酶工程原理與技術(shù) 第一章緒論課件

酶工程韶關(guān)學(xué)院生科院Office:英東樓B-301Email:yil1001@163.comMp662492第一章緒論2學(xué)時(shí)酶的基本概念與發(fā)展史酶催化作用的特點(diǎn)影響酶催化作用的因素酶的分類與命名酶的活力測(cè)定酶的生產(chǎn)方法酶工程發(fā)展概況與前景第一節(jié)酶的基本概念與發(fā)展史酶：酶的改性：通過(guò)各種方法改進(jìn)酶的催化特性的技術(shù)過(guò)程酶工程：酶的生產(chǎn)、改性與應(yīng)用的技術(shù)過(guò)程。酶的生產(chǎn)：酶的改性：通過(guò)各種方法改進(jìn)酶的催化特性的技術(shù)過(guò)程酶的應(yīng)用：通過(guò)酶催化獲得所需產(chǎn)品或去除雜質(zhì)，或獲得所需的信息的技術(shù)過(guò)程。酶的轉(zhuǎn)換系數(shù)：每個(gè)酶分子每分鐘催化催化底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的分子數(shù)，又稱摩爾催化活性。酶的認(rèn)識(shí)及其生物學(xué)意義遠(yuǎn)古時(shí)代的利用，中國(guó)。1752年，法國(guó)物理學(xué)家列.奧米爾作鷹飼實(shí)驗(yàn)1833年，佩恩(Payen)和帕索茲(Persoz)首先發(fā)現(xiàn)酶；麥芽淀粉酶1857年，巴斯德(Pasteur)提出酒精發(fā)酵是酵母細(xì)胞活動(dòng)的結(jié)果；1878年，庫(kù)內(nèi)(Künne)提出“酶”（Enzyme)這個(gè)名稱；1897年，巴克納(Büchner)兄弟成功地用不含細(xì)胞的酵母汁實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵，證明了發(fā)酵與細(xì)胞無(wú)關(guān)；1913年，米徹利斯(Michaelis)提出了酶的動(dòng)力學(xué)說(shuō)；1926年，薩姆納(Sumner)第一次從刀豆中提出脲酶結(jié)晶，并證明酶具有蛋白質(zhì)性質(zhì)；1930年，Northrop分離出結(jié)晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及凝乳蛋白酶，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)探討，確立了酶的蛋白質(zhì)本質(zhì)。1982年，切克(Cech)等發(fā)現(xiàn)核糖體(RNA)也具有催化活性。1986年，1984年列那(Lerner)和(Schultz)發(fā)現(xiàn)抗體酶。1991年，發(fā)現(xiàn)DNA核酸酶。酶：即生物催化劑，是由活細(xì)胞產(chǎn)生的，在細(xì)胞內(nèi)、外一定條件下都能起催化作用的具有高效率和高度專一性的一類特殊蛋白質(zhì)。酶能在機(jī)體內(nèi)十分溫和的條件下高效率地起催化作用，使得生物體內(nèi)的各種物質(zhì)處于不斷的新陳代謝中。酶的專一性：根據(jù)酶專一性的嚴(yán)格程度，可分兩類：（1）絕對(duì)專一性（2）相對(duì)專一性酶的專一性的確定步驟:（1）作用底物，反應(yīng)條件；（2）試驗(yàn)底物濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響，確定米氏常數(shù)Km；（3）同條件下，其他底物，試驗(yàn)該酶是否專一。注意問(wèn)題:乳酸脫氫酶D-乳酸脫氫酶天門冬氨酸氨裂合酶第三節(jié)影響酶催化作用的因素酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容，復(fù)習(xí)生化內(nèi)容，不講。只有使這些條件達(dá)到最佳，才能最大限度發(fā)揮酶的催化功能。第四節(jié)酶的分類與命名一、習(xí)慣命名法二、系統(tǒng)命名法國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)，1956成立酶的分類與命名：1961（1964/1972/1984）基礎(chǔ)：酶的專一性酶：推薦名

