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高一生物新陈代谢与酶导学案

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2013-05-10

胰岛素是治疗糖尿病的常用药品,这种蛋白质是胰脏中胰岛细胞分泌的一种激素,是由两条肽链组成,一条由21个氨基酸组成,称为A链;另一条由30个氨基酸组成,称为B链。胰岛素是治疗糖尿病的。由于糠尿病患者很多,胰岛素的需要量很大,所以许多糖尿病患者使用的曾是猪的胰岛素。但是,猪胰岛素与人胰岛素在化学结构上有一处差别:猪胰岛素B链上最后一个氨基酸是丙氨酸,人胰岛素B链上最后一个氨基酸是苏氨酸。因此,用猪胰岛素治疗人的糖尿病,容易使一些患者产生免疫反应。现在,科学家可利用酶,切下并移去猪胰岛素B链上的那个丙氨酸,然后接上一个苏氨酸。这样,猪的胰岛素就魔术般地变成人的胰岛素了;

尿激酶可以用来活化人体内的溶纤维蛋白酶原,使溶纤维蛋白酶原转化为溶纤维蛋白酶,是治疗脑溢血、心肌梗塞、肺动脉阻塞等疾病引起的血栓所需要的药物,它是能利用培养哺乳动物细胞得到的唯一可以商业化的治疗剂。但由尿或组织培养的产物中提取价格较高,1980年4月,科学家已经通过质粒DNA诱发大肠杆菌生产出尿激酶,为在工业上利用酶工程方法生产酶开辟了道路;

青霉素是人们经常使用的一种抗生素。但是,多年的使用使得不少病原菌对青霉素产生了抗药性,为此,科学家一方面研制新的抗生素以替代青霉素,另一方面设法通过有关的酶制剂来改造青霉素的分子结构,进而研制出新型的青霉素。青霉素的分子是由一个母核和一个侧链组成的。科学家利用青霉素酰化酶,将母核和侧链水解开,然后,利用化学合成的方法,使青毒素的母核与其他的侧链连接,从而研制出氨苄青霉素等新型的青霉素。现在,制药厂已经能够利用固定化青霉素酰化酶反应器,成批地生产用于合成氨苄青霉素等新型青霉素的母核了;

再如,溶菌酶可分解病原菌的细胞壁,具有明显的抗菌和消炎作用;溶纤维蛋白酶具有溶解患者血管内纤维蛋白凝块的作用,可以用来治疗血栓病。

2、产品加工

利用酶制剂生产一些产品,这一过程是在酶反器中进行的,酶反应器是指供酶制剂催化化学反应容器。酶反应器分成多种,如具有固定化酶(或固定化细胞)的反应器叫做柱式酶反应器,柱式酶反应器是将含有底物的液体,以一定的速度连续不断地从一端注入装有固定化酶(或固定化细胞)的容器,在液体流经固定化酶(或固定化细胞)时,容器内就发生催化反应并且生成产物、含有产物的液体则连续不断地从容器的另一端流出。同一般的化工容器一样,需要对酶反应器温度和pH等条件进行严格控制;不同的是,酶反应器必须进行无菌操作。

食品加工业方面。酿酒厂和饮料厂利用果胶酶来澄清果酒和果汁,效果十分明显;又如,葡萄糖氧化酶可以除去密封饮料和罐头中的氧气、从而有效地防止饮料和食品氧化变质;再如,用木瓜蛋白酶制成的嫩肉粉,可以使肉丝、肉片等烹调后吃起来嫩滑可口;例如,支链淀粉酶是分解多糖类支链淀粉的酶,它能把胚芽转变为色泽较好的麦芽糖糖浆。麦芽糖的甜味没有葡萄糖浓,但很适口,且容易发酵、粘度大、溶解度大,用其制作糖果可以防止遇热变色,用于冰激凌可以防止产生砂糖结晶。

日常生活方面。照相业由于采用了酶技术使照相材料发生了很大变革;家庭用的洗衣粉里加了一些酶,它能够分解某些蛋白质等物质,使衣服上的血迹、汗渍等容易洗掉。但是,由于这些酶比较脆弱,在漂白剂一同起作用下很容易被破坏,然而酶工程可以解决这一技术难题。目前,市场上己经出现了能够和漂白剂一同起作用的去污酶洗衣粉。科学家通过对去污酶结构上的两个氨基酸进行修改,提高了这种酶的抵抗力。

化学工业方面酶制剂也得到了广泛应用,在塑料工业与合成纤维工业中,已经可以用酶制剂催化氢化链烯的生产;

