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1、第一章 酶与酶工程第一节 酶的基本概念与发展史（一）酶与酶工程酶（enzyme）：由活细胞产生的具有生物催化功能的生物大分子。酶工程(enzzymee ennginneerringg)：酶酶的生产产、应用用的技术术过程。 酶工工程已在在工业、农业、医药、食品等等方面有有广泛应应用，并并在资源源、能源源、环保保等方面面起着举举足轻重重的作用用。（二）酶酶的发展展史1、酶在在古代的的应用 早在在40000年前前的周朝朝，我国国人们就就不自觉觉地将酶酶的催化化作用应应用于酿酿酒、制制酱工业业。 一种种古老的的酶技术术（酒曲曲）从远远古时代代被用于于豆制品品调味料料 (豆豆面酱) 和发发酵饮料料 (米
2、米酒、酒酒精) 的生产产，并且且一直沿沿用到今今天。 蒸过过的米加加入霉菌菌混合物物就能得得到酒曲曲，这项项技术世世代相传传。 2、酶学学研究的的历史 最早早的酶学学实验：17883年，意大利利科学家家Spaallaanzaani发发现鸟的的胃液能能分解消消化肉类类。斯帕帕兰扎尼尼（Sppalllanzzanii）他用自自己饲养养的山鹰鹰做了一一个十分分耐人寻寻味的实实验。他他将一块块生肉塞塞进一个个上面布布满许多多孔眼的的金属小小管子里里，管子子两端盖盖紧，不不使肉掉掉下来，然后迫迫使山鹰鹰吞下小小管。过过一段时时间再设设法取出出小管。小管依依然完好好无损，盖子仍仍牢牢地地固定在在小管上上，
3、但是是管中的的肉不见见了，只只留下一一些淡黄黄色的液液体，这这使斯巴巴兰沙尼尼惊讶不不已。这这恐怕要要算最早早的酶学学实验。虽然他他未说明明此物为为酶，但但后来有有人还是是把他看看作是酶酶的最早早发现者者。 酶水水解作用用的发现现： 118144年，德德国物理理学家 Kirrchhhofff研究了了酶的水水解现象象。基尔霍夫夫（Kiirchhhofff）发现淀淀粉经稀稀酸加热热后可水水解为葡葡萄糖，而某些些谷物种种子在发发酵时也也能生成成还原糖糖。若把把种子发发芽时的的水提取取物加到到泡在水水里的谷谷物中，也能发发生相同同的水解解反应，很显然然，活的的谷物种种子的水水解能力力取决于于包含在在其
4、中的的水溶性性物质，这种水水溶性物物质脱离离了生物物体后仍仍能发挥挥作用。最早的的酶制剂剂：18833年年，法国国化学家家Payyen和和Perrsozz得到了了diaastaase。佩恩（Payyen）和帕索索兹 (Perrsozz) 他他们从麦麦芽的水水抽提物物中，用用酒精沉沉淀得到到一种可可使淀粉粉水解成成可溶性性糖的物物质，称称之为淀淀粉酶（diaastaasedaaissteiis）。并指指出了它它的热不不稳定性性，初步步触及了了酶的一一些本质质问题。 首次证证明催化化：18835年年，瑞典典化学家家Berrzelliuss证实用用麦芽提提取物可可以比硫硫酸更有有效地降降解淀粉粉，并
5、将将这一过过程称为为催化。人们从119世纪纪30年年代开始始才真正正认识酶酶的存在在和作用用 199世纪中中叶，法法国微生生物学家家Passteuur指出出酵母中中存在使使葡萄糖糖转化为为酒精的的物质。 18878年年，德国国科学家家Kunnne 给酶起起名叫eenzyyme。Kunnne 给酶起起名叫eenzyymeennzaiim源源于希腊腊文，由由“En（在）”和“Zymme（酵酵母）”二字组组合，表表示酶包包含在酵酵母中。当时用用于区别别那些有有机酵素素(Orrgannizeed FFermmentts，指指整个微微生物细细胞)和和非有机机酵素(Unoorgaanizzed Ferrm
