全套課件·酶工程

1、酶 工 程第一章 緒論第一節(jié) 酶的基本概念與發(fā)展史 一、酶是一種生物催化劑 酶是一種由活細胞產(chǎn)生的具有生物催化功能的生物大分子?，F(xiàn)在，已知的酶都是由生物體合成的，除少數(shù)具有催化能力的RNA外，其化學(xué)本質(zhì)都是蛋白質(zhì)。它們大部分存在于細胞體內(nèi)，少部分分泌到體外。 一切生命活動都是由新陳代謝的正常運轉(zhuǎn)來維持的，新陳代謝是生命活動的最重要的特征之一。而酶則是促進生物體內(nèi)一切代謝活動的物質(zhì)，沒有酶的作用代謝反應(yīng)就無法進行，生命也即停止。酶在生物體內(nèi)發(fā)生的作用主要有以下幾種類型：第一節(jié) 酶的基本概念與發(fā)展史 （1）催化代謝反應(yīng)，建立各種各樣代謝途徑和代謝體系； （2）執(zhí)行具體的生理機能，如乙酰膽堿酯酶能水

2、解乙酰膽 堿，參與神經(jīng)傳導(dǎo)； （3）協(xié)同激素等生理活性物質(zhì)在體內(nèi)發(fā)揮信號轉(zhuǎn)換、傳遞和放大作用，調(diào)節(jié)生理過程和生命活動，如腺苷酸環(huán)化酶對糖類代謝的調(diào)節(jié)； （4）清除有害物質(zhì)，起著保衛(wèi)作用，如超氧歧化酶能破壞超氧負離子，從而防止脂質(zhì)超氧化。 第二節(jié) 酶催化作用的特點 一、高效性 因為酶催化時所需活化能很低，催化效率遠比非酶催化劑高。但由于非酶催化的反應(yīng)速度太低，不容易觀察，酶催化反應(yīng)速度和在相同pH及溫度條件下非酶催化反應(yīng)速度可直接比較的例子很少。在可比較的情況下，酶的催化效率比非酶催化劑的催化效率高1071013倍。例如過氧化氫（H2O2）在鐵離子或過氧化氫酶的催化作用下均能發(fā)生分解反應(yīng)生成氧和

3、水，反應(yīng)式如下： 催化劑 2H2O2=2H2O + O2 在一定條件下，1mol鐵離子可催化105mol過氧化氫分解；相同條件下，1mol過氧化氫酶則可催化105mol過氧化氫分解，過氧化氫酶的催化效率是鐵離子的1010倍。 第二節(jié) 酶催化作用的特點 二、專一性 酶的專一性是指在一定的條件下一種酶只能催化一種或一類結(jié)構(gòu)相似的底物進行某種類型反應(yīng)的特性。這是酶最重要的特性之一，也是酶與其他非酶催化劑最主要的不同之處。酶催化的高度專一性是酶在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。不同的酶其專一性有所不同，主要表現(xiàn)為以下三種情況： 第二節(jié) 酶催化作用的特點 (1) 很多酶只能催化一種底物進行一種快速反應(yīng)，這種

4、高度的專一性稱為絕對專一性。如脲酶只能催化尿素的反應(yīng)，或者以很低的速度催化結(jié)構(gòu)相似的類似物。 (2) 有些酶能催化一類底物起反應(yīng)，特異性較低，人們稱之為相對專一性。如蔗糖酶既能催化水解蔗糖，也能催化水解棉子糖，因為它們有相同的化學(xué)鍵。 (3) 還有些酶能催化底物的立體異構(gòu)體之一起反應(yīng)，表現(xiàn)為高度的立體特異性，被稱為立體異構(gòu)專一性。有人也把這種情況歸為絕對專一性中。如乳酸脫氫酶只催化L(+)-乳酸脫氫，不能催化D()-乳酸脫氫。第二節(jié) 酶催化作用的特點 三、反應(yīng)條件溫和 反應(yīng)條件溫和是酶催化作用和非酶催化作用之間的另一個顯著差別。酶催化作用一般都可在常溫、常壓、近乎中性的pH條件下進行，而一般非

5、酶催化劑的催化作用則大多需要高溫、高壓和極端的pH條件下才能進行。如用酸水解淀粉生產(chǎn)葡萄糖，需要2.53kg/cm2壓力、140150和耐酸設(shè)備；而用酶水解淀粉， 在65下，用一般設(shè)備即可。這為簡化設(shè)備、降低成本和改善勞動強度創(chuàng)造了條件。 第二節(jié) 酶催化作用的特點 四、酶的活性是受調(diào)節(jié)控制的 酶對反應(yīng)條件極為敏感，其活性是受調(diào)節(jié)控制的。酶活性的調(diào)控方式很多，主要包括酶濃度調(diào)節(jié)、共價修飾調(diào)節(jié)、激素調(diào)節(jié)、抑制劑調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)以及金屬離子和其他小分子化合物調(diào)節(jié)等等。人們可以通過簡單的改變酶濃度或者添加抑制劑等方法來控制和調(diào)節(jié)酶反應(yīng)的進行。第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 一、酶的組成 除少數(shù)已經(jīng)鑒定的具

6、有催化活性的RNA分子外，幾乎所有的酶都是蛋白質(zhì)，所以和其他蛋白質(zhì)一樣，酶也具有四級空間結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)酶的組成成分可以將酶分為三類： 1.單體酶單體酶是指僅有一個活性部位的多肽鏈構(gòu)成的酶，其分子量在1300035000之間。這類酶很少，且都是水解酶，如胰蛋白酶等 第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 2.寡聚酶 這類酶由若干相同或者不同的亞基組成，這些亞基一般沒有活性，必須相互結(jié)合后才有活性，其分子量從35000至幾百萬，如3-磷酸甘油醛脫氫酶等。 3.多酶復(fù)合體 多酶復(fù)合體是指由多種酶彼此嵌合形成復(fù)合體進行連續(xù)反應(yīng)的體系。這種多酶復(fù)合體有利于一系列反應(yīng)的進行，其分子量很高，一般都在幾百萬以上。第三節(jié)

7、 酶的組成、分類與命名 有些酶的活性僅僅決定于其本身的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這類酶屬于簡單蛋白質(zhì)，如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶以及核糖核酸酶等。大多數(shù)酶只有在與非蛋白組分結(jié)合后才表現(xiàn)出酶的活性，這類酶屬于結(jié)合蛋白質(zhì)，其非蛋白組分稱為輔助因子。酶蛋白和輔助因子結(jié)合后所形成的復(fù)合物稱為全酶。全酶可以表示如下：全酶=酶蛋白 + 輔助因子第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 在催化反應(yīng)中，酶蛋白與輔助因子所起的作用不同，酶反應(yīng)的專一性取決于酶蛋白本身，而輔助因子本身無催化能力，其作用是在酶促反應(yīng)中傳遞電子、原子或某些化學(xué)集團，維持酶的活性和完成酶的催化過程。輔助因子可以是金屬離子（如鐵、銅、鋅、鎂、鈣、鉀、鈉等），也

