酶工程原理与技术绪论

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1、酶工程韶关学院生科院 Office:英东楼 B-301 Email: Mp:13927862492, 662492第一章 绪论 2 学时酶的基本概念与发展史 酶催化作用的特点 影响酶催化作用的因素 酶的分类与命名 酶的活力测定 酶的生产方法 酶工程发展概况与前景第一节 酶的基本概念与发展史酶： 酶的改性：通过各种方法改进酶的催化特性的技术过程 酶工程：酶的生产、改性与应用的技术过程。 酶的生产： 酶的改性：通过各种方法改进酶的催化特性的技术过程 酶的应用：通过酶催化获得所需产品或去除杂质，或获 得所需的信息的技术过程。 酶的转换系数：每个酶分子每分钟催化催化底物转化为 产物的分子数，又称摩尔催

2、化活性。酶的认识及其生物学意义远古时代的利用，中国。 1752年，法国物理学家列.奥米尔作鹰饲实验 1833年，佩恩(Payen)和帕索兹(Persoz)首先发现酶； 麦芽淀粉酶 1857年，巴斯德(Pasteur)提出酒精发酵是酵母细胞活动 的结果； 1878年，库内(Knne)提出“酶”（Enzyme)这个名称； 1897年，巴克纳(Bchner)兄弟成功地用不含细胞的酵 母汁实现了发酵，证明了发酵与细胞无关； 1913年，米彻利斯(Michaelis)提出了酶的动力学说；1926年，萨姆纳(Sumner)第一次从刀豆中提出脲酶结晶，并 证明酶具有蛋白质性质； 1930年，Northrop

3、分离出结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及凝乳 蛋白酶，并进行了动力学探讨，确立了酶的蛋白质本质。 1982年，切克(Cech)等发现核糖体(RNA)也具有催化活性。 1986年，1984年列那(Lerner)和(Schultz) 发现抗体酶。 1991年，发现DNA核酸酶。酶：即生物催化剂，是由活细胞产生的，在细胞内、 外一定条件下都能起催化作用的具有高效率和高度 专一性的一类特殊蛋白质。 酶能在机体内十分温和的条件下高效率地起催化作用，使得生 物体内的各种物质处于不断的新陈代谢中。第二节 酶的生物催化特性酶与一般催化剂有共性 酶的生物催化剂特性 1、催化效率高 107-1013 2、高度的专一性 （

4、绝对专一性和相对专一性） 3、酶易失活，需要条件温和 4、酶的活性受到调节控制 5、其催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关酶的专一性：根据酶专一性的严格程度，可分两类： （1）绝对专一性 （2）相对专一性酶的专一性的确定 步骤: （1）作用底物，反应条件； （2）试验底物浓度对反应速度的影响，确定米氏常数Km； （3）同条件下，其他底物，试验该酶是否专一。 注意问题:乳酸脱乳酸脱 氢酶氢酶D-D-乳酸乳酸 脱氢酶脱氢酶天门冬天门冬 氨酸氨氨酸氨 裂合酶裂合酶醇脱氢酶醇脱氢酶EC1.1.1.1EC1.1.1.1第三节 影响酶催化作用的因素酶反应动力学内容，复习生化内容，不讲。 只有使这些条件达到最

5、佳，才能最大限度发 挥酶的催化功能。第四节 酶的分类与命名一、习惯命名法 二、系统命名法 国际酶学委员会，1956成立 酶的分类与命名：1961（1964/1972/1984） 基础：酶的专一性 酶：推荐名 葡萄糖氧化酶系统名 根据酶促反应的底物与反应类型-D-葡萄糖，氧1-氧化还原酶 EC 1.1.3.4国际酶学委员会国际酶学委员会反应类型反应类型三、核酶的发现与分类1982年，Thomas R.Cech等人发现四膜虫细胞的26S rRNA前体具有自我剪接功能，将这种具有催化活性的天然RNA称为核酶Ribozyme。1983年，Altman等人发现核糖核酸酶P的RNA组分具有加工tRNA前体

6、的催化功能。而RNase P中的蛋白组分没有催化功能，只是起稳定构象的作用。根据作用底物是自身RNA还是其他分子，核酶 分为分子内催化R酶和分子间催化R酶。每类 又可分几个亚类。 （一）、分子内催化R酶： 1）、自我剪切R酶 2）、自我剪接R酶 （二）、分子间催化R酶： 1）、RNA剪切酶： 2）、DAN剪切酶： 3)、多肽剪切酶： 4）、多糖剪切酶： 5）、多功能R酶：第五节 酶活力的测定酶活力，即酶的活性，是指酶催化一定化学 反应的能力。 酶促反应速度，单位是：浓度/单位时间 酶促反应速度曲线： 酶活力测定：采用 各种方法测定酶量 多少的方法。一、酶活力测定方法：要求：快速，准确，简便，多

7、样 两个阶段：1、酶+底物混合一段时间 2、测 定底物或产物量的变化。 步骤： （1）配制底物溶液 （2）确定反应条件 （3）反应开始，记时间 （4）测定产物的生产量或底物的减少量二、酶活力单位酶活力的高低，是以酶活力单位数来表示。 1个活力单位：在特定条件下，每1min催化1mol的 底物转化为产物的酶量。 1kat单位：在特定条件下，每1sec催化1mol的底物 转化为产物的酶量。1kat=6107IU 比活力：在特定条件下每1mg酶蛋白所具有的酶活力 单位数。即酶比活力酶活力mg酶蛋白三、固定化酶的活力测定固定化酶：与水不溶性载体结合，在一定 范围内其催化作用的酶。 其活力测定方法： （

