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1、酶工程的原理及发展概述： 在生命活动中，构成新陈代谢以及生物体内的一切化学变化都是在酶的催化作用 下进行的，可以说没有酶生命就不能进行下去。没有两个主要的特点：1，强大 的催化能力； 2，高度的专一性。酶的催化反应速率比其他相似的非酶催化反应 速率高 10101014倍，换句话说， 5秒内能完成的反应，若无酶时则需要1500年 才能完成。酶的高度转一性催化机制可以用“锁和钥匙模型”来解释。由于酶分 子的空间结构， 可以使酶分子形成特定形状的空穴，成为活性中心， 犹如钥匙和 锁一样发生催化反应。关键字：蛋白质维生素氨基酸脂肪酸固醇脂类半乳聚糖矿物质生物催化剂荷尔蒙内切酶酶工程的介绍：酶既可以催化
2、一个反应的正反应，也可以催化其逆反应，但用上述内容就无法解释，而可以用 “诱导契合模型” 说明之。所谓的酶工程就是指酶制剂在工业上的大规模生产及利用。由于美不但广泛存在于动植物组织细胞中，而且也存在于微生物细胞中和他的培养基中，可通过各种理化反应方法把它提取出来，制成纯净的酶制剂，这种酶制剂保存了他的生物催化特性。不同种类的酶制剂可以借不同种类的微生物来制取。某些不同种类的微生物热可以生产出同一种酶制剂。酶工程的主要研究内容有：酶的制备，酶和细胞的固定化，酶反应器的设计和放大，反应条件的设计和优化等。酶工程的主要任务是：通过预先设计， 经过人工操作加以控制，从而大量获得生产实践所需要的酶，并通
3、过各种方法保持酶的稳定性，发挥其最大的催化功能。酶催化反应的基本步骤：酶制剂得到后， 应用酶的固定化技术将酶制剂精制成固态酶（固态） ，然后将其组装在特殊设计的器件当中（叫做生物反应器）中，利用这种反应器将原料（底物）转化为人类所需要的产品。例如，将天冬酰胺酶提纯，做成反应器，以富马酸为底物， 则可以将富马酸转变成天冬氨酸，转化率达到百分之九十五以上，反应产物几乎是纯品。酶工程的实质： 把酶或细胞直接应用于生物工程和化学工业的反应系统，其特点 是转化率高，产品回收和提纯工艺简单， 节约能源。酶工程的应用前景非常广阔。酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用
4、酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化 ,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。酶是一种在生物体内具有新陈代谢摧化剂作用的蛋白质，酶工程就是利用酶摧化的作用。是指利用酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等，借助酶所具有推动功能，通过工程学的手段向人类提供产品或向社会提供服务的一门科学技术。酶工程的应用， 主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。酶的特性及机理：1、酶与无机催化剂比较：相同点：、改变化学反应速率，本身几乎不被消耗；、只催化已存在的化学反应；
5、、加快化学反应速率，缩短达到平衡时间，但不改变平衡点；、降低活化能，使化学反应速率加快。5）都会出现中毒现象。、不同点：、高效性：酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快；、专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽；、多样性：酶的种类很多，大约有4000 多种；、温和性：是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的。、活性可调节性：包括抑制剂和激活剂调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等。一般来说，动物体内的酶最适温度在35 到 40 摄氏度之间，植物体内的酶最适温度在40-50 摄氏度之间；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有得酶最适温度可高
6、达70 摄氏度。动物体内的酶最适PH 大多在 6.5-8.0 之间，但也有例外，如胃蛋白酶的最适PH 为1.5，植物体内的酶最适PH 大多在 4.5-6.5 之间。酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行，使物质代谢与正常的生理机能互相适应若因遗传缺陷造成某个酶缺损，或其它原因造成酶的活性减弱，均可导致该酶催化的反应异常，使物质代谢紊乱，甚至发生疾病因此酶与医学的关系十分密切。2、酶的发现1773 年，意大利科学家斯帕兰扎尼（17291799）设计了一个巧妙的实验：将肉块放入小巧的金属笼中，然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出，发现肉块消失了。于是，他推断胃液中一定含有消化