8、可以是有機化合物。有機輔助因子可以依據(jù)其與酶蛋白結(jié)合的程度分為輔酶和輔基。前者為松弛結(jié)合，可透析除去,如NAD+、NADP+、CoQ、硫辛酸、生物素等；后者為緊密結(jié)合，如FMN、FAD等。二者的區(qū)別只在于它們與酶蛋白結(jié)合的牢固程度不同，并無明顯界限。 第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 二、酶的命名 酶的命名通常有兩種方法，即習(xí)慣命名法和系統(tǒng)命名法。 1.習(xí)慣命名法 1961年以前酶的命名都是采用習(xí)慣命名法，其依據(jù)的原則主要有： （1）根據(jù)酶所作用的底物命名。 如催化水解淀粉的酶叫淀粉酶，催化水解蛋白質(zhì)的酶叫蛋白酶。有時還加上來源以區(qū)別不同來源的同一種酶如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等。 第三節(jié)

9、酶的組成、分類與命名 （2）根據(jù)催化反應(yīng)的性質(zhì)及類型命名。 如氧化酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶等。 （3）結(jié)合上述兩個原則綜合命名。 如催化琥珀酸脫氫反應(yīng)的酶叫琥珀酸脫氫酶等。 在許多情況下，這種習(xí)慣的、非系統(tǒng)的或末指明催化性質(zhì)的命名法是不甚合理的，經(jīng)常會出現(xiàn)一種酶多個名稱或一個名子多個酶共用的情況。為了適應(yīng)酶學(xué)的發(fā)展，避免上述情況的發(fā)生，國際酶學(xué)委員會于1961年提出了一套系統(tǒng)的命名方案和分類原則。第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 2.國際系統(tǒng)命名法 按照國際系統(tǒng)命名法，每一種酶有一個系統(tǒng)名稱和一個習(xí)慣名稱。酶的系統(tǒng)名稱應(yīng)當(dāng)明確標(biāo)明酶的底物及催化反應(yīng)的類型。例如乳酸脫氫酶的反應(yīng)為：L-乳酸 + NAD+=

10、丙酮酸 + NADH + H+ 這個反應(yīng)的底物是L-乳酸和NAD+，類型是氧化還原反應(yīng)。因此這個酶的系統(tǒng)名稱為：L-乳酸：NAD+氧化還原酶。第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 三、國際系統(tǒng)分類法及編號 國際系統(tǒng)分類法中的分類原則是： 根據(jù)酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)，把酶分為六大類，分別用1、2、3、4、5、6的編號來表示（如表1-1）； 根據(jù)底物中被作用的基團或鍵的特點再將每一大類分為若干亞類； 每一亞類中再分為若干小類； 每一小類中包含若干個具體的酶。第三節(jié) 酶的組成、分類與命名表1-1 酶的國際分類 第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 根據(jù)國際系統(tǒng)命名法，每一種酶除了有一個系統(tǒng)名稱外，還有一個系統(tǒng)編號，其系

11、統(tǒng)編號由四個數(shù)字組成，數(shù)字之間用“.”隔開。第一個數(shù)字表示該酶屬于六大類中的哪一類；第二個數(shù)字表示該酶屬于此大類中的哪一個亞類；第三個數(shù)字表示該酶屬于上述亞類的哪一個小類；第四個數(shù)字表示這一具體的酶在該小類中的序號。編號之前往往加注EC，EC是國際酶學(xué)委員會（Enzyme Commission）的縮寫。如胰蛋白酶的系統(tǒng)編號為EC3.4.21.4，第一個數(shù)字“3”表示該酶是水解酶（第三大類）；第二個數(shù)字“4”表示它是水解酶的第四亞類，催化的反應(yīng)類型為水解肽鍵；第三個數(shù)字“21”表示該酶屬于第四亞類中的第二十一小類，此小類為絲氨酸蛋白酶，在活性部位上有一至關(guān)重要的絲氨酸殘基；第四個數(shù)字“4”表示該

12、酶是這一小類中的特定序號。當(dāng)酶的編號僅有前三個數(shù)字時，就已經(jīng)清楚地表明了這個酶的特性：反應(yīng)性質(zhì)、底物性質(zhì)、鍵的類型。 第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 六、大類酶簡介如下： 1.氧化還原酶（oxido-reductases）氧化還原酶催化氧化還原反應(yīng)，其催化反應(yīng)的通式為 被氧化的底物（A-）為氫或電子供體，被還原的底物（B）為氫或電子受體。系統(tǒng)命名時，將供體寫在前面，受體寫在后面，然后再加上氧化還原酶字樣，如黃嘌呤：氧化還原酶（習(xí)慣名為黃嘌呤氧化酶）。 第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 氧化還原酶在體內(nèi)參與產(chǎn)能、解毒和某些生理活性物質(zhì)的合成。重要的主要有各種脫氫酶、氧化酶、過氧化物酶、氧合酶等。 第三

13、節(jié) 酶的組成、分類與命名 2.轉(zhuǎn)移酶（transferases） 轉(zhuǎn)移酶催化功能基團的轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其催化反應(yīng)的通式為 AB+C-A+BC 這類酶的系統(tǒng)命名是“供體：受體某基團轉(zhuǎn)移酶”，如丙氨酸：酮戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶（習(xí)慣名為谷丙轉(zhuǎn)氨酶） 第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 轉(zhuǎn)移酶在體內(nèi)將某基團從一個化合物轉(zhuǎn)移到另一個化合物，參與核酸、蛋白質(zhì)、糖類以及脂肪的代謝與合成。重要的主要有?；D(zhuǎn)移酶、糖苷基轉(zhuǎn)移酶、酮醛基轉(zhuǎn)移酶、磷酸基轉(zhuǎn)移酶、含氮基轉(zhuǎn)移酶、含硫基團轉(zhuǎn)移酶等。 3.水解酶（hydrolases） 水解酶催化水解反應(yīng)，其催化反應(yīng)的通式為AB+H2OAH+B-OH 水解酶的系統(tǒng)命名是先寫底物的名稱，再寫

14、發(fā)生水解作用的化學(xué)鍵位置，其后再加上水解酶即可，如核苷酸磷酸水解酶等。這類酶在體內(nèi)外起降解作用，一般不需要輔酶，是人類應(yīng)用最為廣泛的酶。重要的有糖苷酶、肽酶以及各種脂肪酶等。 第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 4.裂合酶（lydses） 裂合酶催化一個化合物裂解成為兩個較小化合物及其逆反應(yīng)，其催化反應(yīng)的通式為 A+BAB 這類酶的系統(tǒng)命名為“底物-裂解的基團-裂合酶”，如檸檬酸裂合酶（檸檬酸合成酶） 裂合酶可脫去底物上某一基團而形成一個雙鍵，或可相反地在雙鍵處加入某一基團，重要的有醛縮酶、水化酶、脫氨酶等。第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 5.異構(gòu)酶（isomerases） 異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的

15、相互轉(zhuǎn)化，其催化反應(yīng)的通式為AB 異構(gòu)酶按照異構(gòu)化的類型不同分為六個亞類，命名時分別在底物名稱后加上異構(gòu)酶、消旋酶、變位酶、表異構(gòu)酶、順反異構(gòu)酶等，如木糖異構(gòu)酶。 此類酶是為了生物代謝的需要而對某些物質(zhì)進行分子異構(gòu)化，分別進行外消旋、差向異構(gòu)、順反異構(gòu)、酮醛異構(gòu)、分子內(nèi)裂解、分子內(nèi)轉(zhuǎn)移等。 第三節(jié) 酶的組成、分類與命名 6.連接酶或合成酶（ligases） 連接酶能催化一切必須與ATP分解相偶聯(lián)，并由兩種物質(zhì)合成一種物質(zhì)的反應(yīng)，其反應(yīng)通式為A+BAB 這類酶的系統(tǒng)命名是在兩個底物的名稱后面加上連接酶，如谷氨酸氨連接酶等。 連接酶關(guān)系著很多生命物質(zhì)的合成，其特點是需要ATP等高能磷酸酯作為結(jié)合能

