《 酵素的特性 》

酵素簡介

《 緒論 》

1. 生物體具備執行多種化學反應的能力，反應需在環境 時時變異之下快速進行，且反應間需相互協調

2. 細胞內的反應通常在溫和的環境中進行，但接受嚴格卻 有彈性的調控

5. 有些酵素催化反應時，需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)的協助才具有活性

6. 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 用及分離出的胃消化液可加速肉類的分解等

7. 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 文取自於希臘字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)

8. 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

9. 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就是蛋白 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

Eduard Buchner (1860 ~ 1917), Eduard Buchner (1860 ~ 1917), 左左 -

-1907年諾貝爾化學獎1907年諾貝爾化學獎

Biochemical researches and discovery of cell

Biochemical researches and discovery of cell--free fermentationfree fermentation James Sumner (1887 ~ 1955),

James Sumner (1887 ~ 1955), 右右 -

-1946年諾貝爾化學獎1946年諾貝爾化學獎

Discovery that enzymes can be crystallized Discovery that enzymes can be crystallized

《 酵素的重要 》

1. 任何生物、任何細胞都含有許多酵素，因此細胞內所有 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

3. 使用含有機磷成份的殺蟲劑或氰化物中毒及鉛中毒等都 是因此類物質會阻害重要過程中的酵素活性，如有機磷 殺蟲劑會阻斷神經傳導，氰化物會阻斷呼吸鏈

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，如青黴素可 抑制細菌細胞壁的合成，磺胺類藥物則會干擾細菌的葉 酸代謝等

5. 有些酵素甚至可用於疾病的診斷與治療

；

《 酵素的特性 》

1. 大部份的酵素是蛋白質，因此具有蛋白質的一切特性，

因此高溫、過酸、過鹼或重金屬的存在均可能使酵素 發生變性，而使原有的催化活性降低或消失

2. 影響酵素作用的因子有酵素濃度、受質濃度、pH值、

溫度與終產物濃度等，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

4. 酵素催化的反應雖有數千種，但反應的類別可歸為六 類，因此酵素依其催化的反應類別分為六大類*

如氧化還原酶催化氧化還原反應，轉移酶催化官能基 轉移的反應，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. 生物催化劑(酵素)與一般化學催化劑的不同處 酵素效率高(可加速反應達10⁸倍)，因此所需量少 酵素專一性高

酵素作用條件溫和

酵素具活體外活性且活性可受阻害劑或活化劑的調節

過渡態 過渡態

△GG不變不變

[

H

H₂₂OO₂₂分解過程中能量的變化情形分解過程中能量的變化情形

(a) 未添加催化劑(a) 未添加催化劑

(b)

(b) 加入加入FeFe³⁺³⁺的鹽類為催化劑的鹽類為催化劑 (c)

(c) 添加觸酶添加觸酶((catalasecatalase)) 過渡態

過渡態

所有酵素依所催化的反應可歸為六大類 所有酵素依所催化的反應可歸為六大類

6. 以觸酶為例

觸酶催化H₂O₂→ H₂O + ½O₂的反應

每分子的觸酶即使在0^oC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

含含3% H3% H₂₂OO₂₂的水溶液置於的水溶液置於3737^ooCC (a)

(a) 未添加催化劑未添加催化劑 (b)

(b) 加入加入FeFe³⁺³⁺的鹽類為催化劑的鹽類為催化劑 (c) 添加酵素觸酶(c) 添加酵素觸酶((catalasecatalase))

7. 酵素的受質專一性*

立體異構物的專一性 - 三點接觸理論

鎖與鑰匙模型 誘導填入模型 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生物活 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

酵素的專一性 酵素的專一性(1)(1)

三點接觸理論 三點接觸理論

酵素的專一性 酵素的專一性(2)(2)

鎖與鑰匙模型 鎖與鑰匙模型

誘導填入模型 誘導填入模型

兩者皆不變 兩者皆不變

一者變一者不變 一者變一者不變

過渡態穩定模型 過渡態穩定模型

酵素的專一性 酵素的專一性(3)(3)

兩者皆變 兩者皆變 過渡態

過渡態

《 酵素動力學簡介 》

1. 酵素動力學研究酵素反應的速率與影響反應速率的因子

2. 早期的動力學研究以蔗糖的水解為主

比較以酸水解蔗糖的反應與以蔗糖酶水解蔗糖的反應 - 蔗糖酶水解蔗糖的反應速率在高濃度蔗糖(受質)存在

時有飽和現象

3. Michaelis-Menten方程式

探討單一受質與單一產物的酵素反應系統 - S (受質) → P (產物)

