酶工程绪论
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1第一章 酶绪论
一般认为， 一般认为，酶工程的发展历史应从第二次世 界大战后算起。 界大战后算起 。 从 20 世纪50 年代开始， 由 20世纪 50年代开始 ， 微生物发酵液中分离出一些酶，制成酶制剂。 微生物发酵液中分离出一些酶，制成酶制剂。 60年代后，由于固定化酶、固定化细胞崛起， 60年代后，由于固定化酶、固定化细胞崛起， 使酶制剂的应用技术面 貌一新 。 70 年代后 貌一新。 70年代后 期以来，由于微生物学。 期以来，由于微生物学。遗传工程及细胞工 程的发展为酶工程进一步向纵深发展带来勃 勃生机，从酶的制备方法、 勃生机，从酶的制备方法、酶的应用范围到 后处理工艺都受到巨大冲击。 后处理工艺都受到巨大冲击。尽管目前业已 发现和鉴定的酶约有 8 000多种，但大规模 000多种， 生产和应用的商品酶只有数十种。 生产和应用的商品酶只有数十种。
（3）1878年，Kuhno给酶起了一个统一名称，叫 1878年，Kuhno给酶起了一个统一名称，叫 Enzyme。 Enzyme。 （4）世界上第一个商品酶制剂产品。1894年高峰让吉 世界上第一个商品酶制剂产品。1894年高峰让吉 用米曲霉固体培养法生产 “ 他卡 ” 淀粉酶， 用米曲 霉固体培养法生产“ 他卡” 淀粉酶 ， 用作消化 剂。 （ 5 ） 锁钥学说 。 1894 年 E． Fisher 提出了酶与底物作 锁钥学说。 1894年 Fisher提出了酶与底物作 用的锁钥学说，用以解释酶的作用的专一性。 用的锁钥学说，用以解释酶的作用的专一性。 （ 6 ） 中间络合物学说 。 1903 年 Henri 提出酶与废物的 中间络合物学说。 1903年 Henri提出酶与废物的 作用是通过酶与底物生成络合物而进行的。 1913年 作用是通过酶与底物生成络合物而进行的 。 1913 年 Michaelis和Menten根据中间络合物学说， Michaelis和Menten根据中间络合物学说，导出了著名 的 Michaelis － Menten 方程， 简称米氏方程 。 1925 年 Michaelis－ Menten方程 ， 简称米氏方程。 1925年 Briggs和 Handane对米氏方程作了一项重要修正 ， Briggs 和 Handane 对米氏方程作了一项重要修正， 提 出了稳态学说。 出了稳态学说。 （7）酶的本质是蛋白质。1926年Sumer从刀豆中提取 酶的本质是蛋白质。1926年Sumer从刀豆中提取 豚酶结晶获得成人， 证明了酶本质是蛋白质， 豚酶结晶获得成人 ， 证明了酶本质是蛋白质 ， 为酶化 学奠定了基础。1956年以来九后阐明了十多种酶的一 学奠定了基础 。1956年以来九后阐明了十多种酶的一 级结构和若，厂酶的高级结构， 清了酶的功能。 级结构和若，厂酶的高级结构，搞清了酶的功能。
酶工程绪论()资料文档
用于医药或工业上的尿激酶原、组织纤溶酶原激活剂、 凝乳酶、α-淀粉酶、青霉素G酰化酶等都可用此法大 量获得。
对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶（突变酶)
通过定点诱变技术，能产生被改造的新酶； 可改变酶的催化活性、底物专一性、最适PH;改变含
金属酶的氧化还原能力；改变酶的别构调节功能； 改变酶对辅酶的要求；提高酶的稳定性 例如将枯草杆菌蛋白酶的第99位门冬氨酸及156位谷 氨酸替换为赖氨酸后，使这个酶在pH7时的活力提高 了1倍，在pH6时活力提高了10倍。 例如,将T4溶菌酶的第51位苏氨酸转变成脯氨酸,使 酶活力提高了25倍。
4、 酶与细胞固定化
一般酶催化反应是在水溶液中进行的，而固定化酶是 将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于 水的，但仍具有酶活性的状态。
其中固定化酶技术是酶工程的核心。实际上有了酶
的固定化技术，酶在工业生产中的利用价值才真正得 以体现。
酶固定化之后，不仅具有高的催化效率和高度专一 性，而且提高了对酸碱和温度的稳定性，增加了酶 的使用寿命；反应后易于反应产物分离，减少了产 物分离纯化的困难，从而提高产量和质量。因此固 定化酶已成为酶应用的主要形式。
SOD - blood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea …… organ/tissue/cell
Amylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus …… Plant cell culture Animal cell culture
现已鉴定出4000多种酶，数百种酶已得到结晶，而 且每年都有新酶被发现。
对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶（突变酶)
通过定点诱变技术，能产生被改造的新酶； 可改变酶的催化活性、底物专一性、最适PH;改变含
金属酶的氧化还原能力；改变酶的别构调节功能； 改变酶对辅酶的要求；提高酶的稳定性 例如将枯草杆菌蛋白酶的第99位门冬氨酸及156位谷 氨酸替换为赖氨酸后，使这个酶在pH7时的活力提高 了1倍，在pH6时活力提高了10倍。 例如,将T4溶菌酶的第51位苏氨酸转变成脯氨酸,使 酶活力提高了25倍。
4、 酶与细胞固定化
一般酶催化反应是在水溶液中进行的，而固定化酶是 将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于 水的，但仍具有酶活性的状态。
其中固定化酶技术是酶工程的核心。实际上有了酶
的固定化技术，酶在工业生产中的利用价值才真正得 以体现。
酶固定化之后，不仅具有高的催化效率和高度专一 性，而且提高了对酸碱和温度的稳定性，增加了酶 的使用寿命；反应后易于反应产物分离，减少了产 物分离纯化的困难，从而提高产量和质量。因此固 定化酶已成为酶应用的主要形式。
