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1、酶学 (Enzymology)张正国中北大学理学院主要参考书 郭勇编著. 酶工程（第三版）. 科学出版社， 2009 郑宝东主编. 食品酶学. 东南大学出版社， 2006 罗贵民主编. 酶工程（第二版）. 化学工业出 版社，2008 陈守文主编. 酶工程. 科学出版社，2008 袁勤生，赵健主编. 酶与酶工程. 华东理工大 学出版社，2005主要学术期刊 食品科学 食品与发酵工业 食品生物技术学报 微生物学报 生物工程学报 Enzyme and Microbial Technology （SCI, IF=2.375)第一章 酶学概论 什么是酶？具有生物催化功能的生物大分子，可以分为蛋白类酶 （
2、P酶）和核酸类酶（R酶）两大类别。 1. Enzyme proteins （P酶）酶是由生物体产生的具有催化剂活性的蛋白质 。 2. Ribozyme RNAs （R酶）本身就是一段RNA，不需要额外的蛋白酶就可以 对 自身进行剪切。 酶学（Enzymology）是研究酶的性质、酶的反应 机理、酶的结构和作用机制、酶的生物学功能及酶 的应用的科学。要准确地说出酶是什么时候、由谁首先发现的，是 一件很困难的事。虽然人们很早就感觉到它的存在，但是 真正认识它、利用它还只是近百年的事。中古欧洲相信人类有四种体液 Phlegm 虚弱Blood 热情Yellow Bile 暴躁Black Bile 忧郁
3、磨粉 去糠 打碎古埃及人用麦粉发酵制造啤酒 成酒 发酵 装瓶Discovering Enzyme (1991) p.22麦芽 萌发 浸润古埃及人酿酒壁画什么是酶工程？酶的生产与应用的技术过程。酶工程即利用酶的催化作 用，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需的产 品。酶工程是现代酶学理论与化工技术的交叉技术，它的应 用主要集中于食品工业、轻工业和医药工业等领域。酶工程的应用范围： （1）对生物宝库中存在天然酶的开发和生产； （2）自然酶的分离纯化及鉴定技术； （3）酶的固定化技术（酶和细胞固定化）； （4）酶反应器的研制和应用； （5）与其他生物技术领域的交叉和渗透。其中固定化酶技术是酶
4、工程的核心。实际上有了酶的固 定化技术，酶在工业生产中的利用价值才真正得以体现。 第一节 酶学研究简史夏禹时代（距今4千年）酿酒公元十世纪豆类制酱(豆豉、豆酱)、制饴糖 1833年佩恩（Payen）和帕索兹（Persoz）从麦芽的 水抽提物中获得淀粉酶（diastase）。 1878年昆尼（Kuhne）首次提出酶“Enzyme”，这个 字来自希腊文，意为“在酵母中”（in yeast）19世纪中叶，巴斯德（Pasteur）在活酵母细胞内发现一 种可以将糖发酵成乙醇的物质。1894年Emil Fischer首先研究酶的作用机理，提出了“ 锁和钥匙”的作用机制模型。 forward细胞內酵素无所不
5、在Kleinsmith 如：淀粉酶2、根据酶催化反应的性质及类型命名。Next 二、国际系统命名法 国际系统命名法原则，是以酶所催化的整体反应为基础，规定每种酶的名称应当明确标明酶的底物 及催化反应的类型。 酶的系统名称由二部分组成：底物+反应类型。 如果酶作用的底物有两个，要同时列出,并用（:）分开，若其中底物为水，则可省略。例：醇脱氢酶底物是醇和NAD+，反应类型是氧化还原。系统名称 “醇：NAD+氧化还原酶”，习惯名称 “醇脱氢酶”。三、国际系统分类法及编号根据目前已知的3600多种酶催化反应类型和作用 底物，将酶分为六类：（1） 氧化还原酶类（oxidoreductases） （2）
6、转移酶类（transferases） （3） 水解酶类(hydrolases) （4） 裂合酶类(lyases) （5） 异构酶类(isomerases) （6） 合成酶类(ligases) 酶学委员会给每一个酶的分类编号由三个圆点隔 开的四个号码组成，在号码之前冠以“EC”，编号的 第一位号码表示该酶属于6大类酶中的某一大类，第 二位号码表示该酶属于该大类中的某一亚类，第三位 号码表示属于亚类中的某一小类，第四位号码表示这 一具体的酶在该小类中的序号。（四码编号方法） 例如：EC1.1.3.4 葡萄糖氧化酶氧化还原酶（Oxidoreductase）催化底物的氧化 或还原，而不是基团的加成或者
7、去除，反应时需要 电子的供体或受体。 氧化还原酶类约占酶总数27%，其催化反应为 :AH2 + B = A + BH21氧化还原酶类b-D-glucose + oxygen D-glucono-1,5- lactone + hydrogen peroxide图1-222转移酶类 转移酶（Transferase）催化功能团从一个底物向 另一个转移。转移的功能团可以是一个很小的基团 ，如氨基，也可以是一个糖残基甚至一条多糖链。 它们的底物必须有两个，一个是供体，一个是受体 。 转移酶类约占酶总数24%，其催化反应为：A-R + B = A + B-R L-aspartate + 2-oxoglut
