酶工程第一章绪论
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第一章酶工程电子教案绪论(4).doc
酶工程电子教案第一章绪论1、酶的基本概念酶的概念：具有生物催化功能的生物大分子，按照其化学组成，可以分为蛋白类酶（P酶）和核酸类酶（R 酶）两大类别。
酶工程：酶的生产与应用的技术过程。
酶工程的主要内容包括：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、原生质体固定化、酶的非水相催化、酶反应器和酶的应用等。
2、酶的发展史19世纪以前：4000多年前的夏禹时代就已经掌握了酿酒技术。
3000多年前的周朝，就会制造饴糖、食酱等食品。
2500多年前的春秋战国时期，就懂得用麴来治疗消化不良等疾病。
19世纪30年以来：1833年，佩恩（Payen ）和帕索兹（Persoz ）从麦芽的水抽提物中用酒精沉淀得到淀粉酶（Diastase ）o 19世纪中叶，巴斯德（Pasteur）认为在活酵母细胞内有一种可以将糖发酵生成酒精的物质。
1878年昆尼（Kunne ）首次将酵母中进行酒精发酵的物质称为酶（Enzyme ）,这个词来自希腊文，其意思是“在酵母中”。
1896年，巴克纳（Buchner ）兄弟发现酵母的无细胞抽提液也能将糖发酵成酒精。
1902年，亨利（Henri ）根据蔗糖酶催化蔗糖水解的实验结果，提出中间产物学说。
k| k2E + S ====== ES ===E + PK-i1913年，米彻利斯（Michael is ）和曼吞（menten ）米氏方程：V m [S]v == ---------------------K m + [S]“酶是生物体产生的具有生物催化功能的物质”。
但是尚未搞清楚究竟是哪一类物质？1920年，德国化学家威尔斯塔特（Willstater ）将过氧化物酶纯化12 000倍。
1926年，萨姆纳（Sunme门首次从刀豆提取液中分离纯化得到腺酶结晶，并证明它具有蛋白质的性质。
1960年，雅各（Jacob）和莫诺德（Monod ）提出操纵子学说，阐明了酶生物合成的基本调节机制。
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。
第一章酶工程绪论
分子内催化R酶
自我剪接酶
核酸类酶 ribozyme
分子间催化R酶
RNA剪切酶 DNA剪切酶 多肽剪切酶 多糖剪接酶 多功能R酶 其他R酶
二、酶的命名
迄今为止所发现的4000多种酶中，现已有2500余 种酶被鉴定出来，用于生产实践的酶有近200种， 其中半数用于临床。
1961年以前，人们根据酶作用的底物名称、反 应、性质及酶来源，对该酶冠名。
第一章 绪论
第一节 酶与酶工程基本概念及其发展简史 一、酶与酶工程发展简史
（一）酶学研究简史 1. 自发地应用：酿酒、造酱、制饴、治病 2. 酶学的产生: 消化与发酵现象
（1）消化
•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Schwann获得胃 蛋白酶。
（2） 酶学理论研究
1890年，Fisher——锁钥学说。 1902年，Henri——中间产物学说。 1913年， Michaelis 和 Menten——米氏学说。 1958年， Koshland——诱导契合学说。 1960年，Jacob 和 Monod——操纵子学说。
ES
中间产物学说
S
P
E
（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。
生物酶工程示意图
酶工程原理和基本过程
菌种 →扩大培养→ 发酵→ 发酵酶液 →酶的提取 → 酶成品
原料→ 前处理→ 杀菌→ 酶反应器 ←
酶的固定化
↓
反应液→ 产品提取→ 产品
➢当前酶工程的主要任务是： 研制分解纤维素和木质素的酶、使低分子有机物聚合的酶、
自我剪接酶
核酸类酶 ribozyme
分子间催化R酶
RNA剪切酶 DNA剪切酶 多肽剪切酶 多糖剪接酶 多功能R酶 其他R酶
二、酶的命名
迄今为止所发现的4000多种酶中，现已有2500余 种酶被鉴定出来，用于生产实践的酶有近200种， 其中半数用于临床。
1961年以前，人们根据酶作用的底物名称、反 应、性质及酶来源，对该酶冠名。
第一章 绪论
第一节 酶与酶工程基本概念及其发展简史 一、酶与酶工程发展简史
（一）酶学研究简史 1. 自发地应用：酿酒、造酱、制饴、治病 2. 酶学的产生: 消化与发酵现象
（1）消化
•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Schwann获得胃 蛋白酶。
