酶工程 第一节 酶的生物学功能
酶工程 第三章酶的发酵生产 第一节酶生物合成的基本理论
第一节 酶生物合成的基本理论
转录时，RNA聚合酶首先结合到DNA的特定位点（启动基因）上，DNA的 双螺旋链部分解开，以其中一条链为模板，通过碱基互补方式结合进第一个 核苷三磷酸，然后随着RNA聚合酶的移动，DNA双螺旋逐渐解开，按照模板上 的碱基顺序逐个加入与其互补的核苷三磷酸并聚合而生成多聚核苷酸链。在 RNA聚合酶后面生成的多聚核苷酸链立即与模板分开，DNA分子的两条链又重 新缠绕形成双螺旋。（图3-1）
第一节 酶生物合成的基本理论
三、酶生物合成的调节
如上所述，酶的生物合成要经过一系列的步骤，需要 诸多因素的参与。故此，在转录和翻译过程中，许多因素 都会影响酶的生物合成。那么，究竟哪些因素对酶的生物 合成起主要的调节控制作用呢？研究结果表明，至少在原 核生物中，甚至在所有生物中，转录水平的调节控制对酶 的生物合成是至为重要的。
的过程,称为酶生物合成的诱导作用。简称为诱导作用。 起诱导作用的物质，称为诱导剂。例如，乳糖诱导β—半 乳糖苷酶的合成等。
酶生物合成的诱导作用过程如图3-4所示。
第一节 酶生物合成的基本理论
第一节 酶生物合成的基本理论
(B)
图3-4酶生物合成的诱导作用 （A）-----无诱导物时 （B）----添加诱导物时
转录水平调节控制，又称为基因的调节控制。这种控 制理论最早是由雅各（Jacob）和莫诺德(Monod)于1960年 提出的操纵子学说来阐明的，1966年发现了启动基因，使 这一调节控制理论不断完善。
第一节 酶生物合成的基本理论
根据基因调节控制理论，在DNA分子中，与酶生物合 成有密切关系的基因有4种。它们是调节基因(Regulator gene)、启动基因(Promoter gene)、操纵基因(Operator gene)和结构基因(Strutural gene)。其中，结构基因与 酶有各自的对应关系，结构基因中的遗传信息可转录成 mRNA上的遗传密码，再经翻译成为酶蛋白的多肽链。操纵 基因可以特异性地与调节基因产生的边构蛋白（阻抑蛋白） 中的一种结构结合，从而操纵酶合成的时机及速度。结构 基因与操纵基因一起称为操纵子。启动基因决定酶的合成 能否开始，启动基因由两个位点组成，一个是RNA聚合酶 的结合位点，另一个是环腺苷酸（cAMP）与环腺苷酸接受 蛋白（CRP）的复合物（cAMP- CRP）的结合位点。只有在 cAMP- CRP复合物结合到启动基因的位点上时，RNA
生物化学I 第三章 酶学
根据国际生化协会酶命名委员会的规定，每一个酶都用 四个打点隔开的数字编号，编号前冠以EC（酶学委员会缩 写），四个数字依次表示该酶应属的大类、亚类、亚亚类 及酶的顺序号，这种编码一种酶的四个数字即是酶的标码。
例如：EC1.1.1.27（乳酸脱氢酶） 酶
乳酸：NAD＋氧化还原
u u u u
第一大类 氧化还原酶 第一亚类 —CHOH被氧化 第一亚亚类 氢受体为NAD+ 排序 顺序号为27
4. 1878年， Kü hne赋予酶统一的名称 “Enzyme”， 其意思为“在酵母中”。
Enzyme 酶
德国生物化学家
5. 1930~1936年，Northrop和Kunitz先后得到了胃蛋 白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，并用相应方法 证ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ酶是蛋白质。
为此， Northrop和Kunitz于1949年共同 获得诺贝尔奖。
（1）旋光异构专一性：
（2）顺反异构专一性：
例如：不同的酶有不同的活性中心，故对底物有严格的特异性。例如乳 酸脱氢酶是具有立体异构特异性的酶，它能催化乳酸脱氢生成丙酮酸 的可逆反应：
A、B、C分别为LDH活性中心的三个功能基团
消化道内几种蛋白酶的专一性
氨肽酶
（芳香） （硷性）
羧肽酶 羧肽酶
（丙）
Ser
His 活性中心重要基团: His57 , Asp102 , Ser195
Asp
（4）酶的活性中心与底物形状不是正好互补的。
（5）酶的活性中心是位于酶分子表面的一个裂 缝（Crevice)内。
