酶工程-01-酶和酶工程概論1

1、酶 工 程Enzyme Engineering課 程 簡 介本課程講授酶學和酶工程的相關(guān)知識，包括酶的生產(chǎn)、酶的改性以及酶的應(yīng)用。課程性質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)課，48學時，3學分適用對象：生物工程專業(yè)先修課程有機化學、生物化學、微生物學、發(fā)酵工程后續(xù)課程畢業(yè)論文（設(shè)計）課 程 簡 介教學目的和要求以酶學的內(nèi)容為基礎(chǔ)，酶的工程應(yīng)用為主，融入各章節(jié)內(nèi)容中。通過本課程的學習，要求系統(tǒng)地掌握酶的生產(chǎn)、改性與應(yīng)用的技術(shù)過程。理解和掌握酶工程的主要理論、概念，掌握酶工程的研究方法，熟悉工程應(yīng)用。了解相關(guān)的新進展。考核方式期末筆試（閉卷）課 程 簡 介課程主要內(nèi)容酶和酶工程概論（第一章）酶的生產(chǎn)微生物發(fā)酵產(chǎn)酶（第二章）

2、動植物細胞培養(yǎng)產(chǎn)酶（第三章）酶的提取與分離純化（第四章）酶的改性酶分子修飾（第五章）酶、細胞、原生質(zhì)體固定化（第六章）酶非水相催化（第七章）酶定向進化（第八章）酶的應(yīng)用酶反應(yīng)器（第九章）酶的應(yīng)用（第十章）課 程 簡 介教材和教學參考書教材：酶工程（第四版），郭勇編著，科學出版社，2016.課 程 簡 介教材和教學參考書參考：酶工程（第三版），郭勇編著，科學出版社，2009課 程 簡 介教材和教學參考書教學參考書酶工程（第二版），羅貴民主編，化學工業(yè)出版社，2008現(xiàn)代酶學（第二版），袁勤生主編，華東理工大學出版社，2001酶學原理與酶工程，周曉云主編，中國輕工業(yè)出版社，2007酶 工 程Enz

3、yme Engineering第 一 課酶 和 酶 工 程 概 論酶 和 酶 工 程 概 論酶（enzyme）定義：活細胞產(chǎn)生的一類具有催化功能的生物分子，又稱為生物催化劑。分類：蛋白類酶（protein enzyme，P酶）由蛋白質(zhì)構(gòu)成，部分含有金屬及輔基，不含核酸成分。核酸類酶（RNA enzyme，R酶）是具有催化能力的RNA分子內(nèi)催化和分子間催化酶 和 酶 工 程 概 論酶工程（enzyme engineering）將酶或者微生物細胞、動植物細胞、細胞器等在一定的生物反應(yīng)裝置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段將相應(yīng)的原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)并應(yīng)用于社會生活的一門科學技術(shù)。現(xiàn)代酶學理

4、論與化工技術(shù)的交叉。應(yīng)用領(lǐng)域：食品工業(yè)輕工業(yè)醫(yī)藥工業(yè)酶 和 酶 工 程 概 論本章主要內(nèi)容酶的基本概念和發(fā)展歷史酶催化作用特點影響酶催化作用的因素酶的分類與命名酶的活力測定酶的生產(chǎn)方法酶工程發(fā)展概況酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史遠古時代 古老的“食品工業(yè)”中國夏禹時代：釀酒、釀醋 粬醪、醴、麴(曲，粬)兩周時代：飴糖、食醬、腌菜豆：兩周時代的重要禮器和食器，盛放腌菜公元十世紀：制豆醬 利用曲霉中的蛋白酶水解豆類蛋白得到春秋戰(zhàn)國時代：用麴治療消化不良的疾病酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史遠古時代 古老的“食品工業(yè)”古埃及、古巴比倫時代：麥粉發(fā)酵釀造啤酒磨粉、去糠