（2） 酶学理论研究
1890年，Fisher——锁钥学说。 1902年，Henri——中间产物学说。 1913年， Michaelis 和 Menten——米氏学说。 1958年， Koshland——诱导契合学说。 1960年，Jacob 和 Monod——操纵子学说。
ES
中间产物学说
S
P
E
（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。
生物酶工程示意图
酶工程原理和基本过程
菌种 →扩大培养→ 发酵→ 发酵酶液 →酶的提取 → 酶成品
原料→ 前处理→ 杀菌→ 酶反应器 ←
酶的固定化
↓
反应液→ 产品提取→ 产品
➢当前酶工程的主要任务是： 研制分解纤维素和木质素的酶、使低分子有机物聚合的酶、
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
酶工程绪论
3000多年前，用麦曲做饴 糖（麦曲中的淀粉酶水解 淀粉产生麦芽糖） 1000多年前，用豆类做酱 （霉菌蛋白酶水解黄豆蛋 白质） 直到现在，曲（富含酶和 维生素）仍是常用健胃药 用于治疗消化不良
国外：
1808年，罗门等在 皮革制备中利用胰 酶制软化皮革
1833年，Payen和Person 从麦芽抽提液中用酒精沉 淀方法分离获得淀粉酶制 剂，并指出这种无细胞制 剂的催化特性（可以将淀 粉水解为糖）和不稳定性 （对热不稳定），发现了 酶
酶工程的分类
化学酶工程 生物酶工程
化学酶工程：自然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学修 饰、人工合成酶的研究和应用 生物酶工程：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3个方面：（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（遗传设计）。
“This discovery, which came as a complete surprise to scientists, concerns fundamental aspects of the molecular basis of life . Many chapters in our textbooks will have to be revised.”
20世纪50-60年代，Koshland提出了“诱导契合”理论 1961年Monod及其同事提出了“变构模型”
1969年首次报道由氨基酸单体化学合成牛胰核糖核酸酶
1982年Thomas Cech在四膜 虫rRNA前体的加工成熟研 究中，首先发现了rRNA前
体具有自我催化剪切的功
能，提出了小分子RNA也具 有催化功能，建立了核酶 1989 Nobel Prize in Chemistry
酶工程
①添加诱导物：酶的作用底物、酶作用底物的前体、酶的反应产物、酶的底物类似物或底物修饰物等。
②降低阻遏物浓度：设法从培养基中除去其终产物，以消除反馈阻遏；向培养基中加入代谢途径的某个抑制因子，切断代谢途径通路，可限制细胞内末端产物的积累，便可达到缓解其反馈阻遏的目的；
③促进分泌；
④添加产酶促进剂。
2、酶反应器的类型：
①搅拌罐型：分批反应器和连续流搅拌罐反应器；②固定床型；③流化床型；④膜式反应器；⑤鼓泡塔型；⑥连续搅拌罐式超滤型；⑦循环床型；⑧其他酶反应器。喷射式反应器
3、酶反应器的选择：（底物或产物的理化性质）
①酶催化反应产物的相对分子质量较大时，由于产物难于透过超滤膜的膜孔，不能达到反应与分离同时进行的目的，所以一般不用膜反应器；
⑵遗传控制：①改良菌种：使诱导型变为组成型；使阻遏型变成去阻遏型；②基因工程育种。
5、用于产酶细胞需具备哪些条件：
①酶的产量高；②容易培养和管理；③产酶性能稳定；④利于酶产品的分离纯化；⑤安全可靠。
第四章 酶的分离和纯化
1、细胞破碎方法：
①机械法：机械捣碎法、研磨破碎法、匀浆破碎法、改进高压法（X-press法）、超声波破碎法；
①网格型包埋法：
②微囊型包埋法：
③脂质体包埋法：
4、酶的各种固定化方法的比较：
固定化方法 载体结合法 交联法 包埋法
物理吸附法 离子结合法 共价结合法
制备难易 易 易 难 较难 较难
结合程度 弱 中等 强 强 强
酶活回收率 高，但酶易流失 高 低 中等 高
对底物专一性 不变 不变 可变 可变 不变
⑵交联法：利用双功能或多功能试剂在酶分子间，酶分子与惰性蛋白间或酶分子与载体间进行交联反应，以共价键制备固定化酶的方法。优点：操作简便；缺点：交联反应的过程往往比较激烈，许多酶易在固定化过程中失效，酶回收率不高。