（6）底物通过次级键较弱的作用力与酶分子结 合，这些次级键为：氢键、离子键（盐键）、 范德华力和疏水相互作用。 （7）酶的活性中心具有柔性或可运动性。
酶工程课程复习资料整理
绪论一．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）。
理解：1、酶是由生物细胞产生2、酶发挥催化功能不仅在细胞内，在细胞外亦可二．酶学研究简史1897年，Buchner兄弟发现，用石英砂磨碎的酵母细胞或无细胞滤液能和酵母细胞一样进行酒精发酵。
标志着酶学研究的开始。
说明：酶分子不仅只是在细胞内起作用，而且在细胞外同样具有催化功能。
这一发现开启了现代酶学，乃至现代生物化学的大门。
三．酶工程的现状：目前大规模利用和生产的商品酶还很少。
第一章．酶学概论第一节．酶作为生物催化剂的显著特点一．酶作为生物催化剂的显著特点：高效、专一二．同工酶（概）：能催化相同的化学反应，但其酶蛋白本身的分子结构组成不同的一组酶。
三．共价修饰调节1．概念：通过其它的酶对其结构进行共价修饰，从而使其在活性形式和非活性形式之间相互转变。
2．常见修饰类型：磷酸化与去磷酸化；腺苷酸化与脱腺苷酸化；尿苷酸化与脱尿苷酸化；泛素化；类泛素化3．例子：糖原磷酸化酶——磷酸化形式有活性（葡萄糖）n+Pi→（葡萄糖）n-1+1-磷酸葡萄糖4．常见磷酸化部位：丝氨酸/苏氨酸，酪氨酸和组氨酸四．酶活性调节方式要能判断所举酶的例子是什么类型调节1. 别构调节2. 激素调节：如乳糖合酶修饰亚基的水平是由激素控制的。
妊娠时，修饰亚基在乳腺生成。
分娩时，由于激素水平急剧的变化，修饰亚基大量合成，它和催化亚基结合，大量合成乳糖。
3. 共价修饰调节：如糖原磷酸化酶、磷酸化酶b激酶4．限制性蛋白水解作用与酶活性控制。
如酶原激活5．抑制剂和激活剂的调节6．反馈调节7．金属离子和其它小分子化合物的调节8．蛋白质剪接五．反馈调节（概）：催化某物质生成的第一步反应的酶的活性，往往被其终端产物所抑制。
这种对自我合成的抑制叫反馈抑制。
A-J ：代谢物实线箭头：酶促催化步骤虚线箭头：反馈抑制步骤代谢途径的第一步和共同底物进入分支途径的分支点是反馈抑制的最为重要的位点。
第四章 酶工程
SDS-PAGE （1）带电粒子在电场中向着与其自身所带电荷相反
的电极移动的过程； （2）在外电场作用下，电泳迁移率主要依赖于酶的
相对分子质量，与所带的净电荷和形状无关； （3）为了减少对流扩散，电泳过程一般在浸透了缓
冲液的聚丙烯酰胺凝胶上进行； （4）电泳分离的蛋白质的量通常较小（约数毫克），
超滤
（1）在一定的正压力或负压力驱动下，将料液强制 通过一定孔径的超滤膜，部分小分子溶质和溶剂透过膜 而成为超滤液，大分子酶和蛋白质等物质被截留，从而 达到分离纯化目的，也可用于酶液的浓缩和脱色；
（2）超滤膜截留颗粒直径范围为2～200nm，相当 于相对分子质量1,000～500,000；
（3）构成超滤膜的主要材料有醋酸纤维、尼龙、聚 砜、陶瓷等。
（五）酶分离纯化的原则
根据溶解度变化的纯化方法较适宜于早期纯化阶段， 规模较大；而柱层析法或电泳分离更适宜于后期的纯 化过程，规模较小。 某些价格昂贵的层析介质及方法，只用于纯化过程 的最后几步。
（六）酶纯度与酶活力
实验室常用SDS-PAGE来检验酶的纯度。酶分子结 构高度复杂，同一种酶制剂，采用不同方法检验结果 可能不一致，酶纯度应注明达到哪种纯度，如电泳纯、 HPLC纯等。 比活力：每毫克酶蛋白具有的酶活力单位数。一般 情况下，酶的比活力随酶纯度的提高而提高。酶纯度 也可用酶的比活力来衡量。
（1）自然酶：由生物材料中分离出来的酶制成的 酶制剂。价格低，生产方式简单；应用方便，不需辅 因子参加；产品种类少，应用范围窄。
（2）化学修饰酶：通过酶分子的化学修饰达到改 性变构的目的。主要用于酶学研究和疾病治疗。
（3）固定化酶：酶分子通过吸附、交联、包埋及 共价结合等方法束缚于某种特定支持物上发挥酶的作 用。它在食品工业上具有较大的应用价值。
第一章 酶学与酶工程 (1节) 酶工程课件
70年代,修饰剂的选用、修饰方法上又有了新 的发展。
此外,对抗体酶,人工酶,模拟酶等方面,以及 酶的应用技术研究 ,在近20年均取得了较大 进展,使酶工程不断向广度和深度发展,显示
