酶学绪论
蛋白质与酶工程复习资料
酶工程复习提纲第一章绪论1.酶及酶工程的概念。
酶：是生物体内一类具有催化活性和特殊空间构象的生物大分子物质。
酶工程：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产品的一门工程技术。
(名词解释) 2.了解酶学的发展历史，尤其是一些关键事件。
1833年，Payen和Persoz发现了淀粉酶。
1878年，Kuhne首次将酵母中进行乙醇发酵的物质称为酶。
给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个词来自希腊文，其意思“在酵母中”。
1902年，Henri提出中间产物学说。
1913年，Michaelis and Menton推导出酶催化反应的基本动力学方程，米氏方程：V=VmS/（Km+S）。
1926年，Summer分离纯化得到脲酶结晶。
人们开始接受“酶是具有生物催化功能的蛋白质”。
Cech and Altman于1982和1983年发现具有催化活性的RNA即核酸类酶，1989年获诺贝尔化学奖。
现已鉴定出5000多种酶，上千种酶已得到结晶，而且每年都有新酶被发现。
3.了解酶在医药、食品、轻工业方面的应用。
医药：（1）用酶进行疾病的诊断：通过酶活力变化进行疾病诊断，谷丙转氨酶/谷草转氨酶用于诊断肝病、心肌梗塞等，酶活力升高；葡萄糖氧化酶用于测定血糖含量，诊断糖尿病。
（2）用酶进行疾病的治疗：来源于蛋清、细菌的溶菌酶用于治疗各种细菌性和病毒性疾病；来源于动物、蛇、细菌、酵母等的凝血酶用于治疗各种出血病；来源于蚯蚓、尿液、微生物的纤溶酶用于溶血栓。
（3）用酶制造各种药物：来源于微生物的青霉素酰化酶用于制造半合成青霉素和头孢菌素；来源于动物、植物、微生物的蛋白酶用于生产L-氨基酸。
食品：生产低聚果糖，原料为蔗糖，所需酶为果糖基转移酶、蔗糖酶α（黑曲霉、担子菌）；生产低聚异麦芽糖，原料为淀粉，所需酶为α-淀粉酶、β-淀粉酶、真菌α-淀粉酶（米曲霉）、α-葡萄糖苷酶（黑曲霉）、普鲁兰酶、糖化型α-淀粉酶（枯草杆菌）。
酶学概论zgPPT课件
主要学术期刊
• 食品科学 • 食品与发酵工业 • 食品生物技术学报 • 微生物学报 • 生物工程学报 • Enzyme and Microbial Technology （SCI,
IF=2.375)
3
第一章 酶学概论
➢ 酶学（Enzymology）是研究酶的性质、酶的反应 机理、酶的结构和作用机制、酶的生物学功能及 酶的应用的科学。
➢ 19世纪中叶，巴斯德（Pasteur）在活酵母细胞内发现一 种可以将糖发酵成乙醇的物质。
➢ 1894年——Emil Fischer首先研究酶的作用机理，提出了 “锁和钥匙”的作用机制模型。 forward8
细胞內酵素无所不在
Ba9ck
Kleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular Biology (2e) p.1
G ene mRNA
ON
P
R’
O perator
X
RNA P olym erase
P D ow nstream m etabolite (P)
m ight bind and activate repressor,
R’
T hen turns off the gene expression
G ene
酶工程的应用范围：
（1）对生物宝库中存在天然酶的开发和生产； （2）自然酶的分离纯化及鉴定技术； （3）酶的固定化技术（酶和细胞固定化）； （4）酶反应器的研制和应用； （5）与其他生物技术领域的交叉和渗透。
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。
酶工程绪论()资料文档
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。
酶学PPT
第一章绪论第一节酶的发现及研究历史最早的酶学实验: 1783年, 意大利科学家Spallanzani发现鸟的胃液能将肉类分解消化。
酶的最早发现者:1810年，药物学家Planche在植物根中发现一种能使创木脂氧化变蓝的物质，并分离出了这种耐热且水溶性的物质。
最早的酶制剂：1833年，Payen和Persoz用酒精处理麦芽提取液，分离出了一种能溶于水和稀酒精，不溶于浓酒精，对热不稳定的白色无定形粉末，取名为diastase(淀粉酶)。
它能使淀粉转化为糖，不久后用于棉布退浆。
