生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008

酵素 Enzyme (8) 生物技術應用

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

8  酵素在生物技術上的應用

8.1  酵素免疫分析法 (ELISA)

8.2  固定化酵素及酵素電極

8.3  蛋白質工程及人造酵素

8.4  Proteome 蛋白質體

8.4.1  Genome project 基因體計畫

8.4.2  Proteomics 蛋白質體學

問題集  (8)

酵素於生物技術之應用無所不在

 

 Wikipedia

Biotechnology

ELISA

Immobilized enzyme

Artificial enzyme

Monoclonal Ab

Genome project

Proteomics

  (activity based)

Bioinformatics

Systems biology

     

酵素 8 

相關投影片

8  酵素在生物技術上的應用:

酵素在現代生物技術的研究或應用上,是一個非常重要的範疇。雖然基因群殖等分子生物的研究蓬勃,但基因表現的產物仍是蛋白質或酵素。另外,在基因操作所應用到的核酸剪接工具,則全部是酵素。以下列舉目前生物技術研究常見的一些應用。

生物技術簡介酵素工技 (文字說明)

8.1  酵素免疫分析法 (ELISA):

目前最大的生物技術應用之一。抗體可用來偵測其專一性抗原,而將抗體連接以酵素,可做為追蹤或定量的標幟。通常把免疫試劑之一的抗體固定在某固定相 (solid phase),以利沖洗分離,稱為 ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay)。其應用的方式很多,下圖 10 是稱為三明治法的反應方式,是最直接的方法,可用來偵測樣本中的抗原量。其中抗原 (中央灰色蛋白質分子) 為待檢樣品,須具有多價抗原決定基 (上面的深色片段)。  

    

 圖 10  ELISA 三明治法

投影片 E8a

這部份投影片的內容與講義文字比較不同,自成一獨立單元;請多參考相關網頁。講義僅敘述與酵素有關者。

E8-1

 

 

8.2 固定化酵素及酵素電極:

酵素經固定後有許多好處,以及更廣泛的應用。

 a. 用物理或化學方法把酵素固定到固相擔體上,比一般使用的溶態酵素有以下優點:

(1) 酵素可回收重複使用,較為經濟,而且不會污染樣本。

(2) 酵素的穩定性提高,可能較耐熱或極端的 pH。

(3) 固相與液相的分離方便,使用上速度快而分離完全,有助於自動化。

(4) 許多酵素是附在細胞膜上,固定化酵素可模擬細胞內酵素的實際環境。

 b. 利用上述酵素的固定化,把酵素固定在半透性薄膜上,連接到電極,偵測反應進行的結果 (例如 pH 的改變),可作為酵素反應的自動化偵測工具。

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8.3 蛋白質工程及人造酵素:

以基因重組或其它方法,可以大量生產某種酵素,也能改變酵素的催化特性。

a. 分子群殖 molecular cloning:

cDNA 包含完整的蛋白質轉譯訊息,若把某蛋白的 cDNA 插在表現載体中 (如某質體),則宿主可能表現此段轉殖基因,而生合成此蛋白質。若在此 DNA 接上另一種已知的酵素基因 (如 luciferase, GFP 或 GUS),則表現出來的蛋白質是二者的連結體,稱為融合蛋白質 (fusion protein);而此酵素活性可做為追蹤之用,稱為 reporter。

b. 蛋白質工程:

若能改變酵素活性區的胺基酸,則可能改變酵素活性,或是其專一性。通常先研究並預測改變其活性區某胺基酸後,可能引起的變化,再以人工定點突變 (site-directed mutagenesis) 改變某核苷酸,然後以分子群殖表現,並檢測突變蛋白質的活性。

c. 人造酵素:

酵素的活性區通常包含數個極性胺基酸,若在人造的分子骨架上,模仿活性區的幾何位置,接上這些胺基酸,則可能得到具有催化作用的人造分子。

d. Abzyme (催化性抗體):