8、1）振荡测定法 （2）柱法测定 （3）连续测定 （4）固定化酶的比活力测定 （5）酶结合效率与酶活力回收率的测定酶的结合效率：吸附的总活力比加入的总活力。 酶的回收率：回收后的总活力比回首前的总活力 。对于固定化酶则用固定后的总活力比用于固 定化的总活力。（6）相对酶活力测定形同酶量的固定化酶中游离酶的活力。力第六节 酶工程发展概况与前景酶工程是生物技术的重要组成部分酶工程的研究内容酶和酶工程研究的重要意义酶和酶工程研究进展古代酶的应用的是无意识的不自觉行为，19世 纪才成为自觉的应用。 1908年罗姆用胰蛋白酶软化皮革，波伊定用淀 粉酶个不退浆；1911年木瓜蛋白酶澄清啤酒（ 华勒斯坦）。1

9、949年深层发酵，酶制剂工业化 发端（日）。 20世纪50年代：大规模的酶工业化生产建立；60年代：酶固定化，酶分子化学修饰，酶电极 问世，酶标免疫技术建立；70年代：微生物细胞固定化；80年代：动植物细胞固定化；近年来，抗体酶，人工酶和模拟酶研究。1990s后，酶的改性和修饰，酶定向进化和蛋 白质工程技术的出现，将推动酶工程快速发 展，前景光明。一、酶工程是生物技术的重要组成部分酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程具有 密切的联系，相互依存，相互促进，构成完整的生 物技术。常规菌（或常规细胞株）改造物种生物工程（学） 工程菌（或工程细胞株）商品生产 大量生产： 经济效益、社会效益、生态效益基

10、因工程、细胞工程基因工程、细胞工程发酵工程、酶工程、生物反应器发酵工程、酶工程、生物反应器 工程工程酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程的关系基因工程发酵工程酶工程酶细胞工程酶细 胞菌体细胞固定化菌体细胞转基因动物转基因植物二、酶工程的主要研究内容酶工程是酶学基本原理与化学工程相结 合而形成的一门新兴的技术科学。研究酶 制剂大规模生产及应用所涉及的理论与技 术方法。 酶的微生物发酵 动物和植物培养产酶 酶的分离纯化技术 酶分子的修饰： 酶、细胞和原生质体的固定化 有机介质中的酶反应（非水相催化） 酶定向进化 酶传感器 酶反应器 酶的应用三、酶和酶工程研究的重要意义 有助于阐明生命的本质和活动规

11、律； 为催化剂设计，药物设计及疾病诊断治疗 提供依据和新思路； 蛋白质和核酸一级结构测定和基因工程研 究中的重要工具； 运用酶技术生产有重要价值的产品； 运用酶技术改进生产工艺，提高产品质量 和产率，降低生产成本； 酶技术应用于疾病诊断治疗和环境保护等 。四、酶和酶工程研究进展4酶的应用研究20世纪50年代：大规模的酶工业化生产建立；60年代：酶固定化，酶分子化学修饰，酶电极 问世，酶标免疫技术建立；70年代：微生物细胞固定化；80年代：动植物细胞固定化；近年来，抗体酶，人工酶和模拟酶研究。continue4酶的理论研究u新酶的发现和鉴定u酶一级结构与活力的关系u酶分子高级结构的测定u酶活性部

12、位结构与催化机理u核酶的发现（ribozyme)已发现的酶有3000多种，数千种酶被 鉴定，数百种酶的一级结构被测定；每年 都有新酶被发现，每年都有不少酶的一级 结构被测定。化学修饰法是研究酶一级结构与活力关系 的主要方法之一，近年来发展了一些新的研 究技术： 过度态类似物技术； 自杀性底物技术； 基因定位突变技术； 计算机模拟技术等。 一部分酶的高级结构已经被测定，但绝大 多数酶的高级结构仍没有确定。X-射线晶体结 构分析仍然是十分有效的方法；近年来，二维 核磁共振技术的应用越来越广泛，可用于测定 溶液中酶分子的构象及其变化过程。酶活性中心结构及其催化机理的研究是酶学研究中最核 心的问题。

13、应用X-射线晶体结构分析技术研究酶-底物（底物类似物 ） 复合物结构，可以确定酶活性部位结构以及酶分子与底物分 子的结合情况； 应用二维核磁共振技术可以酶活性部位解离基团的pK值 以及催化过程中的质子转移情况； 电子计算机编程研究酶促反应动力学，对酶与底物的作用 方式以及底物反应过程中酶分子的可能存在形式作出判断； 应用隧道电镜技术可以观察酶催化过程中质子转移和电 子转移的情况近年来，发现生物体中的一些RNA具 有催化作用，具有酶的类似性质，可以 切割特异性RNA序列。这一重大发现对 于生命的起源和生物进化研究；对于病 毒和肿瘤的治疗将具有深远意义。进一步阅读薛正莲，张珂.表达重组谷氨酸脱羧酶

14、工程菌发酵条件的优化J.中国生物制品学 杂志.2013,26(1) :100-104. Iimure T, Kihara M, Hirota N, et al. A method for production of- amino butyric acid （GABA）using barley bran supplemented with glutamateJ. Food Res Int, 2009, 42（3）: 319-323. Komatsuzaki N,Nakamura T,Kimura T, et al. Characterization of glutamate decarboxyl

15、ase from a high -aminobutyric acid（GABA）-producer, Lactobacillus paracasei J. Biosci Biote-chnol Biochem, 2008,72（2）: 278-285. Hiraga K, Ueno Y, Oda K. Glutamate decarboxylase from Lactobacillus brevis: activation by ammonium sulfateJ. Biosci Biotechnol Biochem, 2008, 72（5）: 1299-1306. 黎海彬,郭宝江.酶工程的研究进展J.现代化工. 2006,26(增): 40-43. 生物工程学报和生命的化学等杂志。