1971年，第一届国际酶工程学术会议在美国召开，主题即是固定化酶，进一步开展了对微生物细胞固定化的研究。
第二节酶学概论一、什么是酶1酶是一类具有特殊催化功能的蛋白质2酶的化学本质是蛋白质。
主要依据是：①酶经酸碱水解后的最终产物是氨基酸，酶能被蛋白酶水解而失活。
②酶是具有空间结构的生物大分子，凡使蛋白质变性的因素都可使酶变性失活。
③酶是两性电解质，在不同pH下呈现不同的离子状态，在电场中向某一电极泳动，各自具有特定的等电点。
④酶和蛋白质一样，具有不能通过半透膜等胶体性质。
⑤酶也有蛋白质所具有的化学呈色反应。
3酶具有蛋白质的一切理化性质。
它也是亲水胶体，具有两性电解质性质，凡能引起蛋白质变性的因素均可致使酶失活二、酶的化学组成1单纯蛋白质的酶类2缀合蛋白质的酶类蛋白质---脱辅酶非蛋白质小分子---辅因子物质或金属离子全酶= 脱辅酶+ 辅因子三、酶的催化作用（一）酶和一般催化剂的共性①凡是催化剂均能加快化学反应的速度，而本身在反应前后都没有结构和性质上的改变。
②只能催化热力学上允许进行的化学反应，而不能实现热力学上不能进行的反应。
③只能缩短反应达到平衡所需的时间，而不能改变平衡点。
（二）酶作为生物催化剂的特点1．反应条件温和2. 酶易失活3．酶具有很高的催化效率酶作为催化剂比一般催化剂更显著地降低活化能，催化效率更高活化能:在一定温度下1摩尔底物全部进入活化态所需要的自由能(kJ／mol)反应所需的活化能愈高，反应速率就愈慢4．酶具有高度专一性5．酶活性受到调节和控制细胞内酶的调节和控制主要方式：a调节酶的浓度酶浓度的调节主要有2种方式：诱导或抑制酶的合成调节酶的降解b通过激素调节酶活性c反馈抑制调节酶活性d抑制剂和激活剂对酶活性的调节e其他调节方式反馈抑制：许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的，催化此物质生成的第一步的酶，往往被它们终端产物抑制。
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。
6第六章酶学
直接与底物接触的基团， 包括结合基团（binding group） 和催化基团（catalytic group）
促进接触残基的功能，但 不与底物结合，也不催化反应
结构残基
（structure residue）
稳定酶的分子构象，尤其 是活性中心的构象
非必需残基
（noncontribution residue）
§4 酶的分子结构和其生物学功能的关系
构
有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特
定的底物。这种专一性称为绝对专一性。
专
例如：脲酶：尿素 + H2O → 2NH3 + CO2
一
延胡索酸水化酶：反丁烯二酸 + H2O ←→ 苹果酸
２）相对专一性(Relative Specificity)
性
有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合 物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性。
的特点又可分为若干亚类；
的 亚类还可分为亚亚类； 而在每个亚亚类里再给了酶一个排号。
编 这样每个酶的分类编号由4个数字组成，用“.” 隔开，编号前冠以EC（Enzyme Commision）。
号 通过这种方式编号不但不会出现重复，而且 还可对其性质有所了解。
§2 酶的化学本质及其组成
一、酶的化学本质 华中P132
辅酶：与蛋白质松弛结合，用透析可以除去 成
辅基：以共价键和酶蛋白牢固结合 注意与激活剂（activator）的区别：有激活剂的 时候，活性提高，没有激活剂的时候，活性低， 但仍然有活性。
§2 酶的化学本质及其组成
根据酶分子结构特点，可将酶分为以下三类： 华中
单 P135
体 1、单体酶：一般由一条多肽链构成。有的由多
酶学的理论和应用
酶学的理论和应用酶是一种高效的生物催化剂，可以帮助细胞进行各种化学反应，加快代谢过程。
酶学是研究酶及其反应机理、酶的生物合成以及酶的应用等方面的一门综合性学科。
本篇文章将探讨酶学的理论基础和应用实践，以及未来可能的发展方向。
一、酶学的理论基础1. 酶的结构与功能酶是一种具有高度空间结构的蛋白质分子，通常由几十个氨基酸残基构成，平均分子量约为5-10万。
酶分子内部的氨基酸残基排列形成了一个具有特定结构和功能的酶活性中心，与反应底物结合后形成底物-酶复合物，从而加速反应速率。
一般而言，酶与底物的相互作用可以形成氢键、离子键、疏水相互作用等多种力。