SOD - blood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea …… organ/tissue/cell
Amylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus …… Plant cell culture Animal cell culture
现已鉴定出4000多种酶，数百种酶已得到结晶，而 且每年都有新酶被发现。
西大酶工程绪论知识点
1.酶是具有生物催化功能的生物大分子，按其化学组成，可分为蛋白类酶（P酶）和核酸类酶（R酶），P酶主要由蛋白质组成，R酶主要由核糖核酸（RNA）组成。
2.酶的生产与应用的技术过程称为酶工程。
3.酶工程内容包括：微生物细胞发酵产酶、动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶、细胞和原生质体固定化、酶的非水相催化、酶反应器和酶的应用。
4.酶的催化作用具有催化效率高，专一性强和作用条件温和等显著特点。
5.酶的专一性按其严格程度不同，分为绝对专一性（乳酸脱氢酶、天冬氨酸裂合酶、核酸类酶）和相对专一性（可分为键专一性和基团专一性）。
6.酶催化的转换数一般为103min-1左右，碳酸酐酶的转换数最高，为3.6×107 min-1。
7.酶的催化反应速度比非酶催化的反应速度高107~1013倍，酶催化反应可使反应所需活化能显著降低。
8.酶的催化作用一般都在常温、常压、pH值近乎中性条件下进行。
究其原因，一是酶催化作用所需的活化能较低，二是酶是具有生物催化功能的生物大分子。
9.酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂浓度、抑制剂浓度影响。
10.在底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度成正比。
11.在最适温度条件下，酶催化反应速度达到最大。
添加酶的作用底物或者某些稳定剂可适当提高酶的热稳定性。
12.在最适pH值条件下，酶催化反应速度达到最大。
在不同pH值条件下，酶分子和底物分子中基团的解离状态发生改变，从而影响酶分子的构象以及酶与底物的结合能力和催化能力。
在极端pH下，酶分子空间结构发生改变，从而引起酶的变性失活。
13.酶的抑制剂：能够使酶的催化活性降低或者丧失的物质。
外源抑制剂有各种无机离子、小分子有机物和蛋白质等。
有可逆性抑制剂和不可逆性抑制剂之分。
14.可逆性抑制作用分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。
15.竞争性抑制的效果强弱与竞争性抑制剂的浓度、底物浓度以及抑制剂和底物与酶的亲和力大小有关，随底物浓度增加，酶抑制作用减弱。
酶工程
酶工程华东师范大学微生物与食品技术实验室金明飞第一章绪论1.什么叫酶？2.什么是酶工程？3.酶的发现及研究历史4.酶的化学性质与催化特性5.酶的分类命名6.应用*酶是生物细胞产生的、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。
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。
生物技术的四大支柱*19世纪末期-20世纪中期起步阶段酶的提取分离；酶的应用1894高峰让吉之辈高峰淀粉酶；Rohm 胰酶；Boidin细菌淀粉酶。
*20世纪40年代至60年代初步发展微生物发酵、发酵优化控制1949年液体培养细菌α-淀粉酶；1960年，Jacob和Monod提出操纵子学说，诱导发酵*20世纪70年代以来全面发展固化酶；动植物细胞培养；酶分子修饰；酶非水相催化和酶定向进化*酶工程是酶的生产与应用的技术过程。
*内容酶的生产：微生物发酵、动植物培养、酶的分离纯化酶的应用：酶反应器选择设计、各个领域的应用酶的改性：酶分子修饰、酶固定化、酶非水相催化、酶定向进化*人们对酶的认识起源于生产与生活实践。
*夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。
*公元前12世纪周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。
*春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。
*西方国家19世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究。
直到1897年，德国巴克纳Buchner兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，制备了不含酵母细胞的抽提液，并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵，说明发酵与细胞的活动无关。
从而说明了发酵是酶作用的化学本质，为此Buchner获得了1911年诺贝尔化学奖。
*1896年,日本的高峰让吉首先从米曲霉中制得高峰淀粉酶,用作消化剂,开创了有目的的进行酶生产和应用的先例。
*1878年, 给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个字来自希腊文，其意思“在酵母中”。
酶工程第一章绪论
2018/8/4
酶工程 第1章 绪论
40
4.2 酶工程的发展趋势
从新生物资源中，特别是极端环境中 或宏基因组挖掘新酶 通过定向进化、理性设计、分子重排 等手段对已有酶进行改性，提高酶的 催化活性、稳定性等，或改变酶的催 化作用
酶工程 第1章 绪论
2018/8/4
41
酵素
酵素是否真有那么多神奇的功效！？ 视频链接： /us/267246343/825 47919.shtml
酶基因的异源表达
酶的改造及分子修饰 核酶、抗体酶、模拟酶及分子印迹酶的开发和应用 手性化合物的不对称合成及酶法拆分 非水相催化
2018/8/4 酶工程 第1章 绪论 25
2.4 现代酶工程
a.酶的开发
• 开发工程酶 • 利用极端微生物发掘新酶 • 拓展酶反应的新介质
b. 酶和细胞的固定化
