酵素學
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(2) 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)協助才具有活性 6. “酵素”一詞遲至1877年才被提出，但人類很早就已 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. 當時許多科學家們認為“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(即生機論)， 但德國生理學家Kühne提出後者是所謂的“酵素” (enzyme)，其原文即取自於希臘字“在酵母中” (in yeast)的意思，因Kühne認為胃消化液的催化活性 與酵母細胞是相同的(即機械論). 8. 1897年德國化學家Buchner*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後，終止 了生機論與機械論的爭論 Buchner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 因酵素只要稍微加熱就會變質，使得許多生化學家 懷疑酵素的本質就是蛋白質 此論點直到1926至1930年間，由Sumner*與 Northrop等人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. 2.
(3) Eduard Buchner (1860 ~ 1917), 左 - 1907年諾貝爾化學獎 1907年諾貝爾化學獎 Biochemical researches and discovery of cellcell-free fermentation James Sumner (1887 ~ 1955), 右 - 1946年諾貝爾化學獎 1946年諾貝爾化學獎 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 使得細胞內所有重要反應的速度加速才能因應細胞的 生理要求，生物才能生存，生命才得以延續，因此生 物的一切特性都由酵素造成 由“Life is a system of cooperating enzyme reactions”的敘述即可看出酵素的重要性. 3.
(4) 2. 酵素是一些疾病的原因 先天性代謝異常患者通常是體內缺乏某一種酵素所 引起的 - 半乳糖血症患者缺乏將半乳糖轉變成葡萄糖的酵 素，導致血液中的半乳糖含量過高 - 苯酮尿症患者缺乏可將胺基酸中的苯丙胺酸代謝成 酪胺酸的酵素 先天性代謝異常病症若無法及早診斷與治療，通常會 造成嚴重的智障等. 3. 使用含有機磷成份的殺蟲劑、氰化物中毒或鉛中毒等 原因即是此類物質會阻害重要酵素的活性 如有機磷殺蟲劑會干擾神經傳導，氰化物會阻斷 呼吸鏈 4. 有些抗菌藥物的使用是因其會干擾細菌的酵素系統， 但不致嚴重影響宿主體內的代謝 如青黴素抑制細菌細胞壁的合成，磺胺類藥物干擾 細菌的葉酸代謝等 5. 現代的臨床醫學，酵素甚至可用於疾病的診斷與治療. 4.
(5) 《酵素的特性》 1. 大部份酵素是蛋白質，因此具有蛋白質的一切特性 高溫、過酸、過鹼或重金屬均可能使其發生變性，而 使原具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 唯有適時與適度調整各因子，才能使酵素的催化作用 達到最高效率. 3. 酵素的催化作用 因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* - 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，因此酵素又稱為生物催化劑 4. 酵素的分類 酵素催化的反應有數千種，但可歸為六大類* - 氧化還原反應 - 異構化反應 - 官能基的轉移反應 - 水解反應 - 鍵結生成反應 - 鍵結切除反應. 5.
(6) 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. 過渡態 (a) 未添加催化劑. (b) 加入Fe 加入Fe3+的鹽類為催化劑 (c) 添加觸酶( 添加觸酶(catalase) catalase). H2O2分解過程中能量的變化情形. 6.
(7) 所有酵素依所催化的反應可歸為六大類. 4. 生物催化劑(酵素)與一般化學催化劑的不同處 效率高 - 可加速反應達108倍 所需量少 專一性高 作用條件溫和 具活體外活性 活性可接受阻害劑或活化劑的調節. 7.
(8) 5. 以觸酶(催化 H2O2 → H2O + ½O2 的反應)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* 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 - 觸酶具有專一性. 含3% H2O2的水溶液置於37 的水溶液置於37oC (a) 未添加催化劑 (b) 加入Fe 加入Fe3+的鹽類為催化劑 (c) 添加酵素觸酶( 添加酵素觸酶(catalase) catalase). 8.
(9) 6. 酵素的受質專一性* 專一性 - 立體異構物專一性 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 7. 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、酵素結構與其它特性的研究、 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(1) 酵素的專一性(1) 三點接觸理論. 9.
(10) 酵素的專一性(2) 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. 酵素的專一性(3) 酵素的專一性(3). 過渡態穩定模型. 兩者皆變 過渡態. 10.
(11) 《酵素動力學簡介》 1. 酵素動力學 研究酵素反應速率與影響反應速率的因子 2. 早期的研究以蔗糖的水解為主 酸水解反應 酵素水解反應 - 反應速率在高濃度受質存在時有飽和現象 3. Michaelis-Menten方程式 探討單一受質，單一產物系統 - S (受質) → P (產物). 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( 蔗糖濃度對蔗糖水解酶(sucrase) sucrase)反應速率的影響. 11.
(12) Leonor Michaelis (1875~1949, 左) - Famous for his work with Maud Menten (1879~1960, 右) in enzyme kinetics and MichaelisMichaelis-Menten kinetics - Besides his role in the formulation of MichaelisMichaelis-Menten equation (1913), he found that thioglycolic acid could dissolve keratin, making him the father of the permanent wave. 酵素反應過程 K2 K1 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 穩定態假說 - ES形成的速率等於ES分解的速率(d[ES]/dt = 0). 12.