6、ennts，指从有有机体得得到的抽抽提物)。 18898年年，Duuelaaux提提出引用用 “aase”作为酶酶命名的的词根。Dueelauux提出出引用ddiasstasse的最最后三个个字母“asee”作为为酶命名名的词根根。例如：oxiideoxiidassekssideeis（氧化化酶），pecctinnpecctinnasee（果胶胶酶） 发酵酵机制的的争论：19世纪纪中叶，德国化化学家LLiebbig和和Passteuur围绕绕着发酵酵机制的的争论。德国化化学家利利比克（Lieebigg）和Paasteeur围围绕着发发酵机制制的争论论，持续续了数十十年。前前者强调调发酵是是纯化
7、学学反应，后者则则坚持发发酵是活活酵母参参与的结结果。18996年，Bucchneer兄弟弟发现酵酵母的无无细胞抽抽提液也也能将糖糖发酵成成乙醇。巴克纳纳（ BBuchhnerr）兄弟弟发现酵酵母的无无细胞抽抽提液也也能将糖糖发酵成成乙醇，从而阐阐明了发发酵是酶酶的作用用的化学学本质。他们的的成功为为20世纪纪酶学和和酶工程程学的发发展揭开开了序幕幕。因此此巴克纳纳获得了了19007年诺诺贝尔化化学奖。 锁钥钥学说：18994年，德国化化学家EEmill Fiisheer提出出了酶与与底物分分子作用用的锁钥钥学说。这个理理论强调调只有固固定的底底物才能能楔入与与它互补补的酶表表面，它它较好地地
8、解释了了酶的立立体结构构的专一一性，但但却不能能解释酶酶的专一一性中的的所有现现象。 中间间络合物物学说：19003年，Hennri在在研究蔗蔗糖酶水水解蔗糖糖的反应应中发现现酶与底底物之间间存在某某种关系系，并提提出酶与与底物的的作用是是通过酶酶与底物物生成络络合物而而进行的的。 19913年年Micchaeeliss和Meenteen根据据中间络络合物学学说，导导出了著著名的MMichhaellis- Meenteen方程程，简称称米氏方方程：VVVS/(KmmSS)。 诱导导契合学学说：119588年Kooshllandd提出了了诱导契契合学说说。Kooshllandd认为：酶分子子的活
9、性性部位结结构原来来并不与与底物分分子的结结构互补补。但活活性部位位有一定定的柔性性，当底底物分子子与酶分分子相遇遇时可以以诱导酶酶蛋白的的构象发发生相应应的变化化，使活活性部位位上各个个结合基基团与催催化基团团达到对对底物结结构正确确的空间间排布与与定向从从而使酶酶与底物物互补结结合，产产生酶底物复复合物，并使底底物发生生化学反反应。 酶的的化学本本质的认认识： 19226年，Summnerr提出酶酶的本质质是蛋白白质。萨萨母纳（Summnerr）首次次从刀豆豆提取液液中分离离得到脲脲酶结晶晶，证明明它具有有蛋白质质的性质质，提出出酶的本本质是蛋蛋白质的的观点。19660年，雅各（Jacco
10、b）和莫若若德（MMonood）提提出操纵纵子学说说，阐明明了酶生生物合成成的基本本调节机机制。 19982年年，切克克（Ceech）等人认认为RNNA亦具具有催化化活性，并将这这种具有有催化活活性的RRNA称称为核酸酸类酶。切克（Cecch）等等人发现现四膜虫虫（Teetraahynnenaa）细胞胞的266s RRNA前前体具有有自我剪剪接功能能(seelf-splliciing)，他们们认为RRNA亦亦具有催催化活性性，并将将这种具具有催化化活性的的RNAA称为核核酸类酶酶。该RNNA前体体约有664000个核苷苷酸，含含有1个个内含子子（inntroon）或或称为间间隔序列列（innt
