酶工程-魏铭-Produce Enzyme by Baculovirus Expression Vector System
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。
酶工程作业
蛋白质和酶工程之应用综述作者:西北大学生物技术系肖明(西安邮编:710069)中文摘要:在生物技术日益普及的当今社会,运用酶制剂已经是日常生活和技术处理中非常普遍和常规,甚至是不可缺少的手段之一,本文就一些较为成熟的应用手段加以介绍。
关键词:酶制剂酵母技术饲料活性在生物技术日益普及的当今社会,运用酶制剂已经是日常生活和技术处理中非常普遍和常规,甚至是不可缺少的手段之一,酶制剂的应用也是现今非常热门的话题之一。
已有多家企业对其进行比较透彻的研究。
生物技术是二十一世纪的热门产业,它将对工农业、医药、食品乃至人类社会的进步起到不可估量的作用。
"中心"宗旨是为医药、食品、化工及饲料工业提供优质产品,承担社会科研成果产业转化并提供技术咨询服务,我们应紧跟生物技术的发展方向,发展成为生物发酵和酶工程、动植物提取技术性基因工程的研究开发机构的基地及最新生物技术成果产业化基地。
通过引进国外的先进工艺和设备,重点发展发酵工程技术和酶工程技术、动植物提取技术以及生物技术的其它领域,进行新产品、新技术、新工艺的开发,进行科研成果的产业转化中试研究,加速实现生物技术产业化……这一领域的研究也引起了各方面的重视,尤其是应用极为广泛,以下是一些举例:广东江门生物技术开发中心是一九八四年国家计委批准建设的重点工业性试验基地,位于江门市东部,占地20公顷,是一个以工业发酵与酶工程技术见长、科研与生产相结合、基础设施完善的大型综合性生物技术科研、开发、生产基地。
是省级"高新技术企业"、科研开发实力" 全国三百强"、"广东省生物发酵与酶工程技术研究开发中心"。
“中心”现有酵母及酵母精、酶制剂、生化药品、天然食用色素、混合饲料等科研成果及其系列产品。
药用酵母的产量和质量为" 中华之最";生化药品全面按照GMP要求组织生产和实施质量管理,其生产技术居国内先进水平。
酶工程名词解释
酶工程:由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新的技术科学。
它利用酶的催化作用,在一定的生物反应器中,将相应的原料转化成所需的产品。
锁钥学说(酶的专一性):酶与底物分子或底物分子的一部分之间,在结构上有严格的互补关系诱导契合学说:酶分子的构象与底物原来并非恰当吻合,只有当底物分子与酶分子相互碰撞时,可诱导底物的构象发生变化,使其与底物配合,然后才结合形成中间络合物,进而引起底物分子发生相应的化学变化。
酶:由生物体细胞合成的具有选择性催化功能的生物大分子( 包括蛋白质和核酸)单纯酶(simple enzyme):仅由氨基酸残基构成的酶。
结合酶(全酶)(conjugated enzyme):由蛋白部分(酶蛋白apoenzyme)和非蛋白部分(辅助因子cofactor)组成辅酶(coenzyme):与酶蛋白结合疏松,可用透析或超滤的方法除去。
辅基(prosthetic group):与酶结合紧密,不能用透析或超滤的方法除去。
酶的活性中心:酶蛋白上只有少数氨基酸残基参与酶对底物的结合和催化,这些相关氨基酸残基在空间上比较靠近,形成一个与酶显示活性直接有关的区域,称为酶的活性中心。
必需基团:酶活性中心的一些化学基团为酶发挥催化作用所必须,这些基团若经化学修饰使其改变,则酶的活性丧失,称为必需基团。
接触残基(contact residues):和底物直接接触,参与底物的化学转变,是活性中心的重要组成部分。
辅助残基(auxiliary residues):使酶与底物相互结合,辅助接触残基。
结构残基(structural residues):维持蛋白酶形成一种有规则的空间构象非贡献残基(non-contributing residues):不参与酶的催化功能,对酶活性的显示不起作用结合基团:与底物结合的部位,决定酶的专一性;催化基团:促使底物发生化学变化的部位,决定反应的性质。
结构域:蛋白质肽链中一段较独立的具有完整、致密立体结构的区域。
有关酶的参考书
1.《酶学》作者:郑穗平,郭勇,潘力编著出版社:科学出版社出版时间:2009-9-1 定价:49元目录:前言第一章绪论第一节酶的基本概念第二节酶的分类与命名一、蛋白类酶的分类与命名二、核酸类酶的分类第三节酶的活力测定第四节酶的催化特性一、酶催化作用的专一性二、酶催化作用的效率三、酶催化作用的条件第五节酶的分离纯化一、细胞破碎二、提取三、离心分离四、过滤与膜分离五、沉淀分离六、层析分离七、电泳分离八、萃取分离第二章酶的结构与功能第一节酶的化学组成一、蛋白类酶的基本组成单位一一氨基酸二、核酸类酶的基本组成单位——核苷酸三、酶的辅助因子第二节酶的化学结构一、酶蛋白的化学结构二、酶RNA的化学结构第三节酶的空间结构一、酶蛋白的空间结构二、酶RNA的空间结构第四节酶的活性中心一、酶活性中心上的残基二、接触残基附近的肽链一级结构第五节酶的结构与功能的关系一、酶的一级结构与催化功能的关系二、酶的二、三级结构与催化功能的关系三、酶的四级结构与催化功能的关系第六节酶分子修饰一、酶分子的主链修饰二、酶分子的侧链基团修饰三、酶分子的组成单位置换修饰四、