16、源。 有關(guān)酶的系統(tǒng)分類的更詳細的知識可查閱有關(guān)專門著作。 酶 工 程第二章 酶動力學(xué) 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 一、單底物動力學(xué) k3在單底物酶促反應(yīng)中，底物（S）首先與酶（E）結(jié)合，生成底物和酶的復(fù)合物（ES），然后復(fù)合物分解，形成產(chǎn)物（P）并釋放出酶，這個過程可表示如下： 式中酶與底物形成復(fù)合物的反應(yīng)是可逆反應(yīng)，正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速度常數(shù)分別為k1、k2，復(fù)合物分解為產(chǎn)物與酶的反應(yīng)是不可逆反應(yīng)，速度常數(shù)為k3。 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 對許多酶的性質(zhì)的觀察和研究得知，在低的底物濃度S下，反應(yīng)速度（v）直接與底物濃度S成正比；在高底物濃度S下，速度趨向于最大值（Vmax），此時反應(yīng)速度與底物濃度

17、S無關(guān)（如圖2-1）。 圖2-1 單底物酶促反應(yīng)的反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 1913年前后，米徹利斯（Michaelis）和曼吞（Menten）在前人工作的基礎(chǔ)上，通過大量的定量研究，提出了酶促動力學(xué)基本原理，并推導(dǎo)出了著名的米-曼氏方程，推導(dǎo)過程如下：根據(jù)上述反應(yīng)式，中間產(chǎn)物ES的生成速度(底物S的消失速度)v1k1SEk2ES （2-1） 而ES的消失速度(產(chǎn)物P的生成速度) v2k3 ES，當(dāng)反應(yīng)達到平衡時，即v1v2時k1SEk2ES= k3 ES （2-2） 整理后得 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 令Km = ， 則得Km = （2-4） 若酶的總濃度用Et表示，那

18、么 E= EtES，代入式（2-4）并整理得 （2-5） 由于酶的反應(yīng)速度與ES成正比，所以 V = k3 ES （2-6） 將（2-5）代入（2-6），得 （2-7） 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 當(dāng)?shù)孜餄舛群芨邥r，所有酶都與底物結(jié)合生成中間產(chǎn)物ES，則Et=ES。此時反應(yīng)速度達到最大Vmax，即 Vmax= k3 ES= k3Et （2-8）（2-7）除以（2-8），并整理得 （2-9） 這就是米-曼氏方程（Michaelis-Menten equation），又稱為米氏方程，式中的Km是一常數(shù)值，稱為米氏常數(shù)。在特殊情況下，當(dāng)v = Vmax時，米氏方程可轉(zhuǎn)化為下式： 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué)

19、整理上式可得 Km= S 由此可以看出，Km的物理意義就是當(dāng)酶反應(yīng)速度達到最大反應(yīng)速度的一半時的底物濃度，其單位與物質(zhì)摩爾濃度單位相同，用mol/L表示。Km數(shù)值大小與酶的濃度無關(guān)，是酶反應(yīng)的特性常數(shù)。不同酶的Km值不同，且同一酶在不同的底物下，其Km值也不同。米氏常數(shù)可由實驗測得，也可用下面的公式求得： 對于很多酶而言，上式中的k2比k3大得多，此時的Km的值依賴于酶與底物的復(fù)合物ES生成和解離的速度常數(shù)k1和k2的相關(guān)值。高的Km表示弱的底物結(jié)合（k2遠遠大于k1），低的Km表示強的底物結(jié)合（k1遠遠大于k2）。 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 單底物酶促反應(yīng)的反應(yīng)速度與底物濃度呈雙曲線關(guān)系，不易

20、直接求出Vmax和Km的值，通常采用雙倒數(shù)法進行參數(shù)估計。將米氏方程改寫成以下形式以 對作圖，繪出曲線，橫軸截距即為值，縱軸截距則是 （圖2-2）。第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué)圖2-2 雙倒數(shù)作圖 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 二、多底物動力學(xué) 通常情況下，酶催化反應(yīng)涉及兩個(少數(shù)情況下三個)底物?，F(xiàn)在我們考慮一個涉及兩種底物和兩種產(chǎn)物的酶促反應(yīng)，其反應(yīng)通式如下: AB PQ E 這樣的酶促反應(yīng)又稱為雙底物反應(yīng)?，F(xiàn)在已知的生化反應(yīng)中有六成以上屬于這一種反應(yīng)。雙底物反應(yīng)的機理有下面三種可能： 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 1.有序反應(yīng)機理(ordered reaction) 這種情況下，A和B分別可被說成是先導(dǎo)底

21、物和后隨底物，Q是A的產(chǎn)物，最后被釋放。A和Q競爭同游離酶E結(jié)合，但A和B則不會（或者Q和B也不會）發(fā)生競爭（如圖2-3）。依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD或NADP）的脫氫酶的反應(yīng)就屬于這種類型。圖2-3 有序反應(yīng)機理 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 2.隨機反應(yīng)機理（random reaction） 這種類型中，A和B兩個底物無論哪個先同酶結(jié)合都沒關(guān)系；同樣地，產(chǎn)物P和Q誰先釋放也不重要（如圖2-4）。某些激酶例如肌酸激酶等就服從隨機反應(yīng)機理。圖2-4 隨機反應(yīng)機理 第一節(jié) 酶促反應(yīng)動力學(xué) 3.乒乓反應(yīng)機理（ping pong reaction） 在乒乓催化反應(yīng)中，第一個底物A(相當(dāng)于P-X)的功

22、能基團(X)被酶從底物上置換，產(chǎn)生第一個產(chǎn)物P和一個穩(wěn)定的酶形式F(相當(dāng)于E-X)，在F中，X是緊密地(往往共價地)同酶結(jié)合；在反應(yīng)的第二階段，X被第二種底物B從酶分子上取代，生成第二個產(chǎn)物Q(B-X)，酶也恢復(fù)到最初的形式（如圖2-5）。需要注意的是，在乒乓反應(yīng)中，底物A和B并不彼此在酶分子上相遇。包括轉(zhuǎn)氨酶、某些黃素酶在內(nèi)的許多酶都具乒乓反應(yīng)機制。 圖2-5 乒乓反應(yīng)機理 實際上，多底物酶促反應(yīng)動力學(xué)是非常復(fù)雜的，以上只是作以簡要介紹，有關(guān)詳細內(nèi)容，可查閱相關(guān)專著。 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 酶在催化反應(yīng)中不能改變反應(yīng)的平衡，但可以加快反應(yīng)速度。要想在實際生產(chǎn)中最好地用好酶，讓其發(fā)揮最大

