天津科技大学《酶工程》期末总结

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与水互溶的有机溶剂 水单相体系 有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在这种体系中。 辣根过氧化物酶可以在此均一体系中催化酚类或芳香胺类底物聚合生成 聚酚或聚 胺类物质应用于环保黏合剂、导电聚合物和发光聚合物等功能材料 非极性有机溶剂水两相/多相体系 由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相或多相反应体系。 游离酶、 亲水性底物或 产物溶解于水相，疏水性底物或产物溶解于有机溶剂相。如果采用固定化酶，则以悬浮 形式存在两相的界面。 催化反应通常在两相的界面进行。 一般适用于底物和产物两者或 其中一种是属于疏水化合物的催化反应。应用不广泛，研究也较少。 正胶束体系 胶束又称为正胶束或正胶团， 是在大量水溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂， 加入表面活性剂后形成的水包油的微小液滴。 表面活性剂的极性端朝外， 非极性端朝内， 有机溶剂被包在液滴内部。反应时，酶在胶束外面的水溶液中，疏水性的底物或产物在 胶束内部。反应在胶束的两相界面进行。 反胶束体系 反胶束又称为反胶团， 是指在大量与水不相混溶的有机溶剂中， 含有少量的水溶液， 加入表面活性剂后形成的油包水的微小液滴。 表面活性剂的极性端朝内， 非极性端朝外， 水溶液包在胶束内部。反应时，酶分子在反胶束内部的水溶液中，疏水性底物或产物在 胶束外部，反应在胶束的两相界面进行。在反胶束体系中，酶分子处于反胶束内部的水 溶液中，稳定性较好。 二、水对催化体系的影响 酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件下，酶分子才能进行催化反应。所 以酶在有机介质中进行催化反应时， 水是不可缺少的成分之一。 有机介质中的水含 量多少对酶的空间构象、酶的催化活性、酶的稳定性、酶的催化反应速度等都有密 切关系，水还与酶催化作用的底物和反应产物的溶解度有关。 1. 水对酶分子空间构象的影响 1) 酶分子只有在空间构象完整的状态下，才具有催化功能。在无水的条件下，酶 的空间构象被破坏，酶将变性失活。故此，酶分子需要一层水化层，以维持其 完整的空间构象。维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量称为 必需水 2) 3) 4) 2. （essential water） 。 必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等副键所必需的。 必需水与酶分子的结构和性质有密切关系， 不同酶所要求的必需水的量差别很 大。 如酶分子凝乳蛋白酶只需 50 分子的水，就可维持其空间构象而进行正常的催 化反应；而每分子多酚氧化酶却需 35×102 个水分子，才能显示其催化活性
二、酶的主要提取方法 提取方法 盐溶液提 取 酸溶液提 取 碱溶液提 取 有机溶剂 提取 使用的溶剂或溶液 0.02 ～ 0.5mol/L 的盐溶 液 PH2～6 的水溶液 提取对象 用于提取在低浓度盐溶液中溶解度较大 的酶 用于提取在稀酸溶液中溶解度大，且稳 定性较好的酶 用于提取在稀碱溶液中溶解度大且稳定 性较好的酶 用于提取那些与脂质结合牢固或含有较 多非极性基团的酶
• 4．裂合酶 • 5．异构酶 • 6．连接酶（合成酶） 四、酶活力 1. 概念： 是酶促反应的能力。酶活力大小就是指在一定条件所催化的某一化学反应速度的快慢， 即酶催化的反应速度越快，酶活力越高，反之则表示该酶活力低。 2. 单位： A. 自定义的活力单位 酶习惯上或测定时使用的反应速度的单位定义为酶的活力单位。 有的甚至直接用测得的物理量，如单位时间内消光值的变化 (DA/t) 表示酶活力单 B. 位。 国际单位 (IU)
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第二章 微生物发酵产酶 一、酶生物合成的调节