葡萄糖氧化酶

系統(tǒng)名根據(jù)酶促反應(yīng)的底物與反應(yīng)類型

?-D-葡萄糖，氧1-氧化還原酶

[EC]國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)反應(yīng)類型三、核酶的發(fā)現(xiàn)與分類

1982年，ThomasR.Cech等人發(fā)現(xiàn)四膜蟲(chóng)細(xì)胞的26SrRNA前體具有自我剪接功能，將這種具有催化活性的天然RNA稱為核酶—Ribozyme。1983年，Altman等人發(fā)現(xiàn)核糖核酸酶P的RNA組分具有加工tRNA前體的催化功能。而RNaseP中的蛋白組分沒(méi)有催化功能，只是起穩(wěn)定構(gòu)象的作用。

第五節(jié)酶活力的測(cè)定酶活力，即酶的活性，是指酶催化一定化學(xué)反應(yīng)的能力。酶促反應(yīng)速度，單位是：濃度/單位時(shí)間酶促反應(yīng)速度曲線：酶活力測(cè)定：采用各種方法測(cè)定酶量多少的方法。一、酶活力測(cè)定方法：要求：快速，準(zhǔn)確，簡(jiǎn)便，多樣兩個(gè)階段：1、酶+底物混合一段時(shí)間2、測(cè)定底物或產(chǎn)物量的變化。步驟：（1）配制底物溶液（2）確定反應(yīng)條件（3）反應(yīng)開(kāi)始，記時(shí)間（4）測(cè)定產(chǎn)物的生產(chǎn)量或底物的減少量三、固定化酶的活力測(cè)定固定化酶：與水不溶性載體結(jié)合，在一定范圍內(nèi)其催化作用的酶。其活力測(cè)定方法：（1）振蕩測(cè)定法（2）柱法測(cè)定（3）連續(xù)測(cè)定（4）固定化酶的比活力測(cè)定（5）酶結(jié)合效率與酶活力回收率的測(cè)定酶的結(jié)合效率：吸附的總活力比加入的總活力。酶的回收率：回收后的總活力比回首前的總活力。對(duì)于固定化酶則用固定后的總活力比用于固定化的總活力。（6）相對(duì)酶活力測(cè)定形同酶量的固定化酶中游離酶的活力。力第六節(jié)酶工程發(fā)展概況與前景酶工程是生物技術(shù)的重要組成部分酶工程的研究?jī)?nèi)容酶和酶工程研究的重要意義酶和酶工程研究進(jìn)展古代酶的應(yīng)用的是無(wú)意識(shí)的不自覺(jué)行為，19世紀(jì)才成為自覺(jué)的應(yīng)用。1908年羅姆用胰蛋白酶軟化皮革，波伊定用淀粉酶?jìng)€(gè)不退漿；1911年木瓜蛋白酶澄清啤酒（華勒斯坦）。1949年深層發(fā)酵，酶制劑工業(yè)化發(fā)端（日）。20世紀(jì)50年代：大規(guī)模的酶工業(yè)化生產(chǎn)建立；60年代：酶固定化，酶分子化學(xué)修飾，酶電極問(wèn)世，酶標(biāo)免疫技術(shù)建立；70年代：微生物細(xì)胞固定化；80年代：動(dòng)植物細(xì)胞固定化；近年來(lái)，抗體酶，人工酶和模擬酶研究。1990’s后，酶的改性和修飾，酶定向進(jìn)化和蛋白質(zhì)工程技術(shù)的出現(xiàn)，將推動(dòng)酶工程快速發(fā)展，前景光明。

一、酶工程是生物技術(shù)的重要組成部分酶工程與發(fā)酵工程、基因工程和細(xì)胞工程具有密切的聯(lián)系，相互依存，相互促進(jìn)，構(gòu)成完整的生物技術(shù)。常規(guī)菌（或常規(guī)細(xì)胞株）改造物種

生物工程（學(xué)）工程菌（或工程細(xì)胞株）

商品生產(chǎn)大量生產(chǎn)：經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益基因工程、細(xì)胞工程發(fā)酵工程、酶工程、生物反應(yīng)器工程二、酶工程的主要研究?jī)?nèi)容

