[课件]酶工程01-酶和酶工程概论1PPT

编著，科学出版社，2009
课 程 简 介
教材和教学参考书
教学参考书
《酶工程》（第二版），罗贵民主
Enzyme Engineering
编，化学工业出版社，2008
《现代酶学》（第二版），袁勤生
主编，华东理工大学出版社，2001
《酶学原理与酶工程》，周晓云主
编，中国轻工业出版社，2007
专一性：一定条件下，一种酶只能催化一种或一类结构相似的底
物进行某种类型反应的特性。
绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一种反应。 相对专一性：一种酶催化一类结构相似的底物进行某种相同类型
的反应。
Enzyme Engineering
绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一种反应
构型专一性
—— 酶作用动力学说的提出
（亨利）—— 中间产物学说
ES
k2
1902年，Henri

E+S
k1 k-1
E+P
底物转化成产物之前，必须先与酶形成复合物
1913年，Michaelis（米彻利斯）和Menten
（曼吞）根据上述学说，推导出酶促反应动力 学方程 —— 米氏方程

V=
K m + S
考核方式
期末笔试（闭卷）
课 程 简 介
课程主要内容

Enzyme Engineering
酶和酶工程概论（第一章） 酶的生产
微生物发酵产酶（第二章）
动植物细胞培养产酶（第三章） 酶的提取与分离纯化（第四章）

酶的改性
酶分子修饰（第五章）
酶、细胞、原生质体固定化（第六章） 酶非水相催化（第七章） 酶定向进化（第八章）
核酸类酶发现的重大意义
RNA具有酶的催化活性，向酶的化学本质是蛋白质这一传统概
念提出了挑战。
在理论上，对于生物起源和生命进化的研究具有重要启示。 核酸类酶具有内切酶活性，可定点切割mRNA，破坏mRNA，
抑制基因表达，为基因、病毒和肿瘤治疗提供了可行途径。
第一节 小结
给酶下一个新概念？
enzyme，P酶）
由蛋白质构成，部分含有金属及辅基，不含核酸成分。
enzyme，R酶）
是具有催化能力的RNA
分子内催化和分子间催化
酶和酶工程概论
酶工程（enzyme
Enzyme Engineering
engineering）
将酶或者微生物细胞、动植物细胞、细胞器等在一定的
生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助 工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生 活的一门科学技术。
—— 立体异构选择性
如：乳酸脱氢酶催化丙酮酸进行加氢反应生成的产物是L-乳酸。
而D-乳酸脱氢酶催化丙酮酸生成的是D-乳酸。
CH3 C O C O OH
丙 酮 酸 乳 酸 脱 氢 酶
CH3 H C OH
C H 3 CO O H 丙 酮 酸
C H 3 CO
+ N A D H N A D
O CH CO D － 乳 酸 脱 氢 酶H
Substrate can match the binding site
Substrate do not match the binding site
Enzyme
Enzyme
酶和酶工程概论
酶催化作用的特点
酶催化作用专一性的相关学说
Enzyme Engineering
3、诱导契合学说
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于
酶和酶工程概论
酶催化作用的特点
酶催化作用效率高

Enzyme Engineering
活化能：在一定温度条件下， 1mol的初态分子转化为活化分 子所需的自由能称为活化能， 单位J/mol。
1783年，Spallazani（斯帕拉扎尼）
通过实验阐明了不仅鸟的胃液，其它动物和人的胃液也有类似的消
化作用，这个作用还与温度、胃液加量有关，而且在体外是不稳定 的，活性会逐渐丧失。
最早的酶学实验。
酶和酶工程概论
酶的基本概念和发展历史
近代
Enzyme Engineering
—— 十八世纪始，酶学的 萌芽和初步发展
Enzyme Engineering
酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的
形式。只有这种情况下，催化作用才能实现。
Enzyme
Enzyme
酶和酶工程概论
酶催化作用的特点——专一性
酶催化作用专一性的相关学说
Enzyme Engineering
2、锁－钥学说
整个酶分子的天然构象是刚性的，酶表面具有特定的形状 酶与底物的结合，如同一把钥匙对一把锁一样。
酶和酶工程概论
酶的基本概念和发展历史
远古时代
Enzyme Engineering
—— 古老的“食品工业”
—— 粬
中国夏禹时代：酿酒、酿醋
醪、醴、麴(曲，粬)
两周时代：饴糖、食酱、腌菜
豆：两周时代的重要礼器和食器，盛放腌菜
公元十世纪：制豆酱