组成型酶 在细胞中的量比较恒定，环境因素对这些酶的合成速率影响不大。 如 DNA 聚合酶，RNA 聚合酶，糖酵解途径中的各种酶。 适应型酶 在细胞中的含量变化较大，其合成速率明显受到环境因素的影响。 适应型的酶的生物合成受到的调节控制： 转录水平的调节、 转录产物的加 工调节、翻译水平的调节、翻译产物的加工调节和酶降解的调节。 详见 ppt 二、工业上产霉菌的要求 1 发酵周期短，产量高； 2 容易培养和管理； 3 4 产酶稳定性好，不易变异退化，不易被感染； 利于酶的分离纯化；
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可以认为，在有机介质体系中，结合水是影响酶催化活性的关键因素。而水含 量却受到酶分子以外的各种因素的影响。 3) 4) 5) 为了更确切的反映水与酶催化活性的关系，引进了水活度的概念。 水活度（water activity）是指体系中水的逸度与纯水逸度之比。通常用体系中 水的蒸汽压与相同条件下纯水的蒸汽压之比表示。 研究表明，一般情况下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加。而最佳水活 度与溶剂的极性大小没有关系。 所以采用水活度作为参数来研究有机介质中水
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第一章 绪论 酶学概述 一、蛋白类酶的命名 1. 习惯命名法 主要依据以下四个原则： a 根据酶所催化的底物命名 b 有些酶的命名，除了根据酶所催化的底物外，还要加上酶的来源。 c 根据酶所催化的反应性质命名。 d 有些酶的命名，除了根据酶所催化的底物外，还根据所催化的反应性质 习惯命名比较简单，应用历史比较长，但缺乏系统性 2. 系统命名法 按照国际酶学委员会的系统命名法，每种酶都有一个推荐名称和系统名称 酶的分类与命名：1961（1964/1972/1984/1992） 推荐名称 • 是在习惯名称的基础上加以选择和修改而成 • 由两部分组成： 第一部分为底物名称， 第二部分为催化反应的类型， 后面加 “酶” 字 • 酶催化的正逆反应，都用同一个名称 • 对于水解酶类，可以省去说明反应类型的“水解”字样 • 命名方式是“**底物+**反应类型+酶” ，其中，酶以后缀“-ase”表示 • 若是双底物反应，应该将两个底物同时列出，并用冒号隔开 • 如果两个底物中有一个是水，则水略去 • 酶：推荐名 草酸氧化酶 系统名 草酸：氧氧化还原酶 二、核酸类酶的命名 目前对于核酸类酶的命名还没有统一的原则和规定 三、国际系统分类法中的六大类酶 • 氧化还原酶 • • 2．转移酶 3．水解酶
5 安全可靠，无毒性。 （非致病菌） 三、微生物产酶方式
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液体发酵（最主要） 固体发酵
四、酶的发酵工艺条件与控制 详见 ppt 第三章 酶的分离纯化 一、细胞破碎方法 1) 2) 3) 4) 机械破碎（捣碎法、研磨法、匀浆法） 物理破碎（温度差破碎法、压力差破碎法、超声波破碎法） 化学破碎（有机溶剂、表面活性剂） 酶解破碎（自溶法、外加酶制剂）
对酶催化作用的影响更为确切。 三、有机溶剂对催化体系的影响 1. 2. 常用的有机溶剂有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇，丙醇，乙腈，已酯，二氯甲 烷等。 在水溶液中，酶分子均一地溶解于水溶液中，可以较好地保持其完整的空间结构。 在有机溶剂中，酶分子不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反应。根据酶分 子的特性和有机溶剂的特性的不同，保持其空间结构完整性的情况也有所差别。 极性较强的有机溶剂，如甲醇，乙醇等，会夺取酶分子的结合水，影响酶分子微环 境的水化层，从而降低酶的催化活性, 甚至引起酶的变性失活。因此应选择好所使 用的溶剂，控制好介质中的含水量，或者经过酶分子修饰提高酶分子的亲水性，避 免酶在有机介质中因脱水作用而影响其催化活性。 有机溶剂与水之间的极性不同， 在反应过程中会影响底物和产物的分配， 从而影响 酶的催化反应。 第七章 人工模拟 一、模拟酶的概念 酶是高效的催化剂，它的应用日趋广泛。由于酶容易受到多种物理、化学因素的影 响而变性失活， 所以不能用酶广泛取代工业催化剂。 模拟酶是人工合成的高分子化合物， 它模拟酶的结构和催化特性，并且能耐较恶劣的环境，活性稳定而持久。 二、三个层次 1 2 3 简单模拟：模拟物只含有与生物活性酶相同的因子。 模拟酶活性中心结构： 空腔的大环化合物作为底物识别部位， 在边缘衍生催化基团。 整体模拟：高级模拟，需要考虑识别和催化部位的协同性。 第八章 酶反应器 一、酶反应器类型