5、、打碎麥芽萌發(fā)、浸潤成酒發(fā)酵、裝瓶酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史近代 十八世紀始，酶學的萌芽和初步發(fā)展18世紀中后期，法國科學家Raumur（雷默爾）buzzard（禿鷹）的胃液對肉塊具有消化作用，這是一種化學變化而非物理變化過程（如溶解），而且這個化學變化是在很“溫和”的條件下實現(xiàn)的。1783年，Spallazani（斯帕拉扎尼）通過實驗闡明了不僅鳥的胃液，其它動物和人的胃液也有類似的消化作用，這個作用還與溫度、胃液加量有關(guān)，而且在體外是不穩(wěn)定的，活性會逐漸喪失。最早的酶學實驗。酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史近代 十八世紀始，酶學的萌芽和初步發(fā)展19世紀中

6、葉，Pasteur認為酵母中存在一種使葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精的物質(zhì)，但他認為只有活的酵母細胞才能進行發(fā)酵。1878年，Khne（昆尼）“Enzyme” 的誕生：En（在）+ Zyme（酵母），表示酶在酵母中。昆尼首次將酵母中進行乙醇發(fā)酵的物質(zhì)稱之為酶，來此希臘文，意思是“在酵母中”酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史近代 十八世紀始，酶學的萌芽和初步發(fā)展1894年，Takamine Joichi（高峰讓吉）利用米霉菌固體培養(yǎng)法生產(chǎn)高峰淀粉酶（第一個商品酶制劑），其方法至今仍被采用。1896年（另一說1897年），Buchner（巴克納）兄弟發(fā)現(xiàn)酵母粗提液也能將糖發(fā)酵成酒精；表明起作用的非

7、細胞本身，在細胞外也可以發(fā)生作用。此項發(fā)現(xiàn)促進了酶的分離和對其理化性質(zhì)的研究，也促進了生命過程中酶系統(tǒng)的研究。一般認為酶學研究始于此。Buchner獲得了1911年諾貝爾化學獎。酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史近代 酶作用動力學說的提出1902年，Henri （亨利） 中間產(chǎn)物學說 底物轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物之前，必須先與酶形成復(fù)合物1913年，Michaelis（米徹利斯）和Menten（曼吞）根據(jù)上述學說，推導(dǎo)出酶促反應(yīng)動力學方程 米氏方程 酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史近代 酶的本質(zhì)和結(jié)構(gòu)研究1926年，J. Sumner（薩姆納）從刀豆中提取脲酶（urease），

8、首次獲得酶的結(jié)晶體1937年又獲得過氧化氫酶結(jié)晶證實了酶是蛋白質(zhì)獲得1946年諾貝爾化學獎酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史現(xiàn)代酶學 快速發(fā)展時期核酸類酶（Ribozyme）的發(fā)現(xiàn)1982年，Cech（切克）發(fā)現(xiàn)四膜蟲的26S rRNA前體在完全沒有蛋白質(zhì)的情況下進行自我加工，催化得成熟的rRNA。1983年，Atman（阿爾特曼）等人發(fā)現(xiàn)核糖核酸酶P中的RNA組分M1 RNA具有核糖核酸酶的催化活性，單獨催化tRNA前體切除部分核苷酸而成為成熟的tRNA。Thomas Cech酶 和 酶 工 程 概 論酶的基本概念和發(fā)展歷史現(xiàn)代酶學 快速發(fā)展時期核酸類酶發(fā)現(xiàn)的重大意義RNA具有

9、酶的催化活性，向酶的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)這一傳統(tǒng)概念提出了挑戰(zhàn)。在理論上，對于生物起源和生命進化的研究具有重要啟示。核酸類酶具有內(nèi)切酶活性，可定點切割mRNA，破壞mRNA，抑制基因表達，為基因、病毒和腫瘤治療提供了可行途徑。給酶下一個新概念？酶是具有生物催化功能的生物大分子。酶的分類？蛋白類酶和核酸類酶。蛋白類酶分子中起催化作用的主要組分是（），核酸類酶分子中起催化作用的主要組分是（）。填空練習題：蛋白質(zhì)核糖核酸（RNA）第一節(jié) 小結(jié)酶 和 酶 工 程 概 論第二節(jié) 酶催化作用的特點催化劑的共性用量少而催化效率高；能夠改變化學反應(yīng)的速率，但是不能改變化學反應(yīng)平衡；降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)的

