酶工程学-第四、五周生物合成详解

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酶工程第三章酶的发酵生产第一节酶生物合成的基本理论

转录是以DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，在RNA聚合酶（转录酶）的作用下，生成RNA的过程。
第一节酶生物合成的基本理论
转录时，RNA聚合酶首先结合到DNA的特定位点（启动基因）上，DNA的双螺旋链部分解开，以其中一条链为模板，通过碱基互补方式结合进第一个核苷三磷酸，然后随着RNA聚合酶的移动，DNA双螺旋逐渐解开，按照模板上的碱基顺序逐个加入与其互补的核苷三磷酸并聚合而生成多聚核苷酸链。在 RNA聚合酶后面生成的多聚核苷酸链立即与模板分开，DNA分子的两条链又重新缠绕形成双螺旋。（图3-1）
第一节酶生物合成的基本理论
三、酶生物合成的调节
如上所述，酶的生物合成要经过一系列的步骤，需要诸多因素的参与。故此，在转录和翻译过程中，许多因素都会影响酶的生物合成。那么，究竟哪些因素对酶的生物合成起主要的调节控制作用呢？研究结果表明，至少在原核生物中，甚至在所有生物中，转录水平的调节控制对酶的生物合成是至为重要的。
的过程,称为酶生物合成的诱导作用。简称为诱导作用。起诱导作用的物质，称为诱导剂。例如，乳糖诱导β—半乳糖苷酶的合成等。
酶生物合成的诱导作用过程如图3-4所示。
第一节酶生物合成的基本理论
第一节酶生物合成的基本理论
(B)
图3-4酶生物合成的诱导作用（A）-----无诱导物时（B）----添加诱导物时
转录水平调节控制，又称为基因的调节控制。这种控制理论最早是由雅各（Jacob）和莫诺德(Monod)于1960年提出的操纵子学说来阐明的，1966年发现了启动基因，使这一调节控制理论不断完善。
第一节酶生物合成的基本理论
根据基因调节控制理论，在DNA分子中，与酶生物合成有密切关系的基因有4种。它们是调节基因(Regulator gene)、启动基因(Promoter gene)、操纵基因(Operator gene)和结构基因(Strutural gene)。其中，结构基因与酶有各自的对应关系，结构基因中的遗传信息可转录成 mRNA上的遗传密码，再经翻译成为酶蛋白的多肽链。操纵基因可以特异性地与调节基因产生的边构蛋白（阻抑蛋白）中的一种结构结合，从而操纵酶合成的时机及速度。结构基因与操纵基因一起称为操纵子。启动基因决定酶的合成能否开始，启动基因由两个位点组成，一个是RNA聚合酶的结合位点，另一个是环腺苷酸（cAMP）与环腺苷酸接受蛋白（CRP）的复合物（cAMP- CRP）的结合位点。只有在 cAMP- CRP复合物结合到启动基因的位点上时，RNA

酶工程ppt课件

酶工程
第二章酶的发酵工程
（二）培养条件对产酶的影响与调节控制
1. pH对产酶的影响与调节控制细菌、放线菌：中性至微碱性；霉菌、酵母菌：微酸性培养基pH的改变会影响产酶的种类或比例调节控制控制培养基的组分或比例；添加pH缓冲物种；流加酸碱溶液或补料；提高空气流量
酶工程
第二章酶的发酵工程
脂肪酶；理氏木霉—木聚糖酶、纤维素酶；青霉—葡萄糖氧化酶、5/-磷酸二酯酶
酶工程
第二章酶的发酵工程
（二）产酶菌种的要求
（1）酶的产量高；（2）容易培养和管理，产酶细胞容易生长繁殖，适应性强，便于管理；（3）菌株遗传性能稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体，保证生产的稳定性；（4）菌株能利用廉价原料，发酵周期短，生产成本低；（5）有利于酶产品的分离纯化，最好是分泌型的胞外酶；（6）菌株安全可靠，非病原菌，不产毒素及其它有害物质，不影响生产人员的身体健康；（7）基因工程菌必须符合安全性要求。
酶工程
第二章酶的发酵工程
6. 菌种的退化与复壮（1）菌种退化现象：随着菌种保藏时间的延长或多次
的转接传代，菌种本身所具有的优良遗传性状发生了不利于发酵生产的遗传变异现象。
（2）防止退化措施：创造合适的培养条件，采取有效的菌种保藏方法，尽量减少传代次数。
（3）退化菌种的复壮：纯种分离和性能测定。包括已发生退化菌种的复壮和菌种退化之前的复壮和提高。
4
Pr
酶工程
第二章酶的发酵工程
（三）酶生物合成的诱导作用
合成方式
酶
组成酶：细胞所固有的酶诱导酶：在诱导物的诱导作用下合成的酶
诱导物 — 底物、产物、底物结构类似物（IPTG）
诱导协同诱导：诱导物同时诱导几种酶的合成作用顺序诱导：先后诱导不同酶的合成