金属离子置换修饰五、酶分子的物理修饰第三章酶的催化作用机制第一节趋近与定向效应第二节构象变化效应一、底物诱导酶分子的构象发生改变二、酶分子诱导底物分子的构象发生改变第三节微环境效应一、胰凝乳蛋白酶催化的微环境效应及其催化机制二、溶菌酶催化的微环境效应及其催化机制第四节酸碱催化机制一、酶蛋白中的酸碱催化基团二、共轭酸与共轭碱的催化通式三、核糖核酸酶的酸碱催化过程第五节共价催化机制一、亲核催化二、亲电催化第六节自我剪接机制一、Ⅰ型内含子剪接酶的剪接机制二、Ⅱ型内含子剪接酶的催化机制第七节自我剪切机制一、锤头形核酸类酶的自我剪切机制二、发夹形核酸类酶的自我剪切机制第八节酶作用机制的研究方法一、X射线衍射法二、中间产物检测法三、酶分子修饰法四、酶反应动力学方法第四章酶反应动力学第一节单底物反应动力学一、引言第五章酶的生物合成及调节机制第六章酶分子的定向进化主要参考文献2.《现代酶学》(第二版)作者:袁勤生主编出版社:华东理工大学出版社出版时间:2007-5-1 定价:58目录:1 酶与应用酶学1.1酶学研究概况1.2从分子水平研究酶的结构与功能1.2.1酶的分子结构1.2.2结构与功能的研究1.3用分子生物学方法改进酶的催化特性及设计新酶1.3.1酶结构与功能关系研究是关键1.3.2基因工程酶1.3.3酶的蛋白质工程构建1.4构建酶---核酶、抗体酶、模拟酶、分子印迹酶1.4.1核酶1.4.2抗体酶1.4.3模拟酶1.4.4分子印迹酶1.5酶工程中的若干应用热点2 酶的分类组成及结构特征3 酶作用动力学和酶的抑制作用4 酶活性的调节和酶的转换5 酶的作用机制6 同工酶7 酶化学修饰的定量处理及不可逆抑制动力学8 氧自由基与酶9 酶与细胞的信号转导10 非水介质中的酶催化反应11 酶的化学修饰12 核酶13 模拟酶14 抗体酶15 分子印迹酶16 组合生物催化17 酶的定向进化18 蛋白酶抑制剂设计与药物19 酶的固化技术20 酶的分离工程21 气体酶学22 酶的生产参考文献3.《酶学及其研究技术》作者:陈清西编著出版社:厦门大学出版社出版时间:2010-8-1 定价:38目录:第一章概论第一节酶的概念和酶学研究的重要性一、酶是什么二、酶学研究的重要性三、酶学研究历史四、现代酶学概况第二节酶的组成及结构特点一、酶的化学本质二、酶蛋白亚基数的组成特点分类三、酶的组成分类四、酶的辅助因子第三节酶的分类与命名一、习惯命名法二、国际系统命名法三、国际系统分类法第四节酶作为催化剂的特点一、酶与一般催化剂比较的共性二、酶作为催化剂的显著特性第五节酶的专一性一、酶的专一性分类二、几种蛋白酶的专一性第二章酶的分离纯化第一节酶分离纯化的一般原则一、确立酶活力测定方法二、原材料的选择与处理三、酶的纯化方法四、酶的纯度鉴定第二节酶的提取一、生物材料的破碎二、酶的抽提第三节酶的纯化一、沉淀法二、离子交换柱层析技术三、凝胶过滤柱层析法四、亲和层析五、其他分离纯化方法六、酶纯化方法的选择与实验设计第三节酶活力的测定一、酶活力测定的一般原则二、初速度三、酶活力单位四、酶活力测定的主要方法第四节酶制剂的浓缩、干燥及保存一、浓缩的主要方法二、保存第五节酶纯度的鉴定技术一、酶纯度的评价二、电泳法三、其他方法第六节酶的分离纯化应用实例一、青蟹碱性磷酸酶二、南美白对虾N一乙酰J3一D一氨基葡萄糖苷酶第三章酶的理化性质研究第一节酶亚基数及分子量的测定一、酶蛋白亚基数及亚基分子量的测定原理与方法二、酶蛋白总分子量的测定原理与方法第二节酶的等电点测定一、等电点测定的原理二、等电聚焦电泳技术第三节酶的氨基酸组成一、氨基酸组成分析二、特殊氨基酸含量的测定三、酰胺含量的测定第四节糖基酶中糖的组成与连接方式的研究一、糖蛋白的分析二、糖蛋白中糖成分的分析三、糖基连接方式的研究第五节几种海洋动物酶的理化性质的研究实例一、锯缘青蟹碱性磷酸酶的理化性质研究二、南美白对虾N一乙酰一J3一D一氨基葡萄糖苷酶的理化性质研究第四章酶催化的动力学性质研究第一节酶促反应的基本动力学一、Michaelis—Menten方程的建立二、Briggs—Haldane修正的Michaelis—Menten方程三、关于Michaelis一Menten方程的讨论四、米氏常数Km的意义五、米氏常数Km和最大反应速度V m的图解法测定六、米氏方程的积分形式第二节King—Altman方法推导速度方程一、用稳态法推导动力学方程的基本步骤二、King—Altman图像法推导动力学方程三、wang和Hanes结构法则第三节酶浓度对反应速度的影响第四节产物浓度对酶促反应的影响一、产物对酶初速度的影响的动力学二、可逆反应的Haldane关系式第五节高底物浓度对酶活力的影响一、动力学模型建立二、动力学方程的推导第五章酶的抑制剂第一节酶抑制剂的类型一、酶抑制剂两大类型二、区别可逆抑制剂与不可逆抑制剂的实验设计与操作第二节不可逆的抑制剂一、非专一性的不可逆抑制剂二、专一性不可逆抑制剂第三节可逆抑制剂作用的动力学一、竞争性抑制作用的动力学二、非竞争性抑制作用的动力学三、反竞争性抑制作用的动力学四、混合型抑制作用的动力学第六章pH对酶活力的影响第一节pH对酶催化的效应一、酶促反应的最适pH二、酶的pH稳定性第二节pH对酶可逆作用的动力学一、酶活性中心可解离基团的解离常数二、pH影响酶活性中心解离基团的动力学模型的建立三、酶活性中心解离基团的解离常数的测定第三节有机溶剂