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 3. 許 多 在 實 驗 室 需 加 熱 加 酸 或 加 鹼 才 能 發 生 的 反 應, 卻 可 在 生 物 體 的 體 溫 (37 o C) 及 近 中 性 的 條 件 下 進 行 - 因 生 物 體 內 有 具 催 化 劑 作 用 的 酵 素 存 在 4. 大 部 份 的 酵 素 為 蛋 白 質 1
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 2
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 enzyme reactions 的 敘 述 可 看 出 酵 素 的 重 要 性 3
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 4
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 反 應 物 產 物 化 學 反 應 過 程 中 反 應 物 所 含 能 量 的 變 化 5
過 渡 態 (a) 未 添 加 催 化 劑 (b) 加 入 Fe 3+ 的 鹽 類 為 催 化 劑 (c) 添 加 觸 酶 (catalase) H 2 O 2 分 解 過 程 中 能 量 的 變 化 情 形 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 10 8 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 6
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 H 2 O 2 H 2 O + ½O 2 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 o C 的 條 件 下, 每 秒 鐘 仍 可 分 解 44,000 個 H 2 O 2 分 子, 因 此 只 需 微 量 觸 酶 只 催 化 H 2 O 2 的 分 解 反 應, 而 二 氧 化 錳 與 鐵 粉 除 了 催 化 H 2 O 2 的 分 解 外, 尚 可 催 化 其 它 多 種 反 應 - 專 一 性 7
含 3% H 2 O 2 的 水 溶 液 置 於 37 o C (a) 未 添 加 催 化 劑 (b) 加 入 Fe 3+ 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 8
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) 過 渡 態 穩 定 模 型 兩 者 皆 變 過 渡 態 9
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 ) 10
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, left) - Famous for his work with Maud Menten (1879~1960,right) in enzyme kinetics and Michaelis-Menten kinetics - Besides his role in the formulation of Michaelis-Menten equation (1913), he found that thioglycolic acid could dissolve keratin, making him the father of the permanent wave 11
反 應 過 程 - K 1 K 2 E + S ES E + P K -1 K 1 = 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 K 2 = 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 + K 2 )/K 1 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 K 2, K m = (K -1 + K 2 )/K 1 = K -1 /K 1 = 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? 12
零 級 反 應 一 級 反 應 反 應 速 率 與 受 質 濃 度 的 關 係 13
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 = (K 1 K 2 )/(K -1 + K 2 ) K 1 受 限 於 擴 散 速 率 (10 8 ~ 10 9 M -1 sec -1 ) 14
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 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 15
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 16
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 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 激 素 的 活 化 - 激 素 原 細 胞 程 式 死 亡 17
消 化 酵 素 多 以 不 具 活 性 的 先 質 形 式 存 在 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 18
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 19
細 胞 程 式 死 亡 (apoptosis) 細 胞 色 素 c Procaspases Caspases 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 20
調 節 酵 素 一 般 酵 素 催 化 部 位 調 節 部 位 調 節 酵 素 的 異 位 調 節 作 用 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 種 類 的 酵 素 表 現 量 增 加 或 減 少 21
活 性 增 加 肝 糖 磷 解 酶 的 共 價 修 飾 作 用 激 素 ( 腎 上 腺 素, 昇 糖 素 ) 腺 苷 酸 激 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 22
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 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 可 用 來 定 量 血 中 及 尿 中 的 葡 萄 糖 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 - 肝 功 能 檢 查 時 分 析 血 液 中 轉 胺 酵 素 GPT 與 GOT 的 含 量 - 分 析 酸 性 磷 酸 根 水 解 酵 素 以 篩 檢 前 列 腺 癌 等 23
肝 功 能 檢 查 血 糖 機 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 24
供 苯 硐 尿 症 患 者 使 用 黑 色 素 治 療 乳 糖 不 耐 症 治 療 白 血 病 傷 口 清 理 治 療 血 栓 症 ( 尿 激 酶 ) 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 25
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 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 26
RIA: 放 射 免 疫 分 析 法 Radioimmunoassay 酵 素 結 合 免 疫 吸 附 分 析 法 高 果 糖 糖 漿 的 製 造 27
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 28
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 合 成 的 過 渡 態 類 似 物 催 化 性 抗 體 的 製 造 29
環 狀 糊 精 人 工 酵 素 的 製 造 30