其他方面,一些纺织原料也可以利用酶制剂进行加工。例如,天然蚕丝(指家蚕吐出的蚕丝)的外表有一层丝胶,丝胶直接影响天然蚕丝的使用。过去,人们只能在高温条件下用碱性物质脱去天然蚕丝上的丝胶。现在,人们可以在温和的条件下,利用蛋白酶对天然蚕丝进行脱胶,脱胶后的蚕丝具有鲜亮的色泽和柔滑的手感。

3、化验诊断和水质监测

根据葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下形成葡萄糖酸和过氧化氢,过氧化氢在过氧化氢酶的催化作用下形成水和原子氧,而氧原子可以将某种无色的化合物氧化成有色的化合物,人们根据这个原理,将上述两种酶和无色的化合物固定在纸条上,制成测试尿糖含量的酶试纸,当它与尿液相遇时,依据尿液中葡萄糖含量由少到多而呈现出浅蓝、浅绿、棕或深棕色,这样糖尿病人就可以方便地为自己化验尿糖的情况了。科学家根据同一原理,还研制出能够化验血糖数值的血糖快速测试仪,具有灵敏度高和速度快等优点。

酚是一类对人体有害的化合物,经常通过炼油和炼焦等工厂的废水排放到河流和湖泊中,科学家利用固定化多酚氧化酶研制成多酚氧化酶传感器,可快速测定出水中质量分数仅有2×10—7的酚。

4、用于生物工程其他分支领域

基因工程离不开内切酶和连接酶;植物体细胞杂交制备原生质体时,需要纤维素酶,人们把它们称为生物工程的工具酶,而这些酶可由酶工程得到。

酶作用的特性

酶是催化剂,只需微量就可以使所催化的反应加速进行,而其本身的质和量都不发生变化,此外酶是生物催化剂,它有着不同于化学催化剂的特性。

(1)酶具有高效性

酶的催化能力远远超过化学催化剂。例如,碳酸酐酶能够催化下面的反应:

碳酸酐酶是目前已经知道的催化反应速度最快的酶之一。每个碳酸酐酶分子每秒能够催化 个 ,使它们与相同数量的 结合,形成相同数量的 。碳酸酐酶催化上述反应的速度比非酶催化的上述反应速度快上 倍。酶为什么会具有这样强大的催化能力呢?酶的中间产物学说认为:酶在催化某一底物时,先与底物结合成一种不稳定的中间产物。这种中间产物极为活泼,很容易发生化学反应而变成反应物,并且放出酶。按照中间产物学说,酶的催化反应可以写成下式:

S(底物)十E(酶)=SE(中间产物)=E十P(反应产物)

(2)酶具有高度的专一性

这就是说,一种酶只能作用于一种底物,或一类分子结构相似的底物,促使底物进行一定的化学反应,产生一定的反应产物。酶为什么具有这样高度的专一性呢?这可以用“诱导契合学说”来解释。

所谓“诱导契合学说”是指底物一旦与酶结合,酶分子上的某些基团常常发生明显的变化,从而使酶蛋白的构象发生相应的变化,使酶的活性中心的空间结构和底物的空间结构十分吻合,最终契合形成酶—底物络合物,这种变化的结果,使酶只能与对应的化合物契合,从而排斥了那些形状、大小不适合的化合物。科学家们对羧肽酶等进行了X射线衍射研究,研究的结果有力地支持了这个假说。

(3)酶很容易失活

同一般的催化剂相比,酶很容易失去活性。酶失活的原因是蛋白质的空间结构发生改变造成的。

酶的催化作用,受到温度、pH和某些化合物等因素的影响。

温度的影响:在一定的温度范围(0—40℃)内,酶的催化作用速度随着温度的升高而加快。一般地说,温度每升高10℃,反应速度就相应提高一倍。但超过60℃,绝大多数的酶就会失去活性。

pH的影响:酶对环境中的pH十分敏感。酶只有在一定的pH范围内才能表现出活性,超过这个范围,酶就失活了。即使在这个有限的pH范围内,酶的活性也要随着环境中pH的变动而有所不同。一般来说,酶的最适pH在4~8之间。但是,各种酶的最适pH是不一样的。

某些化合物的影响:有些化合物可引起酶失活,如酒精、有机磷农药、有机氯农药等有机小分子物质;重金属离子等;有些离子或简单的有机化合物,能够增强酶的活性,这些物质叫做酶的激活剂。例如,经过透析的唾液淀粉酶的活性不高、如果加入少量的 ,这种酶的活性就会大大增强,因为 中的 起到了激活唾液淀粉酶的作用;还有些物质能够抑制酶的活性,这类物质叫做酶的抑制剂,例如,氰化物可以抑制细胞色素氧化酶的活性。

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