对酶活性中心解离基团的微扰作用第四节pH对酶效应研究的实例一、pH对青蟹碱性磷酸酶(ALPase)催化pNPP水解反应的效应二、酶活性中心解离基团解离常数的测定第七章温度对酶活力的影响第一节温度对酶催化反应的影响一、酶促反应的最适温度二、酶的热稳定性第二节温度对酶催化反应速度常数的影响一、温度与速度常数二、酶促反应的热力学参数的测定第三节温度对酶催化反应速度常数的影响一、酶活性中心解离基团的标准热焓二、酶促反应的热力学常数测定实例三、酶活性中心解离基团的解离热焓测定实例第四节酶的热失活动力学一、经典的酶热失活研究方法二、酶失活过程中的底物反应动力学方法三、酶的热失活表观速度常数的测定四、酶热失活的微观速度常数的测定第八章酶的多底物动力学第一节术语一、多底物催化反应历程的Cleland表示法二、多底物反应的酶中间物三、多底物反应历程的分类四、多底物反应的动力学参数表示法五、多底物反应机理的图形表示法第二节OrderedBiBi机理一、反应模型的Clleland表示法二、动力学方程的推导(King—Altman推导法)三、反应速度方程用动力学常数表示的基本方法四、作图法求解动力学参数第三节RandomBiBi机理第四节PingPongBiBi机理第五节多底物反应机理的判断第六节产物的抑制作用机理的判断一、有序双双反应(OrderedBiBi)的产物抑制作用的判断二、乒乓双双反应(PingPongBiBi)的产物抑制作用的判断三、Cleland的产物抑制作用的判断规则第九章酶功能基团的化学修饰第一节化学修饰的原理一、影响酶的功能基团反应活性的主要因素二、修饰剂反应性的决定因素第二节采用非特异性试剂对酶功能基团进行修饰一、特殊氨基酸残基的化学修饰二、修饰剂和修饰反应条件的选择第三节亲和标记和差示标记一、亲和标记法的原理二、差示标记法的原理第四节酶活性中心必需基团数的测定一、酶修饰失活动力学二、酶修饰失活速度常数比较法判断必需基团数(Ray—Koshland方法)三、邹氏图解法求必需基团数第十章酶的分子结构基础及催化作用机理第十一章酶抑制剂的设计与应用第十二章酶分子构象的研究技术第十三章多酶体系及调节酶第十四章酶活性调控4.《酶工程原理》作者:由德林主编出版社:科学出版社出版时间:2011-7-1 定价:35目录:丛书序前言前言1 酶与酶工程1.1 酶工程的发展历程1.2 酶作为催化剂的特点1.2.1 酶的高效催化能力1.2.2 酶的专一性1.2.3 酶的作用条件温和1.2.4 酶的活性可调节1.3 酶的命名及分类1.4 酶催化功能的结构基础1.4.1 酶的高级结构是其发挥活性的基础1.4.2 酶的活性中心1.4.3 酶的活性部位模型假说1.5 酶催化反应的本质1.5.1 酶促反应的过渡态1.5.2 邻近效应和定向效应1.5.3 共价催化1.5.4 酸碱催化1.5.5 金属离子催化1.5.6 微环境影响1.6 酶动力学1.6.1 影响酶反应速率的因素1.6.2 单底物反应1.6.3 双底物反应动力学1.6.4 失活(稳定性)动力学1.7 酶的稳定性1.7.1 酶的失活模型1.7.2 酶蛋白不稳定的原因1.7.3 稳定酶的方法1.8 非水酶学1.8.1 非水介质中酶催化反应的特征1.8.2 非水介质中酶的催化基础1.8.3 底物特异性(思考题)(参考文献)2 酶的生产、分离纯化和制剂2.1 原料的选择2.2 产酶微生物发酵技术2.2.1 培养基2.2.2 发酵工艺控制2.3 工程菌的高密度发酵2.3.1 基因工程菌的构建2.3.2 基因工程菌的培养方式2.3.3 高密度发酵工艺2.4 提高酶产量的方法2.4.1 酶合成的调控机理2.4.2 通过条件控制提高酶产量2.4.3 通过基因突变提高酶产量2.4.4 通过体内基因重组提高酶产量2.4.5 通过体外基因重组提高酶产量2.4.6 定向进化提高酶产量2.5 酶分离纯化的原理与方法2.5.1 酶分离纯化的基本原则2.5.2 目标蛋白从生物机体内的释放2.5.3 粗分离2.5.4 根据相对分子质量不同的纯化方法2.5.5 根据分子电荷不同的纯化方法2.5.6 根据分子极性不同的纯化方法2.5.7 根据蛋白质亲和力不同的纯化方法2.6 酶的剂型与保存2.6.1 酶的剂型3 酶的固定化和酶反应器4 酶的分子改造5 酶的模拟6 酶与生物催化7 酶与生物降解8 酶与代谢工程索引5.《酶――在生活与工业中广为使用的超级分子催化剂》作者:(德)伦内贝格著,杨毅,张皖蓉,王健美译出版社:科学出版社出版时间:2009-3-1 定价:35目录:丛书序本册简介原版前言1 酶是具有高度特异性的高效生物催化剂2 溶菌酶:在微小分子水平上最早被了解其结构和功能的酶类3 辅助因子在复合酶类中的作用4 酶类的来源:动物、植物以及微生物5 胞外水解酶将生物高分子聚合物降解为小分子6 用于酿酒、烘焙以及退浆的淀粉酶7 用于增加蔬果汁产量的果胶酶8 生物清洁剂:应用最广泛的水解酶9 软化肉类与皮革的蛋白酶10 固定:酶类的重复使用11 葡萄糖异构酶与果糖糖浆:提高糖的甜度12 固态酶在人类与动物食品生产中的应用13酶膜反应器:辅助因子再生性的应用14固定细胞小测验参考文献与推荐读物相关网络链接6.