生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

酵素 Enzyme (7)

細胞與分子 - 胺基酸 - 蛋白質 - 核 酸

酵 素 - 生物技術

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1  酵素的命名

2  酵素的構成

3  酵素動力學

4  酵素的抑制

5  酵素催化機制

6  酵素活性調節

7  細胞代謝調控

8  生物技術應用

7  細胞代謝與酵素調控 

7.1  細胞代謝途徑

7.1.1  代謝調控原則

7.1.2  異化代謝途徑鳥瞰

7.1.3  糖類中心代謝途徑

7.2  代謝途徑中酵素的調控

7.2.1  基因表現的調控

7.2.2  酵素活性調節

7.2.3  激素調控

7.2.4  細胞空間的效用

7.3  研究酵素及代謝的材料

問題集  (7)

代謝是細胞存活的重要依賴

 Wikipedia

Metabolism

Glycolysis

Gene regulation

Protein purification

Control of activity

 

     

酵素 7

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7  細胞代謝與酵素調控:

酵素與細胞代謝極為密切,因為所有的代謝路徑,全是由酵素與其基質所組成的;此外,還要加上對酵素活性的調節控制,以便使得細胞正常運作。近來基因體學與蛋白質體學的蓬勃發展,使得細胞代謝與調控方面的研究,有了全新的角度與工具

7.1 細胞代謝途徑

細胞經同化作用合成所需分子,由異化代謝消耗分子、取得能量,全由酵素所控制。

Metabolic Pathways  (網路版代謝路徑,可以找到部分主要代謝反應)

7.1.1 代謝調控原則:

控制酵素即可控制代謝路徑,控制代謝的大原則如下各點。

a. 一個基因一個酵素:

細胞的代謝途徑極為複雜,但並非細胞所有的代謝路徑都在進行;而進行中的每一步代謝,都由某一種酵素負責催化反應。

b. 速率決定步驟:

因此控制該酵素的活性或生合成量,即可控制該步驟反應的快慢;若此反應為某一系列代謝路徑的速率決定步驟 (rate-limiting step),則可控制這整條代謝途徑。

c. 可逆或不可逆:

大部份酵素反應是可逆的,有時為了使反應保持在某一方向,則成為不可逆反應;不可逆反應大多與消耗 ATP 的反應耦合。

d. 代謝路徑可互通:

許多代謝路徑間若有共同的中間物,則可互通,也可能有旁支或小路相連;因此若某條重要路徑失效,細胞通常不會立刻死亡,而會互補保持一種動態的穩定狀況。

7.1.2 異化代謝途徑鳥瞰:

以生物分子而言,異化代謝路徑可分成三個層次,有計畫地把巨分子逐步分解,最後得到能量;其中最主要的是一條糖解作用 (glycolysis)。

 a. Stage 1: 巨分子 (蛋白質、多糖、脂質) 消化成單位小分子 (胺基酸、單糖、脂肪酸),可說就是消化作用。

 b. Stage 2: 單位小分子再分解成更小的 acetyl CoA,初步得到一部份的能量。

 c. Stage 3: Acetyl CoA 經過氧化磷酸化反應得到大量能量,分解成 CO2 及水。

7.1.3 糖類中心代謝途徑:

由糖解作用到氧化磷酸化反應,是細胞最主要的一條代謝大道;學習細胞的代謝途徑,可以此為中心,其它各類大小分子的代謝都可匯入此中心。

 a. 糖解作用:把葡萄糖分解成 pyruvate → acetyl CoA (代謝分子的焦點)。

 b. 檸檬酸循環:在粒線體中把 acetyl CoA 再分解成 CO2,產生 NADH。

 c. 氧化磷酸化反應:NADH 轉換成 ATP 並生成水。不只酵素,很多蛋白質都是利用降解來調節其活性或功能。

 

 

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7.2 代謝途徑中酵素的調控:

細胞如何控制代謝途徑上的各種酵素? 可以針對酵素本身進行修飾,或者控制其基因的表現。而荷爾蒙或細胞激素,是在細胞間傳遞長短程控制指令的信息分子。

7.2.1 基因表現的調控:

酵素在不同細胞內的表現量可能不同,同一細胞內的各種酵素量也不同。

 a. 酵素的生成受到其基因的控制 (DNA → mRNA → protein),因此基因的開或關,或其表現程度,會影響該酵素在細胞內的量,進而影響該酵素所控制的代謝反應,是為 基因表現 (gene expression)。一個表現中的基因,應該有大量 mRNA 轉錄出來,但有大量 mRNA 卻不一定產生大量酵素。

 b. 一條代謝路徑的起始基質,可能誘導關鍵酵素基因的表現,稱為 induction;此代謝的最終產物,也可能抑制酵素表現,稱為 repression。 基因操縱子 (operon) 即是一例,乳糖能夠去除 repressor 與 lac operon 之結合,而使基因開動。

7.2.2 酵素活性調節:

已在上一章 (酵素 6) 詳述,再整理成共價及非共價修飾兩大類。是針對酵素分子所進行蛋白質層次的修飾調控,與上述之基因調控方式不同。

a. 非共價修飾:

使用 cAMP (酵素 6.3) 或正負迴饋的效應物 (酵素 6.4) 等方式,以非共價方式修飾酵素活性,此多為可逆性的調控。勿把異位脢與上述操縱子的調控方式混為一談,兩者都可被基質活化,但前者是修飾酵素本身,而後者是影響基因的表現。

b. 共價修飾: 