23、的作用，達到比較小的成本也能生產(chǎn)出同樣價值量的產(chǎn)品，必須對影響酶促反應(yīng)的主要因素有充分而準(zhǔn)確的認識。 影響酶促反應(yīng)的主要因素有：底物濃度、酶濃度、溫度、pH值以及激活劑、抑制劑等等 。第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 一、底物濃度對酶促反應(yīng)的影響 底物濃度是決定酶催化反應(yīng)的主要因素。早在20世紀(jì)初，人們就已經(jīng)觀察到了底物濃度對酶促反應(yīng)表現(xiàn)出特殊的飽和現(xiàn)象，而這種情況在非酶促反應(yīng)中則是不存在的。 底物濃度的變化對酶促反應(yīng)速度的影響比較復(fù)雜。在酶濃度不變的條件下，底物濃度S與反應(yīng)速度v的相互關(guān)系如圖2-6所示。圖2-6 底物濃度與酶反應(yīng)速度的關(guān)系 s第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 從上圖可以看出，在低的底物

24、濃度時，底物濃度增加，反應(yīng)速度隨之急劇增加，反應(yīng)速度與底物濃度成正比，此時米氏方程可簡化為 當(dāng)?shù)孜餄舛容^高時，增加底物濃度，反應(yīng)速度雖隨之增加，但增加的程度不與底物濃度成正比；當(dāng)?shù)孜镞_到一定濃度后，若再增加其濃度，則反應(yīng)速度將趨于恒定（v= Vmax），并不再受底物濃度的影響，此時的底物濃度巳達到飽和程度。所有的酶都有這種飽和現(xiàn)象，但各自達到飽和時所需要的底物濃度各不相同，甚至差異極大。 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 底物濃度對酶促反應(yīng)的影響可以設(shè)想為當(dāng)?shù)孜餄舛鹊蜁r，酶的活性中心沒有全部與底物結(jié)合，因此，反應(yīng)速度隨著底物濃度的增加而加快；當(dāng)?shù)孜餄舛仍黾拥娇烧紦?jù)全部酶的活性中心時，反應(yīng)速度即達到最

25、大值(臨界速度)，此時底物的濃度稱為飽和濃度。高于飽和濃度時，由于酶的活性中心已全部為底物占據(jù)，故增加底物濃度不能繼續(xù)提高反應(yīng)速度。 在實際生產(chǎn)中，為節(jié)省成本，縮短時間，一般以過量的底物在短時間內(nèi)達到最大的反應(yīng)速度。第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 二、酶的濃度對酶促反應(yīng)的影響 在底物濃度飽和的情況下（即所有的酶分子都與底物結(jié)合），酶催化反應(yīng)速度與酶濃度成正比（如圖2-7）。它們之間的關(guān)系可以表示為v = k E 酶反應(yīng)速度與酶濃度的正比關(guān)系是由于在酶進行催化時，酶首先要與底物形成中間產(chǎn)物，即酶-底物復(fù)合物（ES），而這一步則是整個反應(yīng)的限速步驟。當(dāng)?shù)孜餄舛却蟠蟪^酶濃度時，這種中間產(chǎn)物生成的速度取

26、決于酶的濃度，所以，如果此時增加酶的濃度可增加反應(yīng)速度，即酶反應(yīng)速度與酶濃度成直線的正比關(guān)系。 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 生產(chǎn)中底物濃度一般是過量的，所以反應(yīng)速度取決于酶濃度，而酶的實際用量又是同發(fā)酵工藝的制訂及生產(chǎn)效益結(jié)合起來考慮的，一般應(yīng)根據(jù)具體情況而定。 E圖2-7 酶濃度與酶反應(yīng)速度的關(guān)系第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 三、溫度對酶促反應(yīng)的影響 溫度對酶的影響是非常復(fù)雜的，它能影響酶反應(yīng)中功能團的解離狀態(tài)、酶-底物復(fù)合物的裂解速度、酶對激活劑和抑制劑的親和力等等。如果讓酶反應(yīng)在不同溫度條件下進行，將測得的反應(yīng)速度（v）相對溫度（t）作圖可得一鐘形曲線（如圖2-8）。它表明，在較低的溫度范

27、圍內(nèi)，酶反應(yīng)速度隨溫度升高而增大，但超過一定溫度后，反應(yīng)速度反而下降。反應(yīng)速度發(fā)生轉(zhuǎn)折時的溫度就稱為酶反應(yīng)的“最適溫度”。不同種類不同來源的酶，其最適溫度有很大差別。從溫血動物組織中提取的酶，最適溫度一般在3540之間；植物酶的最適溫度稍高，多在4050之間；從細菌中分離出來的某些酶最適溫度可達70。人體內(nèi)酶最適溫度一般在37左右。第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 在達到最適溫度之前提高溫度，可以增加酶促反應(yīng)的速度。反應(yīng)溫度每提高10酶反應(yīng)速度就增加12倍。圖2-8 溫度與酶反應(yīng)速度的關(guān)系第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 溫度對酶促反應(yīng)有兩個方面的影響：一方面，在其他條件一定的情況下，當(dāng)溫度升高時，反應(yīng)速

28、度加快，直至最大速度為止；另一方面，酶是生物大分子，會隨著溫度的升高而逐步變性，甚至最終喪失其催化活性，也就是說，通過減少有活性的酶而降低反應(yīng)速度。酶反應(yīng)的最適溫度就是這兩個過程的綜合平衡的結(jié)果，在低于最適溫度時，前一種效應(yīng)為主；在高于最適溫度時，后一種效應(yīng)明顯，因而會出現(xiàn)酶活性迅速喪失，反應(yīng)速度很快下降。大多數(shù)酶在溫度超過60時就會變性。然而，也有少數(shù)酶能耐受較高的溫度，如耐高溫的-淀粉酶在90甚至更高的溫度條件下，仍然能正常發(fā)揮其催化作用。聚合酶鏈反應(yīng)中被廣泛使用的Taq聚合酶在95條件下仍然可以進行穩(wěn)定催化。牛胰核糖核酸酶甚至加熱到100仍不失活。在實際生產(chǎn)中，通常采取增加酶反應(yīng)的底物或

29、者添加某些穩(wěn)定劑來提高酶的熱穩(wěn)定性。 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 酶的活性雖然隨著溫度的降低而減弱，但低溫一般不破壞酶，只是酶的催化活性很微弱，當(dāng)溫度回升后，酶又恢復(fù)其活性。臨床上的低溫麻醉就是利用低溫能降低酶的活性，以減慢組織細胞的代謝速度，提高機體對氧和營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的耐受性，有利于手術(shù)治療。低溫保存菌種和生物制品也是基于同一原理。 對于一種具體的酶而言，其最適溫度并不是一個固定值，而與酶作用的時間長短有關(guān)。酶可以在較短的時間內(nèi)耐受較高的溫度，但是只有當(dāng)酶反應(yīng)時間在被規(guī)定的情況下，才有最適溫度。也就是說，即使是同一種酶，如果反應(yīng)的時間不同，其最適溫度也不一樣。一般來說，酶在干燥情況下要比潮濕

30、狀態(tài)下更耐高溫。這一點已被廣泛用于指導(dǎo)酶的儲藏保存。有些酶的干粉劑可以在室溫下放置一段時間，而其水溶液則必須在冰箱中保存；制成冰凍干粉的酶制劑能放置數(shù)月，而未制成這種干粉的酶溶液在冰箱中只能保存幾天。第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 四、pH值對酶促反應(yīng)的影響 酶反應(yīng)都是在一定的pH條件下進行的，即酶的活性會隨著其環(huán)境pH的變化而變化，每一種酶只能在一定的pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出它的活性，而且在某一pH下，酶活性最高，通常稱此pH為該酶反應(yīng)的最適pH（如圖2-9）。溶液的pH偏離最適pH時，酶的活性降低，偏離最適pH愈遠，酶的活性就愈低。若pH過高或過低達一定程度，則可導(dǎo)致酶的變性而失活。因此，測定酶活性時

