酵素學

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(1)酵素簡介.

(2) 《緒論》 1. 生物體具有執行多種化學反應的能力，使反應在環境變異下快速進行，且多種反應間可相互協調 2. 生物體內的化學反應通常是在溫和的環境中進行，但反應的調控是嚴格但有彈性 3. 許多在實驗室需加熱、加酸或加鹼才能發生的反應，在生物體內(體溫約37oC、pH值近中性)卻可迅速進行，即是因生物體有酵素(生物催化劑)的存在.

(3) 4. 大部份的酵素為蛋白質，有些酵素需要非蛋白質的有機成分(如維生素衍生的輔酵素)或金屬離子(輔因子) 的協助才具有催化活性 5. 雖然“ 酵素” 一詞遲至1877年才被提出，但人類早已發現酵素的作用，如酵母細胞會加速由糖變成酒精的發酵作用，分離出的胃消化液可加速肉類的分解等 6. 當時，許多科學家認為“ 活” 的酵素(如酵母細胞)與 “ 沒有生命” 的胃消化液是不同的東西(生機論)，但德國生理學家Kühne則提出後者是所謂的“ 酵素” (enzyme，原文取自希臘字in yeast即“ 在酵母中” 的意思)，Kühne認為胃消化液的催化活性與酵母細胞是相同的(機械論).

(4) 7. 1897年，德國化學家Büchner*以砂粒磨碎酵母細胞並成功取得可產生相同發酵作用的細胞抽取液，終止了生機論與機械論的爭論，Büchner因此貢獻獲得 1907年諾貝爾化學獎 8. 接著，酵素的本質開始被研究，由於酵素只要稍微加熱就會變質，因此許多生化學家懷疑酵素的本質即為蛋白質，此論點直到Sumner*與Northrop等人 (1926至1930年間)成功地將許多酵素結晶並證明其成分為蛋白質後才得以確立，Sumner與Northrop 因此貢獻同獲1946年諾貝爾化學獎.

(5) Eduard Buchner (1860 ~ 1917), 左 - 1907年諾貝爾化學獎 (biochemical researches and discovery of cell-free fermentation) James Sumner (1887 ~ 1955), 右 - 1946年諾貝爾化學獎 (discovery that enzymes can be crystallized).

(6) 《酵素的重要》 1. 任何細胞都含有許多酵素，細胞內所有重要反應的進行速度才能因應細胞的生理要求，生物才能生存，生命才得以延續，因此生物的一切特性都是由酵素造成，酵素的重要性可由“ Life is a system of cooperating enzyme reactions” 的敘述看出 2. 酵素是一些疾病的原因，如先天性代謝異常患者通常是體內缺乏特定酵素所引起的(如半乳糖血症因患者缺乏將半乳糖轉變成葡萄糖的酵素而導致血液中的半乳糖含量過高；而苯酮尿症患者則是缺乏將苯丙胺酸代謝成酪胺酸的酵素)，先天性代謝異常若無法及早診斷與治療，通常會造成嚴重的智障等.

(7) 3. 有機磷殺蟲劑的使用或氰化物中毒及鉛中毒等都是因此類物質會阻害重要反應過程中的酵素活性，如有機磷殺蟲劑會阻斷神經傳導，氰化物會阻斷呼吸鏈等 4. 有些抗菌藥物會干擾細菌的酵素系統，但不致於嚴重影響宿主體內的代謝，因此常用於臨床治療的藥物，如青黴素可抑制細菌細胞壁的合成，磺胺類藥物會；干擾細菌的葉酸代謝等 5. 有些酵素可用於疾病的診斷與治療.

(8) 《酵素的特性》 1. 大部份的酵素為蛋白質，因此高溫、酸、鹼或重金屬都可能使酵素發生變性而失去或降低原有的催化活性 2. 影響酵素作用的因子有酵素濃度、受質濃度、pH值、溫度與終產物的濃度等，唯有適時與適度的調整各因子才能使酵素的催化作用達到最高效率 3. 酵素的催化作用是降低反應所需的活化能而加速反應趨向平衡但不影響反應的平衡常數*，因此酵素與化學催化劑一樣，只影響化學反應的動力學性質而非熱力學性質，因此又稱為生物催化劑.