以磷酸化 (酵素 6.2) 或蛋白質水解 (酵素 6.1) 的方式,來增強或降低酵素活性。多為 cascade (梯瀑) 式的連鎖代謝反應,cascade 連鎖反應會放大 (amplify) 某條代謝路徑的活性。除了正向的以生合成增加酵素量之外,蛋白質的降解也是一項重要的調控方式,並以蛋白脢或 ubiquitin 配合 proteasome 進行降解,以除去此酵素。

7.2.3 激素調控:

細胞與細胞之間如何傳遞信息? 這是一個極有趣而且重要的問題。

 a. 賀爾蒙 (如 insulin) 傳遞長程生理指令,經由血液傳送並與目標細胞接觸,結合到細胞膜上的接受器 (receptor),可引發一系列的信息傳導反應,把『啟動』的指令傳入細胞內,藉著蛋白質激脢或磷酸脢等,活化某些關鍵酵素,開始進行該細胞所預設的功能 (如分解肝糖),以應身體所需。

 b. 細胞激素 則多在免疫細胞之間傳遞短程的信息,可刺激局部的細胞增生;也是利用信息傳導路徑,來啟動細胞內的各種生理功能。

7.2.4 細胞空間的效用:

利用酵素或基質在空間上的隔離或聚集,是一有效控制方法。

a. 胞器隔離:

真核細胞內有許多隔間 (compartmentalization),形成其胞器的隔離空間;在胞器內可聚集較濃的特定酵素及基質,以便有效進行催化反應,或避免有害的副作用。例如葡萄糖中心代謝途徑中,檸檬酸循環及氧化磷酸化反應是在粒線體中進行的。

b. 酵素複合體:

幾個連續反應的酵素,可組合在一起成為複合體;則某酵素的生成物,可馬上被下一個酵素用為反應物,降低擴散碰撞所需時間。例如葡萄糖中心代謝途徑中的 pyruvate dehydrogenase (催化 pyruvate → acetyl CoA) 是由三種酵素組成的複合體。

c. 膜上酵素群:

一群連續反應的酵素,也可以一起附在細胞膜上,除了可加速反應速率外,其作用也可能與細胞膜有關。例如 葡萄糖中心代謝途徑中,氧化磷酸化反應酵素群是附在粒線體的內層膜上,並利用膜內外的質子濃度差異來產生 ATP。

 

 

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7.3 研究酵素及代謝的材料:

酵素材料的來源或取得,依其不同目的可有數個層次。

 a. 通常我們必需純化出均質酵素 (homogeneous enzyme),以針對某一特定酵素進行研究,因此蛋白質純化技術在生化研究上極為重要,請複習這些純化及檢定方法。

 b. 但複雜的生化反應,並非單一純質酵素所能達成,因此可分離出某種特定細胞,或者將細胞打破所得之 溶胞液 (cell-free lysate),作為研究酵素或代謝反應的材料。動物細胞大多可以建立細胞培養株,某些植物也可以癒創組織 (callus) 培養細胞。若研究需要利用特定的胞器 (organelle),則可由細胞的溶胞液經超高速離心法取得。

 c. 有時需要以整個生物體 (whole organism),或其部份器官 (organ) 來進行實驗,以便觀察巨觀的反應。反應可能相當複雜,因此以放射線物質或用專一性抗體來追蹤,是較清楚、可信的方法。

 d. 不論何種層次的研究,都要注意目標酵素是在那一個 生長時期,或是那一種器官內表現的。例如:抽取檸檬酸循環的某些酵素,可以先分離出粒線體來。

 e. 生物化學研究大多是以分離純化的酵素來進行,要小心求證所獲得的結果,是否確實為自然的生理現象,而非僅是試管中的假象。一切觀察均得回歸整體性的細胞生理,否則難有重大意義。

◆ 有關酵素純化與分析方法,在生物化學實驗課程中,應該已有部分基本操作;若要有更詳盡的技術引導,請參考研究所課程的『酵素化學實驗』。 

 

 

 

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Tools for proteomics

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問題集   以下題目不一定有標準答案,甚至會引起很大的爭議,但這就是問題集之目的。 (第 5 題在 蛋白質 18 題 出現過)

 1. 釀酒的時候,為何要把酒甕封起來?

 2. 請寫出四種以上的蛋白質性質差異,可利用來作為蛋白質純化的依據。 例如:分子量的大小不同

 3. 請判斷下列各題的真偽: (並說明原因)

 a) 基因的開關可以控制其蛋白質產物的表現,因此一旦某基因被大量轉錄成 mRNA 後,即可預測下游蛋白質將會大增。

 b) 電泳及離子交換法都是利用蛋白質分子極性的不同來進行分離純化的。

 c) 葡萄糖要經磷酸化後才進入糖解代謝途,是要防止葡萄糖分子跑掉,因為磷酸化後的分子不易通過細胞膜。

 d) 同一 domain 可重複出現在不同酵素分子上,這是在基因層次已安排好的。

 4. 依下列性質,請各至少出一種方法可以純化酵素:

 a) 依分子大小不同 _____________________

 b) 依分子電荷不同 _____________________

 c) 依分子極性不同 _____________________

 5. 在生物體內,兩個細胞之間經常要進行訊息的傳遞,例如兩個神經細胞之間,是以神經傳導物質做為神經衝動的傳遞媒介。除此之外,兩個細胞以利用蛋白質做為細胞間連絡的傳遞物質;其信息的傳遞,是由一個細胞傳到另一個特定的目標細胞。而此等細胞之間,可能距離相當遠 (例如由腦部傳到胰臟),也可能有直接的接觸 (如免疫細胞間的辨認)。請利用蛋白質構造的特性,說明這兩種具有專一性的細胞信息傳遞及接收方式,是如何達成的?  

 

 

 

 

本網頁最近修訂日期: 2017/02/19