酶工程,主要内容：介绍酶学基础，酶的结构特征，催化功能以及酶专一性，影响酶作用的主要因素对酶工程和及其应用作重点介绍第一章 绪论 中国科技发展的教训：美国人亨利 “中国人知道火药（硫磺、硝石与炭混合）的应用已经好几个世纪，没有寻根问底，不能用正确的方法探索现象背后的原理获得更多的应用，发展出化学甚至物理学等学科发现规律、创造知识 一、酶学与酶工程发展简史 （一）酶学研究简史 1. 不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴 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 2. 酶学的产生: 消化与发酵现象,（1）消化 1777年，意大利物理学家 Spallanzani 的山鹰实验将一块生肉塞进一个上面布满许多孔眼的金属小管子里，迫使山鹰吞下小管一段时间后，小管依然完好无损，但是管中的肉不见了，只留下一些淡黄色的液体 1822年，美国外科医生 Beaumont 研究食物在胃里的消化为 19岁的法籍加拿大人圣马丁治疗枪伤，在圣马丁的胃部和体表之间遗留下一个永久性的瘘管，吃饭后会有液体从瘘管中流出来博蒙特请圣马丁住在他家里，从瘘管中吸取胃液，观察它对各种食物的作用胃是靠酶来消化食物的，胃本身也是由蛋白质组成的，那么酶为什么没有将胃消化掉呢？ 19世纪30年代，德国科学家施旺获得胃蛋白酶。
2）发酵 1684年，比利时医生Helment提出 ferment—引起酿酒过程中物质变化的因素（酵素） 1833年，法国化学家Payen和Person 用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶（diastase） 用酒精处理麦芽抽提液，分离出一种能溶于水和稀酒精、不溶于浓酒精、对热不稳定的白色无定形粉末这些粉末像麦芽本身一样，能将胶状的淀粉转化成糖，主要是麦芽糖把它与淀粉共同加热到65～70℃ ，淀粉迅速分解为糊精，加热到 100℃ ，它则会失去对淀粉的水解作用 1878年，德国科学家Kühne提出 enzyme—从活生物体中分离得到的酶，意思是“在酵母中”（希腊文）希腊字“en”，即英文的“in”，意思是“在…内”，“zyme”的英文意思是“yeast”，即酵母菌小插曲 19世纪，Pasteur和Liebig学术长期争论 1857年，法国化学家和微生物学家Pasteur认为没有生物则没有发酵 德国化学家Liebig认为发酵是由化学物质引起的提出发酵过程酵母起着机械作用认为在酵母发酵混合物中腐败的东西发出某种振动，使糖原子被置换，它们重新排列，形成了乙醇和二氧化碳这种观点把酶看成与化学催化剂完全相同的物质，两者之间没有明显的界限。
但胃蛋白酶的命名者施旺认为，酶的作用与生命活动有关 此争议由德国学者Buchner兄弟于1896年解决Buchner兄弟的试验： 用细砂研磨酵母细胞，压取汁液，汁液不含活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二氧化碳 证明：发酵与细胞的活动无关酶 活细胞产生的，能在细胞内外起作用的（催化）生理活性物质 enzyme — organic chemical substance (a catalyst) formed in living cells, able to cause changes in other substance without being changed itself. 酶的化学本质？,3.酶学的迅速发展（理论研究） （1） 酶的化学本质 德国化学家R.Willstatter的错误观点 1915年, 阐明了在绿叶细胞中以三比一的量存在的叶绿素A及B，都是镁的络合物,获诺贝尔奖由于不能将酶提纯而错误宣称酶不是蛋白 1926年,美国康乃尔大学“独臂学者” Sumner（萨姆纳）博士从刀豆中提取出脲酶结晶，并证明具有蛋白质的性质 1930年，美国的生物化学家Northrop分离得到了胃蛋白酶（pepsin）、胰蛋白酶（trypsin）、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）结晶，确立了酶的化学本质。
已经鉴定的酶有8000 种左右，其中绝大多数已经制成结晶人们相继弄清了溶菌酶（129个氨基酸）、蛋白酶（241 个氨基酸）和羧肽酶（307个氨基酸）等的结构及其作用原理2） 酶学理论研究 1890年，Fisher——锁钥学说 1902年，Henri——中间产物学说 1913年， Michaelis 和 Menten——米氏学说 1958年， Koshland——诱导契合学说 1960年，Jacob 和 Monod——操纵子学说Characteristics of enzyme active sites Lock and key model (锁钥) 1890 picture by Emil fisher. This model assumed that only a substrate of the proper shape could fit with the enzyme. Induced –fit model (诱导契合) Proposed by Daniel Koshland in 1958. This model assumes continuous changes in active site structure as a substrate binds.,,,,,,中间产物学说,ES,P,S,E,Steps in an enzymatic reaction Enzyme and substrate combine to form a Complex. Complex goes through a transition state ---not quite substrate or product A complex of the enzyme and the product is produced Finally the enzyme and product separate All of these steps are equilibrium.,Michaelis-Menten equation,酶 是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。