酶工程教学大纲

【单元目标】总学时数： 30酶工程( enzyme engneering)是生物技术专业的主干必修课，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的一门新的科学技术，在生物技术人材培养中处于至关重要的地位。

它涉及细胞工程、基因工程、发酵工程、生物分离工程和化学工程等诸多学科，主要内容包括酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶和细胞固定化以及酶的份子工程。

学生通过酶工程的学习，能够掌握酶的生产与分离纯化的基本理论、基本技术以及自然酶、化学修饰酶、固定化酶的研究和应用，了解酶在各行各业中的最新发展及研究趋势。

学生通过酶工程的学习，应熟悉从应用目的出发研究酶，在一定生物反应装置中利用酶的催化性质的研究路线，掌握酶的生产与应用的基本理论、基本技术、酶的分离纯化、固定化酶以及酶的化学修饰的研究和应用，进一步了解酶在各行各业中实际应用的最新发展和发展趋势，在以后的毕业环节和工作中能够自觉地应用这些技术方法来指导自己的工作。

本课程理论课 30 学时，于本科三年级第二学期开设。

讲授方式：1．讲授2．利用 CAI 课件1．了解酶工程的研究意义；2．掌握酶工程的概念及研究内容。

【授课内容】一．酶与酶工程发展简史(一)酶学研究简史(二)酶工程研究简史二. 酶工程简介1.酶工程2.组成3.分类【单元目标】1.掌握酶生物合成的调节类型及调节机制2.了解产酶微生物的分离和选育方法3.了解动植物细胞与微生物细胞发酵产酶的异同【授课内容】一、酶的生物合成(一) RNA 的生物合成--转录(transcription)(二)蛋白质的生物合成--翻译(translation)1．翻译2．翻译过程即蛋白质的合成过程二、酶生物合成的调节(一)基因调控理论(二)酶合成调节的类型1.诱导 (induction)2.阻遏 (repression)(三)酶合成的调节机制三、提高酶产量的策略(一)菌种选育1.诱变育种2.基因工程育种(二)条件控制一、细胞生长动力学(Monod 方程)二、产酶动力学(一) 酶生物合成的模式1.生长偶联型2.部份生长偶联型3.非生长偶联型(二) 产酶动力学一、产酶微生物的分离和选育二、微生物发酵产酶方法1.固体培养2.液体培养3.固定化细胞三、微生物酶的类型1.胞外酶2.胞内酶一、动植物细胞与微生物细胞主要特性差异二、植物细胞培养产酶1.植物细胞培养的特点、提取法缺点2.培养基特点3.培养方法4.培养条件的影响与控制5.植物细胞培养产酶实例三、动物细胞培养产酶1.动物细胞培养的特点2.培养基3.培养方法4.培养条件的影响与控制【单元目标】1．掌握酶分离纯化的常用方法及其原理2．掌握几种常用的电泳方法及操作步骤2．了解酶的纯化方案的设计【授课内容】一、发酵液预处理(一)发酵液的相对纯化(二)发酵液的固液分离二、细胞破碎(一)细胞壁组成(二)细胞破碎的方法(三)细胞破碎确认三、酶的提取(extraction)(一)理想提取液具备的条件、目标原则(二)提取方法四、离心分离(一)基本原理(二)离心机的种类(三)常用离心方法1．差速离心2．密度梯度离心3. 等密度梯度离心又称沉降平衡离心(四)应用五、沉淀分离(根据溶解度的不同)(一)盐析沉淀法(改变离子强度)(二)有机溶剂沉淀(降低介电常数)(三)等电点沉淀(isoelectric precipitation)(四)有机聚合物沉淀法(五)选择性变性沉淀法六、萃取(extraction)分离(一)溶剂萃取法(二)双水相萃取技术(三)超临界流体萃取(四)反胶团萃取一、膜分离技术(一)扩散膜分离(二)加压膜分离(三)电场膜分离二、层析法(一)吸附层析(adsorption chromatography)1.原理2.吸附剂3.洗脱剂4.应用(二)凝胶过滤层析)(gel filtration chromatography)1.基本原理2.凝胶的种类和性质3.操作4.应用(三)离子交换层析(ion exchange chromatography，IEC)1. 原理2. 阴离子交换剂分离蛋白质的过程3. 操作4. 应用- 制备纯化生物大份子(四)疏水层析(hydrophobic interaction)1、原理2. 吸附剂3. 操作4. 应用(五)亲和层析(affinity chromatography)1. 原理2. 基质的选择3. 配体的选择4. 偶联(亲和吸附剂的制备)5. 