感兴趣的，因为它们可以作为组织损伤的分子标记物。在正常情况下，细胞膜对酶是不能渗透的，但在病变和组织损伤时细胞膜就变得可渗透，致使可溶性细胞内含物如酶等泄漏到血清中，在发生疾病时血清中酶浓度升高，超过健康状况下的血清酶浓度。因此，血清的酶浓度常被用来确定病人是否发生组织损伤，损伤到何种程度。

12．1．2．4　遗传与进化中的同工酶

同工酶作为遗传标志，已被遗传学家广泛用于遗传分析的研究，这是因为：

（1）同工酶是分子水平的指标，按照一个基因编码一个同工酶亚基的理论，可从同工酶的表型变异直接推测其基因型的变异，显然优于某些形态学的指标，后者往往是多个基因型的综合表型；

（2）同工酶可用测定活性的方法鉴定，较非酶蛋白分析方便；

（3）同工酶比其他指标灵敏，可以反映DNA上一个碱基的微小变异。

12．1．2．5　癌瘤状态下同工酶谱改变的生物学意义

癌瘤状态下酶谱的改变与肿瘤生长迅速的特点相适应。一些与核酸和蛋白质生物合成有关的“增殖性酶”的增高可以提供癌瘤增殖所需的细胞成分；一些糖代谢酶类活性的改变也为细胞增殖提供核糖等原料或能量，见表12－1（引自袁勤生．现代酶学，2版．上海：华东理工大学出版社，2007）。同样，同工酶谱的改变也适应细胞增殖的需要。例如糖酵解酶系中，胎儿型同工酶增高后，它们对底物的亲和力比成年型大得多，故可使糖酵解速度增加，有利于细胞增殖。同时，因分化型同工酶丧失，使脏器的一些特殊功能（如糖异生、鸟氨酸循环）降低。这样，在一定程度上也可将三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）节约下来，更多地用于增殖必需的蛋白质和核酸的生物合成。

表12－1　与癌瘤恶性程度有关的酶谱变化

12．1．2．6　发育与分化中的同工酶

发育是指在一稳定的遗传信息库中基因经选择性的表达，由单细胞受精卵产生一个复杂的成体的过程。这种过程的主要特征是组织分化，由此产生了许多细胞类型。每一类细胞都有其自己特异的体征和代谢特性，从而使成年机体具有既分工又统一的整体功能。很清楚，特异的基因表达产生了成体组织特异的同工酶谱，鉴于这类同工酶谱都是由单细胞阶段的一个前体酶谱产生的，因此一系列复杂的同工酶变化显然都是在发育中发生的。从同工酶学诞生的那天起，这些变化就一直引起发育生物学家们的浓厚兴趣。