31、，常選擇適宜的緩沖劑，以維持其pH的相對恒定。圖2-9 pH對酶活性的影響第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 酶的最適pH并不是一個常數(shù)，它往往因酶的純度、底物種類和濃度以及環(huán)境介質(zhì)的成分不同而不同。因此，酶的最適pH只在一定的條件下才有意義。大多數(shù)酶的最適pH在68之間，動物酶多在6.58.0之間，植物和微生物酶多在4.56.5之間。也有少數(shù)例外，如胃蛋白酶為1.5，肝臟中的精氨酸酶則為9.7。幾種常見酶的最適pH見表2-1。 pH對酶活性產(chǎn)生影響的原因存在以下幾方面的可能： 1.氫離子與氫氧根離子的濃度會影響到酶蛋白構(gòu)象的變化，甚至能夠?qū)е旅缸冃远Щ睢?2.pH能夠影響到酶分子中某些基團的解離，

32、這些基團的離子化狀態(tài)與酶分子的活性中心構(gòu)象有關(guān)。 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 3.pH會影響到底物分子的解離狀態(tài)，同時也會影響酶分子的解離狀態(tài)，從而對酶與底物的親和力產(chǎn)生影響。 值得注意的是酶在試管中反應(yīng)的最適pH與其所在正常細胞的生理pH值不一定是相同的。這主要是因為一個細胞中有數(shù)百種酶，不同的酶對細胞內(nèi)的生理pH值的敏感性不一樣，對有些酶而言可能已達到或者接近其最適pH，而對另一些酶則不是，這就致使不同的酶表現(xiàn)出不同的活性。這種不同被認為對細胞內(nèi)復(fù)雜的各種代謝活動有重要意義。第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素表2-1 幾種常見酶的最適pH 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 五、其它因素的影響 酶促反應(yīng)除

33、受上述的底物濃度、酶濃度、溫度、pH的影響外，還受到激活劑、抑制劑等其他因素的影響。 1.激活劑的影響在酶促反應(yīng)中，很多離子或一些簡單有機化合物能夠提高或者激活酶的活性，這類物質(zhì)被稱為激活劑。激活劑大致可分為下面幾類： （1）無機離子 主要是一些金屬離子，如Na+、K+、Mg+、Zn2+、Ca2+、Fe2+等。少數(shù)陰離子也有一定的激活作用，但作用不明顯。 （2）有機小分子 包括半胱氨酸、還原型谷胱甘肽、氰化物等某些還原劑以及螯合物乙二胺四乙酸（EDTA）等。 （3）具蛋白質(zhì)性質(zhì)的大分子物質(zhì) 主要指對某些無活性的酶原起作用的酶。激活劑對酶的作用有一定的選擇性，也就是說，一種激活劑對某種酶有激活作

34、用，而對另一種酶則不一定有激活作用，甚至還有抑制作用。 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 2.抑制劑的影響 抑制劑是指能夠使酶催化活性降低或者喪失的物質(zhì)。它是對酶反應(yīng)速度有十分重要影響的一種因素。抑制是指抑制劑與酶的活性有關(guān)部位結(jié)合后，改變了酶活性中心的結(jié)構(gòu)(構(gòu)象)與性質(zhì)，從而引起酶活力下降的一種效應(yīng)。引起抑制效應(yīng)的這些物質(zhì)就是抑制劑。需要注意的是酶蛋白水解與變性不屬于抑制范疇。 抑制劑的種類很多。有些抑制劑是細胞正常代謝的產(chǎn)物，它可以作為某一種酶的抑制劑，成為細胞代謝途徑中正常調(diào)控的一部分。例如，色氨酸抑制色氨酸合成途徑中第一步反應(yīng)所需酶（鄰氨基苯甲酸合成酶）的催化活性，從而調(diào)節(jié)色氨酸的生物合成。

35、大多數(shù)的抑制劑都是外源物質(zhì)，主要是一些無機離子、小分子有機物和蛋白質(zhì)等，如銀（Ag+）、汞（Hg2+）、鉛（Pb2+）等重金屬離子和胰蛋白酶抑制劑等等。酶的抑制效應(yīng)可以作為藥物在醫(yī)療上發(fā)揮重要作用，但有時又會出現(xiàn)極端現(xiàn)象，危及生命。第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 酶的抑制作用主要有以下兩種類型： （1）不可逆的抑制作用（irreversible inhibition） 抑制劑不可逆地與酶結(jié)合，通常是與酶蛋白中的基團結(jié)合形成共價鍵，使酶失活，不能用透析、超濾等物理方法除去抑制劑而恢復(fù)酶的活性。如抗生素青霉素能夠與細菌細胞壁上的糖肽轉(zhuǎn)肽酶活性部位的絲氨酸殘基結(jié)合，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而不可逆的抑制該酶的活

36、性。 （2）可逆的抑制作用（reversible inhibition） 可逆的抑制作用是指某些抑制劑與酶蛋白的結(jié)合是可逆的，可以用透析法將抑制劑除去，從而恢復(fù)酶的活性。在可逆抑制作用中，抑制劑與游離狀態(tài)的酶之間存在著一種平衡關(guān)系。根據(jù)作用的機制不同，酶的可逆性抑制作用又可以分為三種，即競爭性抑制、非競爭性抑制和反競爭性抑制。 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 競爭性抑制（competitive inhibition） 這是一種抑制劑和底物競爭與酶分子結(jié)合而引起的抑制作用。在這種抑制作用中，抑制劑和底物結(jié)構(gòu)相似，由于酶的活性中心不能和抑制劑及底物同時作用，當(dāng)抑制劑與酶分子結(jié)合后，底物分子就不能再與酶

37、分子結(jié)合。這是一種最為常見的可逆性抑制作用。最為典型的例子是丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制，丙二酸與該酶的正常底物琥珀酸結(jié)構(gòu)上相似，二者可以競爭性的與該酶結(jié)合。琥珀酸和丙二酸結(jié)構(gòu)式如下：第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 競爭性抑制作用可以通過增加底物的濃度來加以解除。這種抑制作用的特點是酶催化反應(yīng)的最大反應(yīng)速度Vmax不變，而米氏常數(shù)Km增大（如圖2-10）。 圖2-10 競爭性抑制作用的特性 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 非競爭性抑制（noncompetitive inhibition） 這種抑制作用是指非競爭性抑制劑可逆的與酶分子上除活性部位以外的其他位點結(jié)合，改變酶分子總的三維形狀，從而引起酶活性降

38、低。非競爭性抑制作用的實例是抑胃酶素對腎素的作用。 由于非競爭性抑制劑是與酶分子活性部位以外的位點結(jié)合，其分子結(jié)構(gòu)可能和底物分子的結(jié)構(gòu)無任何關(guān)系，因此，增加底物濃度也不能解除非競爭性抑制。非競爭性抑制的特點是酶催化反應(yīng)的最大反應(yīng)速度Vmax減小，而米氏常數(shù)Km不變（如圖2-11）。圖2-11 非競爭性抑制作用的特性第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 反競爭性抑制（uncompetitive inhibition） 反競爭性抑制是指只有在底物與酶分子結(jié)合生成中間復(fù)合物后，抑制劑再與中間復(fù)合物結(jié)合才能夠引起的抑制作用。 這類抑制劑不能直接與酶分子結(jié)合，只有當(dāng)?shù)孜锱c酶分子結(jié)合引起酶分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，使抑制