操作及应用(六) 高效(压)液相层析(HPLC：high performance (pressure) liquid chromatography)1. 基本原理2. 分类3. 色谱仪组成一、电泳的基本理论1. 原理2. 电泳的分类3. 电泳常用设备二、聚丙烯酰胺凝胶电泳1.原理2.分离效应三、 SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳1. 原理2. 操作四、等电聚焦 ( isoelectric focusing，IEF )1. 原理2. 操作3. 应用一、酶的浓缩(一) 蒸发浓缩(二) 超滤浓缩(三) 吸水剂(四) 反复冻融浓缩(五) 沉淀法二、酶的干燥三、酶的结晶(一)结晶的条件(二)结晶的方法一、纯化方案的设计(一)纯化方法的选择依据(二)纯化方法的排序二、纯化方案的评价(一)酶活力测定(二)蛋白质浓度测定(三)提纯倍数与回收率【单元目标】1．掌握酶活性中心的概念及共性2．了解酶化学修饰的目的及原理3．了解酶化学修饰的种类及应用【授课内容】一、活性中心的概念二、活性中心的共性三、研究酶活性中心的方法1.物理学方法2.化学修饰法3.蛋白质工程一、酶化学修饰1.限制酶大规模应用的原因2.改变酶特性有两种主要的方法3.酶化学修饰的概念二、酶化学修饰的目的1.研究酶的结构与功能的关系2.人为改变天然酶的某些性质，扩大酶的应用范围一、如何增强酶天然构象的稳定性与耐热性二、如何保护酶活性部位与抗抑制剂三、如何维持酶功能结构的完整性与抗蛋白水解酶四、如何消除酶的抗原性及稳定酶的微环境一、充分认识酶份子的特性二、修饰剂的选择三、反应条件的选择一、酶的表面化学修饰(一)大份子修饰(大份子结合修饰)1．定义2．修饰剂3．应用(二)小份子修饰(酶蛋白侧链基团修饰)1．定义2．侧链基团修饰剂3．几种重要的修饰反应(三)交联修饰(交联法)(四)固定化修饰(共价偶联法)二、酶份子内部修饰(一)蛋白主链修饰(肽链有限水解修饰)(二)氨基酸置换修饰(三)金属离子置换修饰【单元目标】1．掌握固定化酶和固定化细胞的定义及特点2．了解固定化酶和固定化细胞的性质及应用【授课内容】一、固定化酶和固定化细胞的定义及特点1.固定化酶 (immobilized enzyme)2.固定化细胞(immobilized cell)二、固定化方法(一)酶的固定化方法1.吸附法(adsorption)2.共价偶联法(covalent binding or covalent coupling)3.交联法(crosslinking)4.包埋法(encapsulation)(二)各种固定化方法的优缺点比较(三)细胞的固定化方法1.固定化细胞的分类2.固定化方法(四)原生质体的固定化方法一、固定化酶的性质二、固定化细胞的性质三、固定化酶(细胞)的评价指标一、在工业生产上的应用1．氨基酰化酶(Aminoacylase)2．葡萄糖异构酶二、固定化酶在医学上的应用1．消血栓2. 人工肾三、在分析检测中的应用1. 酶传感器1)酶传感器的原理2)酶传感器的应用2. 酶联免疫测定【单元目标】1．了解酶反应器的几种类型2．了解酶反应器的设计原理及操作【授课内容】一、酶反应器的类型(一)搅拌罐型(Stirred Tank Reacter, STR)(二)固定床型(也称填充床， Packed Bed Reactor, PBR )(三)流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR)(四)膜式反应器(Membrane Reactor)(五)鼓泡塔型反应器二、酶反应器的发展一、酶反应器的设计1.设计目的2.设计原理(依据)二、酶反应器的选择(一)酶的应用形式(二)底物的物理性质(三)反应操作要求(四)酶的稳定性(五)应用的可塑性及成本三、酶反应器的操作【单元目标】1．了解酶在医药方面的应用2．了解酶在食品方面的应用3．了解酶在化工方面的应用4. 了解酶在环境保护方面的应用5. 了解酶在生物技术领域的应用【授课内容】酶在医药方面的应用酶在食品方面的应用酶在化工方面的应用酶在环境保护方面的应用1 教材《酶工程》 (第二版)作者：郭勇科学出版社 20042 主要参考书目郭勇现代生化技术，华南理工大学出版社， 1996郭勇酶的生产与应用，化学工业出版社个， 2003罗贵民酶工程，化学工业出版社， 2002张树政酶制剂工业，科学出版社， 1984邹国林酶学，武汉大学出版社， 1997本课程为考试考核，包括两部份：期中及平时为 30%，期末 70%。