蔗糖濃度對蔗糖水解酶

蔗糖濃度對蔗糖水解酶((sucrasesucrase))反應速率的影響反應速率的影響

雙曲線關係 雙曲線關係 高蔗糖濃度時

高蔗糖濃度時 呈飽和現象 呈飽和現象

Leonor

Leonor MichaelisMichaelis(1875~1949, 左(1875~1949, 左)) -

-Famous for his work with Famous for his work with Maud Maud MentenMenten(1879~1960, (1879~1960, 右右) in enzyme) in enzyme kinetics and

kinetics and MichaelisMichaelis--MentenMentenkineticskinetics

--Besides his role in the formulation of Besides his role in the formulation of MichaelisMichaelis--MentenMentenequation (1913),equation (1913), he found that

he found that thioglycolicthioglycolicacid could dissolve keratin, making him theacid could dissolve keratin, making him the father of the permanent wave

father of the permanent wave

酵素反應的過程 - K₁ K₂

E + S ←→ ES → E + P K_-1

K₁= ES (酵素與受質複合體)形成的速率常數 K_-1= ES分解的速率常數

K₂= 產物生成與釋出的速率常數

Michaelis-Menten方程式

- V_o=V_max[S_o]/(K_m + [S_o]), K_m = (K_-1 + K₂)/K₁ - 當[S_o

] ≧ K

- 當[S_o] ＝ K_m, V_o = ½V_max

- 當[S_o

] ≦ K

4. Michaelis-Menten方程式的重要性

K_m 為酵素與受質間親和力的指標*， 當K_-1≧ K₂, K_m= (K_-1+ K₂)/K₁ = K_-1/K₁ = K_d(ES的解離常數) V_max為酵素催化效率的指標?

零級反應零級反應

一級反應 一級反應

5. 完美的酵素?

可利用K_cat/K_m比常數評估酵素的催化效率 在生理狀況下，[S]/K_m的比值介於0.01 ~ 1.0，

則V = (V_max/K_m)[S_o] = (K_cat/K_m)[E_total][S]，其中K_cat/K_m

= (K₁K₂)/(K_-1 + K₂) ≦ K₁，即反應受限於反應物質的 擴散速率 (10⁸~ 10⁹M^-1sec^-1)

細胞的因應之道

《 酵素活性的調節 》

1. 細胞代謝活性的調節對細胞的生存極其重要

2. 代謝活性的調節通常是透過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

溫度對酵素作用的影響 溫度對酵素作用的影響

熱變性 熱變性

動能增加 動能增加 碰撞增加 碰撞增加

最適作用 最適作用 的pH的pH

受質濃度對酵素作用的影響 受質濃度對酵素作用的影響 反應物濃度對一般反應的影響

反應物濃度對一般反應的影響

飽和現象 飽和現象

3. 不可逆的切除活化作用

如水解脂質、蛋白質與糖類等細胞成分的消化酵素*，

製造後通常以不具活性的先質形式存在，以保護細胞 本身結構的完整；當需要時，不具活性的酵素先質會 被切除一小段肽鏈後而具有活性

如凝血反應*中的凝血酶原與血纖維蛋白原 如激素原(胰島素原)的活化*

如細胞程式死亡*中的多種蛋白質水解酶

消化酵素多以不具活性的先質形式存在 消化酵素多以不具活性的先質形式存在

胰蛋白酶的切除 胰蛋白酶的切除

胰凝乳蛋白酶原 胰凝乳蛋白酶原((無活性無活性))

凝血酶 凝血酶

血纖維蛋白原 血纖維蛋白原 凝血酶原

凝血酶原

血纖維蛋白 血纖維蛋白

凝血反應的過程 凝血反應的過程

胰島素的活化 胰島素的活化 胰島素原

胰島素原 胰島素胰島素

細胞程式死亡

細胞程式死亡(apoptosis)(apoptosis)

Procaspases

Procaspases→→CaspasesCaspases 細胞色素細胞色素cc

4. 可逆的異位調節作用

此調節作用適用於具有四級構造的異位酵素或調節 酵素*，此類酵素具有催化部位(活性部位)與調節部位 - 當酵素的調節劑(活化劑或阻害劑)與酵素的調節部位

接合時，會引發調節部位發生構形改變*，此構形改變 因四級構造中不同次單元間的相互作用而可傳遞至 催化部位，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

