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1、1,第二章 分子识别元件及其反应基础,2.1 概述,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;特点是能对靶分子（待测对象）具有特异性识别功能,2,2.2 酶及酶反应,酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质酶的蛋白质性质：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,3,2.2 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）
2、酶促反应产生多种形式的信息变化,4,2.2 酶及酶反应,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1M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,5,2.2 酶及酶反应,酶的作用机理 1）降低反应活化能 活化能的定义,6,2.2 酶及酶反应,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
3、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。,7,2.2 酶及酶反应,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；,8,2.2 酶及酶反应,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
4、往往位于凹穴处,活性中心有2个功能部位：结合域 催化域,9,2.2 酶及酶反应,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,10,2.2 酶及酶反应,酶的作用机理6）诱导契合假说,11,2.2 酶及酶反应,酶的作用机理7）酶催化的化学形式共价催化：形成过渡态的中间物酸碱催化：质子供体与质子受体的催化 相关功能基团：羧基、氨基等,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。,12,2.2 酶及酶反应,酶促反应的米氏动力学,1
5、3,2.2 酶及酶反应,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。,14,2.2 酶及酶反应,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)/k1，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。,15,2.2 酶及酶反应,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,16,2.2 酶及酶反应,酶促反应的米氏动力学,Vmax S V=-Km+S根据米氏方程可以说明以下关系：当SKm时,Vmax S Vmax v=S=K S Km Km 这
6、时底物浓度低,酶没有全部被底物所饱和。,17,2.3 微生物反应,微生物反应的特点：1）与酶促反应的共同点 2）特殊性,18,2.3 微生物反应,微生物反应的类型：,根据物质代谢流向分为：,19,2.3 微生物反应,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,20,2.3 微生物反应,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,21,2.3 微生物反应,微生物反应的类型：细胞能量的产生与转移,高能化
7、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。,22,2.3 微生物反应,分析微生物学：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,23,2.4 免疫学反应,24,2.4 免疫学反应,25,2.4 免疫学反应,免疫学经历了四个迅速发展阶段,1876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。19
8、00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。,26,2.4 免疫学反应,免疫学经历了四个迅速发展阶段,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。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。,27,2.4 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,28,2.4 免疫学反
9、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,29,2.4 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。,30,2.4 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,31,2.4 免疫学反应,抗体结构,抗体的结构-有4条
10、多肽链的对称结构,32,2.4 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。,33,2.4 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,34,2.5 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
11、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。,35,2.5 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)。,36,2.5 核酸与核酸反应,37,2.5 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,
12、C)、尿嘧啶(uracil,U)和胸腺嘧啶(thymine,T)。2）五碳糖3）磷酸,38,2.5 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,39,2.5 核酸与核酸反应,2.DNA的变性变性：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。在解链过程中DNA分子溶液在260nm处吸收增加。解链温度Tm：是重要特征常数复性：当温度回复正
13、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,40,2.5 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,41,2.5 生物传感器优点,RNA的功能三种类型：1）mRNA2）tRNA3）rRNA,42,2.6 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：,43,2.7 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,44,2.8 生物学反应中的物理量变化,生物反应的热力学 G=H-TS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,45,2.8 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,46,