2. 酶促反应的能量学在酶促反应中，酶可以通过降低反应的活化能来加速反应速率，使反应可以在细胞内或细胞外环境下进行。
这种能量学上的加速效应在化学反应中是不可实现的。
实际上，酶在催化反应时不消耗自身，因此可以在反应结束后重新催化其他反应，具有高度的效率和特异性。
3. 酶反应的动力学在酶催化的反应中，酶和底物的反应速率通常遵循迈克尔-门特恩（Michaelis-Menten）动力学的规律。
此时，酶浓度为恒定不变，反应速率在决定过程中的底物浓度的变化下呈现非线性关系。
另一方面，酶的反应速度还受到温度、pH值、离子强度等环境因素的影响。
二、酶学的应用实践1. 酶在食品、医药和化工等领域的应用随着生命科学和工程学的发展，酶在各种应用领域得到了广泛的应用。
例如，在食品加工中，酶可以用于糖化、脱酰机、完善和调味等方面。
在医药领域，酶可以用于制备药物、治疗癌症、制备葡萄糖和抗分泌性胃酸等方面。
在化工领域，酶则可以用于制备生物可降解聚合物、合成新的脂肪酸等方面。
2. 酶在生物燃料生产中的应用随着全球能源危机的加剧，生物燃料已成为人们研究生物质利用和能源分布的重要方向。
酶可以用于生物燃料生产中的各个环节。
例如，淀粉酶和葡萄糖异构酶可以转化淀粉或葡萄糖为生物燃料；纤维素酶和木质纤维素酶则可以加速生物质转化为可燃气体和物质。
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
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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
酶学绪论
Enzyme的词源
而“酶”（Enzyme）的概念，是由德国科学家
Kuhne在1878年首先提出用以表示未统一名称的已知
的各种酵素。这个词（enzyme）本身的意思是“在 酵母中”，起源于希腊语，其中en表示“在之内"， zyme 表示酵母或酵素。
1.1.2 酶催化的专一性
在大量实验研究的基础上，Fischer于1894年
并不要求R基团的性质。胰蛋白酶能够催化水解碱性氨基
酸，如精氨酸或赖氨酸的羧基所形成的肽键，而对此肽键 氨基端的氨基酸残基没有什么要求。
CH 2OH OH H H OH H HO O H OH
+
R
H2O
CH 2OH OH H H OH H HO OH H OH
+
R OH
1.2.2.3
绝对专一性
这类酶具有高度的专一性。它们对底物的要求很
西方各国在17世纪也有了关于酶的记载。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
然而，人们真正认识酶的存在和作用，是从19世
纪开始的。1833年法国化学家Payen和Persoz从麦芽汁
提取物中首次发现了淀粉酶，他们将这种由酒精沉淀后 得到的可使淀粉水解成可溶性糖的物质命名为淀粉糖化 酵素，并指出了它的热不稳定性，初步触及了酶的一些 本质问题。
1.1.1 酶的早期研究
4000多年前，人们就已经在酿酒、制饴、 制酱等过程中不自觉地利用了酶的催化作用。
在我国古书《书经》中有“若作酒醴，尔 维麴蘖”的记载，其意为：若要酿酒，就必须使 用麴和蘖。麴是指长了微生物的谷物，蘖是指发 了芽的谷物，它们都含有丰富的酶。这些都说明 了酶的应用首先是从食品生产开始的。
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：
酶学概论
本课程的任务： 通过学习酶的组成、结构、性质、功能 、生物合成、调节等方面的基本理论，以 及酶的生产和应用技术，即酶的发酵生产 、分离纯化、酶分子的修饰、酶和细胞固 定化、酶反应器和酶的应用等内容，牢固 掌握酶工程的基本理论和基础知识，为今 后的学习和工作实践打下宽厚的基础。
第一章 酶学概论
第二章 酶的发酵生产
①几何异构专一性：
若底物具有顺式和反式排列的两种异构体，酶只能催化一种几 何异构体，而对另一种异构体无反应，这种立体异构专一性称为几 何异构专一性。
②光学异构专一性 若底物具有旋光异构体即底物分子中有手性碳原子时， 酶只能催化D-型和L-型（或R-型和S-型）两个对映体中的一个 ，这种立体异构专一性称为光学异构专一性。 2．有关专一性的学说 ⑴ 锁-钥学说 ★： 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。当底物契合到酶蛋白的活性中心时，很像一把 钥匙插入到一把锁中。酶的天然构象是刚性的，如果底物分 子结构上存在着很小的差别，就不能契入酶分子中，从而不 能被酶作用。