《酶工程技术》作者:吴士筠,周岿,张凡主编出版社:华中师范大学出版社出版时间:2009-12-1 定价:16目录:第1章绪论1.1 酶工程研究现状1.1.1 国内外酶制剂的生产和应用现状1.1.2 工业酶制剂的来源及特点1.2 酶工程技术应用1.2.1 活性肽的开发研究1.2.2 酶工程在医药方面的应用1.2.3 酶在污染治理中的应用1.2.4 酶在农业中的应用1.2.5 酶在饲料生产方面的应用1.2.6 酶在轻化工领域中的应用1.3 国内外酶工程产业发展趋势第2章乙醇脱氢酶2.1 简介2.1.1 乙醇脱氢酶研究现状2.1.2 乙醇脱氢酶的应用2.1.3 乙醇脱氢酶的分离纯化2.2 乙醇脱氢酶酶学性质研究2.2.1 简介2.2.2 乙醇脱氢酶酶学性质阶段研究2.2.3 乙醇脱氢酶酶学性质研究关键技术2.2.4 乙醇脱氢酶酶学性质研究过程控制2.3 乙醇脱氢酶提取研究2.3.1 简介2.3.2 乙醇脱氢酶提取阶段研究2.3.3 乙醇脱氢酶提取关键技术2.3.4 乙醇脱氢酶提取过程控制2.4 乙醇脱氢酶分离纯化研究2.4.1 简介2.4.2 乙醇脱氢酶分离纯化阶段研究2.4.3 乙醇脱氢酶分离纯化关键技术2.4.4 乙醇脱氢酶分离纯化过程控制2.5 乙醇脱氢酶催化动力学研究2.5.1 简介第3章蛋白酶第4章a-淀粉酶第5章植酸酶第6章纤维素酶参考文献7.《酶工程》作者:陈宁主编出版社:中国轻工业出版社出版时间:2011-6-1 定价:36目录:第一章绪论第一节酶工程的定义第二节酶工程发展历史第三节酶工程的研究概况及发展前景一、新酶的研究与开发二、化学酶工程三、生物酶工程四、酶的优化生产五、酶的高效应用第四节我国酶制剂工业现状及发展对策一、我国酶制剂工业发展现状。
《酶工程》 课后习题答案
第一章酶工程基础1.名词解释:酶工程、比活力、酶活力、酶活国际单位、酶反应动力学①酶工程:由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新技术,是工业上有目的地设计一定的反应器和反应条件,利用酶的催化功能,在常温常压下催化化学反应,生产人类所需产品或服务于其它目的地一门应用技术。
②比活力:指在特定条件下,单位质量的蛋白质或RNA所拥有的酶活力单位数。
③酶活力:也称为酶活性,是指酶催化某一化学反应的能力。
其大小可用在一定条件下,酶催化某一化学反应的速度来表示,酶催化反应速度愈大,酶活力愈高。
④酶活国际单位: 1961年国际酶学会议规定:在特定条件(25℃,其它为最适条件)下,每分钟内能转化1μmol底物或催化1μmol产物形成所需要的酶量为1个酶活力单位,即为国际单位(IU)。
⑤酶反应动力学:指主要研究酶反应速度规律及各种因素对酶反应速度影响的科学。
2.说说酶的研究简史酶的研究简史如下:(1)不清楚的应用:酿酒、造酱、制饴、治病等。
(2)酶学的产生:1777年,意大利物理学家 Spallanzani 的山鹰实验;1822年,美国外科医生 Beaumont 研究食物在胃里的消化;19世纪30年代,德国科学家施旺获得胃蛋白酶。
1684年,比利时医生Helment提出ferment—引起酿酒过程中物质变化的因素(酵素);1833年,法国化学家Payen和Person用酒精处理麦芽抽提液,得到淀粉酶;1878年,德国科学家Kűhne提出enzyme—从活生物体中分离得到的酶,意思是“在酵母中”(希腊文)。
(3)酶学的迅速发展(理论研究):1926年,美国康乃尔大学的”独臂学者”萨姆纳博士从刀豆中提取出脲酶结晶,并证明具有蛋白质的性质;1930年,美国的生物化学家Northrop分离得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶,确立了酶的化学本质。
3.说说酶工程的发展概况I.酶工程发展如下:①1894年,日本的高峰让吉用米曲霉制备淀粉酶,酶技术走向商业化:②1908年,德国的Rohm用动物胰脏制得胰蛋白酶,皮革软化及洗涤;③1911年,Wallerstein从木瓜中获得木瓜蛋白酶,用于啤酒的澄清;④1949年,用微生物液体深层培养法进行 -淀粉酶的发酵生产,揭开了近代酶工业的序幕;⑤1960年,法国科学家Jacob和Monod提出的操纵子学说,阐明了酶生物合成的调节机制,通过酶的诱导和解除阻遏,可显著提高酶的产量;⑥1971年各国科学家开始使用“酶工程”这一名词。
酶工程 绪论1
酶工程原理与技术主要参考书目●孙君社主编. 酶与酶工程及其应用. 北京:化学工业出版社,2006●郭勇主编.酶工程.第三版.北京:科学出版社,2009●袁勤生,赵健主编.酶与酶工程.上海:华东理工大学出版社,2005●魏东芝主编.生物催化剂与酶工程.北京:科学出版社,2008什么是生物技术?为什么选择生物技术专业?生物技术医药生物技术农业生物技术工业生物技术环境生物技术材料生物技术...工业生物技术●含义:在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物技术来实现产品的制造,这种技术是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服务。
●核心目标:大规模利用生物体系(如细胞或酶)作为催化剂实现物质转化。
生物催化(Biocatalysis)●利用酶或有机体(细胞或细胞器等)作为催化剂实现化学转化的过程。
生物催化技术的核心工具●生物催化剂——酶●酶:具有生物催化功能的生物大分子。