高效性：酶促反应速率比非酶促反应高 108~1020倍，比化学催化剂高106~1013倍。
高度专一性：酶对底物有严格选择性
酶易失活，需要温和的反应条件
酶的活性可以被调节和控制
酶催化常需要辅助因子
2018/8/4 酶工程 第1章 绪论 15
1.3 酶催化作用的特点
二、酶的特性
酶的分布广泛，存在于所有的细胞和组织中， 相对隔离，各自发挥作用。
2018/8/4
酶工程 第1章 绪论
13
1.3 酶催化作用的特点
一、酶与化学催化剂的共性
能降低反应活化能 只催化本来就能进行的反应，即热力学允许的 反应 能缩短反应时间，但不改变反应平衡
反应前后本身质量不变
2018/8/4
酶工程 第1章 绪论
酶工程第一章绪论
酶工程第一章绪论
第一节 酶的基本概念与发展历史
酶的存在及作用的认识： 1833年：发现淀粉酶 19世纪中叶：糖发酵产酒与活酵母有关 1878年：给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个
字来自希腊文，其意思是“在酵母中”。 1897年，德国巴克纳Buchner兄弟发现不含细胞的
酵母提取液也能使糖发酵，说明发酵与细胞的活 动无关，从而说明了发酵是酶作用的化学本质， 为此Buchner获得了1907年诺贝尔化学奖。
体异构专一性。如：蔗糖酶、麦芽糖酶。 立体异构专一性： 当作用的底物含有不对称碳原子时，酶只能作用
于异构体的一种。如：乳酸脱氢酶。 核酸类酶也具有绝对专一性。
酶工程第一章绪论
1、绝对专一性
酶工程第一章绪论
2、相对专一性
相对专一性概念： 一种酶能够催化一类结构相似物质进行某种相同
类型的反应。 （1）基团专一性 要求底物含有某一相同的基团。
命名。 两类酶的命名差别： 蛋白类酶只能催化其他分子进行反应，而核酸类
酶既可以催化酶分子本身也可以催化其他分子进 行反应。
酶工程第一章绪论
第四节 酶的分类与命名 注意：顺序
蛋白类酶的种类：
不要搞错！
氧化还原酶类 Oxidoreductases
转移酶类
Transgerases
水解酶类
Hydrolases
五、抑制剂的影响 可逆抑制剂 不可逆抑制剂
竞争性抑制剂 非竞争性抑制剂 反竞争性抑制剂
六、激活剂的影响 激活剂：金属离子、无机负离子、蛋白酶等。
酶工程第一章绪论
第四节 酶的分类与命名
按照分子中起催化作用的主要组分的不同，酶可 以分为蛋白类酶（P酶）和核酸类酶（R酶）。
命名总原则： 根据酶作用的底物和催化反应的类型进行分类和
第一节 酶的基本概念与发展历史
酶的存在及作用的认识： 1833年：发现淀粉酶 19世纪中叶：糖发酵产酒与活酵母有关 1878年：给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个
字来自希腊文，其意思是“在酵母中”。 1897年，德国巴克纳Buchner兄弟发现不含细胞的
酵母提取液也能使糖发酵，说明发酵与细胞的活 动无关，从而说明了发酵是酶作用的化学本质， 为此Buchner获得了1907年诺贝尔化学奖。
体异构专一性。如：蔗糖酶、麦芽糖酶。 立体异构专一性： 当作用的底物含有不对称碳原子时，酶只能作用
于异构体的一种。如：乳酸脱氢酶。 核酸类酶也具有绝对专一性。
酶工程第一章绪论
1、绝对专一性
酶工程第一章绪论
2、相对专一性
相对专一性概念： 一种酶能够催化一类结构相似物质进行某种相同
类型的反应。 （1）基团专一性 要求底物含有某一相同的基团。
命名。 两类酶的命名差别： 蛋白类酶只能催化其他分子进行反应，而核酸类
酶既可以催化酶分子本身也可以催化其他分子进 行反应。
酶工程第一章绪论
第四节 酶的分类与命名 注意：顺序
蛋白类酶的种类：
不要搞错！
氧化还原酶类 Oxidoreductases
转移酶类
Transgerases
水解酶类
Hydrolases
五、抑制剂的影响 可逆抑制剂 不可逆抑制剂
竞争性抑制剂 非竞争性抑制剂 反竞争性抑制剂
六、激活剂的影响 激活剂：金属离子、无机负离子、蛋白酶等。
酶工程第一章绪论
第四节 酶的分类与命名
按照分子中起催化作用的主要组分的不同，酶可 以分为蛋白类酶（P酶）和核酸类酶（R酶）。
命名总原则： 根据酶作用的底物和催化反应的类型进行分类和
酶工程绪论
Menten、Jacob和Monod、Cech和Altmam对
酶学的主要贡献是什么？
Northrop, J. H. (1930) “Crystallin pepsin, 1: Isolation and tests of purity” J. Gen . Phys Nobel Prize in Chemistry 1946
“ for his discovery "for their preparation of enzymes and that enzymes virus proteins in a pure form" can be crystallized"
1894年，日本的高峰让吉首先从米曲霉中制得高峰淀粉酶 （ taka-diastase) 用作消化剂，开创了有目的地进行酶的生产和应 用的先例。 1908 年，德国的 Rolam 制得胰酶，用于皮革的软化；法国 的Boidin制备细菌淀粉酶，用于纺织品的退浆。 1911年，美国的Walletstein制得木瓜蛋白酶，用于除去啤酒 中的蛋白质浑浊（澄清剂）。
饰，高分子化合物修饰蛋白侧链，增加稳定性。
（2）生物酶工程 ： 亦称为高级酶工程 / Advanced enzyme
engineering 。
在化学酶工程基础上发展起来的，以酶学和
DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合
的产物。
70年代初DNA重组技术的问世把酶学推进到
一个十分重要的发展时期，使它的基础研究和应用
第三阶段:固定化酶阶段 固定化酶是用物理或化学方法处理水溶性的酶使之变成 不溶于水或固定于固相载体，但仍具有酶活性的酶衍生 物。
1916年, 美国的Nelson和Griffin发现将转化酶吸附在骨碳上仍显示出酶的催化 活性。 1953 年，德国 Grubhofer 和 Schleith 首先将聚氯基苯乙烯树脂重氮化，然后将 淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖核酸酶等与上述载体结合，制成固定化酶。