(9) 過渡態. 反應物. ] △G不變. 產物. 化學反應過程中反應物所含能量的變化.

(10) 所有酵素依所催化的反應可歸為六大類.

(11) 4. 酵素催化的化學反應雖有數千種，但反應的類別有限，可歸為六大類，因此酵素依其所催化的反應類別可分為六大類* 如氧化還原酶催化氧化還原反應，轉移酶催化官能基的轉移反應，水解酶催化水解反應，裂解酶催化鍵結切除的反應，異構化酶催化異構化反應，連接酶催化鍵結生成的反應 5. 酵素與一般化學催化劑的不同處催化的效率高(可加速反應達108倍)，因此所需用量少催化的專一性高催化的條件溫和具有活體外活性且活性可受阻害劑或活化劑的調節.

(12) 過渡態 (a) 未添加催化劑. (b) 加入Fe3+的鹽類為催化劑 (c) 添加觸酶(catalase). H2O2分解過程中能量的變化情形.

(13) 含3% H2O2的水溶液置於37oC (a) 未添加催化劑 (b) 加入Fe3+的鹽類為催化劑 (c) 添加酵素觸酶(catalase).

(14) 6. 以催化H2O2 → H2O + ½O2反應的觸酶(catalase) 為例每分子的觸酶在0oC的條件下，每秒鐘仍可分解 44,000個H2O2分子，因此只需微量的觸酶即可催化 H2O2的分解反應二氧化錳與鐵粉也可催化相同的反應，但兩者的效率相差甚遠*，而二氧化錳與鐵粉除了催化H2O2的分解外，尚可催化其它多種反應，但觸酶的作用則具有專一性 7. 酵素的受質專一性* 受質的立體異構物專一性 - 酵素活性部位與受質間的三點接觸理論.

(15) 酵素的專一性(1) 三點接觸理論.

(16) 酵素的專一性(2). 鎖與鑰匙模型. 兩者皆不變. 誘導填入模型. 一者變一者不變.

(17) 酵素活性部位與受質間的鎖與鑰匙模型酵素活性部位與受質間的誘導填入模型酵素活性部位與受質間的過渡態穩定模型 8. 酵素是生物體特有的催化劑，但在適當的條件下，即使細胞的結構被破壞，原有的酵素在細胞外仍具有催化活性，因此各別的酵素可被分離、純化、結晶而用於代謝反應的研究、酵素結構與特性的研究、甚至發展成為化學試劑、藥物及工業上的催化劑等.

(18) 酵素的專一性(3). 過渡態穩定模型. 兩者皆變過渡態.

(19) 《酵素動力學簡介》 1. 酵素動力學主要研究酵素反應的速率與影響反應速率的因子 2. 早期的酵素動力學研究以蔗糖的水解為主比較蔗糖以酸(HCl)水解及以蔗糖酶水解的反應 - 蔗糖酶水解高濃度的蔗糖(受質)時, 其反應速率有飽和現象 3. Michaelis與Menten的研究主要探討單一受質與單一產物的酵素反應系統 - S (受質) → P (產物).

(20) 高蔗糖濃度時呈飽和現象. 雙曲線關係. 蔗糖濃度對蔗糖水解酶 (sucrase) 反應速率的影響. Leonor Michaelis (1875~1949, 左) - Famous for his work with Maud Menten (1879~1960, 右) in enzyme kinetics and Michaelis-Menten kinetics; besides his role in formulation of Michaelis-Menten equation (1913), he found that thioglycolic acid could dissolve keratin, making him the father of the permanent wave.

(21) - 酵素反應的過程. K1 K2 E + S ←→ ES → E + P K-1. K1是ES (酵素與受質複合體)形成的速率常數 K-1是ES分解的速率常數 K2是產物生成與釋出的速率常數穩定態假說 - ES形成的速率等於ES分解的速率(d[ES]/dt = 0).

(22) 零級反應. 一級反應. 反應速率與受質濃度的關係.