39、劑的結(jié)合部位顯現(xiàn)出來，抑制劑才能結(jié)合，從而產(chǎn)生抑制作用。因此，反競爭性抑制不能通過增加底物濃度來加以解除。反競爭性抑制的特點是酶催化反應(yīng)的最大反應(yīng)速度Vmax和米氏常數(shù)Km同時減小（如圖2-12）。圖2-12 反競爭性抑制作用的特性 第二節(jié) 影響酶促反應(yīng)的因素 為便于比較和掌握，現(xiàn)將可逆抑制作用和無抑制劑作用各種情況下的最大反應(yīng)速度Vmax和米氏常數(shù)Km的變化小結(jié)于表2-2中。表2-2 有無抑制劑存在時酶促反應(yīng)Vmax和Km的變化比較 影響酶促反應(yīng)的因素除上面所述以外，其實還有很多，如壓力、離子輻射等等，這里不再作過多講解。 酶 工 程第三章 酶的發(fā)酵生產(chǎn)第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 一、RN

40、A的生物合成轉(zhuǎn)錄某種細胞能否合成某種酶分子。首先取決于細胞中的遺傳信息載體DNA分子中是否存在有該酶所對應(yīng)的基因。 DNA分子可以通過復(fù)制生成新的DNA，再通過轉(zhuǎn)錄生成對應(yīng)的RNA，然后再翻譯成為多肽鏈，經(jīng)加工而成為具有完整空間結(jié)構(gòu)的酶分子。 轉(zhuǎn)錄是以DNA為模板，以核苷三磷酸為底物，在RNA聚合酶（轉(zhuǎn)錄酶）的作用下，生成RNA的過程。 第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 轉(zhuǎn)錄時，RNA聚合酶首先結(jié)合到DNA的特定位點（啟動基因）上，DNA的雙螺旋鏈部分解開，以其中一條鏈為模板，通過堿基互補方式結(jié)合進第一個核苷三磷酸，然后隨著RNA聚合酶的移動，DNA雙螺旋逐漸解開，按照模板上的堿基順序逐個加入與其

41、互補的核苷三磷酸并聚合而生成多聚核苷酸鏈。在RNA聚合酶后面生成的多聚核苷酸鏈立即與模板分開，DNA分子的兩條鏈又重新纏繞形成雙螺旋。（圖3-1） 圖3-1 RNA的生物合成轉(zhuǎn)錄示意圖轉(zhuǎn)錄生成的DNA按其結(jié)構(gòu)和功能的不同，可以分成mRNA，tRNA和rRNA等3種。第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 二、蛋白質(zhì)的生物合成翻譯 以mRNA為模板，以氨基酸為底物，在核糖體上通過各 種tRNA，酶和輔助因子的作用合成多肽鏈的過程，稱為翻譯。 翻譯是將RNA分子上的堿基排列次序轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯逆溕习被岬呐帕写涡虻倪^程。不同的生物，其翻譯過程有些差別。現(xiàn)已大腸桿菌為例，說明翻譯的基本過程。 翻譯過程分為4個階段。

42、 1.氨基酸活化生成氨酰-tRNA 氨基酸在氨酰-tRNA合成酶的作用下，與特定的tRNA合，生成氨酰-tRNA。此過程由ATP提供能量，其反應(yīng)如下：第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 aa+tRNA+ATP 氨酰-tRNA合成酶 aa-tRNA+AMP+PPi 對于大腸桿菌而言，肽鏈合成時的第一個氨基酸都是甲酰甲硫氨酸。它是在甲硫氨酸與tRNA結(jié)合后，再經(jīng)甲?；伞＜矗?Met+tRNA +ATPMet-tRNA +AMP+PPi Met-tRNA再經(jīng)甲酰轉(zhuǎn)移酶EC2.1.2.9的作用，甲?；杉柞＜琢虬滨?Trna（fMet-tRNA）。 2.肽鏈合成的起始 肽鏈合成的起始階段是在GTP和

43、起始因子(Initiation Factor)的參與下,核糖體30s亞基, fMet-tRNA,mRNA和50s亞基結(jié)合，組成起始復(fù)合物的過程。這一階段包括5個步驟： 第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 （1）30s亞基與起始因子IF3結(jié)合； （2）30s亞基與mRNA結(jié)合，形成30s-IF3-mRNA復(fù)合物 （3）fMet-tRNA與起始因子IF2以及GTP結(jié)合； （4）在起始因子IF1的參與下，fMet-tRNA-IF2-GTP與 30s- IF3-mRNA結(jié)合生成30s起始復(fù)合物，在此30s起始復(fù)合物中，fMet-tRNA正好位于mRNA的起始密碼子AUG上； （5）50s亞基與上述30s起始

44、復(fù)合物結(jié)合，形成具有完整結(jié) 構(gòu)的70s核糖體。在此過程中，同時放出IF1，IF2，IF3，并使GTP水解生成GDP和Pi。在此70s核糖體形成時，fMet-tRNA位于70s核糖體的“P”（肽?；唬?，而它的“A”位（氨酰基位）是空位。第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 蛋白質(zhì)合成的起始階段的示意圖如圖3-2所示。第一節(jié) 酶生物合成的基本理論第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 3肽鏈的延伸 在延伸因子（Elongation Factor）的參與下，與mRNA上密碼子對應(yīng)的氨酰-tRNA進入70s核糖體之中的“A”位。通過肽鏈合成酶的作用，P位上fMettRNAF 的甲酰甲硫氨酰（fMet）與A位上的氨酰-

45、tRNA(aa1-tRNA1)以肽鍵結(jié)合，形成肽酰-tRNA。接著，mRNA和核糖體作相對移動，A位上的肽酰-tRNA轉(zhuǎn)至P位上，而原在P位上的t-RNAF游離出去。然后，根據(jù)mRNA上密碼編排，下一個氨酰-tRNA進入A位，再重復(fù)上述過程，使肽鏈不斷延伸，直至終止密碼子為止。其主要過程如下:第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 （1）延伸因子EF-T與氨酰-tRNA(aa1-tRNA1)以及GTP結(jié)合；（2）aa1-tRNA1進入70s起始復(fù)合物的A位，同時放出EF-T，GDP和Pi;（3）肽合成酶催化P位上的fMet脫離 t-RNA，而與A位上的aa1-tRNA1通過肽鏈結(jié)合，形成肽酰-tRNA(

46、fMet-aa1-tRNA1)；（4）在延伸因子EF-G和GTP的參與下，mRNA與70s核糖體作相對移動，使原在A位上的fMet-aa1-tRNA1位移至P 位，A位成為空位，同時放出EF-G、GDP、Pi以及tRNAF。然后下一個氨酰-tRNA（aa2-tRNA2）進入A位，重復(fù)上述（3）（4）步驟，如此往復(fù)，使肽鏈不斷延伸（圖3-3）。 第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 圖3-3 肽鏈的延伸第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 4肽鏈合成的終止 隨著肽鏈的延伸，mRNA與70s核糖體不斷地作相對移動。當(dāng)mRNA分子中的終止密碼子（UAA，UAG，UGA）移動到核糖體的A位時，沒有相應(yīng)的氨酰-tRNA