酶工程酶的发酵生产课件

该中心保藏有细菌10500株，真菌45000株，酵母 14500株，放线菌9500株。
第十四页，共49页。
DSMZ
DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und
Zellkulturen GmbH) 德国微生物菌种保藏中心 DSMZ成立于1969年，是德国的国家菌种保藏中心。
第五页，共49页。
第二节酶发酵生产常用的微生物（酶的生产菌种）
一、产酶菌种的要求
二、常用的产酶微生物三、利用微生物产酶的优点四、高纯菌种的获取
第六页，共49页。
一、产酶菌种的要求
1、发酵周期短，产量高；
2、容易培养和管理； 3、产酶稳定性好，不易变异退化，不易被感染； 4、有利于酶的分离和纯化； 5、安全性可靠，非致病菌。
产酶促进剂 —— 少量加入之后能显著增加酶产量的物质。一般都是酶
的诱导物或表面活性剂。例如纤维素能诱导纤维素酶，吐温80可提高多
种酶的产量。表面活性剂提高酶产量的作用机制目前还未完全了解，使用时必须考虑其对微生物是否有毒性。生产上提高胞外酶的活力，一般都采用非离子表面活性剂。
第二十九页，共49页。
转录是以DNA为模板，以核苷三磷酸为底物，在RNA聚合酶（转录酶）的作用下，生成RNA的过程。
转录速度表达式?
第四页，共49页。
二、蛋白质的生物合成—翻译
翻译：以mRNA为模板，以氨基酸为底物，在核糖体上通过各种tRNA，酶和辅助因子的作用，合成多肽的过程。
四个阶段 1、氨基酸活化生成氨酰－tRNA 2、肽链合成的起始 3、肽链的延伸 4、肽链合成的终止思考:密码子偏爱性与翻译速率?
美国农业研究菌种保藏中心

第四章酶工程

• 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、 C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与 ATP分解反应相互偶联。 • A + B + ATP + H-O-H ===A B + ADP +Pi • 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。
丙酮酸+CO2+ATP+H2O 草酰乙酸+ADP+Pi
正反应、逆反应都用同一名称
DH2+NAD+D+NADH+H+
DH2NAD+氧化还原酶
各大类酶的特殊命名规则
转移酶为供体受体被转移基团转移酶
氧化还原酶往往可命名为供体受体氧化还原酶，
值得注意的是来自不同物种或同一物种的不同组织或不同细胞器的同一种酶，虽然他们催化同一个生化反应，但它们本身的一级结构可能并不相同，命名也有所区别
酶的一级结构
酶的二级结构
多肽链主链原子的局部空间排列
酶的二级结构
螺旋结构 β-折叠
没有考虑到它的侧链的构象或与其它部分的相互关系
酶蛋白的-螺旋结构
酶蛋白的折叠结构
由-螺旋、折叠和随机结构构成的溶菌酶的空间结构
酶的三级结构
指单一的多肽链或共价连接的多肽链中，所有原子在空间上的排列
酶活性中心示意图
酶的活性中心构成
酶分子中的氨基酸残基
酶的活性中心
辅酶或辅助因子或它们的部分结构
酶的结构
四级结构
二级结构
酶的结构
三级结构
一级结构
酶的一级、二级、三级和四级结构示意图
酶的空间结构
三级结构
二级结构

第三章酶的生物合成法生产

60
细胞浓度(OD)
40
20
0
0
2
4
6
时间(h)
38
8
分解代谢物阻遏
CAP 基因 CAP结合部位
结构基因
P O
R
T
LacZ
LacY
Laca
T 基因表达
mRNA
RNA 聚合酶 mRNAZ mRNAY mRNAa
CAP
cAMP -CAP
葡萄糖降解物与cAMP的关系
ATP 葡萄糖
降低cAMP浓度 cAMP 使CAP呈失活状态
提高转录效率的顺式调控原件
40

基因扩增加速酶的生物合成

增强子促进酶的生物合成

三、提高酶产量的策略
（一）菌种选育（一劳永逸）
1.诱变育种
(1) 使诱导型变为组成型——选育组成型突变株
(2)使阻遏型变为去阻遏型选育营养缺陷型突变株 •解除反馈阻遏选育结构类似物抗性突变株
•解除分解代谢物阻遏—选育抗分解代谢阻遏突变株

37
分解代谢物阻遏现象：
实验：细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长，优先利用葡萄糖。待葡萄糖耗尽后才开始利用乳糖，产生了两个对数生长期中间隔开一个生长延滞期的 “二次生长现象”(diauxie或biphasic growth）。
80
这一现象又称葡萄糖效应，产生的原因是由于葡萄糖降解物阻遏了分解乳糖酶系的合成。此调节基因的产物是环腺苷酸受体蛋白（CRP）,亦称分解代谢产物基因活化蛋白（CAP）。
乳糖操纵子
＋
不转录，色氨酸继而不翻译操纵子
36
3.分解代谢物阻遏

酶工程教学大纲

《酶工程》课程教学大纲总学时数：30一、课程的地位、性质和任务酶工程（enzyme engneering）是生物技术专业的主干必修课，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的一门新的科学技术，在生物技术人才培养中处于至关重要的地位。