(23) 4. Michaelis-Menten方程式 Vo= Vmax[So]/(Km + [So]), Km = (K-1 + K2)/K1 - 當[So]＞＞Km, Vo = Vmax 為零級反應 - 當[So] ＝ Km, Vo = ½Vmax - 當[So]＜＜Km, Vo = Vmax([So]/Km)為一級反應 5. Michaelis-Menten方程式的重要性 Km 為酵素與受質間親和力的指標* - 當K-1＞＞K2, Km = (K-1 + K2)/K1 = K-1/K1 = Kd (Kd為ES的解離常數) Vmax 為酵素催化效率的指標? - Kcat (催化常數，在Michaelis-Menten方程式中， Kcat = K2).

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(25) 6. 完美的酵素? 利用Kcat/Km比常數可評估酵素的催化效率在生理狀況下，[S]/Km的比值通常介於0.01 ~ 1.0，則V = (Vmax/Km)[So] = (Kcat/Km)[Etotal][S]，其中 Kcat/Km = (K1K2)/(K-1 + K2) = K1[K2/(K-1 + K2)] ＜K1，即反應受限於反應物質的擴散速率 (108 ~ 109 M-1sec-1)* 細胞的因應之道 - 相關酵素演化成具有多活性與多功能區 - 相關酵素演化成具有四級構造或更高層次的結構組合 - 胞器的生成.

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(27) 《酵素活性的調節》 1. 細胞代謝活性的調節對於細胞的生存極為重要 2. 代謝活性的調節通常可經由改變催化特定反應的酵素活性影響酵素活性的因子有溫度*、pH值*、受質濃度*、輔因子或調節劑的濃度等活性調控的機制有不可逆的切除活化作用，可逆的異位調節作用，可逆的共價修飾作用與其他機制等.

(28) 溫度對酵素作用的影響熱變性. 動能增加碰撞增加.

(29) 最適作用的pH. pH對酵素作用的影響.

(30) 飽和現象. 反應物濃度對一般反應的影響. 受質濃度對酵素作用的影響.

(31) 3. 酵素的切除活化作用如水解脂質、蛋白質與糖類等細胞成分的消化酵素* - 此類酵素在製造後通常以不具活性的先質(先驅物) 形式存在，以保護細胞結構的完整 - 當需要此類酵素活性時，不具活性的先質會被切除一小段肽鏈後而具有活性(切除活化) 其他例子 - 如凝血反應*中的凝血酶原與血纖維蛋白原的活化 - 無激素原(胰島素原)的活化* - 如細胞程式死亡(細胞凋亡)*中的多種蛋白質水解酶.

(32) 消化酵素多以不具活性的先質形式存在.

(33) 胰凝乳蛋白酶原(無活性). 胰蛋白酶的切除. 胰凝乳蛋白酶(有活性). 消化酵素胰凝乳蛋白酶的切除活化.

(34) 凝血反應的過程. 凝血酶原. 凝血酶血纖維蛋白. 血纖維蛋白原.

(35) 胰島素原. 胰島素. 胰島素的活化 C肽.

(36) 細胞程式死亡(apoptosis). 細胞色素c. Procaspases → Caspases.

(37) 4. 酵素的異位調節作用異位調節作用適用於具有四級構造的異位酵素或調節酵素* 異位(調節)酵素具有催化部位(活性部位)與調節部位 - 當酵素的調節劑(活化劑或阻害劑)與調節部位接合時，會引發調節部位發生構形的改變* - 四級構造中不同次單元間有實質的接觸(交互作用)，因此調節部位的構形改變會牽動催化部位發生構形改變，進而改變催化部位的特性，如改變酵素對受質的接合能力或酵素的催化效率等，最後使酵素的活性發生變化.

(38) 調節酵素催化部位. 一般酵素. 調節部位. 調節酵素的異位調節作用.

(39) 活性增加. 肝糖磷解酶的共價修飾作用.

(40) 5. 酵素的共價修飾作用參與肝糖代謝的肝糖磷解酶*是研究最多的例子 - 肝糖磷解酶(或特定酵素)因特定胺基酸(如絲胺酸) 接上磷酸基(或其他特定化學基)而改變(增加)其活性 - 此磷酸化的修飾作用屬於共價鍵結的生成，因此需要其他酵素的參與 - 酵素的共價修飾作用通常是激素調節細胞代謝的機制 6. 其他調節機制如長期的代謝調適過程中，可透過激素的作用使特定種類的酵素表現量增加或減少如改變特定酵素或蛋白質分布的位置.

