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下快速進行 反應間需相互協調

2. 反應通常在溫和的環境中(非高溫、高壓或有強烈的化學物 質)進行，且受到嚴格但有彈性的控制

5. 有些酵素在催化反應時需非蛋白質的有機成分(如維生素類 的輔酵素)或金屬離子(輔因子)的協助才具有活性

6. “酵素”一詞遲至1877年才被提出，但人類很早之前就已 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 分離出的胃消化液可加速肉類的分解等

7. 當時許多化學家認為“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(即生機論)，但德國生理學家Kuhe 卻提出後者是所謂的“酵素” (enzyme)，其原文即取自於 希臘字“在酵母中” (in yeast)的意思，因Kuhe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. 生機論與機械論的爭論直至1897年

德國化學家Buchner以砂粒磨碎酵母細胞後，成功取得酵母 細胞抽取液，可產生相同的發酵作用

- Buchner因此貢獻獲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，因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時才得以 確立

- Sumner與Northrop因此貢獻同獲1946年諾貝爾 化學獎

Eduard Buchner (1860 ~ 1917), left - 1907 Nobel Prize in Chemistry

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

- 1946 Nobel Prize in Chemistry

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

細胞內所有重要反應進行的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 由酵素造成

由“Life is a system of cooperating

2. 酵素是一些疾病的原因

先天性代謝異常者通常是患者體內缺乏某一種酵素所引起的 - 如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

- 這些病症若無法及早診斷與治療，將會造成嚴重的智障等

3. 使用含有機磷殺蟲劑、氰化物中毒或鉛中毒等原因也是因 此類物質會阻害重要酵素的活性

4. 有些抗細菌藥物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)

4. 現代的臨床醫學上，酵素甚至可用於疾病的診斷與治療

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

遇高溫、過酸、過鹼或重金屬時均可能發生變性，而使原來 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

唯有將各因素做適度的調整才能使酵素的催化作用達到 最高效率

3. 酵素的催化作用

可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

過渡態

產物

H₂O₂分解過程中能量的變化情形

(a) 未添加催化劑

(b) 加入Fe³⁺的鹽類為催化劑 (c) 添加觸酶(catalase) 過渡態

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

所有酵素可歸為六類

- 氧化還原，異構化，轉移，水解，鍵結的生成與切除 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等

所有酵素依所催化的反應可歸為六大類

5. 以觸酶為例

觸酶催化 H₂O₂→ H₂O + ½O₂ 的反應，而二氧化錳與 鐵粉也可催化相同的反應，但兩者的效率相差甚遠

- 每分子的觸酶在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

觸酶只催化H₂O₂的分解反應，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

- 專一性

含3% H₂O₂的水溶液置於37^oC (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)

酵素的專一性(1)

三點接觸理論

酵素的專一性(2)

鎖與鑰匙模型

誘導填入模型

兩者皆不變

一者變一者不變

過渡態穩定模型

酵素的專一性(3)

兩者皆變 過渡態

6. 酵素是生物體內特有的催化劑，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 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. 早期研究

蔗糖的水解 - 酸水解 - 酵素水解

3. Michaelis-Menten方程式 單一受質，單一產物系統 - S (受質) → P (產物)

蔗糖濃度對蔗糖水解酶(sucrase)反應速率的影響

雙曲線關係 高蔗糖濃度時

呈飽和現象

Leonor Michaelis (1875~1949, left)

- Famous for his work with Maud Menten (1879~1960,right) in enzyme kinetics and Michaelis-Menten kinetics

反應過程

- K₁ K₂

E + S ←→ ES → E + P

K_-1

K₁ = ES (酵素受質複合體)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]/d t = 0)

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_m, V_o = V_max (零級反應)

當[S_o] ＝ K_m, V_o = ½V_max

當[S_o] ≦ K_m, V_o = V_max([S_o]/K_m) (一級反應) Michaelis-Menten方程式的重要性

- K_m

當K_-1 ≧ K₂, K_m = (K_-1 + K₂)/K₁

= K_-1/K₁ = K_d(ES的解離常數) 為酵素與受質間親和力的指標

- V_max

酵素催化的效率?

