探索生命科学第三讲:生物酶是一种什么物质?

2018-05-24

  酶,指具有生物催化功能的高分子物质。 在酶的催化反应体系中,反应物分子被称为底物,底物通过酶的催化转化为另一种分子。几乎所有的细胞活动进程都需要酶的参与,以提高效率。与其他非生物催化剂相似,酶通过降低化学反应的活化能来加快反应速率,大多数的酶可以将其催化的反应之速率提高上百万倍;事实上,酶是提供另一条活化能需求较低的途径,使更多反应粒子能拥有不少于活化能的动能,从而加快反应速率。酶作为催化剂,本身在反应过程中不被消耗,也不影响反应的化学平衡。酶有正催化作用也有负催化作用,不只是加快反应速率,也有减低反应速率。与其他非生物催化剂不同的是,酶具有高度的专一性,只催化特定的反应或产生特定的构型。

  虽然酶大多是蛋白质,但少数具有生物催化功能的分子并非为蛋白质,有一些被称为核酶的RNA分子 和一些DNA分子同样具有催化功能。此外,通过人工合成所谓人工酶也具有与酶类似的催化活性。 有人认为酶应定义为具有催化功能的生物大分子,即生物催化剂。

  酶的催化活性会受其他分子影响:抑制剂是可以降低酶活性的分子;激活剂则是可以增加酶活性的分子。有许多药物和毒药就是酶的抑制剂。酶的活性还可以被温度、化学环境(如pH值)、底物浓度以及电磁波(如微波)等许多因素所影响。

  哺乳动物的细胞就含有几千种酶。它们或是溶解于细胞质中,或是与各种膜结构结合在一起,或是位于细胞内其他结构的特定位置上(是细胞的一种产物)。这些酶统称胞内酶;另外,还有一些在细胞内合成后再分泌至细胞外的酶──胞外酶。酶催化化学反应的能力叫酶活力(或称酶活性)。酶活力可受多种因素的调节控制,从而使生物体能适应外界条件的变化,维持生命活动。没有酶的参与,新陈代谢只能以极其缓慢的速度进行,生命活动就根本无法维持。例如食物必须在酶的作用下降解成小分子,才能透过肠壁,被组织吸收和利用。在胃里有胃蛋白酶,在肠里有胰脏分泌的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等。又如食物的氧化是动物能量的来源,其氧化过程也是在一系列酶的催化下完成的。

生物酶,复合酶,酶,易洗酶

  酶是一种生物催化剂。生物体内含有千百种酶,它们支配着生物的新陈代谢、营养和能量转换等许多催化过程,与生命过程关系密切的反应大多是酶催化反应。但是酶不一定只在细胞内起催化作用。

  人体内存在大量酶,结构复杂,种类繁多,到目前为止,已发现3000种以上(即多样性).如米饭在口腔内咀嚼时,咀嚼时间越长,甜味越明显,是由于米饭中的淀粉在口腔分泌出的唾液淀粉酶的作用下,水解成麦芽糖的缘故.因此,吃饭时多咀嚼可以让食物与唾液充分混合,有利于消化.此外人体内还有胃蛋白酶,胰蛋白酶等多种水解酶.人体从食物中摄取的蛋白质,必须在胃蛋白酶等作用下,水解成氨基酸,然后再在其它酶的作用下,选择人体所需的20多种氨基酸,按照一定的顺序重新结合成人体所需的各种蛋白质,这其中发生了许多复杂的化学反应.可以这样说,没有酶就没有生物的新陈代谢,也就没有自然界中形形色色、丰富多彩的生物界.

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  为什么人体缺酶

  目前的问题是现代人体内缺酶的现象普遍严重,人群中十有六七的体中酶量不足。对此,概括了三个主要的原因:

  原因一:生食

  生食物中含有必需的消化酶,但酶在高温烹调下或加工储运过程中容易丧失活性,由于人们大都以熟食为主,使得食物中原有的酶遭受破坏,而不得不消耗体内天然的酶储备。另外,有些水果中酶含量最高的部位却是在人们所不吃的果皮和果茎中,以及在未成熟的苦涩的果汁中,这也是造成人体酶量缺乏的因素所在。

  原因二:老化

  人的一生当中体内生成的酶是有限的,随着年龄的增长,体内分泌的酶从旺盛变得不足。人体摄入的养料不容易消化吸收,依靠摄取养料来合成酶的能力下降,从而酶缺乏加剧,形成体内酶量递减的恶性循环。