11、errvenningg seequeencee,IVVS）和和2个外外显子(exoon)，在成熟熟过程中中，通过过自我催催化作用用，将间间隔序列列切除，并使22个外显显子连接接成成熟熟的RNNA，此此过程不不需要蛋蛋白质存存在，但但必须有有鸟苷和和镁离子子参与。切克将将之称为为自我剪剪接反应应，认为为RNAA亦具有有催化活活性，并并将这种种具有催催化活性性的RNNA称为为核酸类类酶。核酶（Ribbozyyme，也称核核糖核酸酸酶）的的发现，打破了了酶是蛋蛋白质的的经典概概念。核核糖核酸酸RNAA也具有有催化活活性。 核酶酶具有完完整的空空间结构构和活性性中心，有独特特的催化化机制，具有很很高的
12、底底物专一一性，其其反应动动力学亦亦符合米米氏方程程的规律律。酶是由由生物细细胞合成成的以蛋蛋白质为为主要成成分，对对底物起起高效催催化作用用的生物物催化剂剂。按照酶酶的化学学组成，分为两两大类。一类主主要由蛋蛋白质组组成，称称为蛋白白类酶（P酶）；另一一类主要要由核糖糖核酸组组成，称称为核酸酸类酶（R酶）。（三）酶酶工程学学习的目目的初步掌掌握酶的的发酵生生产和分分离纯化化的大致致流程。对酶的的固定化化、酶的的修饰改改造和主主要的酶酶反应器器类型有有一定的的认识。了解生生物传感感器及酶酶对现代代人类生生活的影影响。（四）酶酶工程的的发展概概况（1）生生物工程程概念：19883年，在英国国伦敦
13、召召开的世世界首次次生物工工程学会会议时，对生物物工程下下了一个个简明的的定义。生物工工程是达达到特殊殊目的的的生物过过程的控控制性过过程，它它是将生生物体内内进行的的精巧的的生物化化学反应应工业化化，在人人们控制制下制造造出有用用产品的的技术体体系。（2）生生物工程程的四大大支柱：基因工工程、细细胞工程程、酶工工程、发发酵工程程。（3）酶酶工程（enzzymee ennginneerringg）概念念：酶工工程是研研究酶的的生产和和应用的的一门技技术性学学科，主主要指自自然酶制制剂在工工业上的的大规模模应用，是生物物工程的的重要组组成部分分。酶工工程研究究的主要要内容包包括：（1）酶的生生物
14、合成成法生产产；（2）酶的分分离纯化化；（3）酶的分分子修饰饰；（4）酶、细细胞及原原生质体体的固定定化；（5）酶的反反应动力力学；（6）酶反应应器；（7）有机介介质中的的酶催化化；（8）酶的应应用等。（4）酶酶工程发发展现状状：尽管管目前业业已发现现和鉴定定的酶约约有80000多多种，但但大规模模生产和和应用的的商品酶酶只有数数十种。自然酶酶在工业业应用上上受到限限制的原原因主要要有：大多数数酶脱离离其生理理环境后后极不稳稳定，而而酶在生生产和应应用过程程中的条条件往往往与其生生理环境境相去甚甚远；酶的分分离纯化化工艺复复杂；酶制剂剂成本较较高。（5） 酶工程的的分类：根据研研究和解解决上述
15、述问题的的手段不不同把酶酶工程分分为化学学酶工程程和生物物酶工程程。前者者指自然然酶、化化学修饰饰酶、固固定化酶酶及化学学人工酶酶的研究究和应用用，后者者则是酶酶学和以以基因重重组技术术为主的的现代分分子生物物学技术术相结合合的产物物。化学酶酶工程(初级酶酶工程)：是酶酶学和化化学工程程的结合合；化学学修饰；固定化化酶；化化学合成成酶。生物酶酶工程：利用DDNA重重组技术术(基因因工程)大量生生产酶；对基因因进行修修饰，产产生突变变酶；设设计新的的基因，合成自自然界没没有的、催化效效率和稳稳定性高高的酶。19800年，WWagnner等等人报道道，将大大肠杆菌菌ACTTT1111055的青霉霉素酰化化酶基因因克隆到到质粒上上，获得得产酶活活力更高高的大肠肠杆菌55K（PPHM112）杂杂交株，并将此此大肠杆杆菌杂交交株固定定，用于于生产青青霉素酰酰化酶。这是基基因工程程与酶工工程相结结合的第第一例。总而言言之，酶酶工程的的主要任任务是：通过预预先设计计，经过过人工操操作控制制而获得得大量所所需的酶酶，并通通过各种种方法使使酶发挥挥其最大大的催化化功能。 第二节 酶催化化作用的的特点与与机制（一）一一般催化化剂的特特点