酶,你在哪儿?●动物●植物●微生物微生物是酶制剂的基础●自然界存在的微生物是最常见的酶制剂产品的基础。
从花园土壤到极端环境,细菌和真菌●有效的筛选方法。
大海捞针,需要一整套的技术来完成,包括微生物筛选、分子筛选、基因文库、蛋白质分离纯化及性质研究、酶的应用实验、生产菌株的研发等。
●现代分子生物学技术。
可以使我们改善酶的特性以满足客户的任何要求。
●基因工程菌株。
用于酶的工业生产帮助我们生产出成本低、质量好的产品。
工业酶制剂产品的生产●工业酶制剂是由一般是由深层发酵的工艺生产出来的。
●现在发酵罐的容积最大可达1000立方米(酒精发酵罐3000-6000吨)。
●从发酵液中收获酶的第一步是除去不溶物,主要是细胞。
多数酶在发酵液中通过薄膜真空蒸发,膜过滤或结晶等方法得到浓缩。
根据产品的最终用途,酶可被进一步加工成液体、粉末、颗粒或固定化酶等一系列制剂。
绿色健康,“酶”力无限●衣、食、住、行、健康、美容●医药、洗涤剂、纺织、淀粉制糖、发酵、酒精、食品(包括果蔬汁、啤酒酿造、谷物食品、蛋白水解、和功能食品以及食用油脂)、饲料、皮革、造纸和化工等工业领域。
现代生物技术酶工程
(5)有机介质中的酶反应
由于酶在有机介质中的催化反应具有许多优点 。因此,近年来,酶在有机介质中催化反应的 研究,已受到不少人的重视,成为酶工程中一 个新的发展方向。酶在有机介质中要呈现很高 的活性,必须具备哪些条件?有机介质对酶的 性质有哪些影响?如何影响?近年来,对这些问 题的研究,已取得重要进展。
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基因工程
基因工程菌
转基因动物
转基因植物
细胞工程
发酵工程
酶 菌体细胞 固定化菌体细胞
酶工程
酶
细胞
酶工程与发酵工程、基因工程、细胞工程的关系
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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:
人工酶是用人工合成的具有催化活性的多肽或蛋白质。据1977年Dhar等 人报道,人工合成的Glu—Phe—Ala—Glu—Glu—Ala—Ser—Phe八
肽具有溶菌酶的活性。其活性为天然溶菌酶的50%。
利用有机化学合成的方法合成了— 些比酶结构简单得多的具有催化功
能的非蛋白质分子。这些物质分子可以模拟酶对底物的结合和催化过程。 既可以达到酶催化的高效率,又能够克服酶的不稳定性。这样的物质称为
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二、酶工程的意义、发展及展望
1.酶工程的研究意义
一切生物的生命活动都是由新陈代谢的正常运转来维持的,而代谢中的 各种化学反应是由各种酶的催化来实现的。没有酶,代谢就会停止,生 命亦就停止。个别酶的缺乏或者酶活性受到抑制 就会使代谢受阻或紊 乱,从而引起疾病。因此,研究酶的结构与功能以及动力学,对于阐明 生命的本质和活动规律,对于阐明发病机理以及诊断治疗,具有极其重 要的作用。
《酶工程》课件-微生物发酵产酶
05
微生物发酵产酶存在问题与挑战
产量问题
微生物发酵产酶产量低
由于微生物发酵过程中受到多种因素 的影响,如营养物质的供应、发酵条 件、微生物菌种等,导致酶的产量较 低。
发酵周期长
微生物发酵产酶通常需要较长的发酵 周期,这增加了生产成本和时间成本。
稳定性问题
酶稳定性差
许多酶在发酵过程中容易受到温度、pH值、金属离子等因素的影响,导致酶的稳定性降低。
04
微生物发酵产酶应用实例
工业应用
洗涤剂制造
微生物发酵产生的酶可用于制造 洗涤剂,如蛋白酶用于去除蛋白 质污渍,淀粉酶用于去除淀粉污
渍。
纺织工业
利用微生物发酵产生的酶处理纺织 品,可以改善其质地、手感和外观, 如纤维素酶用于棉织物的生物抛光。
造纸工业
通过微生物发酵产酶技术,可以改 进造纸工艺,提高纸张质量和降低 环境污染,如木聚糖酶用于纸浆漂 白。
过程优化与控制
通过人工智能技术,对微生物发酵产酶过程进行建模和优化,提高 目标酶的产量和质量。
个性化定制酶
结合人工智能和基因工程技术,实现个性化定制酶的合成,满足不 同领域的需求。
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《酶工程》课件-微生物发酵 产酶
• 微生物发酵产酶概述 • 微生物发酵产酶原理与过程 • 微生物发酵产酶技术与方法
• 微生物发酵产酶应用实例 • 微生物发酵产酶存在问题与挑战 • 未来发展趋势与展望
01
微生物发酵产酶概述
酶工程简介
酶工程定义
酶工程是生物工程的重要组成部分,是利用酶或者微生物细胞、动植物细胞、 细胞器等具有的生物催化功能,借助工程手段来生产有用物质、设计改造酶或 者生产细胞、器官乃至整个生物体的一门科学技术。
第一章酶工程
有机化学创始人
是细胞中的某些物质
在起作用
微生物学的奠基人
第一章 酶 工 程
酶的研究简史
Payen
1833 帕耶恩和珀索兹从大麦芽中分离出淀粉酶
用酒精处理麦芽水抽提液,得到白色无定形粉 末,命名为diastase
1961 莫诺提出“变构模型”
“变构模型”,定量解释某些酶活性可以通过与 效应物结合进行调节,揭示了酶的调控作用