47、進入，此時釋放因子（Release Factor）進入A位，并與終止密碼子結(jié)合。據(jù)研究表明，釋放因子有兩種，其中RF-1可與UAA和UAG結(jié)合，而RF-2可與UAA和UGA結(jié)合。在釋放因子進入A位后，已合成的完整肽鏈從P位轉(zhuǎn)至A位時，被釋放出來。隨之70s核糖體解離成為30s亞基和50s亞基，可重新用于下一次肽鏈的合成。 新合成的肽鏈釋放出來后，還需經(jīng)過加工才能形成空間結(jié)構(gòu)的酶或蛋白質(zhì)。加工過程首先需經(jīng)過肽脫甲酰酶的作用，使甲酰甲硫氨酸殘基上的甲酰基除去。有時還需在氨肽酶的作用下，從肽鏈的N-末端切除一個或數(shù)個氨基酸殘基，然后自動折疊卷曲成完整的空間結(jié)構(gòu)。 第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 三、酶

48、生物合成的調(diào)節(jié) 如上所述，酶的生物合成要經(jīng)過一系列的步驟，需要諸多因素的參與。故此，在轉(zhuǎn)錄和翻譯過程中，許多因素都會影響酶的生物合成。那么，究竟哪些因素對酶的生物合成起主要的調(diào)節(jié)控制作用呢？研究結(jié)果表明，至少在原核生物中，甚至在所有生物中，轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)控制對酶的生物合成是至為重要的。 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)控制，又稱為基因的調(diào)節(jié)控制。這種控制理論最早是由雅各（Jacob）和莫諾德(Monod)于1960年提出的操縱子學(xué)說來闡明的，1966年發(fā)現(xiàn)了啟動基因，使這一調(diào)節(jié)控制理論不斷完善。第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 根據(jù)基因調(diào)節(jié)控制理論，在DNA分子中，與酶生物合成有密切關(guān)系的基因有4種。它們是調(diào)節(jié)基因(

49、Regulator gene)、啟動基因(Promoter gene)、操縱基因(Operator gene)和結(jié)構(gòu)基因(Strutural gene)。其中，結(jié)構(gòu)基因與酶有各自的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)構(gòu)基因中的遺傳信息可轉(zhuǎn)錄成mRNA上的遺傳密碼，再經(jīng)翻譯成為酶蛋白的多肽鏈。操縱基因可以特異性地與調(diào)節(jié)基因產(chǎn)生的邊構(gòu)蛋白（阻抑蛋白）中的一種結(jié)構(gòu)結(jié)合，從而操縱酶合成的時機及速度。結(jié)構(gòu)基因與操縱基因一起稱為操縱子。啟動基因決定酶的合成能否開始，啟動基因由兩個位點組成，一個是RNA聚合酶的結(jié)合位點，另一個是環(huán)腺苷酸（cAMP）與環(huán)腺苷酸接受蛋白（CRP）的復(fù)合物（cAMP- CRP）的結(jié)合位點。只有在cAMP

50、- CRP復(fù)合物結(jié)合到啟動基因的位點上時，RNA第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 聚合酶才能結(jié)合到其在啟動基因的位點上，這樣，酶的合成才有可能開始，否則酶就無法開始合成。調(diào)節(jié)基因可以產(chǎn)生一種阻抑蛋白，阻抑蛋白是一種變構(gòu)蛋白,它可以通過與低分子作用物(誘導(dǎo)物或阻遏物)的特異結(jié)合而改變其結(jié)構(gòu)，從而改變它與操縱基因的結(jié)合力。當(dāng)阻抑蛋白結(jié)合到操縱基因上時,RNA聚合酶即使已經(jīng)結(jié)合到啟動基因的位點上,也無法通過操縱基因而進入到結(jié)構(gòu)基因位置,因而無法將遺傳信息轉(zhuǎn)錄到mRNA上,酶就無法合成。只有當(dāng)阻抑蛋白改變結(jié)構(gòu)而不與操縱基因結(jié)合時,RNA聚合酶才有可能通過操縱基因,到達結(jié)構(gòu)基因位置,進行轉(zhuǎn)錄,進而翻譯成酶蛋

51、白多肽鏈。 基因?qū)γ干锖铣傻恼{(diào)節(jié)控制有3種模式。即分解代謝物阻遏作用,酶合成的誘導(dǎo)作用以及酶合成的反饋阻遏作用。第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 1.分解代謝物阻遏作用 分解代謝物阻遏作用是指容易利用的碳源阻遏某些酶(主要是誘導(dǎo)酶)生物合成現(xiàn)象。例如:葡萄糖阻遏-半乳糖苷酶的生物合成,果糖阻遏-淀粉酶的生物合成等。 分解代謝物阻遏作用之所以產(chǎn)生,這是由于容易利用的碳源過量存在時,通過代謝途徑進行降解,放出的能量有一部分儲存在ATP中，ATP是由ADP和AMP通過磷酸化作用生成的。這樣細胞內(nèi)ATP濃度增加，就使AMP濃度降低。由于cAMP可通過磷酸二酯酶作用，水解生成AMP。cAMP+H2O 磷酸

52、二酯酶 AMP 同時，cAMP的生成受阻，從而致使細胞中cAMP的濃度隨AMP濃度的降低而降低。這必然使cAMP-CRP復(fù)合物的濃度也跟著降低。結(jié)果,在啟動基因(P)上沒有cAMP-CRP復(fù)合物結(jié)合,RNA聚合酶也就無法結(jié)合啟動基因的位點上.就使結(jié)構(gòu)基因(S)上的遺傳信息無法轉(zhuǎn)錄,酶的生物合成無法進行。第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 當(dāng)容易利用的碳源不存在或被細胞用完后,隨著細胞中ATP濃度的下降,而使ADP、AMP、cAMP的濃度增加。當(dāng)cAMP-CRP的濃度增加到一定量的時候，cAMP-CRP復(fù)合物結(jié)合到啟動基因的特定位點上，RNA聚合酶也隨著結(jié)合到它的位點上，酶的生物合成就有可能進行。 由

53、此可見，分解代謝物阻遏作用及該阻遏作用的解除，實質(zhì)是cAMP通過啟動基因?qū)γ干锖铣傻恼{(diào)節(jié)控制。 為此，在培養(yǎng)基中控制好容易利用的碳源的量，或在容易利用的碳源過剩時加進一定量的cAMP，均可防止或解除分解代謝物阻遏作用。 第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 2酶生物合成的誘導(dǎo)作用 加進某中物質(zhì),使酶的生物合成開始或加速進行的過程,稱為酶生物合成的誘導(dǎo)作用。簡稱為誘導(dǎo)作用。起誘導(dǎo)作用的物質(zhì)，稱為誘導(dǎo)劑。例如，乳糖誘導(dǎo)半乳糖苷酶的合成等。 酶生物合成的誘導(dǎo)作用過程如圖3-4所示。 第一節(jié) 酶生物合成的基本理論第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 圖3-4酶生物合成的誘導(dǎo)作用（A）-無誘導(dǎo)物時 （B）-添加誘導(dǎo)物

