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生物化學基礎 Biochemistry Basics 2008 酵素 Enzyme (8) 生物技術應用 |
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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) |
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酵素於生物技術之應用無所不在
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■ 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。
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 |
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。
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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。
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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)。
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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)。
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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。 (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。
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