第一章 酶 工 程
酶及酶工程的研究意义
酶--是具有特殊作用的蛋白
质, 能够在生命体内(包括 动物、植物和微生物)催化 化学反应,维持生命特征。
第一章 酶 工 程
生物技术
ห้องสมุดไป่ตู้
基因工程 :基因拼接技术和DNA重组技术 细胞工程 :改变生物的结构和功能
发酵工程 :把微生物应用于工业生产过程 酶工程 :酶的生产和应用的技术过程
第一章 酶 工 程
酶的研究简史
最早6000年前——古巴比 伦人利用麦芽酿酒
磨粉、去糠、打碎 麦芽萌发、浸润 成酒发酵、装瓶
古埃及时代——酵母发酵面包
古巴比伦人
第一章 酶 工 程
巴斯德和李比希的论战
巴斯德
发酵是细胞中的某些物
质起作用,这些物质只
有在酵母细胞死亡裂解
释放之后才能发挥作用
李比希
发酵与活细胞有关, 发酵是整个细胞而不
酶 工酶工程程 Enzyme Engineering ENZYME ENGINEERING 主 编:陈 守 文
课程简介
v 教材和教学参考书
v 教材:《酶工程》(第二版) v 陈守文编著 v 科学出版社 v 2015
课程简介
v 教材和教学参考书
《酶工程》课程实验教学大纲
《酶工程》课程实验教学大纲一、实验课程基本情况二、实验课程简介《酶工程》是制药工程的主要内容之一,是现代酶学和生物工程学相互结合而发展起来的一门新的技术学科。
它将酶学、微生物学的基本原理与化工、发酵等工程技术有机结合起来,并随着酶学研究的迅速发展,特别是酶的广泛应用而在国民生产生活中日益发挥着越来越重要的作用。
酶工程实验课是制药工程等本科实验教学的一个重要组成部分,通过实验教学可以加强学生对酶工程基本知识和基本理论的理解,掌握现代酶学与相关技术的有关的基本的实验原理与技能。
在实验过程中要求学生自己动手,分析思考并完成实验报告。
酶工程实验性质有基础性、综合性、设计(创新)性三层次。
三、实验教学目的和基本要求本实验课程主要根据酶工程的三大块内容即酶的生产、酶的改性与酶的应用来设计安排实验,通过这些实验内容,使学生深入理解酶工程课程的基本知识;巩固和加深所学的基本理论;掌握酶工程中基本的操作技能。
同时,通过实验培养学生独立观察、思考和分析问题、解决问题和提出问题的能力,养成实事求是、严肃认真的科学态度,以及敢于创新的开拓精神;并在实验中进一步提高学生的科学素养。
四、实验内容与学时分配课堂教学与实验教学结合。
课堂教学合班上课,实验课分小班进行,每4人一组。
实验设计尽量从实际生产中提出问题,增加学生对实际动手操作的兴趣,安排每个人动手。
通过实际操作巩固掌握教材相关理论知识。
六、考核方法实验成绩占课程总成绩的20%。
主要考察学生每次实验的表现:动手操作能力,观察能力,解决问题的能力等。
其次检查实验报告的书写情况是否认真准确。
七、实验内容安排【实验一】淀粉酶动力学分析(4学时)一、实验目的:了解并掌握米氏常数的意义和测定方法。
二、实验要求:掌握米氏常数的意义和测定方法,掌握酶反应的动力学分析方法。
三、实验步骤:1、酶反应:取13支干燥的18×180 mm试管,按下表编号,实验组做两份平行实验,加入pH5.0的淀粉溶液和α-淀粉酶溶液,50℃反应10分钟2、酶反应速度测定:酶反应液稀释一定倍数(约5倍,取1 mL反应液,加4 mL蒸馏水,混匀),取1 mL稀释液加DNS试剂,于沸水浴中加热2 min进行显色,取出后在盛有冷水的500 mL烧杯中冷却(注意换冷水),各加入蒸馏水9.0 mL,摇匀,以空白管为调零点,在540 nm波长测定吸光度值,从标准曲线查出葡萄糖的含量,算出酶反应速度(mol/(L·min))。
生物技术概论之酶工程
医学ppt
5
酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空间构象时才 能存在并发挥其催化功能。
酶的其它部分分为: A. 有些去除一段肽链,酶活性不受影响 B. 有些对维持酶的空间构象、保护酶的活性部位、保护 酶的催化能力方面非常重要。
医学ppt
6
3.酶的催化特性 酶是一种催化剂,可以加快反应速度但不改变平衡点
CHO O
HO
CH 2O P OH
OH
H3C
N
(PLP)
医学ppt
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2、酶的结构与催化功能 1.酶的催化功能是由酶蛋白的分子结构,特别是由酶的特 殊的空间构象决定的。
⒉酶的活性部位:
酶的活性部位(活性中心)是酶蛋白分子中直接与底物结 合,进行催化反应的部位,是由相关酶对底物结合和催化 的氨基酸残基在空间上组成一个与酶显示活性直接相关的 区域。
医学ppt
具有以下催化特性:
(1)酶的催化反应条件温和。一般在常压和较低的温度下即可发生 酶催化反应。
(2)酶的催化效率高。酶比一般化学催化剂要高得多。
2 H 2 O 2
2 H 2 O + O 2
Fe作催化剂,0℃时1克分子铁10-5mol H2O2 /秒
H2O2酶作催化剂,0℃时1克分子酶105 H2O2 /秒,高1010倍 (3)酶的催化具有专一性。
酶一般不能通过半透膜,酶是两性电解质,酶能够被
蛋白酶水解,失活条件与蛋白质相同,结构分析与蛋白质
相同。
组成: 单 双
成 成
分 分
酶 酶
( 酶 全蛋 酶 白 辅 )酶
单成分酶的组成成分只有酶蛋白,而全酶含有酶蛋白