3．结构残基：不在酶的活性中心范围内，但在维持酶分子的 完整的空间结构并使之形成特定的空间构象方面起重要作用 的氨基酸残基。
4．非贡献残基：这类残基对酶活性的表达无明显作用，可由 其它氨基酸残基替代。 二．酶的活性部位（中心） 1.概念：在酶分子中，显示酶的催化活性的特殊部位称为酶 的活性部位（中心）。 2.结构组成
第三章 酶与细胞固定化
第四章 酶分子的化学修饰 第五章 酶反应器
第六章 酶的应用
第一章 酶学概论
第一节 酶的基本概念 一．酶是生物催化剂 酶是具有生物催化功能的生物大分子，按其化学组成的不同 可以分为两类：蛋白类酶（P-酶）与核酸类酶（R-酶）。 二．酶学研究简史 三．酶的催化特性 （一）催化效率高 ：酶促催化效率是一般无机催化剂的 106~1013 倍。 （二 ） 专一性强。 1. 酶的专一性：指一种酶只能催化一种或一类结构相似的底 物进行某种类型的反应。
酶工程 第一章绪论 第三节酶的组成、分类与命名
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：
酶工程复习题
酶工程复习题第一章绪论填空：1.日本称为“酵素”的东西，中文称为酶，英文则为Enzyme，是德国科学家Kűhne于1878年首先使用的。
2.1926年，萨姆纳（Sumner）首先制得脲酶结晶，并指出酶的本质是蛋白质。
他因这一杰出贡献，获1947年度诺贝尔化学奖。
3. 1982年，Thomas R.Cech等人发现四膜虫细胞的26S rRNA前体具有自我剪接功能，将这种具有催化活性的天然RNA称为核酶—Ribozyme。
4. 1894年，高峰让吉（Takamin）用麸皮培养米曲霉制造淀粉酶作消化剂，开创了有目的的进行酶生产和应用的先例。
5. 1969年，日本的千畑一郎首次在工业上应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸分离L-氨基酸。
6.1971年，第一届国际酶工程会议把酶的生产与应用确认为酶工程的核心内容。
7.根据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和核酸类酶。
名词解释：酶：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。
选择：1.酶工程是（C ）的技术过程A.利用酶的催化作用将底物转化为产物B.通过发酵生产和分离纯化获得所需酶C.酶的生产与应用D.酶在工业上大规模应用2.核酸类酶是（D ）A.催化RNA进行水解反应的一类酶B.催化RNA进行剪接反应的一类酶C.由RNA组成的一类酶D.分子中起催化作用的主要组分为RNA的一类酶第二章酶学基础填空：1.1961年国际酶学委员会（International Commission of Enzymes）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：氧化还原酶Oxidoreductase；转移酶Transferase；水解酶hydrolase；裂合酶Lyase；异构酶Isomerase；合成酶Synthetase。
2.酶催化作用的特点：温和性、专一性、高效性、可调性.3.根据抑制剂与酶的作用方式及抑制作用是否可逆，可把抑制作用分为两大类：不可逆的抑制作用和可逆的抑制作用。
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，
6 酶的绪论 2hours
2 . 酶工程简介
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。它从应用目的出发，研究酶的产生、 酶的制备与改造、酶反应器以及酶的各方面 应用。 分为：化学酶工程与生物酶工程。
1. 化学酶工程（初级酶工程）
酶化学与化学工程技术相结合的产物。 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。
1 8 8 7 -19 5 5
U re a se cry sta ls ( X 728)
S u m n e r, J. B . (19 2 6 ) ― T h e iso la tio n a n d c ry sta lliza tio n o f th e e n zy m e u re a se ‖ J. B io l. C h e m . 6 9 :4 3 5 -4 4 1.