08级酶工程复习大纲
各章重点第一章绪论1. 酶工程的概念、分类及其研究内容。
2. 酶的分类与命名第二章酶的生物合成与发酵生产1.用操纵子模型解释酶的诱导与阻遏机制（末端产物、分解代谢产物）2.根据酶生物合成的调节类型及机制说明如何提高酶的产量。
3.酶生物合成的模式及影响因素。
4.比较动物植物和微生物在细胞结构、培养基和培养方式上的不同。
5.一些概念的区别：操纵子与操纵基因、诱导酶与组成酶、胞内酶与胞外酶、外植体与愈伤组织第三章酶的提取与分离纯化1.细胞破碎的目的、方法及原理。
2.酶抽提的目标及方法。
3.常用沉淀法的种类及原理。
4.常用沉淀法的种类及原理。
盐析法分离蛋白质的原理、种类及盐析常数的含义。
5.双水相萃取、超临界流体萃取、反胶团萃取的原理。
6.膜分离的种类、原理及应用。
7.比较吸附层析、疏水层析、离子交换层析、凝胶过滤、亲和层析等方法在原理、层析介质、操作及应用方面的异同点。
8.比活力、提纯倍数、回收率的含义及用途。
9.亲和层析的原理是什么？如何根据目的产物的性质选择洗脱方式？10.电泳的基本原理是什么？电泳的种类有哪些？11.SDS-PAGE和等电聚焦电泳的原理和操作的不同之处是什么？12.影响凝胶过滤分辨率的因素有哪些？分配系数的含义及作用。
第四章酶分子的化学修饰1.酶活性中心的特点及主要化学基团。
2.研究酶活性中心的方法及差别标记与亲和标记的区别与特点。
3.酶化学修饰的目的是什么？常用的大分子修饰剂有哪些，修饰后的用途及原理。
4.那些蛋白质侧链基团可以被修饰？主要的修饰剂及修饰反应类型。
5.酶的蛋白质工程、酶分子化学修饰、酶的固定化在目的方法上的异同点。
6.分析说明修饰酶的性质。
7.维持酶分子空间结构稳定的主要作用力是什么？8.酶的蛋白质工程的含义是什么？为什么要进行酶的蛋白质工程？什么是蛋白质的定向进化？第五章酶与细胞的固定化1. 固定化酶、细胞、原生质体产生的背景。
2. 固定化方法有哪几种？各自的优缺点及适用范围。
酶工程第一章
酶的活性中心
酶的必需基团(essential
group):
与酶活性有关的基团
酶的活性中心(active
center): 酶分子上由必需基团构成的与酶催 化活性有关的特定区域
酶活性中心示意图
S-S
活性中心外 必需基团
底物
结合基团
催化基团 肽链
活 性 中 心 必 需 基 团
活性中心
一些酶活性中心的氨基酸残基
3、Km值与 Vmax值的测定
（1）双倒数作图法又称林-贝氏作图法（1934） 1 Km 1 + 1
=
V
Vmax
1/V
[S]
Vmax
斜率= Km/ Vmax
1/Vmax
-1/Km
0
1/[S]
（2） Hanes作图法
[s]
v
斜率= 1/Vm
Km/Vm
-Km
0
[s]
（3）Eadie-Hofstee作图法
0.2 Vm 2 0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
[S]
1、米-曼氏方程式 （Michaelis-Mentenequation）
Vmax [S]
V= Km + [S]
（1）、米-曼氏方程解释： 当[S]Km时，v=(Vmax/Km) [S], 比于[S] 当[S]Km时，v Vmax, 即v 正
活化能: 活化分子具有的高于平 均水平的能量。
加快反应速度的方法：
供给能量，如加温、光照等 降低活化能
过渡态
非催化反应活Leabharlann 能能 量 改 变一般催化剂 反应活化能 酶促反应活化能
酶工程第一章-绪论
分为：化学酶工程与生物酶工程。
1. 化学酶工程（初级酶工程）
2. 酶化学与化学工程技术相结合的产物。 3. 主要研究内容：酶的制备、酶的分离纯化、
酶与细胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器 和酶的应用。
4. 2. 生物酶工程（高级酶工程）
5. 在化学酶工程基础上发展起来的、酶学与现 代分子生物学技术相结合的产物。
6.
31
生物酶工程主要研究内容
（1） 用基因工程技术大量生产酶（克隆酶） 如：尿激酶原和尿激酶是治疗血栓病的有效药物。用 DNA重组技术将人尿激酶原的结构基因转移到大肠杆菌 中，可使大肠杆菌细胞生产人尿激酶原，从而取代从大 量的人尿中提取尿激酶。 （2）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶） 如：酪氨酰－tRNA合成酶，用Ala5（第5位的丙氨酸） 取代Thr51（第51位的丝氨酸），使该酶对底物ATP的 亲和力提高了100倍。 （3）设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能 稳定、活性更高的新酶。
切赫T.R.Cech（1947－） 奥尔特曼S.Altman(1939-)
1986年Schultz与Lerner等人研制成功抗体 酶(abzyme),这一研究成果对酶学研究具 有重要的理论意义和广泛的应用前景。
它集生物学、免疫学、化学于一身，采用 单克隆、多克隆、基因工程、蛋白质工 程等高新技术，开创了催化剂研究和生 产的崭新领域。
（2）酶工程的研究简史
1894年，日本首次从米曲霉中提炼出淀粉酶，治疗 消化不良，开创人类有目的地生产和应用酶制剂 的先例。
1908年，德国的罗门等用动物胰脏制得胰蛋白酶， 用于皮革的软化及洗涤。
1917年，法国用枯草杆菌产生的细菌淀粉酶作纺织 工业上的褪浆剂。
1949年，日本采用深层培养法发酵生产α-淀粉酶获 得成功，使酶制剂生产应用进入工业化阶段。
1. 化学酶工程（初级酶工程）
2. 酶化学与化学工程技术相结合的产物。 3. 主要研究内容：酶的制备、酶的分离纯化、
酶与细胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器 和酶的应用。
4. 2. 生物酶工程（高级酶工程）
5. 在化学酶工程基础上发展起来的、酶学与现 代分子生物学技术相结合的产物。
6.