和辅助因子,两者必须结合组成复合物才能有催化活性
酶与酶工程绪论PPT课件
酶是具有生物催化功能的生物大分 子。
1982年Cech小组发现RNA本身可以是一 个生物催化剂,称之为核酶Ribozyme。
事先设计好的过渡态类似物为半抗原,按 一般单克隆抗体制备程序获得具有催化活 性的抗体。称之为抗体酶Abzyme。
酶有两大类别:
主要由蛋白质组成称为蛋白类 酶(P酶);
改造酶的特性最有效的方法是定位突变 (Site-directed Mutagenesis)和定向进 化(Directed Evolution in Vitro)。
定位突变技术只对某些氨基酸残基进行 替换、删除、天加或修饰,并不能从根 本上改变酶的高级结构,故有一定的局 限性。
体外定向进化不需要酶的结构、功能关系 和催化机制方面的信息。
生物酶工程则是以酶学和以基因重组 技术为主的现代分子生物学技术相结 合的产物,
主要包括:
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设计新的酶基因,合成自然界不曾有 的新酶。
1.3 分子酶学工程(Molecular Engineering)
是酶工程在分子水平上的体现。
❖ 一是发展构建工程酶的理论、策略和方法; ❖ 二是在考察和研究生物多样性的基础上发现
新的酶及其工程化; ❖ 三是扩大工程酶的应用领域。
分子酶学工程的基本策略和方法
1)在对酶结构与功能分析的基础上,应 用基因工程、蛋白质工程(包括分子进化) 技术改变或完善天然酶某些性质并构建出 更加实用的新酶,如进化酶、模块酶和杂 和酶等;
蛋白质工程 生物催化过程的开发流程
生物催化过程又是典型的高度不均一过 程,理论上
需要特殊设计的硬件部分, 需要有高催化效率的生物催化剂, 需要实施计算机控制的软件, 需要能降低成本的回收和再利用技术,
食品生物技术概论 廖威 第三章 酶工程及其在食品工业中的应用[课件]
适用于固定化酶进行连续催 化反应。
四、鼓泡式反应器 (bubble
column reactor, BCR )
利用从反应器底 部通入的气体产生 的大量气泡,在上 升过程中起到提供 反应底物和混合两 种作用的一类反应 器,是一种无搅拌 装置的反应器。
(1)要注意防止酶变性失活
除少数情况外,所有操作必须在低温下进行, 特别是有机溶剂存在时更要特别小心;大多数 酶在pH<4或pH>10的条件下不稳定,故不 能过酸过碱;酶溶液常易在表面上形成泡沫而 变性,故应防止泡沫的形成;重金属能引起酶 失效,有机溶液能使酶变性,微生物污染、蛋 白酶能使酶分解,都必须予以防止。
课后作业:
阅读“酶工程在食品加工中的其他应用 ”查资料综述一种酶工程在食品工业中的应 用。
产 品
生物催化反应过程示意图
生物反应器的特点
优良的生物反应器应具备: 1.严密的结构 2.良好的液体混合性能 3.高效的传质、传热性能 4.配套而可靠的检测和控制仪表
酶反应器较发酵罐简单
酶反应器: 用于游离或固定化酶(细胞)进行 催化反应的容器及其附属设备。
分类:
按结构分为:
搅拌罐式反应器 鼓泡式反应器 填充床式反应器 流化床式反应器
(2)酶的分离纯化的目的是将酶以外的所有杂 质尽可能除去,因此在不破坏酶所需的条件 下,可使用各种“激烈”的手段,此外,由 于酶和它的底物、抑制剂等具有亲和性,当 这些物质存在时,酶的理化性质和稳定性又 会发生一定的变化,从而提供了更多可供采 用的条件和方法。
(3)通过检测酶活性,跟踪酶的来龙去脉,为 选择适当方法和条件提供了直接依据。在工 作过程中从原材料开始每步都必须检测酶活 性,一个好的方法和措施是使酶的纯度提高 倍数大,活力回收高,同时重复性好。
酶工程-01-酶和酶工程概论1
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 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
Enzyme Engineering
酶和酶工程概论
Enzyme Engineering
酶工程
Enzyme Engineering
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 毕业论文(设计)
酶的基本概念和发展历史
远古时代 —— 古老的“食品工业”
中国夏禹时代:酿酒、酿醋 —— 粬
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
春秋战国时代: 用麴治疗消化不良的疾病
Enzyme Engineering
V
=
Vmax S Km +S
酶和酶工程概论
Enzyme Engineering
酶的基本概念和发展历史
近代 —— 酶的本质和结构研究
1926年,J. Sumner(萨姆纳)
从刀豆中提取脲酶(urease蛋白质 获得1946年诺贝尔化学奖
近代 —— 酶作用动力学说的提出
1902年,Henri (亨利)—— 中间产物学说
E + S k1 ES k2 E + P k-1
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Why baculovirus can be used in production?