54、時(B)第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 在無誘導(dǎo)物存在時，調(diào)節(jié)基因（R）產(chǎn)生的阻抑蛋白與操縱基因（O）的結(jié)合力較強，當(dāng)它們結(jié)合時，就使已經(jīng)在啟動基因（P）上的RNA聚合酶無法經(jīng)過操縱基因位置而進入結(jié)構(gòu)基因（S）的位置。因此遺傳信息無法轉(zhuǎn)錄，酶不能合成。 當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時，誘導(dǎo)物與阻抑蛋白結(jié)合在一起，使阻抑蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使之與操縱基因的結(jié)合力減弱。阻抑蛋白不能與操縱基因結(jié)合，就使RNA聚合酶可以順利通過操縱基因位置而到達結(jié)構(gòu)基因位置。進行轉(zhuǎn)錄生成mRNA，再進一步翻譯成酶蛋白多肽鏈。 第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 3酶生物合成的反饋阻遏作用 酶生物合成的反饋阻遏作用又稱為產(chǎn)物阻遏作用，指的是酶

55、催化作用的產(chǎn)物或代謝途徑的末端產(chǎn)物使該酶的生 物合成受阻的過程。引起反饋阻遏的物質(zhì)，稱為共阻遏物。例如，無機磷酸是堿性磷酸酶的催化磷酸單酯水解的產(chǎn)物，而它的過量存在，卻可阻遏堿性磷酸酶的生物合成；組氨酸作為組氨酸合成途徑的終產(chǎn)物，它的過量積累卻反過來對其合成途徑中的10種酶的生物合成均起反饋阻遏作用。 反饋阻遏作用的機理與誘導(dǎo)合成的機理相似。 如圖3-5所示。第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 圖3-5 酶生物合成的反饋阻遏作用（A）-無阻礙物時 （B）-有阻礙物時第一節(jié) 酶生物合成的基本理論 在沒有共阻遏物存在時，調(diào)節(jié)基因（R）產(chǎn)生的阻抑蛋白與操縱基因（O）的親和力弱，不能與操縱基因結(jié)合，所以已結(jié)

56、合在啟動基因（P）上的RNA聚合酶能順利通過操縱基因位置到達結(jié)構(gòu)基因（S）位置，進行轉(zhuǎn)錄，進而合成酶蛋白多肽鏈。 當(dāng)共阻遏物達到一定濃度時，阻抑蛋白與共阻遏物特導(dǎo)結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而使阻抑蛋白與操縱基因的親和力增強。當(dāng)阻抑蛋白結(jié)合到操縱基因上時，就阻止RNA聚合酶通過，結(jié)果，結(jié)構(gòu)基因上的遺傳信息無法轉(zhuǎn)錄，這就使酶的合物合成受阻。第二節(jié) 酶發(fā)酵生產(chǎn)常用的微生物 任何生物都能在一定條件下合成某些酶。但是并不是所有的細胞都能用于酶的發(fā)酵生產(chǎn)。一般說來，能用于酶發(fā)酵生產(chǎn)的細胞必需具備如下幾個條件：（1）酶的產(chǎn)量高。優(yōu)良的產(chǎn)酶細胞首先要具有高產(chǎn)的特性，才有較好的開發(fā)應(yīng)用價值。高產(chǎn)細胞可以通過篩選、

57、誘變、或采用基因工程、細胞工程等技術(shù)而獲得。（2）容易培養(yǎng)和管理。要求產(chǎn)酶細胞容易生長繁殖，并且適應(yīng)性較強，易于控制便于管理。（3）產(chǎn)酶穩(wěn)定性好。在通常的生產(chǎn)條件下，能夠穩(wěn)定地用于生產(chǎn)，不易退化。一旦細胞退化，要經(jīng)過復(fù)壯處理，使其恢復(fù)產(chǎn)酶性能。（4）利于酶的分離純化。發(fā)酵完成后，需經(jīng)分離純化過程，才能得到所需的酶。這就要求產(chǎn)酶細胞本身及其它雜質(zhì)易于和酶分離。（5）安全可靠。要求使用的細胞及其代謝物安全無毒，不會影響生產(chǎn)人員和環(huán)境，也不會對酶的應(yīng)用產(chǎn)生其他不良影響。第二節(jié) 酶發(fā)酵生產(chǎn)常用的微生物 現(xiàn)在大多數(shù)酶都采用微生物細胞進行發(fā)酵生產(chǎn)。微生物具有種類多，繁殖快，容易培養(yǎng)代謝能力強等特點，有不少

58、性能優(yōu)良的產(chǎn)酶菌株已在酶的發(fā)酵生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)把常用的產(chǎn)酶微生物簡介如下： 一、枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis） 枯草芽孢桿菌是應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)酶微生物之一。 枯草桿菌是芽孢桿菌屬細菌。細胞成干狀，大小為（0.70.8）*（23），單個，無莢膜，周生鞭毛，運動，革蘭氏染色陽性。菌落粗糙，不透明，污白色或微帶黃色。此菌用途很廣，可用于生產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶、葡聚糖酶、堿性磷酸酶等。例如，枯草桿菌BF7658是國內(nèi)用于生產(chǎn)淀粉酶的主要菌株；枯草桿菌AS1.398可用于生產(chǎn)中性蛋白酶和堿性磷酸酶?？莶輻U菌生產(chǎn)的淀粉酶和蛋白酶都是胞外酶。而堿性磷酸酶存在于細胞間質(zhì)之中。 第二節(jié) 酶發(fā)酵生

59、產(chǎn)常用的微生物 二、大腸桿菌（Escherichia coli） 大腸桿菌細胞呈桿狀，大小為0.5 *（1.03.0），革蘭氏染色陰性，無芽孢，菌落從白色到黃白色，光滑閃光，擴展。 大腸桿菌可生產(chǎn)多種多樣的酶，一般都屬于胞內(nèi)酶，需經(jīng)過細胞破碎才能分離得到。例如 ，谷氨酸脫羥酶，用于測定谷氨酸含量或生產(chǎn)r氨基丁酸；天冬氨酸酶，催化延胡索酸加氨生成L天冬氨酸；芐青霉素?；福a(chǎn)新的半合成青霉素或頭孢霉素；半乳糖甘酶，用于分解乳糖；限制性核酸內(nèi)切酶、DNA聚合酶、DNA連接酶、核酸外切酶，在基因工程方面應(yīng)用。第二節(jié) 酶發(fā)酵生產(chǎn)常用的微生物 三、黑曲霉（Aspergillus niger） 黑曲霉是

60、曲霉屬黑曲霉群霉菌。菌絲體由具橫隔的分枝菌絲構(gòu)成，菌叢黑褐色，頂囊球形，小梗雙層，分生孢子球形，平滑或粗糙。 黑曲霉可用于生產(chǎn)多種酶，有胞外酶也有胞內(nèi)酶。如糖化酶、淀粉酶、酸性蛋白酶、果膠酶、葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶、核糖核酸酶、脂肪酶、纖維素酶、橙皮苷酶、柚苷酶等。第二節(jié) 酶發(fā)酵生產(chǎn)常用的微生物 四、米曲霉（Aspergillus oryzae） 米曲霉是曲霉屬黃曲霉叢霉菌。菌叢一般為黃綠色，后變?yōu)辄S褐色，分生孢子頭呈放射形，頂囊球形或瓶形，小梗一般為單層，分生孢子球形，平滑少數(shù)有刺，分生孢子梗長2mm左右，粗糙。 米曲霉可用于生產(chǎn)糖化酶和蛋白酶，這在我國傳統(tǒng)的酒曲和醬油中得到廣泛應(yīng)用。此外