10、進行；一般要與反應(yīng)物形成過渡態(tài)。酶催化反應(yīng)的特性專一性強催化效率高催化反應(yīng)的條件溫和酶 和 酶 工 程 概 論酶催化作用的特點一催化作用的專一性專一性：一定條件下，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。絕對專一性：一種酶只能催化一種底物進行一種反應(yīng)。相對專一性：一種酶催化一類結(jié)構(gòu)相似的底物進行某種相同類型的反應(yīng)。絕對專一性：一種酶只能催化一種底物進行一種反應(yīng)構(gòu)型專一性 立體異構(gòu)選擇性如：乳酸脫氫酶催化丙酮酸進行加氫反應(yīng)生成的產(chǎn)物是L-乳酸。而D-乳酸脫氫酶催化丙酮酸生成的是D-乳酸。專一底物 如脲酶催化尿素的分解反應(yīng)相對專一性：一種酶催化一類結(jié)構(gòu)相似的底物進行某種相同類

11、型的反應(yīng)。鍵專一性 作用于相同化學鍵的一類底物，如酯酶基團專一性 作用于相同基團的一類底物，如胰蛋白酶，水解含有賴氨酰或精氨酰羰基的肽鍵，如酰胺類、脂類、蛋白質(zhì)等等都可被胰蛋白酶水解。酶 和 酶 工 程 概 論補充：為什么酶催化具有專一性？酶催化作用專一性的“三個學說”“三點結(jié)合”的催化理論鎖鑰學說誘導(dǎo)契合學說酶 和 酶 工 程 概 論酶催化作用專一性的相關(guān)學說1、“三點結(jié)合”的催化理論酶與底物的結(jié)合處至少有三個點，而且只有一種情況是完全結(jié)合的形式。只有這種情況下，催化作用才能實現(xiàn)。酶 和 酶 工 程 概 論酶催化作用的特點專一性酶催化作用專一性的相關(guān)學說2、鎖鑰學說整個酶分子的天然構(gòu)象是剛性

12、的，酶表面具有特定的形狀酶與底物的結(jié)合，如同一把鑰匙對一把鎖一樣。酶 和 酶 工 程 概 論酶催化作用的特點酶催化作用專一性的相關(guān)學說3、誘導(dǎo)契合學說該學說認為酶表面并沒有一種與底物互補的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補形狀。酶 和 酶 工 程 概 論酶催化作用的特點二酶催化作用效率高酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高1071013倍例如：H2O2的分解反應(yīng)Fe3+催化，效率為610-4 mol/(mols)過氧化氫酶催化，效率為6106 mol/(mols)過氧化氫酶將H2O2分解反應(yīng)的活化能從75.24 kJmol-1 降低到8.36 kJmol-1非酶催化劑鈀，將H2O2分解反應(yīng)的活

13、化能從75.24 kJmol-1 降低到48.94 kJmol-1活化能？酶 和 酶 工 程 概 論酶催化作用的特點酶催化作用效率高活化能：在一定溫度條件下，1mol的初態(tài)分子轉(zhuǎn)化為活化分子所需的自由能稱為活化能，單位J/mol。酶與非酶催化時所需的活化能示意圖圖中酶催化反應(yīng)和非酶催化反應(yīng)的活化能差異顯著非酶催化反應(yīng)酶催化反應(yīng)活化能反應(yīng)過程酶 和 酶 工 程 概 論酶催化作用的特點三酶促反應(yīng)條件溫和酶促反應(yīng)一般在pH 58水溶液中進行，溫度范圍為2040 oC，即通常的生理條件；高溫或其它苛刻的物理或化學條件，將引起酶的失活。原因：酶催化所需活化能低。酶是生物大分子，易變性而失活。酶 和 酶

14、工 程 概 論第三節(jié) 影響酶催化作用的因素底物濃度酶濃度溫度反應(yīng)體系pH值抑制劑激活劑酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素一底物濃度對酶活的影響米氏方程（米徹利斯和曼吞）當?shù)孜餄舛容^低時，酶促反應(yīng)速率與底物濃度成正比，符合一級反應(yīng)動力學。當?shù)孜餄舛群芨邥r，反應(yīng)速率不隨底物濃度的改變而變化，符合零級反應(yīng)動力學。酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素二酶濃度的影響在底物濃度足夠高的情況下，酶催化反應(yīng)速率與酶濃度成正比：酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素三溫度對酶反應(yīng)速率的影響表現(xiàn)：影響酶的穩(wěn)定程度，酶蛋白在過高溫度下將發(fā)生熱變性；影響最大反應(yīng)速率；影響酶和底物的結(jié)合；