一般酵素一般酵素

調節酵素 調節酵素

調節酵素的異位調節作用 調節酵素的異位調節作用

催化部位催化部位

調節部位 調節部位

5. 可逆的共價修飾作用

代謝肝糖的肝糖磷解酶*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)而改變其活性，此修飾作用(磷酸化) 屬共價鍵結的生成，因此需其他酵素的參與，此機制 通常是細胞代謝受激素調節的結果

6. 其他機制

在長期的代謝調適過程中，亦可透過激素的作用使 特定種類的酵素表現量增加或減少

肝糖磷解酶的共價修飾作用 肝糖磷解酶的共價修飾作用

活性增加 活性增加

蛋白質激酶 蛋白質激酶CC 腺苷環化酶 腺苷環化酶

磷解酶激酶 磷解酶激酶 激素激素

((腎上腺素腎上腺素, , 昇糖素昇糖素))

蛋白質激酶

蛋白質激酶CC的活化的活化

蛋白質的磷酸化修飾 蛋白質的磷酸化修飾

催化次單元 催化次單元 調節次單元

調節次單元

《 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

可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等含量的常規檢查，

如葡萄糖氧化酵素用於定量血中及尿中的葡萄糖量*

可利用酵素做為診斷疾病的輔助工具或治療效果的評估

商業上的酵素應用 商業上的酵素應用

血糖機 血糖機

肝功能檢查 肝功能檢查

可以酵素為治療疾病的藥劑，如天門冬醯胺酸的水解 酶*可治療白血病(血癌)，尿激酶*可治療血栓症，及 清理傷口*與預防蛀牙等

可利用酵素抑制的原理治療疾病*，如痛風的治療，

高膽固醇的治療與消炎等

生理生化的研究，如新生兒先天性代謝異常中的苯酮 尿症*即是缺乏代謝苯丙胺酸的羥化酶所致

治療乳糖不耐症 治療乳糖不耐症 供苯硐尿症患者使用

供苯硐尿症患者使用

治療血栓症 治療血栓症((尿激酶尿激酶)) 傷口清理傷口清理

治療白血病 治療白血病

黑色素

酵素的抑制作用 酵素的抑制作用 --可逆抑制作用可逆抑制作用

競爭型抑制劑

競爭型抑制劑((為酵素受質的類似物為酵素受質的類似物)) 臨床用藥臨床用藥

--不可逆抑制作用不可逆抑制作用 盤尼西林盤尼西林 含有機磷農藥 含有機磷農藥

受質受質

競爭型 競爭型 抑制劑

抑制劑 受質受質 競爭型競爭型

抑制劑 抑制劑

有機磷農藥的作用機制 有機磷農藥的作用機制 -

-抑制乙醯膽鹼水解酶抑制乙醯膽鹼水解酶

3. 酵素在工業上的應用

用於食品工業原料的新鮮度、純度及品質的檢測，如 分析原料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低溫滅菌過程是 否完全

可以酵素免疫分析法*檢驗牛肉產品中有否有馬肉攙假 食品加工方面，如製造果糖漿*與製造不含乳糖的奶粉 等特殊配方食品以提供乳糖不耐症患者使用

製藥工業方面，如廣效性抗生素的製造

RIA:

Radioimmunoassay

酵素結合免疫 酵素結合免疫 吸附分析法 吸附分析法 放射免疫分析法

放射免疫分析法

高果糖糖漿的製造 高果糖糖漿的製造

4. 酵素在其它工業上的應用

如以酵素處理皮革工業與紡織工業的原料，如洗衣粉 中添加耐熱性的蛋白質水解酵素等

5. 近年來更有酵素在生物科技方面的應用

如遺傳工程、蛋白質工程與基因療法等應使用的酵素

《 未來展望 》

1. 核糖酶(ribozyme, catalytic RNA)

RNA既可攜帶遺傳訊息，也可催化反應，在演化初期 扮演重要功能

2. 催化性抗體(abzyme, 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的 抗體，具有加速反應的特性

3. 人工酵素(synzyme, artificial enzyme)

環狀糊精*為最常用者，為非蛋白質成分，無蛋白質 遇高溫、過酸、過鹼或重金屬時而使催化活性降低或 消失的缺點

酯類水解過程 酯類水解過程 受質的過渡態 受質的過渡態

合成的 合成的 過渡態類似物 過渡態類似物

人工酵素的製造 人工酵素的製造 環狀糊精環狀糊精

4. 新藥物的開發，如蛋白質水解酶的抑制劑研究可用於 AIDS與阿茲海默症的治療