利用曲霉中的蛋白酶水解豆类蛋白得到
酶的基本概念和发展历史
近代
Enzyme Engineering
—— 十八世纪始，酶学的萌芽和初步发展
buzzard（秃鹰）的胃液对肉块具有消化作用，这是一种化学变化
18世纪中后期，法国科学家Réaumur（雷默尔）
而非物理变化过程（如溶解），而且这个化学变化是在很“温和” 的条件下实现的。
发现酵母粗提液也能将糖发酵成酒精；
表明起作用的非细胞本身，在细胞外也可以发生作用。 此项发现促进了酶的分离和对其理化性质的研究，也促进了生命过
程中酶系统的研究。一般认为酶学研究始于此。
Buchner获得了1911年诺贝尔化学奖。
酶和酶工程概论
酶的基本概念和发展历史
近代
Enzyme Engineering
Vmax S
酶和酶工程概论
酶的基本概念和发展历史
近代
Enzyme Engineering
—— 酶的本质和结构研究
Sumner（萨姆纳）
从刀豆中提取脲酶（urease），首
1926年，J.
次获得酶的结晶体
1937年又获得过氧化氢酶结晶
证实了酶是蛋白质
获得1946年诺贝尔化学奖
2. 能够改变化学反应的速率，但是不能改变化学反应平衡； 3. 降低反应的活化能，从而加速反应的进行； 4. 一般要与反应物形成过渡态。
酶催化反应的特性
1. 专一性强 2. 催化效率高 3. 催化反应的条件温和
酶和酶工程概论
酶催化作用的特点一
催化作用的专一性
Enzyme Engineering
课 程 简 介
教学目的和要求
Enzyme Engineering
以酶学的内容为基础，酶的工程应用为主，融入各章节
内容中。 通过本课程的学习，要求系统地掌握酶的生产、改性与 应用的技术过程。 理解和掌握酶工程的主要理论、概念，掌握酶工程的研 究方法，熟悉工程应用。 了解相关的新进展。
19世纪中叶，Pasteur
认为酵母中存在一种使葡萄糖转
化为酒精的物质，但他认为只有 活的酵母细胞才能进行发酵。
1878年，Kühne（昆尼）
“Enzyme”
的诞生：En（在）+ Zyme（酵母），表示酶在酵母中。 昆尼首次将酵母中进行乙醇发酵 的物质称之为酶，来此希腊文， 意思是“在酵母中”
Enzyme Engineering
酶 工 程
Enzyme Engineering
第一课
酶和酶工程概论
酶和酶工程概论
酶（enzyme）
定义：
Enzyme Engineering
活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，又称为生
物催化剂。
分类：
蛋白类酶（protein
核酸类酶（RNA
酶和酶工程概论
酶的基本概念和发展历史
近代
Enzyme Engineering
—— 十八世纪始，酶学的萌芽和初步发展
Joichi（高峰让吉）
利用米霉菌固体培养法生产高峰淀粉酶（第一个商品酶制剂），其
1894年，Takamine
方法至今仍被采用。
1896年（另一说1897年），Buchner（巴克纳）兄弟
NADH
NAD+
C O OH
L -乳 酸
O H D 乳 酸
专一底物
—— 如脲酶催化尿素的分解反应
Enzyme Engineering
相对专一性：一种酶催化一类结构相似的底物进行某种相同类型
的反应。
键专一性
——
作用于相同化学键的一类底物，如酯酶
基团专一性
——
作用于相同基团的一类底物，如胰蛋白酶，水解含有赖氨酰或精氨
H2O O H2N NH2 Urease 2NH3 + CO2
酶和酶工程概论
酶的基本概念和发展历史
现代酶学
Enzyme Engineering