酶工程是酶學(xué)基本原理與化學(xué)工程相結(jié)合而形成的一門新興的技術(shù)科學(xué)。研究酶制劑大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用所涉及的理論與技術(shù)方法。酶的微生物發(fā)酵動(dòng)物和植物培養(yǎng)產(chǎn)酶酶的分離純化技術(shù)酶分子的修飾：酶、細(xì)胞和原生質(zhì)體的固定化有機(jī)介質(zhì)中的酶反應(yīng)（非水相催化）酶定向進(jìn)化酶?jìng)鞲衅髅阜磻?yīng)器酶的應(yīng)用四、酶和酶工程研究進(jìn)展酶的應(yīng)用研究

20世紀(jì)50年代：大規(guī)模的酶工業(yè)化生產(chǎn)建立；

60年代：酶固定化，酶分子化學(xué)修飾，酶電極問(wèn)世，酶標(biāo)免疫技術(shù)建立；

70年代：微生物細(xì)胞固定化；

80年代：動(dòng)植物細(xì)胞固定化；近年來(lái)，抗體酶，人工酶和模擬酶研究。continue酶的理論研究新酶的發(fā)現(xiàn)和鑒定酶一級(jí)結(jié)構(gòu)與活力的關(guān)系酶分子高級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定酶活性部位結(jié)構(gòu)與催化機(jī)理核酶的發(fā)現(xiàn)（ribozyme)

已發(fā)現(xiàn)的酶有3000多種，數(shù)千種酶被鑒定，數(shù)百種酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)被測(cè)定；每年都有新酶被發(fā)現(xiàn)，每年都有不少酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)被測(cè)定。

化學(xué)修飾法是研究酶一級(jí)結(jié)構(gòu)與活力關(guān)系的主要方法之一，近年來(lái)發(fā)展了一些新的研究技術(shù)：

過(guò)度態(tài)類似物技術(shù)；

自殺性底物技術(shù)；

基因定位突變技術(shù)；

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等。

一部分酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被測(cè)定，但絕大多數(shù)酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)仍沒(méi)有確定。X-射線晶體結(jié)構(gòu)分析仍然是十分有效的方法；近年來(lái)，二維核磁共振技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可用于測(cè)定溶液中酶分子的構(gòu)象及其變化過(guò)程。

酶活性中心結(jié)構(gòu)及其催化機(jī)理的研究是酶學(xué)研究中最核心的問(wèn)題。應(yīng)用X-射線晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究酶-底物（底物類似物）復(fù)合物結(jié)構(gòu)，可以確定酶活性部位結(jié)構(gòu)以及酶分子與底物分子的結(jié)合情況；應(yīng)用二維核磁共振技術(shù)可以酶活性部位解離基團(tuán)的pK值以及催化過(guò)程中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移情況；電子計(jì)算機(jī)編程研究酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，對(duì)酶與底物的作用方式以及底物反應(yīng)過(guò)程中酶分子的可能存在形式作出判斷；應(yīng)用隧道電鏡技術(shù)可以觀察酶催化過(guò)程中質(zhì)子轉(zhuǎn)移和電子轉(zhuǎn)移的情況

近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)生物體中的一些RNA具有催化作用，具有酶的類似性質(zhì)，可以切割特異性RNA序列。這一重大發(fā)現(xiàn)對(duì)于生命的起源和生物進(jìn)化研究；對(duì)于病毒和腫瘤的治療將具有深遠(yuǎn)意義。進(jìn)一步閱讀薛正蓮，張珂.表達(dá)重組谷氨酸脫羧酶工程菌發(fā)酵條件的優(yōu)化[J].中國(guó)生物制品學(xué)雜志.2013,26(1):100-104.IimureT,KiharaM,HirotaN,etal.Amethodforproductionofγ-aminobutyricacid（GABA）usingbarleybransupplementedwithglutamate［J］.FoodResInt,2009,42（3）:319-323.KomatsuzakiN,NakamuraT,KimuraT,etal.Characterizationofglutamatedecarboxylasefromahigh-aminobutyricacid（GABA）-producer,Lactobacillusparacasei［J］.BiosciBiote-chnolBiochem,2008,72（2）:278-285.Hirag