7、肉块的物质。但是什么，他不清楚。1836 年，德国科学家施旺（1810 1882 ）从胃液中提取出了消化蛋白质的物质。解开胃的消化之谜。1926 年，美国科学家萨姆钠（1887 1955 ）从刀豆种子中提取出脲酶的结晶，并通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质。20世纪 30年代，科学家们相继提取出多种酶的蛋白质结晶，并指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。20 世纪 80 年代，美国科学家切赫（1947）和奥特曼（ 1939）发现少数RNA也具有生物催化作用。3、酶的活力酶活力单位：酶活力单位的量度。1961 年国际酶学会议规定：1个酶活力单位是指在特定条件（ 25摄氏度，其它为最适条件）下，在1
8、min 内能转化 1mol底物的酶量，或是转化底物中1mol的有关基团的酶量。比活 :每分钟每毫克酶蛋白在25摄氏度下转化的底物的微摩尔数。比活是酶纯度的测量。活化能 :将 1mol 反应底物中所有分子由基态转化为过度态所需要的能量。活性部位:酶中含有底物结合部位和参与催化底物转化为产物的氨基酸残基部分。活性部位通常位于蛋白质的结构域或亚基之间的裂隙或是蛋白质表面的凹陷部位，通常都是由在三维空间上靠得很进的一些氨基酸残基组成。5、酶活调节竞争性抑制作用： 通过增加底物浓度可以逆转的一种酶抑制类型。竞争性抑制剂通常与正常的底物或配体竞争同一个蛋白质的结合部位。这种抑制使Km增大而 max 不变。
9、非竞争性抑制作用: 抑制剂不仅与游离酶结合，也可以与酶-底物复合物结合的一种酶促反应抑制作用。这种抑制使Km不变而 max 变小。反竞争性抑制作用: 抑制剂只与酶 -底物复合物结合而不与游离的酶结合的一种酶促反应抑制作用。这种抑制使Km和 max 都变小但 max/Km不变。很大一类复杂的蛋白质物质,在促进可逆反应(如水解和氧化 )方面起着像催化剂一样的作用。在许多工业过程中是有用的(如发酵、皮革鞣制及干酪生产) 酶是一种有机的胶状物质，由蛋白质组成， 对于生物的化学变化起催化作用，发酵就是靠它的作用：原。三、几种特殊酶的介绍1、同工酶 同工酶的概念： 即同工酶是一类催化相同的化学反应，但酶蛋
10、白的分子结构、 理 化性质和免疫原性各不相同的一类酶。它们存在于生物的同一种族或同一个体 的不同组织， 甚至在同一组织、 同一细胞的不同细胞器中。 至今已知的同工酶已 不下几十种，如己糖激酶，乳酸脱氢酶等，其中以乳酸脱氢酶研究得最为清楚。 人和脊柱动物组织中，有五种分子形式，它们催化下列相同的化学反应：五种同工酶均由四个亚基组成。LDH 的亚基有骨骼肌型(M型)和心肌型 (H型)之分， 两型亚基的氨基酸组成不同，由两种亚基以不同比例组成的四聚体，存在五种LDH 形式M、H 亚基的氨基酸组成不同，这是由基因不同所决定。五种LDH 中的 M、H 亚基比例各异，决定了它们理化性质的差别通常用电冰法可
11、把五种LDH 分开， LDH1 向正极泳动速度最快， 而 LDH5 泳动最慢， 其它几种介于两者之间，依次为 LDH2 、LDH3 和 LDH4 ，不同组织中各种LDH 所含的量不同，心肌中以LDHl 及 LDH2 的量较多，而骨骼肌及肝中LDH5 和 LDH4 为主不同组织中LDH 同工酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关 LDH1 和 LDH2 对乳酸的亲和力大，使乳酸脱氢氧化成丙酮酸，有利于心肌从乳酸氧化中取得能量。 LDH5 和 LDH4 对丙酮酸的亲和力大，有使丙酮酸还原为乳酸的作用，这与肌肉在无氧酵解中取得能量的生理过程相适应在组织病变时这些同工酶释放入血，由于同工酶在组织器官中