1949年,用液体深层培养法进行细菌淀粉酶的 发酵生产,揭开了近代酶工业的序幕。 50年代以后,随着生化工程的发展,大多数酶制 剂的生产已转向微生物流体深层发酵的方法。 酶的应用越来越广泛。 50年代：开始了酶固定化研究。1953年德国科 学家首先将聚氨基苯乙烯树脂与淀粉酶,胃蛋 白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等结合,制成了固定 化酶。 60年代，是固定化酶技术迅速发展的时期。 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。 出现了“酶工程”这个名词来代表有效利用酶 的科学技术领域。
80年代初发现了具有催化功能的RNA——核酶 (ribozyme)，这一发现打破了酶是蛋白质的 传统观念，开辟了酶学研究的新领域， 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。
4.1 酶学导论
酶能显著的降低化学反应的活化能H2O2 → H2O + O2无催化剂时活化能为75.5 kJ/mol液态钯催化时活化能为48.9 kJ/mol过氧化氢酶催化时为8.4kJ/mol蔗糖→果糖+ 葡萄糖无催化剂时活化能为1339.8 kJ/molH+作催化剂时活化能为104.7 kJ/mol蔗糖酶催化时为39.4 kJ/mol无催化剂所需要的活化能酶促反应所需要的活化能酶的专一性酶作用专一性的假说•“锁与钥匙”学说•“诱导契合”假说Daniel Koshland底物酶转化态活性(结构)中心catalytictriad inchymotrypsin酶构象在专一及非专一性底物存在时的变化催化基团结合基团专一性底物非专一性底物形成产物a) 辅基b) 辅酶维生素NAD+/NADP+烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺是烟酸(吡啶3-羧酸)衍生物还原态含有二氢吡啶环，340nm处有一吸收峰，可用作脱氢酶催化反应的指标以H:-形式在氧化-还原态之间传递2e-和1H+烟酰胺单核苷酸+腺苷酸=NAD(P)+对紫外光的吸收FAD/FMN 是含有核黄素的核苷酸(蓝色) (黄色)(无色)异咯嗪环黄素腺嘌呤二核苷酸与黄素单核苷酸辅酶A (CoA-SH)磷酸泛酰巯基乙胺β-巯基乙胺泛酸乙酰－CoA通常用作酰基载体参与反应是糖、脂、蛋白质代谢的枢纽性物质磷酸吡哆醛、磷酸吡哆胺氨基转移酶硫胺素焦磷酸乙酰乳酸丙酮酸乙醛α-裂解α-缩合噻唑环嘧啶环生物素生物素和羧化反应氧-还反应：转移电子(H:-/H)转移功能基团水解反应：将功能基团转移给水移除/添加基团以形成/消除双键在分子内转移基团产生异构体在ATP供能的条件下缩合生成C-C, C-S, C-O和C-N键氧化还原酶类CHOH基NADP+为受体排号第一斜率=速度/时间= v测定初速率初速率来测定酶含量。
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族专一性
相对专一性 立体异构专一性
基团专一性
例如，蛋白酶只能催化蛋白质的水解，酯酶只催化酯
类的水解，而淀粉酶只能催化淀粉的水解。若用一般
催化剂，对作用物的要求就不那么严格，以上三类物 质都可以在酸或碱的催化下水解。
1.2.2.1
键专一性
这种酶只对底物分子中其所作用的键要求严格，
提出了“锁和钥匙”模型，成功解释了酶的催
化反应机制。酶催化专一性理论研究的另一重
要成就是1959年Koshland提出的“诱导契合”
理论，以解释酶的催化理论和专一性，同时也 搞清了某些酶的催化活性与生理条件变化有关。
1.1.3 酶学的理论研究
20世纪初期，定量描述酶作用的方法得到了很大发展。 1902年Henri和Brown各自独立地提出了以下观点：在固定 酶浓度的条件下，逐步增加底物浓度而得到的反应速度— 底物浓度的饱和类型曲线是由于形成酶—底物中间络合物 的结果。 1913年，Michaelis和Menten提出中间产物学说，推导出 酶促反应动力学方程，即著名的米氏方程，定量地描述酶 的上述性质： V=Vmax[S]/Km+[S]