反應速率與受質濃度的關係

零級反應

一級反應

4. 完美酵素?

利用K_cat/K_m 比常數評估催化效率 - 生理狀況下

[S]/K_m的比值介於0.01 ~ 1.0

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

其中K_cat/K_m = (K₁K₂)/(K_-1 + K₂) ≦

K

酵素活性的調節

1. 細胞代謝活性的調節對細胞生存極其重要

代謝活性的調節通常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

溫度對酵素作用的影響

熱變性

動能增加 碰撞增加

pH對酵素作用的影響

最適作用的pH

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

飽和現象

2. 不可逆的切除活化作用

如催化脂類、蛋白質、糖類等細胞成分水解的消化酵素 - 通常酵素製造時是以不具活性的先質形式存在

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

消化酵素多以不具活性的先質形式存在

消化酵素胰凝乳蛋白酶的切除活化

胰蛋白酶的切除

胰凝乳蛋白酶原(無活性)

胰凝乳蛋白酶(有活性)

凝血酶

血纖維蛋白原 凝血酶原

血纖維蛋白

凝血反應的過程

胰島素原 胰島素

細胞程式死亡(apoptosis)

Procaspases → Caspases 細胞色素c

3. 可逆的異位調節作用

此機制適用於具有四級構造的酵素 - 催化部位，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 - 引發調節部位發生構形改變

- 此改變因四級構造中不同次單元間的相互作用而傳達至 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催化的效率等 - 最後使酵素活性改變

一般酵素

調節酵素

調節酵素的異位調節作用

催化部位 調節部位

4. 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，因此需其他酵素的參與

此機制通常是細胞代謝中激素調節作用的結果 5. 其他

在長期的代謝調適過程中，亦可透過激素的作用而使特定

肝糖磷解酶的共價修飾作用

活性增加

激素調節代謝的路徑

蛋白質激酶C 腺苷酸激酶

磷解酶激酶 (腎上腺素, 昇糖素)激素

蛋白質激酶C的活化

蛋白質的磷酸化修飾

催化次單元 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

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

血糖機

肝功能檢查

以酵素為治療疾病的藥劑

- 天門冬醯胺酸的水解酵素可治療白血病(血癌) - 尿激酶可治療血栓症

- 清理傷口，預防蛀牙

利用酵素抑制的原理治療疾病 - 痛風，高膽固醇，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

治療乳糖不耐症 供苯硐尿症患者使用

治療血栓症(尿激酶) 傷口清理

治療白血病

黑色素

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

盤尼西林的作用機制

- 抑制參與細胞壁合成的酵素 有機磷農藥的作用機制 - 抑制乙醯膽鹼水解酶

3. 酵素在工業上的應用

食品工業上原料的新鮮度、純度及品質的檢測

- 分析原料的還原酶活性可判定原料是否遭受細菌污染 - 分析牛奶中轉化酶的活性可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 乳糖不耐症

製藥工業

- 廣效性抗生素的製造

RIA:

Radioimmunoassay

酵素結合免疫 吸附分析法 放射免疫分析法

高果糖糖漿的製造

商業上的酵素應用

4. 酵素在其它工業上的應用

皮革工業與紡織工業中原料的酵素處理 洗衣粉中添加的耐熱性蛋白質水解酵素 5. 近年來更有酵素應用在生物科技方面

如遺傳工程、蛋白質工程與基因療法等

未來展望

1. 核糖酶(ribozyme, catalytic RNA) RNA可攜帶遺傳訊息，可催化反應 - 演化初期扮演重要功能

2. 催化性抗體(abzyme, catalytic antibody) 酵素反應過程中受質的過渡態類似物

3. 人工酵素(synzyme, artificial enzyme) 環狀糊精

- 非蛋白質成分

4. 蛋白質水解酵素的抑制劑 AIDS, 阿茲海默症的治療

酯類水解過程 受質的過渡態

人工酵素的製造 環狀糊精