②降低阻遏物浓度：设法从培养基中除去其终产物，以消除反馈阻遏；向培养基中加入代谢途径的某个抑制因子，切断代谢途径通路，可限制细胞内末端产物的积累，便可达到缓解其反馈阻遏的目的；
③促进分泌；
④添加产酶促进剂。
2、酶反应器的类型：
①搅拌罐型：分批反应器和连续流搅拌罐反应器；②固定床型；③流化床型；④膜式反应器；⑤鼓泡塔型；⑥连续搅拌罐式超滤型；⑦循环床型；⑧其他酶反应器。喷射式反应器
3、酶反应器的选择：（底物或产物的理化性质）
①酶催化反应产物的相对分子质量较大时，由于产物难于透过超滤膜的膜孔，不能达到反应与分离同时进行的目的，所以一般不用膜反应器；
⑵遗传控制：①改良菌种：使诱导型变为组成型；使阻遏型变成去阻遏型；②基因工程育种。
5、用于产酶细胞需具备哪些条件：
①酶的产量高；②容易培养和管理；③产酶性能稳定；④利于酶产品的分离纯化；⑤安全可靠。
第四章 酶的分离和纯化
1、细胞破碎方法：
①机械法：机械捣碎法、研磨破碎法、匀浆破碎法、改进高压法（X-press法）、超声波破碎法；
①网格型包埋法：
②微囊型包埋法：
③脂质体包埋法：
4、酶的各种固定化方法的比较：
固定化方法 载体结合法 交联法 包埋法
物理吸附法 离子结合法 共价结合法
制备难易 易 易 难 较难 较难
结合程度 弱 中等 强 强 强
酶活回收率 高，但酶易流失 高 低 中等 高
对底物专一性 不变 不变 可变 可变 不变
⑵交联法：利用双功能或多功能试剂在酶分子间，酶分子与惰性蛋白间或酶分子与载体间进行交联反应，以共价键制备固定化酶的方法。优点：操作简便；缺点：交联反应的过程往往比较激烈，许多酶易在固定化过程中失效，酶回收率不高。
酶工程第一章 绪论
（1）酶工程的产生 （2）酶工程的历史 （3）酶工程研究内容
（1）酶工程的产生
生物工程学(biotechnology) 是20世纪70年代 初在分子生物学和细胞生物学基础上发展起来 的一个新兴技术领域。 酶工程(enzyme engineering)是生物工程的主 要内容之一 。 酶工程是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。
化学的基础。
萨姆纳,J.B. 美国生物化学家, 1946年获诺贝尔化学奖
1958年，Koshland提出了“诱导契合”理论， 以解释酶的催化理论和专一性。
1965年Phillips首次用X射线晶体衍射 技术阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。
80年代初Cech和Altman分别发现了核酶 (ribozyme), 开辟了酶学研究的新领域, 1989年共同获得诺贝尔化学奖。
3. 提供新型环保产品，包括促进草皮生长的产品
4. 保护环境 用于纸品漂白的酶可以减少氯的排放
5. 纺织精炼用酶
6. 软饮料 酶可以将谷物中的淀粉转化为软饮 料中的糖。
7. 洗涤剂用酶
8. 食品用酶
9. 使用酶 酶增强牙膏的洁净能力
具体学习方法
要舍得花时间，要长期投入。 扎扎实实学好每一章节，课后及时复习。 动手：上课记笔记。注意：抄一遍比看10遍心里更踏实。 善于总结所学知识，前后联系，真正学会！
1878年,Kuhne才给酶一个统一的名词,叫 Enzyme, 希腊文意思是“在酵母中” 。
1903年，Henri提出了酶与底物作用的 中间复合物学说。
1913年Michaelis和Menten导出了米氏 方程，酶由定性到定量, 奠定了酶学发展 的里程碑 。
（1）酶工程的产生
生物工程学(biotechnology) 是20世纪70年代 初在分子生物学和细胞生物学基础上发展起来 的一个新兴技术领域。 酶工程(enzyme engineering)是生物工程的主 要内容之一 。 酶工程是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。
化学的基础。
萨姆纳,J.B. 美国生物化学家, 1946年获诺贝尔化学奖
1958年，Koshland提出了“诱导契合”理论， 以解释酶的催化理论和专一性。
1965年Phillips首次用X射线晶体衍射 技术阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。
80年代初Cech和Altman分别发现了核酶 (ribozyme), 开辟了酶学研究的新领域, 1989年共同获得诺贝尔化学奖。
3. 提供新型环保产品，包括促进草皮生长的产品
4. 保护环境 用于纸品漂白的酶可以减少氯的排放