31
生物酶工程主要研究内容
（1） 用基因工程技术大量生产酶（克隆酶） 如：尿激酶原和尿激酶是治疗血栓病的有效药物。用 DNA重组技术将人尿激酶原的结构基因转移到大肠杆菌 中，可使大肠杆菌细胞生产人尿激酶原，从而取代从大 量的人尿中提取尿激酶。 （2）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶） 如：酪氨酰－tRNA合成酶，用Ala5（第5位的丙氨酸） 取代Thr51（第51位的丝氨酸），使该酶对底物ATP的 亲和力提高了100倍。 （3）设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能 稳定、活性更高的新酶。
切赫T.R.Cech（1947－） 奥尔特曼S.Altman(1939-)
1986年Schultz与Lerner等人研制成功抗体 酶(abzyme),这一研究成果对酶学研究具 有重要的理论意义和广泛的应用前景。
它集生物学、免疫学、化学于一身，采用 单克隆、多克隆、基因工程、蛋白质工 程等高新技术，开创了催化剂研究和生 产的崭新领域。
（2）酶工程的研究简史
1894年，日本首次从米曲霉中提炼出淀粉酶，治疗 消化不良，开创人类有目的地生产和应用酶制剂 的先例。
1908年，德国的罗门等用动物胰脏制得胰蛋白酶， 用于皮革的软化及洗涤。
1917年，法国用枯草杆菌产生的细菌淀粉酶作纺织 工业上的褪浆剂。
1949年，日本采用深层培养法发酵生产α-淀粉酶获 得成功，使酶制剂生产应用进入工业化阶段。
酶工程 第一章绪论 第一节酶的基本概念与发展史
第一节 酶的基本概念与发展史
（1）催化代谢反应，建立各种各样代谢途径和代谢体系；
（2）执行具体的生理机能，如乙酰胆碱酯酶能水解乙酰胆 碱，参与神经传导；
（3）协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转换、传递 和放大作用，调节生理过程和生命活动，如腺苷酸环化酶对糖 类代谢的调节；
（4）清除有害物质，起着保卫作用，如超氧歧化酶能破坏 超氧负离子，从而防止脂质超氧化。Biblioteka 酶工程第一章 绪论
第一节 酶的基本概念与发展史
一、酶是一种生物催化剂
酶是一种由活细胞产生的具有生物催化功能的生物大分 子。现在，已知的酶都是由生物体合成的，除少数具有催化 能力的RNA外，其化学本质都是蛋白质。它们大部分存在于 细胞体内，少部分分泌到体外。
一切生命活动都是由新陈代谢的正常运转来维持的，新 陈代谢是生命活动的最重要的特征之一。而酶则是促进生物 体内一切代谢活动的物质，没有酶的作用代谢反应就无法进 行，生命也即停止。酶在生物体内发生的作用主要有以下几 种类型：
酶与酶工程绪论
酶是由生物体内活细胞产生的具有催化作用的有机物，通常由蛋 白质组成，少数由RNA组成。酶具有高度的专一性，只能催化一 种或一类化学反应。同时，酶的催化效率极高，比一般化学催化 剂高出成千上万倍。
酶的分类与命名
总结词
酶可以根据其来源、化学组成、作用机制等进行分类，国际酶学委员会制定了统一的酶 的命名原则。
酶工程的研究内容与技术
80%
酶的分离与纯化
通过生物或化学方法，从生物体 或细胞中分离和纯化酶，是酶工 程的重要研究内容。
100%
酶的活性调节
通过改变酶的活性，实现酶催化 效率的提高或抑制，是酶工程的 关键技术之一。
80%
酶的大规模生产
利用生物反应器、固定化酶等技 术手段，实现酶的大规模生产和 应用，是酶工收光谱，了 解酶的共轭体系和蛋白质二级结构。
核磁共振技术
利用核自旋磁矩的测量分析酶分子中的氢、 碳、氮等原子核的位置和动态。
质谱技术
通过测量酶离子的质量和电荷比，推断酶的 分子量和组成。
05
酶的改造与优化
酶改造的方法与策略
基于序列的改造
通过分析酶的氨基酸序列，找 出影响酶活性的关键位点，进 行突变或插入缺失。
定向进化
通过定向进化技术，对酶进行多 轮选择和突变，以获得具有所需 性能的突变体。
突变体的筛选
通过高通量筛选技术，快速筛选 出具有优良性能的突变体，并进 行性能评估。
酶的体外定向进化技术与应用
体外定向进化技术
在体外模拟自然选择过程，对酶进行突变和 筛选，以获得具有优良性能的突变体。
应用领域
广泛应用于工业酶、药物合成酶、环保领域等，提 高酶的催化效率、稳定性、耐受性等性能。
拓展酶的应用领域
酶的分类与命名
总结词
酶可以根据其来源、化学组成、作用机制等进行分类，国际酶学委员会制定了统一的酶 的命名原则。
酶工程的研究内容与技术
80%
酶的分离与纯化
通过生物或化学方法，从生物体 或细胞中分离和纯化酶，是酶工 程的重要研究内容。
100%
酶的活性调节
通过改变酶的活性，实现酶催化 效率的提高或抑制，是酶工程的 关键技术之一。
80%
酶的大规模生产
利用生物反应器、固定化酶等技 术手段，实现酶的大规模生产和 应用，是酶工收光谱，了 解酶的共轭体系和蛋白质二级结构。
核磁共振技术
利用核自旋磁矩的测量分析酶分子中的氢、 碳、氮等原子核的位置和动态。
质谱技术
通过测量酶离子的质量和电荷比，推断酶的 分子量和组成。
05
酶的改造与优化
酶改造的方法与策略
基于序列的改造
通过分析酶的氨基酸序列，找 出影响酶活性的关键位点，进 行突变或插入缺失。
定向进化
通过定向进化技术，对酶进行多 轮选择和突变，以获得具有所需 性能的突变体。
突变体的筛选
通过高通量筛选技术，快速筛选 出具有优良性能的突变体，并进 行性能评估。
