酶工程

催化基团
维持酶的空间结构
催化性质
由表可知，活性中心上有7种氨基酸的频率 组成酶活性中心的重要化学基团 最高，分别是： Ser,His,Cys,Tyr,Asp,Glu,Lys 酶
胰蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 木瓜蛋白酶 乳酸脱氢酶 G6P脱氢酶(酵母) 苹果酸脱氢酶 核糖核酸酶 葡萄糖磷酸变位酶
活性中心上的基团

Novo Nordisk诺和诺德 （丹麦）

Genencor International 杰能科国际有限公司
(美国）

Cuitor(芬兰）
三大公司销售额占世界总额的70%
国际市场酶制剂销售额比例
2001年工业酶制剂的世界市场约为15亿美元
其它行业用酶 焙烤食品用酶 洗涤剂用酶 纺织用酶 乳制品用酶 酿酒用酶 饲料用酶 焙烤食品用酶 其它行业用酶
定义：酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种 因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂。 酶具有一般催化剂的特征： 1.只能进行热力学上允许进行的反应；
2.可以缩短化学反应到达平衡的时间，而不改变反应的平 衡点；
3.通过降低活化能加快化学反应速度。
酶学研究简史


1878 德国的Kuhne 定义Enzyme 原意为在酵母中
(3)
水解酶 hydrolase



水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
(4)
裂合酶 Lyase
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或 原子形成双键的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。
(6)
合成酶 Ligase or Synthetase
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 草酰乙酸
CH3CHCOOH NAD OH
+
CH3CCOOH NADH O
H+
(2)
转移酶 Transferase

转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子 的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH NH2 CH3CCOOH O O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2

生物酶工程
核酸酶 进化酶
课程参考书目

《酶工程》罗贵民主编， 化学工业出版社，2008 《酶工程》郭勇主编， 科学出版社，2009 食品生物技术导论，各种版本 HANDBOOK OF FOOD ENZYMOLOGY, John R. Whitaker et al. MARCEL DEKKER, INC.（很厚的 一本书，介绍各种食品常用酶)
核酸类酶（R酶）的分类



自1982年以来，被发现的核酸类酶越来越多，对 它的研究越来越广泛和深入。但是对于分类和命 名还没有统一的原则和规定。 根据酶催化反应的类型，可以将R酶分为剪切酶， 剪接酶，和多功能酶等三类。 根据R酶的结构特点不同，可分为锤头型R酶，发 夹型R酶，含I型内含子的R酶，含II型内含子的R 酶等。 根据酶催化的底物是其本身RNA分子还是其它分子， 可以将R酶分为分子内催化（in cis，也称为自我 催化）和分子间催化（in trans）两类。
1926 美国的Sumner从刀豆中得到脲酶结晶（1947年 诺贝尔奖） 1969 日本固定化氨基酰化酶，第一次将固定化酶成 功地应用于工业生产。——酶工程诞生


1970 美国的Smith 发现限制性内切酶（1979年诺贝
尔奖）

1986 美国 核酶发现获得诺贝尔奖
国内外酶制剂生产和应用现状
世界三大酶制剂公司
基础篇
概述 酶的分类、组成、结构特点和作用机制 酶作为催化剂的显著特点 影响酶活力的因素 酶动力学和抑制作用 酶的分离纯化