它涉及细胞工程、基因工程、发酵工程、生物分离工程和化学工程等诸多学科，主要内容包括酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶和细胞固定化以及酶的分子工程。

二、课程教学的基本要求学生通过酶工程的学习，应熟悉从应用目的出发研究酶，在一定生物反应装置中利用酶的催化性质的研究路线，掌握酶的生产与应用的基本理论、基本技术、酶的分离纯化、固定化酶以及酶的化学修饰的研究和应用，进一步了解酶在各行各业中实际应用的最新发展和发展趋势，在以后的毕业环节和工作中能够自觉地应用这些技术方法来指导自己的工作。

本课程理论课30学时，于本科三年级第二学期开设。

讲授方式：1．讲授2．利用CAI课件三、各章主要内容、学时分配及教学要求第一章绪论 2学时【单元目标】1．了解酶工程的研究意义；2．掌握酶工程的概念及研究内容。

【授课内容】一．酶与酶工程发展简史（一）酶学研究简史（二）酶工程研究简史二. 酶工程简介1.酶工程2.组成3.分类第二章微生物发酵产酶 4学时【单元目标】1.掌握酶生物合成的调节类型及调节机制2.了解产酶微生物的分离和选育方法3.了解动植物细胞与微生物细胞发酵产酶的异同【授课内容】第一节酶生物合成及调节一、酶的生物合成（一）RNA的生物合成--转录(transcription) （二）蛋白质的生物合成--翻译(translation) 1．翻译2．翻译过程即蛋白质的合成过程二、酶生物合成的调节（一）基因调控理论（二）酶合成调节的类型1.诱导 (induction)2.阻遏 (repression)（三）酶合成的调节机制三、提高酶产量的策略（一）菌种选育1.诱变育种2.基因工程育种（二）条件控制第二节酶发酵动力学一、细胞生长动力学（Monod方程）二、产酶动力学(一) 酶生物合成的模式1.生长偶联型2.部分生长偶联型3.非生长偶联型(二) 产酶动力学第三节微生物发酵产酶一、产酶微生物的分离和选育二、微生物发酵产酶方法1.固体培养2.液体培养3.固定化细胞三、微生物酶的类型1.胞外酶2.胞内酶第三章动、植物细胞培养产酶2学时一、动植物细胞与微生物细胞主要特性差异二、植物细胞培养产酶1.植物细胞培养的特点、提取法缺点2.培养基特点3.培养方法4.培养条件的影响与控制5.植物细胞培养产酶实例三、动物细胞培养产酶1.动物细胞培养的特点2.培养基3.培养方法4.培养条件的影响与控制第四章酶的提取与分离纯化 12学时【单元目标】1．掌握酶分离纯化的常用方法及其原理2．掌握几种常用的电泳方法及操作步骤2．了解酶的纯化方案的设计【授课内容】第一节酶的分离4学时一、发酵液预处理(一)发酵液的相对纯化(二)发酵液的固液分离二、细胞破碎（一）细胞壁组成（二）细胞破碎的方法（三）细胞破碎确认三、酶的提取(extraction)（一）理想提取液具备的条件、目标原则（二）提取方法四、离心分离（一）基本原理（二）离心机的种类（三）常用离心方法1．差速离心2．密度梯度离心3. 等密度梯度离心又称沉降平衡离心（四）应用五、沉淀分离（根据溶解度的不同）（一）盐析沉淀法（改变离子强度）（二）有机溶剂沉淀（降低介电常数）（三）等电点沉淀(isoelectric precipitation) （四）有机聚合物沉淀法（五）选择性变性沉淀法六、萃取（extraction）分离（一）溶剂萃取法（二）双水相萃取技术（三）超临界流体萃取（四）反胶团萃取第二节酶的精制5学时一、膜分离技术（一）扩散膜分离（二）加压膜分离（三）电场膜分离二、层析法（一）吸附层析（adsorption chromatography）1.原理2.吸附剂3.洗脱剂4.应用（二）凝胶过滤层析)(gel filtration chromatography)1.基本原理2.凝胶的种类和性质3.操作4.应用（三）离子交换层析（ion exchange chromatography，IEC）1. 原理2. 阴离子交换剂分离蛋白质的过程3. 操作4. 应用- 制备纯化生物大分子（四）疏水层析（hydrophobic interaction）1、原理2. 吸附剂3. 操作4. 应用（五）亲和层析(affinity chromatography)1. 原理2. 基质的选择3. 配体的选择4. 偶联（亲和吸附剂的制备）5. 操作及应用(六) 高效（压）液相层析（HPLC：high performance（pressure）liquid chromatography)1. 基本原理2. 分类3. 色谱仪组成第三节电泳一、电泳的基本理论1. 原理2. 电泳的分类3. 电泳常用设备二、聚丙烯酰胺凝胶电泳1.原理2.分离效应三、SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳1. 