酶的体外定向进化技术与应用
体外定向进化技术
在体外模拟自然选择过程，对酶进行突变和 筛选，以获得具有优良性能的突变体。
应用领域
广泛应用于工业酶、药物合成酶、环保领域等，提 高酶的催化效率、稳定性、耐受性等性能。
拓展酶的应用领域
第一章绪论(酶工程)
•克隆酶 •遗传修饰酶 •蛋白质工程新酶
模拟生物催化剂
……
第二节 酶工程发展概况
采用生物体生产酶剂是从19世纪末开始的。 • 1894年，日本的高峰让吉首先从米曲霉中制
备得到高峰淀粉酶，用作消化剂，开创了近代 酶的生产和应用的先例。 • 1908年，德国的罗姆（Rohm)从动物胰脏中 制得胰酶，用于皮革的软化；
1969年，日本的千烟一郎首次在工业上应用 固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸。
学者们开始用“酶工程”这个新名词来代表 有效地利用酶的科学技术领域。1971年第一次国 际酶工程学术会议在美国召开，当时压倒的主题 是固定化酶。
此后，为了省去酶的分离纯化过程，出现了固 定化菌体（固定化死细胞）技术。
例如，通过植物细胞培养可以获得超氧化物歧化酶、 木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶、过氧化物酶、糖苷 酶、糖化酶等。通过动物细胞培养可以获得血纤维 蛋白酶原活化剂、胶原酶等。
1953 年 ， 德 国 的 格 鲁 布 霍 费 和 施 来 斯 首 先 将 聚氨基苯乙烯树脂重氮化，然后将淀粉酶、胃蛋 白酶、羧肽酶和核糖核酸酶等与上述载体结合， 制成固定化酶。
尤其是20世纪80年代中期发展起来的蛋白质工程， 已把酶分子修饰与基因工程技术结合在一起。通过 基因定位突变技术，可把酶分子修饰后的信息储存 于DNA之中，经过基因克隆和表达，就可以通过生 物合成的方法获得具有新的特性和功能的酶。
1984年，克利巴诺夫（Klibanov) 等人进行了有 机介质中酶的催化作用的研究，发现脂肪酶在有机介 质中不但具有催化活性，而且还具有很高的稳定性。 改变了酶只能在水溶液中进行催化的传统概念。
三、酶工程的主要任务
通过预先设计，经过人工操作控制而大量 所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其最大的 催化功能。
酶工程 第一章绪论 第三节酶的组成、分类与命名
A+B→AB 这类酶的系统命名为“底物-裂解的基团-裂合酶”，如柠 檬酸裂合酶（柠檬酸合成酶）
裂合酶可脱去底物上某一基团而形成一个双键，或可 相反地在双键处加入某一基团，重要的有醛缩酶、水化酶、 脱氨酶等。
第三节 酶的组成、分类与命名
5.异构酶（isomerases）
异构酶催化各种同分异构体的相互转化，其催化反应的通 式为
第三节 酶的组成、分类与命名
氧化还原酶在体内参与产能、解毒和某些生理活性物质 的合成。重要的主要有各种脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、 氧合酶等。
第三节 酶的组成、分类与命名
2.转移酶（transferases） 转移酶催化功能基团的转移反应，其催化反应的通式为
AB+C-→A+BC 这类酶的系统命名是“供体：受体某基团转移酶”，如丙 氨酸：酮戊二酸氨基转移酶（习惯名为谷丙转氨酶）
第三节 酶的组成、分类与命名
转移酶在体内将某基团从一个化合物转移到另一个化合物， 参与核酸、蛋白质、糖类以及脂肪的代谢与合成。重要的主要 有酰基转移酶、糖苷基转移酶、酮醛基转移酶、磷酸基转移酶、 含氮基转移酶、含硫基团转移酶等。
3.水解酶（hydrolases）
水解酶催化水解反应，其催化反应的通式为
第三节 酶的组成、分类与命名
2.寡聚酶 这类酶由若干相同或者不同的亚基组成，这些亚基一般没 有活性，必须相互结合后才有活性，其分子量从35000至几百 万，如3-磷酸甘油醛脱氢酶等。 3.多酶复合体 多酶复合体是指由多种酶彼此嵌合形成复合体进行连续反 应的体系。这种多酶复合体有利于一系列反应的进行，其分子
酶工程
第一章 绪论
第三节 酶的组成、分类与命名
一、酶的组成
除少数已经鉴定的具有催化活性的RNA分子外，几乎所有 的酶都是蛋白质，所以和其他蛋白质一样，酶也具有四级空间 结构形式。根据酶的组成成分可以将酶分为三类：
裂合酶可脱去底物上某一基团而形成一个双键，或可 相反地在双键处加入某一基团，重要的有醛缩酶、水化酶、 脱氨酶等。
第三节 酶的组成、分类与命名
5.异构酶（isomerases）
异构酶催化各种同分异构体的相互转化，其催化反应的通 式为
第三节 酶的组成、分类与命名
氧化还原酶在体内参与产能、解毒和某些生理活性物质 的合成。重要的主要有各种脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、 氧合酶等。
第三节 酶的组成、分类与命名
2.转移酶（transferases） 转移酶催化功能基团的转移反应，其催化反应的通式为
AB+C-→A+BC 这类酶的系统命名是“供体：受体某基团转移酶”，如丙 氨酸：酮戊二酸氨基转移酶（习惯名为谷丙转氨酶）
第三节 酶的组成、分类与命名
转移酶在体内将某基团从一个化合物转移到另一个化合物， 参与核酸、蛋白质、糖类以及脂肪的代谢与合成。重要的主要 有酰基转移酶、糖苷基转移酶、酮醛基转移酶、磷酸基转移酶、 含氮基转移酶、含硫基团转移酶等。
3.水解酶（hydrolases）