15、影響酶和底物分子中某些解離基團的pKa值。酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素最適溫度（optimum temparature）酶反應(yīng)速率隨著溫度的升高達到一個最大值時所對應(yīng)的溫度。它不是酶催化反應(yīng)的特征值，受作用時間、底物濃度、酶濃度及反應(yīng)的pH等條件影響。溫度提高時，在反應(yīng)速率增加的同時，酶蛋白變性失活的速率也迅速增加，所謂的最適溫度，實際上是這兩種因素綜合影響的結(jié)果。酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素四pH值對酶反應(yīng)速率的影響多數(shù)情況下，酶反應(yīng)速度隨pH的變化呈鐘罩形曲線。最適pH（optimum pH）酶反應(yīng)速率隨pH變化達到最大值時所對應(yīng)的pH值。不是常數(shù)，受許

16、多因素影響。酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素pH對酶及其反應(yīng)系統(tǒng)的影響表現(xiàn)：1、改變酶空間構(gòu)象，使酶可逆或不可逆變性失活當酶液的pH值恢復(fù)到最適pH時，活力可完全恢復(fù)的稱為可逆失活，反之，則稱為不可逆失活。2、改變反應(yīng)系統(tǒng)的組成成分，主要是影響酶、底物和酶底物復(fù)合物的結(jié)合/解離狀態(tài)。影響酶活性中心基團的解離狀態(tài)，使底物不能分解為產(chǎn)物；影響酶分子中底物結(jié)合部位的解離狀態(tài)，使其不能與底物結(jié)合；影響底物的解離狀態(tài)，使底物不能與酶相結(jié)合，或結(jié)合后不能生成產(chǎn)物。酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素五抑制劑對酶反應(yīng)速率的影響凡能降低酶催化反應(yīng)速率的物質(zhì)都稱之為抑制劑抑制劑與酶的必需

17、基團（包括活性基團及輔基）結(jié)合，改變其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，引起酶反應(yīng)速率下降。（抗壞血酸抑制蔗糖酶）抑制劑對酶有選擇性，不包括酶蛋白的水解及變性失活作用。酶抑制劑的特點:在化學結(jié)構(gòu)上與被抑制的底物分子或底物的過渡狀態(tài)相似能夠與酶的活性中心以非共價或共價的方式形成比較穩(wěn)定的復(fù)合物酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素抑制劑抑制類型不可逆抑制抑制劑與酶的活性中心發(fā)生了化學反應(yīng)，或共價地連接到酶分子的必需基團上，阻礙了底物的結(jié)合或破壞了酶的催化基團。不能用透析或稀釋的方法除去抑制劑，酶活性難以恢復(fù)。可逆抑制作用與時間有關(guān)?？赡嬉种埔种苿┡c酶蛋白以解離平衡為基礎(chǔ)，以非共價方式結(jié)合，引起酶活性暫時性喪失

18、。抑制劑可以通過物理方法（如透析等）被除去，并且能部分或全部恢復(fù)酶的活性。可逆抑制作用與時間無關(guān)。酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素可逆抑制作用的類型競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素競爭性抑制：是指抑制劑和底物競爭與酶分子結(jié)合而引起的抑制作用。抑制劑In和底物S對游離酶E的結(jié)合有競爭作用，互相排斥。酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素競爭性抑制的速率曲線酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素非競爭性抑制：是指抑制劑與底物分別與酶分子上的不同位點結(jié)合而引起酶活性降低的抑制作用。酶可同時與底物及抑制劑結(jié)合，引起酶分子構(gòu)象變化，并導(dǎo)致酶活性下降。這類物質(zhì)并不是與底物競爭酶的活性中心，而是與非活性中心結(jié)合，所以稱為非競爭性抑制劑。酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素非競爭性抑制的速率曲線酶 和 酶 工 程 概 論影響酶催化作用的因素反競爭性抑制：是指在底物與酶分子結(jié)合生產(chǎn)中間復(fù)合物后，抑制劑再與中間復(fù)合物結(jié)合而引起的抑制作用。抑制劑In不能和游離酶結(jié)合，只和酶底物復(fù)合物ES結(jié)合成無活性的三元