原理2. 操作四、等电聚焦 ( isoelectric focusing，IEF )1. 原理2. 操作3. 应用第四节酶的浓缩、干燥与结晶2学时一、酶的浓缩(一)蒸发浓缩(二)超滤浓缩(三)吸水剂(四)反复冻融浓缩(五)沉淀法二、酶的干燥三、酶的结晶（一）结晶的条件（二）结晶的方法第五节纯化方案的设计与评价１学时一、纯化方案的设计（一）纯化方法的选择依据（二）纯化方法的排序二、纯化方案的评价（一）酶活力测定（二）蛋白质浓度测定（三）提纯倍数与回收率第五章酶分子的化学修饰 2学时【单元目标】1．掌握酶活性中心的概念及共性2．了解酶化学修饰的目的及原理3．了解酶化学修饰的种类及应用【授课内容】第一节酶的活性中心一、活性中心的概念二、活性中心的共性三、研究酶活性中心的方法1.物理学方法2.化学修饰法3.蛋白质工程第二节酶化学修饰及修饰目的一、酶化学修饰1.限制酶大规模应用的原因2.改变酶特性有两种主要的方法3.酶化学修饰的概念二、酶化学修饰的目的1.研究酶的结构与功能的关系2.人为改变天然酶的某些性质，扩大酶的应用范围第三节酶化学修饰的原理一、如何增强酶天然构象的稳定性与耐热性二、如何保护酶活性部位与抗抑制剂三、如何维持酶功能结构的完整性与抗蛋白水解酶四、如何消除酶的抗原性及稳定酶的微环境第四节酶化学修饰的设计一、充分认识酶分子的特性二、修饰剂的选择三、反应条件的选择第五节酶化学修饰的种类及应用一、酶的表面化学修饰（一）大分子修饰（大分子结合修饰）1．定义2．修饰剂3．应用（二）小分子修饰（酶蛋白侧链基团修饰）1．定义2．侧链基团修饰剂3．几种重要的修饰反应（三）交联修饰（交联法）（四）固定化修饰（共价偶联法）二、酶分子内部修饰（一）蛋白主链修饰（肽链有限水解修饰）（二）氨基酸置换修饰（三）金属离子置换修饰第六章酶与细胞的固定化 2学时【单元目标】1．掌握固定化酶和固定化细胞的定义及特点2．了解固定化酶和固定化细胞的性质及应用【授课内容】第一节酶与细胞的固定化一、固定化酶和固定化细胞的定义及特点1.固定化酶 (immobilized enzyme)2.固定化细胞（immobilized cell）二、固定化方法（一）酶的固定化方法1.吸附法（adsorption）2.共价偶联法（covalent binding or covalent coupling）3.交联法（crosslinking）4.包埋法(encapsulation)（二）各种固定化方法的优缺点比较（三）细胞的固定化方法1.固定化细胞的分类2.固定化方法（四）原生质体的固定化方法第二节固定化酶和固定化细胞的性质与表征一、固定化酶的性质二、固定化细胞的性质三、固定化酶（细胞）的评价指标第三节固定化酶与固定化细胞的应用一、在工业生产上的应用1．氨基酰化酶（Aminoacylase）2．葡萄糖异构酶二、固定化酶在医学上的应用1．消血栓2. 人工肾三、在分析检测中的应用1. 酶传感器1）酶传感器的原理2）酶传感器的应用2. 酶联免疫测定第七章酶反应器 2学时【单元目标】1．了解酶反应器的几种类型2．了解酶反应器的设计原理及操作【授课内容】第一节酶反应器的特点与类型一、酶反应器的类型（一）搅拌罐型（Stirred Tank Reacter, STR）（二）固定床型（也称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）（三）流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR)（四）膜式反应器(Membrane Reactor)（五）鼓泡塔型反应器二、酶反应器的发展第二节酶反应器的设计与选择一、酶反应器的设计1.设计目的2.设计原理（依据）二、酶反应器的选择（一）酶的应用形式（二）底物的物理性质（三）反应操作要求（四）酶的稳定性（五）应用的可塑性及成本三、酶反应器的操作第八章酶的应用 4学时【单元目标】1．了解酶在医药方面的应用2．了解酶在食品方面的应用3．了解酶在化工方面的应用4. 了解酶在环境保护方面的应用5. 了解酶在生物技术领域的应用【授课内容】第一节酶在医药方面的应用第二节酶在食品方面的应用第三节酶在化工方面的应用第四节酶在环境保护方面的应用第五节酶在生物技术领域的应用四、使用教材与主要参考书目录1教材《酶工程》（第二版）作者：郭勇科学出版社 20042 主要参考书目郭勇现代生化技术，华南理工大学出版社， 1996郭勇酶的生产与应用，化学工业出版社个，2003罗贵民酶工程，化学工业出版社，2002张树政酶制剂工业，科学出版社，1984邹国林酶学，武汉大学出版社， 1997五、考核方法和成绩构成本课程为考试考核，包括两部分：期中及平时为30%，期末70%。