8、arate oxaloacetate + L-glutamate图1-23L天冬酰胺2酮戊二酸 草酰乙酸L谷胺酰胺3水解酶类 水解酶（Hydrolase）催化底物的水解反应。水解酶类约占酶总数26%，其催化反应为： A-B + HOH = AOH + BH k-casein + water para-k-casein + caseino macropeptide图1-24酪蛋白巨肽4裂合酶类 裂合酶（Lyase）能催化底物分子开裂成两部 分，其中之一含有双键。这类酶催化反应都是可 逆的。开裂点可以是碳碳、碳氧或碳氮键。 裂合酶类约占酶总数12%，其催化反应为： AB = A + BL-hist
9、idine urocanate + ammonia图1-255异构酶类 异构酶（Isomerase）催化底物的分子内重排反 应，特别是构型的改变和分子内的氧化还原。异构酶类约占酶总数5%，其催化反应为：A = B a-D-glucopyranose a-D-fructofuranose图1-266合成酶类 合成酶（Ligase）能将两个底物连接成一个分子 ，在反应时由ATP或其他高能的核苷三磷酸供给反 应所需的能量。 合成酶类约占酶总数6%，其催化反应为：A + B + ATP = AB + ADP（AMP）+ 无机磷 酸（或焦磷酸） ATP + g-L-glutamyl-L-cysteine
10、 + glycine ADP + phosphate + glutathione图1-27第四节 酶的单位一、酶活力的定义 酶活力（Enzyme activity）：是指酶催化反应的的能力，它表示样品中酶的含量。酶活力通常以在最适条件下酶所催化的化学反应的速度来确定。2酶活力的表示方法 酶活力单位 酶活力的高低是用酶活力单位（ active unit）来表示。1961年国际生物化学与分子生物学联合会规定，在 标准条件下（指温度25，以及最适底物浓度、最适 缓冲液离子强度和pH）1min内催化1mol底物转化为产物的酶量为该酶的一个活力单位。这个单位称为 酶的国际单位（IU, internati
11、onal unit）。 1972年，国际生化协会酶学委员会推荐了一个新 单位卡特“katal”，一个katal单位是指在一定条件下 每秒钟内催化1mol底物转化为产物的酶量。Kat和IU的换算关系如下 ：1kat=6107 IU 1IU=16.67 nkat 习惯上是根据某酶在最适条件下，单位时间内催 化底物的减少量或产物的生成量来表示。 酶的总活力：样品的全部酶活力。总活力=酶活力总体积（ml）或 =酶活力总质量（g） 比活力（Specific activity）: 指每毫克蛋白质所含酶 活力的单位数（单位/毫克蛋白）。比活力是酶纯度指标 ，比活力愈高表示酶愈纯。 回收率（Yield per
12、cent）：回收率是指提纯后与提纯 前酶的总活力之比。它表示提纯过程中酶的损失程度， 回收率愈高，其损失愈少。 提纯倍数：提纯倍数是指提纯前后两者比活力之比。提纯倍数愈大，提纯效果愈佳。在酶的分离纯化中每一步始终贯穿比活力和总活力的测定、比较，才能确定酶的分离纯化程度。 第五节 酶的生产方法1. 1. 提取分离法提取分离法2. 2. 发酵法（生物合成法）发酵法（生物合成法）3. 3. 化学合成法化学合成法1. 提取分离法采用各种提取、分离技术从动物、植物或微生 物细胞或组织中将酶提取分离出来。是最早采用的 酶生产技术。目前在动、植物资源丰富的地区，仍 有其一定的实用价值。主要特点：简单方便，但
13、受气候、地理环境 的影响，产品含杂质较多，且分离纯化较困难。 例如，从动物胰脏中提取胰酶；从动物胃中提 取胃蛋白酶等。2. 发酵法（生物合成法）利用细胞，主要是微生物细胞的生命活动合 成所需酶的方法称发酵法。酶的发酵生产是当前酶生产的主要方法。酶的发酵生产:经过预先设计，通过人工操作控制，利用 细胞（包括微生物细胞、植物细胞和动物细胞） 的生命活动，产生人们所需要酶的过程。根据微生物培养方式的不同，分为：固体培养法液体深层法固定化细胞固定化原生质体法等主要特点：生产周期短，酶产率高，不受气候、地 理环境的影响，但对发酵设备和工艺条件要 求高，在生产过程中必须进行严格的控制。3. 化学合成法l2
14、0世纪60年代中期出现的新技术。例如，1965年，我国人工合成牛胰岛素的成功，开创 了蛋白质化学合成的先河。l 现在已可用蛋白质或多肽合成仪来进行酶的化学合成。l利用化学合成法可以进行酶的人工模拟和化学修饰。l 主要特点：合成成本高昂，要求单体达到很高的程度 ，且只能合成已知化学结构的酶，使得合成法受到限制， 难以进行工业化生产。第六节 酶的应用前景 迄今为止，已发现自然界存在的酶有 3700多种，但目前工业上生产有60多种 ，真正达到工业规模的只有20多种。因此 ，当今酶的应用潜力很大，酶学的研究开 发具有广阔的前景。酶的应用及新进展近年来基因工程在酶工程领域的成功应用，是酶 工程最引人注目的发展之一。运用基因工程技术可 以改善原有酶的各种性能。酶工程有融合于基因工程、细胞工程和发酵工程 为一体的趋势（见图）。酶 的 生 产 酶制剂 药用酶 食品添加剂 洗涤剂脂肪工程 发酵工程 基因工程 细胞工程 蛋白质工程 固定化酶酶电极生物传感器酶反应制糖(葡萄糖、麦芽糖、 果葡糖浆) 氨基酸、有机酸、抗生 素、多肽 新 酶图 酶的应用