水解酶催化水解反应，其催化反应的通式为
第三节 酶的组成、分类与命名
2.寡聚酶 这类酶由若干相同或者不同的亚基组成，这些亚基一般没 有活性，必须相互结合后才有活性，其分子量从35000至几百 万，如3-磷酸甘油醛脱氢酶等。 3.多酶复合体 多酶复合体是指由多种酶彼此嵌合形成复合体进行连续反 应的体系。这种多酶复合体有利于一系列反应的进行，其分子
酶工程
第一章 绪论
第三节 酶的组成、分类与命名
一、酶的组成
除少数已经鉴定的具有催化活性的RNA分子外，几乎所有 的酶都是蛋白质，所以和其他蛋白质一样，酶也具有四级空间 结构形式。根据酶的组成成分可以将酶分为三类：
酶工程第1章
从图中可以看到， 在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度与底物浓度成正比，反应速度随着底物浓度的增加而加快。当底物浓度达到一定的数值时，反应速度的上升不再与
底物浓度成正比，而是逐步趋向平衡。 v
Vm
著名的米氏方程:
VmS 0
再如核酸类酶M1 RNA（核糖核酸酶P 的RNA部分），催化 tRNA前体5’-末端的成熟。要求底物核糖核酸的3’-端部分是一个tRNA，而对其5’-端部分的核苷酸链的顺序和长度没有要求，催化反应的产物为一个成熟的tRNA分子和一个低聚核苷酸。
3.2酶催化作用的效率高
酶催化的转换数（ 每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数）一般为 103 min-1左右。
竞争性抑制的效果强弱与竞争性抑制剂的浓度、底物浓度以及抑制剂和底物与酶的亲和力大小有关。随着底物浓度增加，酶的抑制作用减弱。
竞争性抑制的特点：是酶催化反应的最大反应速度Vm不变，而米氏常数Km增大。如图1-6所示。
1/v
[I]
1/Vm
－1/Km 1/[S]
非竞争性抑制的特点：最大反应速度Vm减小，而米氏常数Km不变。如图1-7所示。
4.影响酶催化作用的因素
酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。
4.1底物浓度的影响
底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。在其他条件不变的情况下，酶催化反
应速度与底物浓度的关系如图1-2所示。
C＝O =============== H－C－OH
| |
COOH NADH NAD COOH
丙酮酸 L－乳酸
核酸类酶也同样具有绝对专一性：四膜虫26 S rRNA前体等催化自我剪接反应的
底物浓度成正比，而是逐步趋向平衡。 v
Vm
著名的米氏方程:
VmS 0
再如核酸类酶M1 RNA（核糖核酸酶P 的RNA部分），催化 tRNA前体5’-末端的成熟。要求底物核糖核酸的3’-端部分是一个tRNA，而对其5’-端部分的核苷酸链的顺序和长度没有要求，催化反应的产物为一个成熟的tRNA分子和一个低聚核苷酸。
3.2酶催化作用的效率高
酶催化的转换数（ 每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数）一般为 103 min-1左右。
竞争性抑制的效果强弱与竞争性抑制剂的浓度、底物浓度以及抑制剂和底物与酶的亲和力大小有关。随着底物浓度增加，酶的抑制作用减弱。
竞争性抑制的特点：是酶催化反应的最大反应速度Vm不变，而米氏常数Km增大。如图1-6所示。
1/v
[I]
1/Vm
－1/Km 1/[S]
非竞争性抑制的特点：最大反应速度Vm减小，而米氏常数Km不变。如图1-7所示。
4.影响酶催化作用的因素
酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。
4.1底物浓度的影响
底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。在其他条件不变的情况下，酶催化反
应速度与底物浓度的关系如图1-2所示。
C＝O =============== H－C－OH
| |
COOH NADH NAD COOH
丙酮酸 L－乳酸
核酸类酶也同样具有绝对专一性：四膜虫26 S rRNA前体等催化自我剪接反应的
《酶工程绪论》课件
酶工程的研究内容
酶的性质和功能研究酶的催化机制研究 酶的工程化改造研究 酶的工业应用研究
酶工程的应用领域
生物医药：用于药物合成、基因工程、 生物制药等领域
食品工业：用于食品加工、食品添加剂、 食品保鲜等领域
生物能源：用于生物燃料、生物发电等 领域
环境保护：用于污水处理、废物处理、 环境监测等领域
环境保护：固定化酶在 环境保护领域也有应用， 如酶催化污水处理、酶 催化土壤修复等。
生物传感器：固定化酶 在生物传感器领域也有 应用，如酶催化生物传 感器、酶催化生物检测 等。
酶反应器和酶传 感器
酶反应器的类型和特点
固定床反应 器：结构简 单，操作方 便，但传质 效果较差
流化床反应 器：传质效 果好，但设 备复杂，操 作难度大
酶反应器和酶传感器的设计和优化
酶反应器设计：考虑酶的活性、稳 定性、反应条件等因素
优化方法：通过实验和数据分析， 优化酶反应器和酶传感器的性能
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
酶传感器设计：选择合适的酶、传 感器材料和信号处理方法
应用领域：生物制药、环境监测、 食品加工等领域
酶工程的未来发 展与挑战
添加标题