12、分布差异，因此血清同工酶谱就有了变化。故临床常用血清同工酶谱分析来诊断疾病。2、别构酶别构酶往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点外；还有别构位点后者是结合别构剂的位置，当它与别构剂结合时，酶的分子构象就会发生轻微变化，影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。若别构剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称为别构激活剂，反之使酶底物的r 亲和力或催化效率降低的称为别构抑制剂。 酶活性受别构剂调节的作用称为别构调节作用别构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位，但更多的是分别处于不同亚基上在后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基，而具别构位点的称调节
13、亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端，而别构酶的别构剂往往是一些生理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物。故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的别构酶称反馈抑制说明一旦细胞内终产物增多，它作为别构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶，及时调整该代谢途径的速度，以适应细胞生理机能的需要。别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥重要作用。故别构酶又称调节酶。3、修饰酶体内有些酶需在其它酶作用下，对酶分子结构进行修饰后才具催化活性，这类酶称为修饰酶。其中以共价修饰为多见，如酶蛋白的丝氨酸， 苏氨酸残基的功能基团-OH 可被磷酸化，这时伴有共价键的修
14、饰变化生成，故称共价修饰。 由于这种修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节。 体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化，此外还有酶的乙酰化与去乙酰化、 尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化。由于共价修饰反应迅速，具有级联式放大效应所以亦是体内调节物质代谢的重要方式。如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式，有活性的称为磷酸化酶a，无活性的称为磷酸化酶b，这两种形式的互变就是通过酶分子的磷酸化与去磷酸化的过程4、多酶复合体与多酶体系体内有些酶彼此聚合在一起，组成一个物理的结合体，此结合体称为多酶复合体。若把多酶复合体解体， 则各酶的催化活性消失。参与组成多酶复合体的酶
15、有多有少，如催化丙酮酸氧化脱羧反应的丙酮酸脱氢酶多酶复合体由三种酶组成，而在线粒体中催化脂肪酸 -氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复合体第一个酶催化反应的产物成为第二个酶作用的底物，如此连续进行，直至终产物生成多酶复合体由于有物理结合，在空间构象上有利于这种流水作业的快速进行，是生物体提高酶催化效率的一种有效措施。体内物质代谢的各条途径往往有许多酶共同参与，依次完成反应过程，这些酶不同于多酶复合体， 在结构上无彼此关联。故称为多种酶靠非共价键相互嵌合催化连续反应的体系，称为多酶复合体（ multienzyme complex）。如参与糖酵解的11个酶均存在于胞液，组成一个多酶体系。5、多功能
16、酶近年来发现有些酶分子存在多种催化活性，例如大肠杆菌DNA 聚合酶 I 是一条分子质量为 109kDa 的多肽链，具有催化 DNA链的合成、3 -5 核酸外切酶和5 -3 核酸外切酶的活性，用蛋白水解酶轻度水解得两个肽段，一个含5 -3 核酸外切酶活性，另一个含另两种酶的活性，表明大肠杆菌DNA 聚合酶分子中含多个活性中心。哺乳动物的脂肪酸合成酶由两条多肽链组成， 每一条多肽链均含脂肪酸合成所需的七种酶的催化活性。这种酶分子中存在多种催化活性部位的酶称为多功能酶或串联酶。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越性， 因为相关的化学反应在一个酶分子上进行，比多酶复合体更有效，这也是生物进化的结果。四、影响酶活力的因素米契里斯和门坦根据中间产物学说推导出酶促反应速度方程式，即米 -门公式。由米门公式可知： 酶促反应速度受酶浓度和底物浓度的影响，也受温度、 pH、激活剂和抑制剂的影响。1酶浓度对酶促反应速度的影响从米门公式和酶浓度与酶促反应速度的关系图解可以看出：酶促反应速度与酶分子的浓度成正比