20世纪50年代开始，由于分子生物学和生物化学的发
展，对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸（DNA）的
结构与功能有了比较清晰的阐述。70年代初实现了 DNA重组技术或称克隆技术，极大地推动着食品科学 与工程的发展，也促使酶学研究进入新的发展阶段。
另外，近20年来的研究发现，除蛋白质以外，核糖核酸 （RNA）也有催化活性。例如，1982年Cech等人在四膜虫 的RNA分子中发现一个具有自身切接功能的片段，称之为 “内含子”，它可以从前体RNA中特异地把与它本身相同 的片段（413个核苷酸）切下来，然后把剩余的RNA部分重 新接起来。切下的片段环化成为具有催化活性的RNA，称 之为核酸类酶或催化活性RNA。这个结果使酶的传统概念 受到了挑战，提出酶并不一定是蛋白质的问题。我们究竟 是否把RNA看作酶，或是酶是蛋白质的概念应该改变，随 着科学研究的发展，相信在不久的将来会得到解决。
而不管键两端所连基团的性质。例如，酯酶可以 水解任何酸与醇所形成的酯，它不受酯键两端基 团R和Rˊ的限制。
O R C O R'
O
+
H2O
R
C
O
-
+
R'OH
+
H
+
1.2.2.2
基团专一性
有些酶对底物的要求较高，它们不但要求底物具有一定的
化学键，而且对键的某一端所连的基团也有一定的要求。
例如，α-葡萄糖苷酶能催化任何α-葡萄糖苷的水解：此酶 要求底物必须是D-葡萄糖通过α-糖苷键所形成的糖苷，但
而20世纪50年代起酶学理论方面的研究也十分
活跃，在蛋白质（或酶）的生物合成理论方面
获得了许多突破性进展。1955年，Sanger等
报道了胰岛素中氨基酸排列的次序以及荷尔蒙
的分子量为6000，这是在测定蛋白质一级结构 上的第一次突破。1957年Kornberg等人发现 DNA聚合酶并进行DNA复制的系列研究。
D-氨基酸氧化酶能作用于各种D-氨基酸，催化 其氧化脱氢，但对L-氨基酸则毫无作用。
重要
1.2.3 大多数酶的化学本质是蛋白质
酶是由生物活细胞产生的有催化能力的蛋白质，只要 不是处于变性状态，无论是在细胞内还是细胞外都可 发挥催化作用。目前在食品工业应用的酶也都是蛋白 质。
紫外线、热、表面活性剂、重金属盐以及酸碱变性剂 等能使蛋白质变性的因素，往往也能使酶失效。酶本 身能被水解蛋白质的蛋白质水解酶分解而丧失活性。
1.1.1 酶的早期研究
4000多年前，人们就已经在酿酒、制饴、 制酱等过程中不自觉地利用了酶的催化作用。
在我国古书《书经》中有“若作酒醴，尔 维麴蘖”的记载，其意为：若要酿酒，就必须使 用麴和蘖。麴是指长了微生物的谷物，蘖是指发 了芽的谷物，它们都含有丰富的酶。这些都说明 了酶的应用首先是从食品生产开始的。
巴斯德 （1822-1895） 微生物学的奠基人
李比希 (1803—1873) 德国化学家 化学教育改革家 有机化学创始人 农业化学之父
从1901年到1910年最早的十次诺贝 尔化学奖获得者中，李比希的学生就 有七位。
•提出分子不对称性理论，开创了立体化学研究的途径。 •创立了发酵的生物学理论， •低温消毒技术（巴氏杀菌 ） •免疫学--预防接种 ，研制出狂犬疫苗
酶的纯化和固定化
目前为止，已发现自然界存在的酶有3000多种，但真正形
成工业规模生产的只有几十种。因此，当今食品酶学的研
究开发具有广阔的发展前景。
随着酶生产的发展，酶的应用越来越广泛。在生产应用过
程中，人们逐渐发现酶的稳定性较差、不能重复使用等不
足之处。于是，为了更好地发挥酶的催化功能，人们开始 尝试对酶进行分子修饰，即通过各种方法，使酶分子结构
但酶和一般催化剂比较，又有其不同之处。
重要
1.2.1 酶的催化效率高
酶的一个突出的特点是催化效率极高。同一反 应，酶催化反应的速度比一般催化剂催化的反 应速度要大106～1013倍。有极少量酶就可催 化大量反应物发生转变。
例如，铁离子和过氧化氢酶都可以催化双氧水 （H202）分解成为水和氧气。 在一定条件下，1mol铁离子可催化6×104mol双氧水分解。 在相同条件下，1mol过氧化氢酶却可催化 5×106mol的双氧水分解。过氧化氢酶的催化 效率达到铁离子的1010倍。