是否所有的酶都是蛋白质？,（3）核酶的发现 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核酶的发现，改变了有关酶的概念，即“酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白质或RNA） 酶分两大类： 主要由蛋白质组成——蛋白类酶（P酶） 主要由核糖核酸组成——核酸类酶（R酶）,酶及生物催化剂概念的发展,……,克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶,蛋白质类: Enzyme,(天然酶、生物工程酶),核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme,模拟生物催化剂,酶专一性类型,1 结构专一性 概念：酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和选择 类别：绝对专一性和相对专一性 2 立体异构专一性 概念：酶除了对底物分子的化学结构有要求外，对其立体异构也有一定的要求 定义和类别：分子中的原子或原子团互相连接的次序相同，但在空间的排列方向不同而引起的异构体。
分为构型异构（几何异构和旋光异构）和构象异构绝对专一性和相对专一性,,绝对专一性 有的酶对底物的化学结构要求非常严格，只作用于一种底物，不作用于其它任何物质 相对专一性 有的酶对底物的化学结构要求比上述绝对专一性略低一些，它们能作用于一类化合物或一种化学键 1）键专一性 有的酶只作用于一定的键，而对键两端的基团并无严格要求 2）基团专一性 另一些酶，除要求作用于一定的键以外，对键两端的基团还有一定要求，往往是对其中一个基团要求严格，对另一个基团则要求不严格消化道内几种蛋白酶的专一性,,（芳香）,,,（碱性）,（丙）,,胰凝乳蛋白酶,胃蛋白酶,弹性蛋白酶,羧肽酶,胰蛋白酶,,,,,,,,氨肽酶,羧肽酶,消化道蛋白酶作用的专一性,据酶分子组成分类,单纯蛋白质酶类,结合蛋白质酶类,酶蛋白质,辅助因子,金属离子 金属有机物 小分子有机物,据酶蛋白特征分类,单体酶 寡聚酶 多酶复合体,,,,,,酶的化学本质及类别,需金属离子作辅助因子的酶,小分子有机物辅助因子举例,第二章 酶的命名和分类,一、命名：习惯命名；系统命名 二、国际系统分类法及编号 国际生物化学会酶学委员会（Enzyme Commision）将酶分成六大类：1.氧还原酶类，2.移换酶类，3.水解酶类4.裂合酶类，5.异构酶类，6.合成酶类 每一种酶有一个编号,如乙醇脱氢酶 EC 1. 1. 1. 27 大类 亚类 亚亚类 序号,酶的命名,按照国际系统命名法原则，每种酶有一个系统名称和习惯名称。
习惯命名法 1961年以前使用的酶的名称都是习惯沿用的，称习惯名主要依据两个原则: 1、根据酶作用的底物命名; 2、根据酶催化反应的性质及类型命名系统命名 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，即底物+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，因此系统名称为醇：NAD+氧化还原酶，而习惯名为醇脱氢酶酶的国际系统分类 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）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),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%，催化反应为 : AH2 + B ==== A + BH2,1．氧化还原酶类,b-D-glucose + oxygen D-glucono-1,5-lactone + hydrogen peroxide 葡萄糖酸内酯,,2．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-oxoglutarate oxaloacetate + L-glutamate 天冬氨酸 酮戊二酸 草酰乙酸 谷氨酸,,,3．水解酶类,水解酶（Hydrolase）催化它们底物的水解 水解酶类约占酶总数26%，其催化反应为： A-B + HOH === AOH + BH,k-casein酪蛋白 + water para-k-casein + caseino macropeptide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的反应都是可逆的开裂点可以是碳碳、碳氧或者碳氮键 裂合酶类约占酶总数12%，其催化反应为： AB === A + B,L-histidine urocanate + ammonia 尿刊酸,,5．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,。