(41) 激素 (腎上腺素, 昇糖素). 腺苷環化酶. 蛋白質激酶C. 磷解酶激酶. 激素調節代謝的路徑肝糖磷解酶.

(42) 催化次單元調節次單元. 蛋白質激酶C的活化. 蛋白質的磷酸化修飾.

(43) 商業上的酵素應用.

(44) 《酵素的應用》 1. 隨著對酵素的了解與現代科技的進步，酵素已被廣泛應用於臨床醫學、工業及生物科技上* 2. 酵素在臨床醫學上的應用利用酵素的高專一性、高靈敏性與反應快速等優點，以酵素為試劑進行血糖或膽固醇含量的常規檢查 - 葡萄糖氧化酶可用於定量血中或尿中的葡萄糖含量* 利用酵素做為疾病診斷的輔助工具或治療效果的評估指標 - 分析血液中轉胺酶GPT與GOT的含量*進行肝功能檢查 - 分析酸性磷酸根水解酶進行前列腺癌的篩檢.

(45) 肝功能檢查. 血糖機.

(46) 供苯酮尿症患者使用. 治療乳糖不耐症. 黑色素. 治療白血病傷口清理治療血栓症(尿激酶).

(47) 利用酵素做為治療疾病的藥劑 - 尿激酶*可治療血栓症 - 天門冬醯胺酸水解酶*可治療白血病(血癌) - 酵素可用於清理傷口*與預防蛀牙等利用酵素抑制的原理進行疾病的治療* - 臨床上痛風的治療，高膽固醇的治療與消炎等利用酵素進行生理生化的研究 - 如新生兒先天性代謝異常中的苯酮尿症*即是因缺乏代謝苯丙胺酸的羥化酶所導致.

(48) 酵素的抑制作用 - 可逆抑制作用競爭型抑制劑(為酵素受質的類似物) 臨床用藥 - 不可逆抑制作用盤尼西林含有機磷農藥. 受質. 競爭型抑制劑. 受質. 競爭型抑制劑.

(49) 有機磷農藥的作用機制 - 抑制乙醯膽鹼水解酶. 盤尼西林的作用機制 - 抑制參與細胞壁合成的酵素.

(50) 3. 酵素在工業上的應用檢測食品加工業的原料新鮮度、純度及品質 - 分析原料中的還原酶活性可判定原料是否遭受細菌污染 - 分析牛奶中的轉化酶活性可確認牛奶的低溫滅菌過程是否完全 - 檢測牛肉產品中有否有馬肉攙假，如利用酵素免疫分析法檢驗應用於食品加工方面 - 如製造果糖糖漿*或不含乳糖的特殊配方奶粉與食品以提供乳糖不耐症患者使用應用於製藥工業方面 - 如製造廣效性抗生素.

(51) RIA: 放射免疫分析法 Radioimmunoassay. 酵素結合免疫吸附分析法.

(52) 高果糖糖漿的製造.

(53) 4. 酵素在其它工業上的應用如皮革工業利用酵素處理皮革，紡織工業利用酵素處理紡織原料，清潔工業添加耐熱性蛋白質水解酶等酵素於洗衣粉中 5. 酵素在生物科技方面的應用近年來，普遍應用限制酶，連結酶與DNA聚合酶於遺傳工程、蛋白質工程與基因療法等.

(54) 《未來展望》 1. 核糖酶(ribozyme或catalytic RNA) RNA可攜帶遺傳訊息，也可催化反應，在演化初期扮演重要的功能 2. 催化性抗體(abzyme或catalytic antibody)* 以酵素反應過程中受質的過渡態類似物為抗原，所製造出的抗體具有加速反應的特性.

(55) 酯類水解過程受質的過渡態. 合成的過渡態類似物. 催化性抗體的製造.

(56) 環狀糊精. 人工酵素的製造.

(57) 3. 人工酵素(synzyme或artificial enzyme) 最常使用環狀糊精*製造，環狀糊精非蛋白質，沒有蛋白質遇高溫、酸、鹼或重金屬時會使催化活性降低或消失的缺點 4. 新藥物的開發，如蛋白質水解酶的抑制劑研究可用於 AIDS與阿茲海默症等病症的治療.

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