《酶工程概述》PPT课件

类蛋白质(少数为RNA)或其复合体，是生物催化剂。
例如：由胰腺分泌的胰蛋白酶（肽链内切酶），它能把多肽链中赖氨
酸和精氨酸残基中的羧基侧切断。
O
NH2
…－(CH2)4－CH－C－NH－(CH2)4－CH－COOH
赖氨酸残基
O －C－OH H－NH－
- H2OOLeabharlann NHONH
O
－C－NH－
…N H
HN
N H
CH2OP (CHOH)4
CHO
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⑶水解酶类
水解酶类用于催化底物发生水解反应，水解酶在生物体内担负降解的作用。水解酶类是当前应用最广泛的一种重要酶。
例如：淀粉的水解 (C6H10O5)n + nH2O 淀粉酶
淀粉
nC6H12O6
葡萄糖
又如：蛋白质在蛋白酶的催化下水解
蛋白酶
蛋白质
水解
蛋白酶
COOH C＝O CH2 -COOH
医学PPT
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2.酶的命名
酶的命名方法有系统命名法和习惯命名法两种。系统命名法是根据国际生物化学联合会酶学委员会的命名规则进行的命名；习惯命名法常根据底物名称和反应类型进行命名。
⑴系统命名国际酶学委员会规定，酶的名称包括两部分。即：酶的系统名称分类编号（4个数字）酶的系统名称应包括底物名称、反应类型；若有两种底物，将其名
COOH 谷丙转氨酶 (CH2)2 +
HCNH2
COOH
C＝O
COOH
COOH
谷氨酸丙酮酸
α-酮戊二酸
CH3 HCNH2
COOH
丙氨酸
又如：葡萄糖在己糖激酶的催化下，被活化为6-磷酸葡萄糖，使底物分子上的高能磷酸基团转移到 ADP 分子上。

现代生物技术第五章酶工程汇总.

基因工程转基因动物转基因植物
基因工程菌
发酵工程
酶菌体细胞固定化菌体细胞
酶工程
细胞工程
酶
细胞
酶工程与发酵工程、基因工程、细胞工程的关系
一、酶工程的内容

1.酶工程的分类：（1）化学酶工程：自然酶、化学修饰酶、固定化酶、化学人工酶的研究和应用。（2）生物工程酶： ①用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）； ②修饰酶基因产生遗传修饰酶（突变酶）； ③设计新酶基因，合成自然界不曾有的酶（新酶）。
（4）酶分子改造
酶分子改造可以从两个方面进行： (1)用蛋白质工程技术对酶分子结构基因进行改造，期望获得一级结构和空间结构较为合理的具有优良特性、高活性的新酶(突变酶)。 (2)用化学法或酶法改造酶蛋白的一级结构，或者用化学修饰法对酶分子中侧链基团进行化学修饰．以便改变酶学性质。这类酶在酶学基础研究上和医药上特别有用。
（9）酶技术的应用

在医学、食品、发酵、纺织、制革、化学分析、氨基酸合成、有机酸合成、半合成抗生素合成、能源开发以及环境工程等方面的应用都很广泛。 ①运用酶技术生产有重要价值的产品。 ②利用酶制剂改进生产工艺，提高产品质量和产率，降低生产成本。
二、酶工程的意义、发展及展望
1.酶工程的研究意义
（6）酶传感器

又称为酶电极。酶电极是由感受器(如固定化酶)和换能器(如离子选择性电极)所组成的一种分析装臵，用于测定混合物溶液中某种物质的浓度，其研究内容包括：酶电极的种类、结构与原理；酶电极的制备、性质及应用。
（7）酶反应器

酶反应器是完成酶促反应的装臵。其研究内容包括：酶反应器的类型及特性；酶反应器的设计、制造及选择等。

生物制药技术-第六章-酶工程制药(4,5,6,7)

在环糊精催化反应时，参与反应的底物分子先被环糊精分子包结，再与其发生反应，这与酶促反应十分相似，所以使得环糊精成为深受人们青睐的模型分子，人们利用环糊精为酶模型已经对多种酶的催化作用进行了模拟，在水解酶、转氨酶、核糖核酸酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羟醛缩合酶等方面都取得了巨大的进展，所模拟的胰凝乳蛋白酶的催化效率与天然酶在同一数量级，该模拟酶由β-环糊精和催化侧链组成，根据胰凝乳蛋白酶活性部位由由Ser195、His57和Asp102组成的特件，在催化侧链上接上羟基、咪唑基和羧基。β-环糊精具有束缚底物的能力，而其催化侧链正好含有该酶的活性部位的羟基、咪唑基和羧基，而且各基团所处的位臵合适。由于模拟酶不含氨基酸，其热稳定性与 pH稳定性都大大优于天然酶。
--第四节，第五节，第六节，第七节

