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第二章分子识别元件与其反应基础

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分子识别元件及其反应基础 第二章分子识别元件及其反应基础 分子识别元件
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第二章 分子识别元件及其反应基础 2.1 概述 o分子识别元件又称敏感元件,是具有分子识 别能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、 细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物 分子等),是生物传感器最重要的组成部分; o特点是能对靶分子(待测对象)具有特异 性识别功能 1 2.2 酶及酶反应 n酶:由生物体产生的具有催化能力的蛋白质 n酶的蛋白质性质: n酶的催化性质: 1)高度专一性,锁和钥匙的关系。这种关系在生物大分子的 相互作用中具有普遍性 2 2.2 酶及酶反应 2)催化效率高,是其它催化剂的107-1013倍。 3)催化条件要温和,极端条件下会失活。 4)有些酶催化时需要辅酶 5)酶在体内的活力受多种方式调控 6)酶促反应产生多种形式的信息变化 3 2.2 酶及酶反应 n酶量表示方法 酶活力单位IU,一个活力单位指特定条件下,1min内能转化 1μM底物分子的酶量。 酶比活力,指1mg酶所具有的酶活力,单位IU/mg 酶含量指每克或每毫升酶制剂中含有的活力单位数,IU/g或 IU/ml 4 2.2 酶及酶反应 n酶的作用机理 1)降低反应活化能 活化能的定义 5 2.2 酶及酶反应 n酶的作用机理 2)结构专一性 即酶只能对特定的一种或一类底物起作用,这种专一性是由酶 蛋白的结构特性所决定的。 可分为: 相对专一性:这类酶对结构相近的一类底物都有作用 。包括族专一性和键专一性。 绝对专一性:有些酶只作用于一种底物,催化一个反 应, 而不作用于任何其它物质。 立体专一性:这类酶不仅要求底物有一定的化学结构 ,而且要求有一定立体结构。只对其中的某一种构型起作 用,而不催化其他异构体。 6 2.2 酶及酶反应 n酶的作用机理 3)酶的辅助因子 酶的辅因子有辅酶或辅基,其主要作用是作为电子、原 子或某些基团的载体参与反应并促进整个催化过程。 (1)传递电子体:如 卟啉铁; (2)传递氢(递氢体):如 黄素单核苷酸(FMN) (3)金属酶:Zn2+ Mg2+ (4)传递碳基团:如 四氢叶酸; (5)传递磷酸基:如 ATP,GTP; 7 2.2 酶及酶反应 n酶的作用机理 4)酶的活性中心 酶 (Enzyme) 1、特殊催化能力只局限于一定区域 2、活性中心往往位于凹穴处 活性中心有2个功能部位: • 结合域 • 催化域 8 2.2 酶及酶反应 n酶的作用机理 5)邻近效应和定向效应 邻近效应:底物在活性中心的浓度极高 定向效应:反应基团的分子轨道交叉,使分子间反应 近似于分子内反应 9 2.2 酶及酶反应 n酶的作用机理 6)诱导契合假说 催化反应 10 2.2 酶及酶反应 n酶的作用机理 7)酶催化的化学形式 n共价催化:形成过渡态的中间物 n酸碱催化:质子供体与质子受体的催化 相关功能基团:羧基、氨基等 E + S E + S ESES E + P E + P 在中性条件下,有一半是酸形式、一半是碱形式。因此既可 进行酸催化,又可进行碱催化,所以咪唑基是酶分子最有效 、最活泼的一个功能基团。 11 Vmax Km 2 2.2 酶及酶反应 n酶促反应的米氏动力学 12 2.2 酶及酶反应 n酶促反应的米氏动力学 为了要解释这一现象,Michaelis & Menten 提出 了中间复合物学说。 13 2.2 酶及酶反应 n酶促反应的米氏动力学 经推导后得出底物浓度与反应速度的关系方程 Km—— 米氏常数 由于 Km= (k2+k3)/k 1 , ∴ 为复合常数。 Km是酶的特征常数,经常表示酶与底物的亲和力。 Km值越大,亲和力越小。 14 2.2 酶及酶反应 n酶促反应的米氏动力学 酶动力学稳态期反应物质浓度变化 15 2.2 酶及酶反应 n酶促反应的米氏动力学 Vmax · [S] o V=------------------ Km + [S] o根据米氏方程可以说明以下关系: o当[S]<<Km时, Vmax [S] Vmax o v = ──── = ─── [S] = K [S] Km Km 这时底物浓度低,酶没有全部被底物所饱和。 16 2.3 微生物反应 o微生物反应的特点: 1)与酶促反应的共同点 2)特殊性 17 2.3 微生物反应 o微生物反应的类型: 根据物质代谢流向分为: 18 2.3 微生物反应 o微生物反应的类型: 根据对营养的要求分为: 自养型 异养型 光能自养型: 化能自养型: 如:硝化细菌 如:绿硫细菌 动物,寄生腐生的细胞与 真菌 新陈代谢 19 2.3 微生物反应 o微生物反应的类型: 根据微生物反应对氧的需求分为: 新陈代谢 好氧型 厌氧型 兼氧型 枯草杆菌、青霉菌 大肠杆菌、酵母菌 破伤风菌 20 2.3 微生物反应 o微生物反应的类型: l细胞能量的产生与转移 高能化合物:ATP 来源: 1)代谢物脱氢或脱水引起分子内能量重新分布,而形成 的高能磷酸键转移给ADP生成ATP 2)氧化磷酸化产生ATP,是指电子从NADH或FADH2经电子 传递链传递给分子氧生成水,并偶联ADP和Pi生成ATP的过 程。