按照酶的催化机制分 类：共价催化酶、非 共价催化酶
添加标题
按照酶的底物特异性 分类：单底物酶、双 底物酶、多底物酶
添加标题
按照酶的催化反应类 型分类：氧化还原酶、 转移酶、水解酶、裂 解酶等
酶的性质
酶是一种生物 催化剂，能够 加速生物化学
反应的速度
酶具有高度的 特异性，只能 催化特定的化
学反应
食品工业领 域：酶在食 品加工、食 品保鲜、食 品添加剂等 方面的应用
相关主题
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发酵工业 化学工业 材料
轻工业 食品 环境
酶工程
采矿 能源 生物安全 医药
1.2 1.2 酶工程的研究内容
用于治疗疾病 制成酶制剂后 直接利用 酶的生产、提 酶的生产、 取和分离纯化 制成固定化酶 后利用 用于加工和生 产一些产品 用于化验和水 质监测 用于生物工程 其他分支领域 酶的改性 酶的应用 酶的生产
乳制品用酶 纺织用酶
国际市场酶制剂销售额比例（ 国际市场酶制剂销售额比例（2001年） 年
1.3 酶工程的发展历程及概况
国
发展概况
内 市 场 酶 （ 制 2001 年 ） 剂 销 售 额 比 例
洗涤剂用酶
淀粉、 淀粉 、 酒精用酶
其它
1.4 课程内容及学时安排
绪论 酶的生产 酶的提取与分离纯化 酶分子修饰 酶的固定化 酶非水相催化 酶定向进化 酶反应器 酶的应用 2学时 6学时 4学时 4学时 4学时 4学时 4学时 2学时 2学时
作业 酶的基础知识总结 溶菌酶作用位点 原生质体 参考文献 生物化学》 《生物化学》沈同 王镜岩 酶工程》 《酶工程》罗贵民 酶学》 《酶学》 邹国林 现代生化技术》 《现代生化技术》 郭勇
酶工程பைடு நூலகம்
发酵工程
既相互独立，又有错综复杂的联系。 既相互独立，又有错综复杂的联系。
1.1 酶工程的基本概念
生物工程各领域之间的关系
上游工程——基因工程、细胞工程 基因工程、 上游工程 基因工程 按照人的要求改造物种， 按照人的要求改造物种，获得工程菌 下游工程——发酵工程、酶工程 发酵工程、 下游工程 发酵工程 将基因工程、 将基因工程、细胞工程产业化 基因工程、细胞工程、 基因工程、细胞工程、发酵工程中需要的酶 多通过酶工程获得； 多通过酶工程获得； 酶工程中酶的生产一般通过微生物发酵的方 发酵工程）获得。 法（发酵工程）获得。
1.3 酶工程的发展历程及概况
发展史
1878 德国 Kuhne 1926 1970 1969 功 应 1986 国 义Enzyme 为
Sumner从 得到脲 国 Sumner从刀豆 得到脲 结 （19 国 Smith 发现 固 氨基酰 （1979年 1979年 将固
47年 47年诺贝 奖） 内 ， 诺贝 奖） 工业 工业 产。—— 工 诞 发现获得 发现获得诺贝 奖
用于生物工程其他分支领域 生物工程酶有： 生物工程酶有： 基因工程（限制酶、DNA连接酶） 基因工程（限制酶、DNA连接酶） 连接酶 细胞工程（纤维素酶和果胶酶、胰蛋白酶等 细胞工程（纤维素酶和果胶酶、胰蛋白酶等）
酶工程的研究内容
对已存在天然酶的开发和生产； （1）对已存在天然酶的开发和生产； 自然酶的分离纯化及鉴定技术； （2）自然酶的分离纯化及鉴定技术； 酶的固定化技术（酶和细胞固定化）； （3）酶的固定化技术（酶和细胞固定化）； 酶反应器的研制和应用； （4）酶反应器的研制和应用； 与其他生物技术领域的交叉和渗透。 （5）与其他生物技术领域的交叉和渗透。
青霉素······ 青霉素酰化酶······青霉素 氨苄青霉素 青霉素
溶菌酶
酶制剂的应用
用于化验诊断和水质监测
有葡萄糖氧化酶、 有葡萄糖氧化酶、 过氧化氢酶、 过氧化氢酶、 无色化合物
尿糖试纸和尿糖标准色标
酶制剂的应用
用于化验诊断和水质监测
酶传感器工作原理示意图 用血糖快速测 试仪化验血糖
酶制剂的应用
1.3 酶工程的发展历程及概况
发展历程
（1）酶 ）
固定化酶
固定化酶技术 固定化原生质体技术
固定化细胞技术
（2）酶 ）
酶分子修饰
有机介质中酶 的催化作用
1.3 酶工程的发展历程及概况
发展概况
其它行业用酶 焙烤食品用酶
洗涤剂用酶 饲料用酶
酿酒用酶
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
酶制剂的应用
用于治疗疾病 溶菌酶抗菌消炎； 溶菌酶抗菌消炎； 抗菌消炎 尿激酶······溶纤维蛋白酶原 溶纤维蛋白酶 溶纤维蛋白酶原······溶纤维蛋白酶 尿激酶 溶纤维蛋白酶原 ······治疗血栓病 治疗血栓病 用于加工和生产一些产品 用于加工和生产一些产品 果胶酶澄清果酒和果汁 澄清果酒和果汁； 果胶酶澄清果酒和果汁；
酶工程
Enzyme Engineering
Chapter 1 Introduction 绪论
Contents of chapter 1
1、酶工程的基本概念
2、酶工程的研究内容
3、酶工程的发展历程及概况
4、课程内容及学时安排
1.1 酶工程的基本概念
定义 生产、改性与应用的技术过程 酶的生产、改性与应用的技术过程 组成 酶的生产 酶的改性 酶的应用
1.1 酶工程的基本概念
分类 化学酶工程
自然酶的开发、酶的化学修饰、 自然酶的开发、酶的化学修饰、 酶的固定化、 酶的固定化、酶的人工合成
生物酶工程
酶基因的克隆表达、酶的遗传修饰、 酶基因的克隆表达、酶的遗传修饰、酶 的遗传设计
1.1 酶工程的基本概念
地位
生物技术 （ 生物工程）
基基基基
细胞工程