若得知酵素催化反應過程中,其基質轉換為產物的過渡狀態 物質,以過渡狀態或其類似物作為抗原進行免疫,則所得到的抗體,可能具有催化能力。但其催化效率,遠不及自然酵素。最主要原因在於酵素的催化區是一凹陷口袋,可隔離外界干擾,提供最佳環境穩定過渡狀態;而 abzyme 的結合區較淺,無法十分有效地隔離並穩定過渡狀態 (Nature 1996, 383: 23-24)。

 

 

 

N1-23

N1-27

 

E8-8

E8-10

 

 

N4-7

 

 

 

 

 

 

 

E3-5

E3-9

 

8.4 Proteome 蛋白質體:

分子生物學革新了整個生物學的觀念,也將會改變生物化學中酵素的研究方法。

Omics Gateway  (Nature 人類基因體網路入口專欄)

Cracking the code of life  (NOVA 的通識節目)

8.4.1 Genome project 基因體計畫:

跨世紀的大事件之一,人類已解讀出自身染色體內所有 DNA 的序列,此一大計畫即為人類基因體計畫 (Human Genome Project),由發現 DNA 雙螺旋的 J.D. Watson 發起。其他一些重要動植物或微生物,目前有很多也已解讀完成,例如水稻、小鼠、果蠅、線蟲等。

8.4.2 Proteomics 蛋白質體學:

 a. 一旦解出某種生物的染色體 DNA 序列,接著有許多工作可以進行,其中最有用的是,可以馬上把這些序列翻成表現出來的蛋白質,如此我們就可得知某生物細胞內,可能的全體蛋白質,稱為蛋白質體 (proteome)。

 b. 這種研究方式,與傳統的生物化學或生理學有相當不同,要靠龐大的資料庫,與演算能力強大的電腦軟體,是 生物資訊學 (bioinformatics) 的主要特點。

 c. 生物細胞內的蛋白質體,有一大部份是酵素,由細胞所含有的酵素種類,即可導出該細胞可能有的代謝途徑;由這些代謝途徑,就可推測該細胞是如何運作。如此研究整體細胞的代謝路徑,可以叫做代謝體學(metabolomics)。

 d. 若再加上基因體、蛋白質體的觀念,利用計算機的強大比對、統整、模擬能力,一起來看整體生物的運作,甚至多個生物體之間的關係,則衍生出一個新的學問稱為系統生物學 (systems biology)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tools for proteomics

E7-16

E7-20

 

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。 (1~3 題在前面各章出現過)

 1. 釀酒的時候,為何要把酒甕封起來?

 2. 抗體與其抗原極類似酵素及基質,有很強的專一性,但並無酵素的催化作用;而 catalytic antibody (或 abzyme) 為特別設計產生的抗體,可使抗體具有催化的性質。若有反應如︰A+B → A-B,而你要設計能催化此反應的抗體 (A 與 B 均為小分子)。

a) 你將以何種分子為抗原?詳細說明原因。 (hint: 為何酵素具有催化能力?)

b) 在進行免疫時,應當注意那些事項?

 3. 以人工定點突變可以改變酵素的重要胺基酸,進而改變酵素的催會特性,但是通常改變出來的新酵素,活性都較原來的酵素差,請問為何如此? 若果真如此,則此種定點突變修改酵素的方法,有何實際用途?

 4. 單醣分子可以說是一種『多醇醛』在一條碳鏈上連接以醇基,並在一端接有一醛基 (如葡萄糖)。在生物細胞內,以此種分子作為能量的貯存與攜帶;而地球把更多的能量藏在如汽油等的飽和碳氫化合物內 (如己烷)。事實上後者含有更高的能量,是較好的能量貯藏分子。請問細胞為何使用糖類分子,而非飽和碳氫化合物? 請以單醣的分子構造與特徵,說明其原因。  

 

 

 

 

本網頁最近修訂日期: 2017/02/19