1.1 酶学研究简史
酶的研究处于生物学和化学的衔接点，是一门内容
广泛、发展迅速的科学。它的分支遍及很多领域，并与
许多学科紧密联系，特别同生物化学、物理化学、微生 物学、遗传学、植物学、农学、药理学、毒理学、生理 学、医学以及生物工程的关系更为密切。由于酶独特的 催化功能，近年来已在食品、轻工、化工、医药、环保、 能源和科学研究等各个领域得以广泛应用。
关于发酵本质的长期论战
巴斯德主张：发酵和活细胞 有关，酒精发酵是酵母细胞 生活的结果。
李比希认为：发酵及其他 类似过程，是由于化学物质的 作用，纯粹是化学过程。
Eduard Buchner (1860-1917) 1907年诺贝尔化学奖 通常以Buchner(布氏)漏斗而留名
Hans Buchner （1850-1902） 德国细菌学家
1.1.4 酶的纯化和固定化
酶的纯化在1920年后取得了重大的突破。1926年美国人
Sumner首先从刀豆中获得了不负载任何其他催化剂的脲酶
蛋白质结晶，从此确立了酶的化学本质是蛋白质的观点， 为酶的理化特性研究奠定了基础。
20世纪30年代掀起了酶结晶研究的热潮。最有代表性的成
果是1930年至1936年间Northrop等人制取了胃蛋白酶、胰 蛋白酶、胰凝乳蛋白酶和羧肽酶A的结晶。至此人们已经获 取了上百种酶的结晶，另外还有超过600种酶被提取纯化。
到19世纪中期，科学家们已陆续发现了胃蛋白酶、
多酚氧化酶、过氧化物酶和转化酶等。
1855年，Schoenbein在植物体内发现了过氧化物酶， 由此解决了愈创树脂变色的难题。随后在1856年， Schoenbein又在蘑菇中发现了另外一种酶——多酚氧 化酶，能够在氧存在的条件下催化反应生成有色氧化 物。 另外，在这个时期，许多科学家发现酶的催化作用与 酵母在发酵期间的作用相似，因而微生物学家巴斯德 （Pasteur）和化学家李比希（Liebig）提出了两种不 同观点。
并不要求R基团的性质。胰蛋白酶能够催化水解碱性氨基
酸，如精氨酸或赖氨酸的羧基所形成的肽键，而对此肽键 氨基端的氨基酸残基没有什么要求。
CH 2OH OH H H OH H HO O H OH
+
R
H2O
CH 2OH OH H H OH H HO OH H OH
+
R OH
1.2.2.3
绝对专一性
这类酶具有高度的专一性。它们对底物的要求很
酶的纯化和固定化
从20世纪50年代开始，酶及产酶细胞的固定化技术从酶学
理论到生产实践得到了迅速的发展。
1953年，德国科学家Grubhofer和Schleith 首先将聚氮基 苯乙烯树脂重氮化，将淀粉酶、胃蛋白酶、羧肽酶和核糖 核酸酶结合，制成固定化酶，有效地进行了酶的固定化研 究。
1971年，出现了固定化菌体技术，70年代后期人们开始运 用固定化细胞技术生产胞外酶。
1897年，布希纳两兄弟(Eduard Buchner & Hans Buchner)成功的从 酵母细胞分离出具有发酵作用的物质，能使糖发酵。他们当时的兴趣 是制备用于治疗疾病的酵母无细胞提取物，这些提取物的保存必须不 加防腐剂，例如不能加酚。于是他们决定试用蔗搪，这是在烹调化学 中常用的防腐剂。他们得到了惊人的结果:酵母汁液迅速将蔗糖发酵 产生了酒精。 这说明巴斯德和李比希的两种观点实质上是一致的。生物化学就 是在解决发酵本质的著名论战中产生的。
发生某些改变，从而使酶的某些特性和功能发生改变，以
满足人们对酶应用的要求。其方法之一就是固定化酶的研 究。
1.1.5 酶工程的发展
自1969年日本的千畑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-氨基酸后，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。 而近20多年来，在酶和细胞固定化技术发展的同时，其他
严格，甚至有时只能催化一种底物，进行一种化 学反应。 例如脲酶只能作用于尿素，催化其水解产生氨及 二氧化碳。而对尿素的各种衍生物，一般均不起 作用。