5. 纺织精炼用酶
6. 软饮料 酶可以将谷物中的淀粉转化为软饮 料中的糖。
7. 洗涤剂用酶
8. 食品用酶
9. 使用酶 酶增强牙膏的洁净能力
具体学习方法
要舍得花时间，要长期投入。 扎扎实实学好每一章节，课后及时复习。 动手：上课记笔记。注意：抄一遍比看10遍心里更踏实。 善于总结所学知识，前后联系，真正学会！
1878年,Kuhne才给酶一个统一的名词,叫 Enzyme, 希腊文意思是“在酵母中” 。
1903年，Henri提出了酶与底物作用的 中间复合物学说。
1913年Michaelis和Menten导出了米氏 方程，酶由定性到定量, 奠定了酶学发展 的里程碑 。
全套课件 酶工程
酶工程
第二章 酶动力学
第一节 酶促反应动力学
一、单底物动力学
k3在单底物酶促反应中，底物（S）首先与酶（E）结合，生成底物和酶的复合物 （ES），然后复合物分解，形成产物（P）并释放出酶，这个过程可表示如下：
式中酶与底物形成复合物的反应是可逆反应，正反应和逆反应的速度常数分别 为k1、k2，复合物分解为产物与酶的反应是不可逆反应，速度常数为k3。
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：
1.单体酶 单体酶是指仅有一个活性部位的多肽链构成的酶，其分子量在13000～35000之间。 这类酶很少，且都是水解酶，如胰蛋白酶等
第三节 酶的组成、分类与命名
六、大类酶简介如下：
1.氧化还原酶（oxido-reductases） 氧化还原酶催化氧化还原反应，其催化反应的通式为
被氧化的底物（A-）为氢或电子供体，被还原的底物（B）为氢或电子受体。系 统命名时，将供体写在前面，受体写在后面，然后再加上氧化还原酶字样，如黄嘌 呤：氧化还原酶（习惯名为黄嘌呤氧化酶）。
2H2O2======2H2O + O2 在一定条件下，1mol铁离子可催化10－5mol过氧化氢分解；相同条件下，1mol 过氧化氢酶则可催化105mol过氧化氢分解，过氧化氢酶的催化效率是铁离子的1010 倍。
第二节 酶催化作用的特点
二、专一性
酶的专一性是指在一定的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。这是酶最重要的特性之一，也是酶与其他非酶催化剂最主 要的不同之处。酶催化的高度专一性是酶在各个领域广泛应用的重要基础。不同的
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。
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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。
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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
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酶工程 第1章 绪论
14
1.3 酶催化作用的特点
二、酶的特性
•新载体或无载体固定化 • 定向固定化 • 共固定化
c.新型酶反应器
• 膜式、鼓泡柱式反应器等 • 酶电极 • 生物传感器和生物芯片
现代 酶工程
d. 酶的应用
• 环境监测与治理污染物 • 手性药物研发 • 开发生物质能源
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酶工程 第1章 绪论
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第三节 酶的应用
3.1 酶在医药方面的应用
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Eduard Buchner 德国化学 家，由于发现无细胞发酵 1907 年获诺贝尔化学奖， 被誉为“农民出身的天才化 学家”。 发明了布氏漏斗。 1917年8月13日由于受战伤 逝于慕尼黑。
生物化学 第6章 生物氧化
10
1.2 酶学研究简史
三、酶化学本质的确立
1926年，美国学者Summer从刀豆中提取得到 脲酶结晶，并证实这种结晶催化尿素水解产生 二氧化碳和氨，提出酶的本质是蛋白质。获得 1947年诺贝尔化学奖。 1930年，美国生物化学家Northrop分离得到胃 蛋白酶，胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶，证实 这些结晶是蛋白质。