(13) Michaelis-Menten方程式 - Vo=Vmax[So]/(Km + [So]), Km = (K-1 + K2)/K1 - 當[So] ≧ Km, Vo = Vmax 零級反應 - 當[So] ＝ Km, Vo = ½Vmax - 當[So] ≦ Km, Vo = Vmax([So]/Km) 一級反應. 零級反應. 一級反應. 反應速率與受質濃度的關係. 13.
(14) 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 (ES的解離常數) - Vmax 酵素催化的效率?. 14.
(15) 4. 完美酵素? 利用Kcat/Km 比常數評估酵素的催化效率 - 生理狀況下，[S]/Km的比值介於0.01 ~ 1.0 V = (Vmax/Km)[So] = (Kcat/Km)[Etotal][S] 其中Kcat/Km = (K1K2)/(K-1 + K2) ≦ K1，即反應 受限於擴散速率 (108 ~ 109 M-1sec-1) 細胞因應之道 - 多活性多功能的酵素 - 酵素有四級構造或更高層次的結構組合 - 胞器的生成. 15.
(16) 《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 - 溫度*、pH值*、受質濃度*、輔因子或調節劑的 濃度等 - 活性調控機制 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，其他機制. 16.
(17) 溫度對酵素作用的影響 熱變性. 動能增加 碰撞增加. 最適作用 的pH. pH對酵素作用的影響 pH對酵素作用的影響. 17.
(18) 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. 3. 不可逆的切除活化作用 催化脂質、蛋白質、糖類等細胞成分水解的消化酵素* - 通常製造時是以不具活性的先質形式存在，以保護 細胞本身結構的完整性 - 當需要時，不具活性的酵素先質會因一小段的肽鏈 被切除而具有活性 凝血反應* - 凝血酶原，血纖維蛋白原 激素的活化* - 激素原 細胞程式死亡*. 18.
(19) 消化酵素多以不具活性的先質形式存在. 胰凝乳蛋白酶原( 胰凝乳蛋白酶原(無活性) 無活性). 胰蛋白酶的切除. 胰凝乳蛋白酶( 胰凝乳蛋白酶(有活性) 有活性). 消化酵素胰凝乳蛋白酶的切除活化. 19.
(20) 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. 胰島素原. 胰島素. 胰島素的活化 C肽. 20.
(21) 細胞程式死亡(apoptosis) 細胞程式死亡(apoptosis). 細胞色素c 細胞色素c. Procaspases → Caspases. 4. 可逆的異位調節作用 此機制適用於具有四級構造的異位酵素或調節酵素* - 催化部位或活性部位 - 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 - 引發調節部位發生構形改變* - 此改變可因四級構造中不同次單元間的相互作用而 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 - 最後使酵素的活性發生改變. 21.
(22) 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. 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. 22.
(23) 活性增加. 肝糖磷解酶的共價修飾作用. 激素 (腎上腺素, 腎上腺素, 昇糖素) 昇糖素). 腺苷環化酶. 蛋白質激酶C 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. 23.
(24) 催化次單元 調節次單元. 蛋白質激酶C 蛋白質激酶C的活化. 蛋白質的磷酸化修飾. 《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* 利用酵素做為診斷疾病的輔助工具或治療效果的評估 指標 - 肝功能檢查時分析血液中轉胺酵素GPT與GOT含量* - 分析酸性磷酸根水解酵素以篩檢前列腺癌. 24.
(25) 商業上的酵素應用. 肝功能檢查. 血糖機. 25.
(26) 以酵素為治療疾病的藥劑 - 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 - 其中如清理傷口*，預防蛀牙等 利用酵素抑制的原理治療疾病* - 如治療痛風，高膽固醇與消炎 生理生化的研究 - 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. 供苯硐尿症患者使用. 治療乳糖不耐症. 黑色素. 治療白血病 傷口清理 治療血栓症( 治療血栓症(尿激酶) 尿激酶). 26.
(27) 酵素的抑制作用 - 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 - 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. 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. 27.
(28) 3. 酵素在工業上的應用 食品工業原料的新鮮度、純度及品質的檢測 - 分析原料的還原酶活性判定原料是否遭受細菌污染 - 分析牛奶中的轉化酶活性確認牛奶低溫滅菌過程是 否完全 - 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 - 果糖的製造* - 不含乳糖的奶粉等特殊配方食品的製造，供乳糖 不耐症者使用 製藥工業 - 廣效性抗生素的製造. RIA: 放射免疫分析法. 酵素結合免疫 吸附分析法. Radioimmunoassay. 28.
(29) 高果糖糖漿的製造. 4. 酵素在其它工業上的應用 以酵素處理皮革工業與紡織工業的原料 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. 29.
(30) 《未來展望》 1. 核糖酶(ribozyme, catalytic RNA) RNA可攜帶遺傳訊息，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)* 利用酵素反應過程中受質的過渡態類似物為抗原製造 3. 人工酵素(synzyme, artificial enzyme) 環狀糊精*為最常用者 - 非蛋白質成分 4. 蛋白質水解酶的抑制劑研究 AIDS, 阿茲海默症的治療. 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. 30.
(31) 環狀糊精. 人工酵素的製造. 31.
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