Biocatalyst
(biochemical catalyst) - a biological substance that initiates or modifies the rate of a chemical reaction in a living organisms, required for their survival and reproduction, without itself being affected: proteins (enzymes) in a few cases nucleic acids (ribozymes, Sidney Altman and Thomas R. Cech, Nobel Price 1998)
的结合至少有三点，否则就不能产生立 体特异性。
酶作用专一性的两种假说 Lock-and-Key Models of EnzymeSubstrate Binding钥匙假说
Emil Fischer‟s „Lock-and-Key‟ hypothesis: The enzyme fits the substrate perfectly and fits the substrate like a lock fits a key
Each enzyme is now classified and named according to the type of chemical reaction it catalyzes. So an enzyme is assigned a four-number classification分类编号 and a twopart name called a systematic name系统名. In addition recommended name 推荐名is suggested by IUB for everyday use.
1.单体酶（monomeric enzyme)：仅有一条具有活性部位的 多肽链，全部参与水解反应。 2.寡聚酶 (oligomeric enzyme)：由几个或多个亚基组成， 亚基牢固地联在一起，单个亚基没有催化活性。亚基之间以 非共价键结合。 3.多酶复合物 (multienzyme system)：几个酶镶嵌而成的 复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。
丙酮酸脱氢酶系（E.coli）：丙酮酸脱氢酶（EⅠ）、 硫辛酰转乙酰酶（EⅡ）和二氢硫辛酰脱氢酶（EⅢ）。 EⅠ EⅡ EⅢ
碱性
EⅠ + EⅡ EⅢ
脲
EⅡ + EⅢ
活性部位和必需基团
必需基团：这些基团若经化学修饰使其改变，则酶的活 性丧失。 活性部位：酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用 直接有关的部位。 结合基团 专一性 活性部位 必需基团
Enzyme technology - a sub-field of biotechnology – new processes, utilizing enzymes as biocatalysts to meet with various human needs.
酶的定义
酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂。
洗涤剂用酶 饲料用酶
酿酒用酶
乳制品用酶 纺织用酶
我国酶工业发展阶段
1 2 3 4 5 6 1965 无锡酶制剂厂 淀粉酶 1979 糖化酶 碱性蛋白酶 中性蛋白酶 1993 耐高温淀粉酶 1998 国外大公司纷纷入驻1999年投产
国内外酶制剂生产应用差异

规模：国外多公司重组 国内重复建设、效益低
酶工程
酶工程（Enzyme Engineering）
从应用目的出发研究酶，在一定的生物反应装置中
利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。
是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术
科学，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有
机结合而产生的边缘科学。
主要内容
基础篇 化学酶工程

固定化酶与固定化细胞 酶蛋白的化学修饰 有机溶剂中的酶催化作用
酶的组成
单纯酶 酶 结合酶 （全酶）= 酶蛋白 + 辅因子 辅酶 与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。 辅因子 辅基 与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物。
金属激活剂 金属离子作为辅助因子。
酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分。 辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。
单体酶、寡聚酶和多酶复合物
惯用名：只取一个较重要的底物名称和反应类型。
乳酸：NAD+氧化还原酶 乳酸脱氢酶
对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。
(1)
氧化还原酶 Oxidoreductase

氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶 (Oxidase)。 如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
Ser-183,His-46 Ser,His,pK8-7的基团 CysCys,His,羧基 Cys,His,Tyr Lys,His,Tyr Tyr His12,119,Lys7,Asp121 一个氨基
一 些 酶 活 性 中 心 的 基 团
酶的作用原理 中间络合物学说 即为 酶-底物复合体学说 当一个酶在起催化作用时,首先要和 底物结合形成一个酶-底物复合体,然后 再催化底物转化成产物。 E+S ES E+P
中间络合物学说的验证
最有说服力的证据是中间络合物的 检测。 把温度降至-50°C度时，反应速度
大大降低，本来不稳定的中间物相对就
稳定了。这时就可以进行晶体合大多通过短程的非共价键，反
应产物易于同酶-底物复合物分开。
从酶作用的立体特异性说明酶和底物

投入：国外：开发经费高达15%，甚至19%销售额
国内：研究、开发投入不足，占1%销售额

开发重点: 国外：大力研制、开发新酶种和新用途
国内：品种少、剂型少
酶的化学本质
1926年J.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶，证明其为 蛋白质，并提出酶的本质就是蛋白质的观点。 1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNA—— ribozyme（核酶），以后Altman和Pace等又陆续发现了真 正的RNA催化剂。 核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质，还促进了有 关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。

HOOCCH=CHCOOH H2O HOOCCH2CHCOOH OH
(5)
异构酶 Isomerase

异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底 物分子内基团或原子的重排过程。 例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH OH OH OH OH OH CH2OH O CH2OH OH
酶的分类与命名
1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据 酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：
Classification and Nomenclature




For its identification every enzyme has got a 4digit number EC A.B.C.D. where EC stands for “Enzyme Commission” with the following properties encoded: A denotes the main type of reaction B stand for the subtype, indicating the substrate type or the type of transferred molecule C indicates the nature of the co-substrate D is the individual enzyme number
E.C. X.X.X.X
乳酸脱氢酶 EC 1.
1.
1.
27
第1大类，氧化还原酶
第1亚类，氧化基团CHOH 第1亚亚类，H受体为NAD+
该酶在亚亚类中的流水编号
酶的命名有两种方法：系统名、惯用名。 系统名：包括所有底物的名称和反应类型。
乳酸 + NAD+
丙酮酸 + NADH + H+
乳酸：NAD+氧化还原酶