一、模拟酶的概念酶是自然界经过长期进化而产生的高效生物催化剂，它能在温和条件下高效专一地催化某些化学反应，所以它的应用日趋广泛。但是，酶对热敏感、稳定性差和来源有限等缺点限制了它的大规模开发和利用。设计一种像酶那样的高效催化剂是科学家们一直追求的目标之一，于是，新的催化剂人工模拟酶就逐渐被研制和开发了。

肽酶就是模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽，这是多肽合成的一大热点。 Atassi和Manshollri利用化学和晶体图像数据所提供的主要活性部位残基的序列位臵和分隔距离，采用表面刺激合成将构成酶活性部位位臵相邻的残基以适当的空间位臵和取向通过肽键相连，而分隔距离则用无侧链取代的甘氨酸或半胱氨酸调节，这样就能模拟酶活性部位残基的空间位臵和构象。他们所设计合成的两个29肽ChPepz和TrPepz分别模拟了 α-胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶的活性部位，二者水解蛋白的活性分别与其模拟的酶相同。

-酶工程简介ppt课件

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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。
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The Nobel Prize in Chemistry 1907
"for his biochemical researches and his discovery of cell-free
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生物催化剂发展的工业展望
Competitive Imperative
Speed to Market
Current Chemical Varieties
2-5 years
Current Biocatalyst
s
10 years
Biocatalyst of the Future
2-3 years
Cost to Manufacture
机结合而产生的边缘交叉科学。
• 应用主要集中于食品工业、工业和医药工业等领域。
• 酶工程是生物技术的重要组成部分。
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二、酶工程相关概念
生物工程(Bioengineering)又称生物技术或生物工艺学(Biotechnology). 20世纪70 年代发展起来的一门新的综合性技术学科。综合运用生物学、化学和工程学技术，改造物种、创造新物种，改造生物体中的某些组分(如酶、蛋白质、核酸、细胞器)，利用生物体的某些特殊机能(如酶的催化功能、抗体的免疫功能等) 为工农业生产以及医疗卫生服务。
that enzymes
virus proteins in a pure form"
can be
crystallized"
James Batcheller Sumner

酶工程(第四版)

酶工程（第四版）简介酶工程是利用生物酶催化反应加速或改变化学反应的工程学科。

通过改变酶的运行环境、提高酶的活力和稳定性以及研究和设计新的酶，酶工程在生产和科研中发挥着重要的作用。

本文将介绍酶工程的基本原理、应用领域和最新研究进展。

基本原理酶是一种生物催化剂，能够在较温和的条件下促进化学反应的进行。

酶工程利用酶的特殊性质，通过改变酶的结构和活性，使其具备更好的催化活性和稳定性。

酶的结构由其氨基酸序列确定，不同氨基酸的排列组合决定了酶的功能。

酶的活性与其结构密切相关，通过突变、蛋白工程等方法，可以改变酶的结构，从而改变其催化活性和特性。

应用领域酶工程在多个领域中得到了广泛的应用。

以下是几个典型的应用领域：食品工业酶在食品工业中起到了重要的作用。

例如，面包制作中的面团发酵过程就是酵母菌产生的酶催化反应。

通过酶工程技术，可以改良酵母菌的酶活性和稳定性，提高面团的发酵效果和面包的质量。

制药工业酶工程在制药工业中也有广泛的应用。

例如，生物药物的制造过程中需要使用酶催化反应来合成药物原料。

通过酶工程技术，可以提高酶的催化效率和产物纯度，降低制造成本。

环境保护酶工程在环境保护领域也发挥着重要作用。

例如，环境中的有机废物可以通过酶催化反应降解为无害物质。

通过酶工程技术，可以开发出更高效的酶催化体系，提高废物处理的效率和环境保护的水平。

最新研究进展酶工程是一个不断发展和进步的学科，目前已经取得了许多重要的研究成果。

以下是当前酶工程领域的一些最新研究进展：酶的结构优化通过计算机辅助设计和合成生物学等技术，研究者们可以对酶的结构进行优化。

通过对酶的结构进行调整和改进，可以改善酶的催化效率和稳定性。

新型酶的发现随着基因测序和转录组学等技术的发展，越来越多的新型酶被发现和研究。

这些新型酶具有独特的催化活性和特性，有望应用于新的工业过程和生物医学领域。

酶催化反应的机理研究酶催化反应的机理一直是酶工程领域的研究热点之一。

近年来，通过表面增强拉曼光谱等技术，研究者们对酶催化反应的机理进行了深入的研究，揭示了许多复杂的催化过程。