—— 快速发展时期
核酸类酶（Ribozyme）的发现
1982年，Cech（切克）发现四膜虫的26S
rRNA前体在完全没有蛋白质的情况下进行 自我加工，催化得成熟的rRNA。
用麴治疗消化不良的疾病
春秋战国时代：
Enzyme Engineering
酶和酶工程概论
酶的基本概念和发展历史
远古时代
Enzyme Engineering
—— 古老的“食品工业”
古埃及、古巴比伦时代：麦粉发酵
酿造啤酒
磨粉、去糠、打碎 麦芽萌发、浸润
成酒发酵、装瓶
酶和酶工程概论
现代酶学理论与化工技术的交叉。 应用领域：
食品工业 轻工业 医药工业
酶和酶工程概论
本章主要内容
酶的基本概念和发展历史
Enzyme Engineering
酶催化作用特点
影响酶催化作用的因素 酶的分类与命名 酶的活力测定 酶的生产方法 酶工程发展概况
底物的诱导才形成了互补形状。
Substrate Enzyme + Enzyme +
Product-1
Product-2 Transition state conformation
酶和酶工程概论
酶催化作用的特点二
酶催化作用效率高
Enzyme Engineering
酶的催化作用可使反应速度提高107～1013倍 例如：H2O2的分解反应
1983年，Atman（阿尔特曼）等人发现核糖
核酸酶P中的RNA组分M1 RNA具有核糖核 酸酶的催化活性，单独催化tRNA前体切除 部分核苷酸而成为成熟的tRNA。
Thomas Cech
酶和酶工程概论
酶的基本概念和发展历史
现代酶学
Enzyme Engineering
—— 快速发展时期
酰羰基的肽键，如酰胺类、脂类、蛋白质等等都可被胰蛋白酶水 解。
酶和酶工程概论
Enzyme Engineering
补充：为什么酶催化具有专一性？
酶催化作用专一性的“三个学说”
“三点结合”的催化理论 锁－钥学说 诱导契合学说
酶和酶工程概论
酶催化作用专一性的相关学说
1、“三点结合”的催化理论
C a t a l y s t 1 H O H O + O 2 22 2 2
Fe3+催化，效率为6×10-4
活化能 ？？
mol/(mol· s) 过氧化氢酶催化，效率为6×106 mol/(mol· s) 过氧化氢酶将H2O2分解反应的活化能从75.24 kJ· mol-1 降低到8.36 kJ· mol-1 非酶催化剂钯，将H2O2分解反应的活化能从75.24 kJ· mol-1 降低到 48.94 kJ· mol-1
Enzyme Engineering
酶是具有生物催化功能的生物大分子。
酶的分类？
蛋白类酶和核酸类酶。 填空练习题： 蛋白类酶分子中起催化作用的主要组分是（），核酸类酶 分子中起催化作用的主要组分是（）。 蛋白质 核糖核酸（RNA）
酶和酶工程概论
第二节
催化剂的共性
1. 用量少而催化效率高；
Enzyme Engineering 酶催化作用的特点
酶工程_01-酶和酶工 程概论1
课 程 简 介
Enzyme Engineering
本课程讲授酶学和酶工程的相关知识，包括酶的生
产、酶的改性以及酶的应用。
课程性质
专业基础课，48学时，3学分 适用对象：生物工程专业
先修课程
有机化学、生物化学、微生物学、发酵工程
后续课程
毕业应用（第十章）
课 程 简 介
教材和教学参考书
Enzyme Engineering
教材：
《酶工程》（第四版），郭勇
编著，科学出版社，2016.
课 程 简 介
教材和教学参考书
Enzyme Engineering
参考：
《酶工程》（第三版），郭勇