第三阶段： 20世纪50年代至70年代，固定化技术的应用 1953年，固定化淀粉酶
1969年，固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸
20世纪70年代，固定化葡萄糖异构酶生产高果
糖浆，年产1000万吨
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酶工程 第1章 绪论
24
2.3 酶工程的研究简史
第四阶段： 20 世纪 80 年代至今，酶工程发展的第三次飞跃 1969年，固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸
酶工程
第一章 绪论
主要内容
1 2
3 4
酶及酶学研究简史
酶工程及其发展简史 酶的应用概述 酶工程研究的技术方法和发展趋势
第一节 酶及酶学的发展历程
1.1 酶的定义
酶的定义： 由活细胞产生的，具有催化功能的生
物活性物质。
问题
酶是一种什么物质？其化学本质究竟是什
么？
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酶工程 第1章 绪论
酶在生活细胞中产生，大部分酶在细胞内发挥
催化作用，叫做胞内酶。有些酶分泌到胞外发挥
作用，称为胞外酶。
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酶工程 第1章 绪论
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第二节 酶工程
2.1 酶工程的定义
酶工程
将酶或植物、动物、微生物细胞在一定的生物 反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借
助相应的工程手段将原料（底物）转化成产物，
3-氰基吡啶
腈水合酶
烟酰胺
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酶工程 第1章 绪论
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3.3 酶在轻工、化工中的应用
三、增强产品使用效果
洗涤剂中添加碱性蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶 等，能显著增强洗涤效果。 牙膏、漱口水中添加酶，可利用酶的催化效果，增强洁 齿效果，减少牙垢，预防龋齿。 饲料中添加淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等可增加饲料的 可消化性，促进家畜、家禽的生长。 护肤品中加酶，能提高护肤效果。
一、通过酶活力进行疾病的诊断
酶 谷丙转氨酶 γ-谷氨酰转肽酶 醛缩酶 端粒酶 疾病与酶活力的变化 肝病、心肌梗塞等，酶活力提高 肝癌，酶活力升高 急性传染性肝炎，心肌梗塞，血清中酶活力提高 癌细胞中有端粒酶活性
山梨醇脱氢酶
磷酸葡糖变位酶
急性肝炎，活力显著提高
肝炎、癌症，活力提高
α-羟基丁酸脱氢酶 心肌梗塞、心肌炎，活力提高
4
1.2 酶学研究简史
一、不自觉的应用阶段
早在 4000 多年前的夏禹时代，人们已经掌握酿 酒技术
约3000年前，古人利用麦曲和淀粉制造饴糖
公元前12世纪，出现了制酱技术
我国人民早在春秋战国时期就已经用曲治疗消
化不良。
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酶工程 第1章 绪论
5
1.2 酶学研究简史
二、对消化和发酵现象的观察、研究 消化
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酶工程 第1章 绪论
35
3.4 酶在能源方面的应用
制备燃料乙醇。 制备生物柴油。 制备生物燃料电池。 酶法制备氢气。
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酶工程 第1章 绪论
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3.5 酶在生物技术操作中的应用
除去细胞壁所用到的溶菌酶。 基因工程操作中用到的限制性内
切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶、逆
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酶工程 第1章 绪论