它是需氧生物合成ATP的主要途径。 21 2.3 微生物反应 o分析微生物学: l定义:利用微生物完成定量分析任务的学科 1)细胞增殖法的原理 2)呼吸法的原理 22 2.4 免疫学反应 23 2.4 免疫学反应 24 2.4 免疫学反应 免疫学经历了四个迅速发展阶段 n1876年后,多种病原菌被发现,用已灭活及减毒的病原体 制成疫苗,预防多种传染病,使疫苗得以广泛发展和使用 。 n1900年前后,抗原与抗体的发现,揭示出“抗原诱导特异 抗体产生”这一免疫学的根本问题,促进了免疫化学的发 展及抗体的临床应用。 25 2.4 免疫学反应 免疫学经历了四个迅速发展阶段 n 1957年后,细胞免疫学的兴起,人们理解到特异免疫是 T、B淋巴细胞对抗原刺激所进行的主动免疫应答过程的结 果,理解到细胞免疫和体液免疫的不同效应与协同功能。 n 1977年后,分子免疫学的发展,人们从分子水平理解抗 原刺激与淋巴细胞应答类型的内在联系与机制。 26 2.4 免疫学反应 1.抗原 • 定义: 能够刺激机体产生免疫反应的物质 1)免疫原性 2)免疫反应性 • 种类: 1)天然抗原 2)人工抗原 3)合成抗原 27 2.4 免疫学反应 • 理化性状: 1)物理性状: 分子量较大104D以上 环状比直线型免疫原性更好 2)化学组成:多数是蛋白质 28 2.4 免疫学反应 • 抗原决定簇: 抗原决定簇是抗原物质的一些化 学基团。它们是免疫细胞和抗体识 别的标志。不同的抗原所具有的抗 原决定簇数目和分布不同。有的抗 原的抗原决定簇数量多且分布在表 面,有的则数量较少或分布于抗原 内部。只有暴露的抗原决定簇能为 免疫系统识别。 29 2.4 免疫学反应 2.抗体 • 定义:抗原刺激机体产生的具有特异性免疫功能 的球蛋白。 • 人类免疫球蛋白已发现有五大类 IgG、IgA 、 IgM、IgD、IgE • 抗体也具有抗原性 30 2.4 免疫学反应 • 抗体结构 抗体的结构-有4条多肽链的对称结构 31 2.4 免疫学反应 3、抗原-抗体反应: 指抗原与相应抗体之间所发生的特异性结合反应。伴随 产生凝聚、沉淀、溶解和促进吞噬抗原颗粒的现象。 结合点位于Fab段,即抗体活性中心 结合的两个条件: 1)形状互补 2)电荷相反 抗原抗体的结合是可逆的。 32 2.4 免疫学反应 4、免疫学分析: 1)沉淀法 2)放射免疫测定法 3)免疫荧光测定法 4)酶联免疫测定法 33 2.5 核酸与核酸反应 1、核酸组成与结构 • 核酸的组成成分 核酸有两大类:一是主要分布于细胞核中的脱氧核糖 核酸(简写DNA);另一是主要分布于细胞质中的核糖核酸( 简写RNA)。它们是由许多单核苷酸组成的多聚物,核酸分 子中核苷酸序列组成密码,用于储存和传输遗传信息,指 导各类蛋白质合成,两类核酸的差异是组成核酸的单位— —单核苷酸的化学组成不同。 34 2.5 核酸与核酸反应 核苷酸组成 1)嘌呤(purine)主要是鸟嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤 (adenine,A), 嘧啶(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶 (uracil,U)和胸腺嘧啶(thymine,T)。 35 2.5 核酸与核酸反应 36 2.5 核酸与核酸反应 核苷酸组成 1)嘌呤(purine)主要是鸟嘌呤(guanine,G)和腺嘌呤(adenine,A), 嘧啶(pyrimidine)主要是胞嘧啶(cytosine,C)、尿嘧啶(uracil,U)和胸腺嘧 啶(thymine,T)。 2)五碳糖 3)磷酸 RiboseRiboseDeoxyriboseDeoxyribose 37 2.5 核酸与核酸反应 DNA和RNA都含有鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C);胸腺嘧啶(T)一 般而言只存在于DNA中,不存在于RNA中;而尿嘧啶(U)只存在于RNA中 ,不存在于DNA中 • DNA 分子结构 双螺旋结构 1953年,Watson和 Crick建立了DNA双螺 旋结构模型 38 2.5 核酸与核酸反应 2.DNA的变性 o变性:当温度升高,稳定核酸双螺 旋次级键断裂,空间结构破坏,变 成单链结构的过程。 o在解链过程中DNA分子溶液在260nm 处吸收增加。 o解链温度Tm:是重要特征常数 o复性:当温度回复正常值时,变性 核酸的互补链重新缔合成为双螺旋 结构的过程称为复性 39 2.5 核酸与核酸反应 3.核酸分子杂交:了解其过程 4.核酸功能: •DNA功能 1)自我复制:3个步骤 2)自我修复:两道防线防止突变发生 3)转录成mRNA 40 2.5 生物传感器优点 • RNA的功能 三种类型: 1)mRNA 2)tRNA 3)rRNA 41 2.6 催化抗体 •定义:是抗体和酶的复合词,是具有催化活性的 单克隆抗体。 •原理: •优点: 42 2.7 催化性核酸 •催化性RNA •类型与结构 顺式剪切 反式剪切 锤头状结构 •催化机制及动力学 基本步骤 •催化性DNA 43 2.8 生物学反应中的物理量变化 •生物反应的热力学 ⊿G=⊿H-T×⊿S •分子相转换中的热力学 •分子间相互作用的热力学 •酶催化反应热力学 •微生物细胞反应热力学 44 2.8 生物学反应中的物理量变化 •生物发光 •颜色反应和光吸收 •抗阻变化 45 46
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