Baculovirus
• Only infect Anthropoda, Insecta specially, Lepidoptera mostly. • Taxonomy: Belongs to Baculoviridae, includes NPV and GV. • Structure:
Principles of BEVS
• polh gene 1. Non-essential;
Deletion of polh will not influence the infection, replication and transcription of virus.
2. Encode polyhedrin;
5. Electraporation;
6. Others.
2. BEVS-infected Bm/Bm cells
• One of the four most important eukaryotic expression system; (yeast, mammal cells, fungus) • Using recombined baculovirus infect insect cell/ individual with high efficiency, and express wanted protien with high level; • Developed by Meada in 1985; • First commercialized product, Feline IFN, in 1993;
Structure protein contribute the envelope of virus.
3. Promotor with high expression level;
1mg/mL, 50%-70%.
4. Easily screened
Change the appearance of colony. • • Insert foreign gene at the site of polh gene to express/produce protein. More than 1000 types of protein have been successfully expressed in this system, include medicine, cytokine, antibody, enzyme, etc. Some have been commercialized.
pH;
Moisture content// Dry the products and measure the change of weight; Microbes contamination;
UV spectrophotometry;
Molecular weight; Purity; Titer// ELISA, exam the effective components by molecular method; Bioactivity// Exam the effectivity by testing on animal. etc.
Expression of hemagglutinin-neutraminidase (HN) protein of bovine
parainfluenza virus type 3 (BPIV-3) in baculovirus expression system
• HN involves in pthogenicity of virus. • Laid a foundation of diagnosis of BPIV-3 infection and evaluation of vaccine efficacy.
• Break & Significance:
1. Bacmid behave both charecteristics of baculovirus and plasmid;
2. Complete all of the recombination process in bacteria; 3 Save time (7-9 days vs 6-9 weeks); 4. Easily screen.
Expression of hemagglutinin-neutraminidase (HN) protein of bovine
parainfluenza virus type 3 (BPIV-3) in baculovirus expression system
• HN involves in pthogenicity of virus. • Laid a foundation of diagnosis of BPIV-3 infection and evaluation of vaccine efficacy.
Procedure
• Extract total RNA of BPIV-3; • revers transcription PCR, get cDNA; • PCR, get DNA; • Construction & Identification of donor plasmid (pFastBac-HN) • Construction & Identification of shuttle plasmid (Bacmid-HN) • Transfect cells with Bacmid-HN, produce recombined virus; • Infect cells with recombined virus; • Identification of HN protein.
Procedure
• HN gene sequence from GenBank (AB770484. 1、KT071671), 1746bp;
• Design primers:
F:5′-AATGGATCCGCCACCATGGAATATTGGAAACACACAAAC-3′(BamHⅠ), R:5′-CGGAAGCTTATTAGCTGCAGTTTTTCGGAACTTCTGTT-3′(HindⅢ).
M13F & M13 R.
Procedure
• Extract total RNA of BPIV-3; • revers transcription PCR, get cDNA; • PCR, get DNA;
Procedure
• Extract total RNA of BPIV-3; • revers transcription PCR, get cDNA; • PCR, get DNA; • Construction & Identification of donor plasmid (pFastBac-HN)
Methods of BEVS
• Process
Methods of BEVS
• Traditional method
1. Construction of transferring vector;
2. Construction & screening of
recombined virus;
a. calcium phosphate coprecipitation method; b. Lipofecin method.
• A bioreactor may refer to any manufactured or engineered device or system that supports a biologically active environment.
Bombyx mori(Bm) bioreactor
1. Transgenic Bm
2. BEVS-infected Bm/ Bm cells
1. Transgenic Bm
• Insert foreign gene into choromosome of Bm individual (ideal: fibroin gene); • Constantly express and inherit the gene; • Method: 1. Microinjection;
Procedure
• Extract total RNA of BPIV-3; • revers transcription PCR, get cDNA; • PCR, get DNA; • Construction & Identification of donor plasmid (pFastBac-HN) • Construction & Identification of shuttle plasmid (Bacmid-HN)
Enzyme Production by Bioreactor
-How to produce enzyme using baculovirus expression vector system .
魏铭 13生物技术(英) 2013332860049 2016.04.19
Definition of Bioreactor
2. Gene gun;
3. Pression infiltration; 4. Sperm carrying;
• Disadvantage: 1. unprecise.// the site of induced gene; 2. unstable;// expression level and inheritance; 3. unpractical.
Methods of BEVS
• Developed method -Bac to Bac System