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3.3 酶在轻工、化工中的应用
一、用酶进行原料处理
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酶工程 第1章 绪论
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3.3 酶在轻工、化工中的应用
二、酶催化生产轻工、化工产品
如利用腈水合酶生产聚丙烯酰胺
丙烯腈 + H2O
腈水合酶
聚丙烯酰胺
再如腈水解酶催化3-氰基吡啶水合，生成烟酰胺
2018/8/4 酶工程 第1章 绪论 12
1.2 酶学研究简史
四、酶学理论研究
1890年，Fisher——锁钥学说 1902年，Henry——中间产物学说 1913年，Michaelis 和 Menten——米氏学说 1958年，Koshland——诱导契合学说
1960年，Jacob 和 Monod——操纵子学说
法国著名科学家雷默，认为消化是胃液作用的 化学过程，而不仅仅是物理过程。 1783年，Spallanzani 通过对山鹰消化的研究，
证明胃液中存在一些特殊活性成分发挥了消化
作用。
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酶工程 第1章 绪论
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1.2 酶学研究简史
发酵
1684年，比利时医生Helment提出，酵素是引起 酿酒过程中物质变化的因素。
2、生物酶工程（高级酶工程）
酶学与现代分子生物学相结合的产物
酶工程 第1章 绪论
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20
生物酶工程示意图
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酶工程 第1章 绪论
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2.3 酶工程的研究简史
第一阶段： 19世纪末20世纪初，天然酶的初步商业化
1894年，日本的高峰让吉用米曲霉制得淀粉酶，开创 了酶技术商业化的先例。 1908年，德国的Rohm用动物胰脏制得胰蛋白酶用于皮 革的软化和洗涤。 1908 年，法国的 Boidin 制备了细菌淀粉酶，用于纺织 品的退浆 1911 年， Wallerstein 从木瓜中获得了木瓜蛋白酶，用 于啤酒的澄清。
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酶工程 第1章 绪论
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3.1 酶在医药方面的应用
二、用酶测定物质量的变化诊断疾病
酶 测定物质 用途
测定血糖、尿糖，诊断糖尿病 测定血液，尿液中尿素的含量， 诊断肝脏、肾脏病变 测定脑髓也中谷氨酰胺的含量， 诊断肝硬化 葡萄糖氧化酶 葡萄糖 尿素酶 谷氨酰胺酶 尿素 谷氨酰胺
胆固醇氧化酶 胆固醇
DNA聚合酶 基因
测定胆固醇含量，诊断高血脂
通过基因扩增，基因测序，检验 癌基因
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酶工程 第1章 绪论
29
3.1 酶在医药方面的应用
三、酶在疾病治疗方面的应用
酶 淀粉酶 尿激酶 L-天冬酰胺酶 凝血酶 用途 治疗食欲不振，消化不良 治疗心肌梗塞，结膜下出血，黄斑出血 治疗白血病 治疗各种出血病
右旋糖苷酶
溶纤酶 弹性蛋白酶
预防龋齿
溶血栓 治疗动脉硬化，降血脂
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酶工程 第1章 绪论
30
3.1 酶在医药方面的应用
四、酶在药物制造方面的应用
酶 青霉素酰化酶 α-甘露糖苷酶 核苷磷酸化酶 酰基氨基酸水解酶 用途 制造半合成青霉素和头孢菌素 制造高效链霉素 生产阿拉伯糖腺嘌呤核苷 生产L-氨基酸
2018/8/4 酶工程 第1章 绪论 11
三、酶化学本质的确立
1982年，Thomas Cech 等人四膜虫细胞的26S rRNA前体具有自我剪接功能，并将这种具有 催化活性的天然RNA称为核酶-Ribozyme。 核酶的发现突破了对酶认识上的局限，酶的化学 本质为蛋白质或核酸 酶分为两大类 蛋白酶（P酶）：由蛋白质构成 核算酶（R酶）：由核糖核酸构成