  原因三:现代生活

  随着工业的快速发展和汽车的大量增加,导致废气大量排放,环境受到污染;农药的残留和食品中合成的化学添加剂的滥用;生活方式的快节奏、工作压力的增大以及看电视多运动少等文明社会的弊端增多……上述种种都会增加身体中酶的大量消耗,以致体内的天然酶无法保存。

  酶在医疗上 随着对酶研究的发展,酶在医学上的重要性越来越引起了人们的注意,应用越来越广泛.下面分三个方面介绍.

  1.酶与某些疾病的关系

  酶缺乏所致之疾病多为先天性或遗传性,如白化症是因酪氨酸羟化酶缺乏,蚕豆病或对伯氨喹啉敏感患者是因6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏.许多中毒性疾病几乎都是由于某些酶被抑制所引起的.如常用的有机磷农药(如敌百虫、敌敌畏、1059以及乐果等)中毒时,就是因它们与胆碱酯酶活性中心必需基团丝氨酸上的一个-OH结合而使酶失去活性.胆碱酯酶能催化乙酰胆碱水解成胆碱和乙酸,当胆碱酯酶被抑制失活后,乙酰胆碱水解作用受抑,造成乙酰胆碱推积,出现一系列中毒症状,如肌肉震颤、瞳孔缩小、多汗、心跳减慢等.某些金属离子引起人体中毒,则是因金属离子(如Hg2+)可与某些酶活性中心的必需基团(如半胱氨酸的-SH)结合而使酶失去活性.

  2.酶在疾病诊断上的应用

  正常人体内酶活性较稳定,当人体某些器官和组织受损或发生疾病后,某些酶被释放入血、尿或体液内.如急性胰腺炎时,血清和尿中淀粉酶活性显著升高;肝炎和其它原因肝脏受损,肝细胞坏死或通透性增强,大量转氨酶释放入血,使血清转氨酶升高;心肌梗塞时,血清乳酸脱氢酶和磷酸肌酸激酶明显升高;当有机磷农药中毒时,胆碱酯酶活性受抑制,血清胆碱酯酶活性下降;某些肝胆疾病,特别是胆道梗阻时,血清r-谷氨酰移换酶增高等等.因此,借助血、尿或体液内酶的活性测定,可以了解或判定某些疾病的发生和发展.

  3.酶在临床治疗上的应用

  近年来,酶疗法已逐渐被人们所认识,广泛受到重视,各种酶制剂在临床上的应用越来越普遍.如胰蛋白酶、糜蛋白酶等,能催化蛋白质分解,此原理已用于外科扩创,化脓伤口净化及胸、腹腔浆膜粘连的治疗等.在血栓性静脉炎、心肌梗塞、肺梗塞以及弥漫性血管内凝血等病的治疗中,可应用纤溶酶、链激酶、尿激酶等,以溶解血块,防止血栓的形成等.

  据悉,市场上大约20%的人用药物和30%的农用药物含有卤素。因此,卤化物在药物开发和生产中占有重要的地位。而传统的卤化物合成技术依赖于化学方法,常常需要高温高压以及有毒或刺激性的试剂,比如氯气和次氯酸等。此外,化学方法也常常伴随着选择性低,副产物多,分离困难等缺点。因此在市场的应用中就存在技术难度大、价格高、不稳定等因素,制约了相关行业的发展,同时也给环境造成一定污染。

  为解决这个难题,位于杭州市余杭区良渚大学科技园内的杭州唯铂莱生物科技有限公司研发出新型卤化酶技术。该技术使用黄素依赖型卤化酶,以氯化钠为卤素源,在室温下的水溶液中高选择性地合成卤化物;合成条件温和,方法易操作,不需要添加任何有害试剂,过程环保;对推动绿色工程的发展有着里程碑的意义。该技术一经问世就拿到了美国专利,成为世界首创!

  目前,该公司已经测试了包括大环内酯,四环素,姜黄素,白藜芦醇等化合物,并发现该技术可以卤化许多不同种类的化合物。例如,利用卤化酶可以选择性地将氯原子引入到抗肿瘤化合物monocillin II的13位碳上。使用同样的方法也可将溴原子引入到分子中得到相应的溴化物。

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