用来比较每单位质量蛋白的催化能力 比活力是酶制剂纯度的常用指标 ——对于同一种酶来说，比活力越大，表示酶 越纯 纯化倍数 = 每次比活力/第一次比活力 产率 (回收率) = 每次总活力 /第一次总活力×100% 3. 酶活力的测定方法 根据测定原理，酶活力的测定方法有： 终点法 动力学法 酶偶联法 电化学法. 五、抑制作用 底物抑制：对于某些酶促反应，当底物浓度较高时，反应速率呈下降趋势，称为底物抑 制。
水对酶催化反应速度的影响 有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。存在最适水含量。 最适水含量为催化反应速度达到最大时的水含量。 对于同一种酶， 最适水含量 随着有机溶剂的种类、 固定化载体的特征、 修饰剂的种类等的变化而有所差别。 水活度 1) 2) 1) 2) 在有机介质中含有的水，主要有两类，一类是与酶分子紧密结合的结合水，一 类是溶解在有机溶剂中的游离水。 研究表明，在有机介质体系中，酶的催化活性随着结合水量的增加而提高。在 结合水量不变的条件下， 体系中水含量的变化对酶的催化活性影响不大。 因此
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三、原理 详见 ppt 第五章 固定化酶和细胞 一、酶的固定化 1 2 3 4 吸附法 包埋法 结合法 交联法
二、工业中的应用 1 世界上第一种工业化生产的固定化酶。1969 年，日本田边制药公司将从米曲霉中 提取分离得到的氨基酰化酶，用 DEAE-葡聚糖凝胶为载体通过离子键结合法将氨基 酰化酶制成固定化酶，利用 L-氨基酰化酶只作用于酰化 DL-氨基酸的 L-型体而对 D型体无作用的原理， 先将 DL-氨基酸进行酰化 （如乙酰酐） ， 然后用氨基酰化酶水解， 经结晶而将 L-氨基酸同酰化 D-氨基酸分开，余下的酰化 D-氨基酸可用化学法或酶 法消旋后，继续拆分。生产成本仅为用游离酶生产成本的 60％左右。 （L-氨基酰化 酶作用于乙酰-L-氨基酸而得到 L-氨基酸；D-氨基酸酰化酶可以直接水解乙酰-D - 氨 基酸而得到 D-氨基） 世界上生产规模最大的一种固定化酶。 将培养好的含葡萄糖异构酶的放线菌细胞用 60～65℃热处理 15min，该酶就固定在菌体上，制成固定化酶，催化葡萄糖异构化 生成果糖，用于连续生产果葡糖浆。 3 4 青霉素和头孢菌素属于β-内酰胺抗生素，可以通过青霉素酰化酶的作用，改变其 侧链基团而获得具有新的抗菌特性及具有抗β-内酰胺酶能力的新型抗生素。 酶传感器 a) b) 酶传感器是由固定化酶与传感元件两部分组成的， 其中酶是与适当的载体结合 形成的不溶于水的固定化酶膜。 最常用的酶传感器是酶电极， 即将固定化酶膜与转换电极做在一起， 当酶膜与 被测物发生催化反应而生成电极活性物质后， 电极测定活性物质并将其转换为 电信号输出。 5 酶电极 a) 酶电极是由固定化酶与各种电极密切结合的传感装置。1962 年 Clark 和 Lyons 提出模型，1967 年 Updike 和 Hicks 首先制造出酶电极并把它用于葡萄糖的定 量分析。 酶电极一般可根据电极检测物理量的不同分为电流型和电压型， 前者一般有氧 电极、H2O2 电极等，后者有 NH3、CO2、H2 电极等。 较典型的一种酶电极为葡萄糖酶电极。 第六章 酶的非水相催化 一、有机介质反应体系 非极性有机溶剂酶悬浮体系(微水介质体系) 用非极性有机溶剂取代所有的大量水， 使固体酶悬浮在有机相中。 但仍然含有必需 的结合水以保持酶的催化活性(含水量一般小于 2%)。 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固体载体表面上。 通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。