退出 出广阔而诱人的前景。
三． 酶工程的研究内容 21世纪酶工程的发展主题
退出
（一）新酶的研究与开发
3.人工模拟酶 人工合成的具有类似酶活性的高聚物。 人工模拟酶在结构上必须具有两个特殊部位，
即一个是底物结合位点，另一个是催化位点 4.杂合酶 是指由来自两种或两种以上的酶的不同结构
片段构建成的新酶。 可以利用高度同源的酶之间的杂交，这种杂
交是通过相关酶同源区间残基或结构的交换 来实现。
退出
1878 德国的Kuhne 定义Enzyme 原意为在酵母中 1896 德国的Buchner证明了酵母无细胞提取液的酒精发酵
作用（1907年诺贝尔奖） 1926 美国的Sumner从刀豆中得到脲酶结晶（1946年诺贝
尔奖） 1969 日本固定化氨基酰化酶，第一次将固定化酶成功地应
用于工业生产。——酶工程诞生 1970 美国的Smith 发现限制性内切酶（1979年诺贝尔奖） 1986 美国cech和Altnan发现核酶（1989年诺贝尔奖）
酶的分子修饰可分为化学修饰和选择性遗传 修饰。
退出
（三）酶的高效应用
3.非水相催化 1984年，美国麻省理工学院从事非水系统内
酶反应的研究，取得成果，由此产生一个全 新的分支学科－－非水酶学 非水相催化的特点： 大多数有机物在非水系统内溶解度高。 一些在水中不可能进行的反应，有可能在非 水系统内进行。 非水系统内酶的稳定性更好。 退出 在非水系统内酶很容易回收和反复使用。
第二章 酶工程
（四）发酵方法
1.温度的控制
– 枯草杆菌的最适生长温度为34～37℃，黑曲霉 的最适生长温度为28～32℃。
2.通气和搅拌 – 在发酵过程中必须不断供给氧，一般通过供给 无菌空气来实现；
3. pH值的控制
– 细菌和放线菌的生长最适pH值为6.5～8.0；霉 菌和酵母的生长最适pH值为4～6；植物细胞的 生长最适pH值为5～6。
（3）粘性末端（sticky
ends，cohensive ends）
含有几个核苷酸单链的末端。
分两种类型： ① 5’端凸出（如EcoR I切点）
② 3’端凸出（如Pst I切点）
（4）粘性末端的意义
①连接便利 i）不同的DNA双链：只要粘性末端碱基互补 就可以连接。这比连接两个平齐末端容易。
ii）同一个DNA分子内连接：通过两个相同的粘性末 端可以连接成环形分子。
2．酶的特性 （1）酶催化作用的专一性强 （2）酶催化作用的效率高
（3）酶催化作用的条件温和
3. 酶的分类：
氧化还原酶、转移酶、水解酶、 裂解酶、异构酶、合成酶
（二）酶工程
– 狭义：是指在一定的生物反应器中，利用酶的催 化作用，将相应的原料转化成有用物质的技术
– 广义：是指研究酶的生产和应用的一门技术性学 科，它包括酶的发酵生产、酶的固定化、酶的化 学修饰、酶反应器和酶的应用等方面内容。
(2)为提高酶稳定性，常加入下列稳定剂
①底物、抑制剂和辅酶，它们的作用可能是通过降低局部 的能级水平，使酶蛋白处于不稳定状态的扭曲部分转入稳 定状态。 ②对巯基酶．可加入SH—保护剂。如巯基乙醇、GSH(谷 胱甘肽)、DTT（二硫苏糖醇)等。
第四节 分子生物学技术常用的工具酶
核酸酶类是基因工程操作中必不可少的 工具酶，基因克隆的许多DNA分子的制备、 DNA片段的切割与连接、核酸探针的标记 cDNA的合成等，都需要用一系列的功能特 意核酸酶来完成。没有酶就没有基因工程。
酶工程 总结
第一章酶学概论1.酶：具有生物催化功能的生物大分子。
2.酶工程：酶的生产、改性与应用的技术过程。
3.酶活力(enzyme activity)：指在一定条件下，酶所催化的反应初速度。
4.酶活力单位(IU)：在特定条件下(温度可采用25℃，pH值等条件均采用最适条件），每1min催化1µmol的底物转化为产物的酶量定义为一个酶活力单位，这个单位称为国际单位（IU）5.酶转换数Kp：又称为摩尔催化活性，是指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数。
即每摩尔酶每分钟催化底物转化为产物的摩尔数，是酶催化效率的一个指标。
6.酶的催化周期：转换数的倒数，即催化周期是指酶进行一次催化所需的时间，单位为毫秒（ms）或微秒（µs）。
7.酶结合效率：又称为酶的固定化效率，是指酶与载体结合的百分率。
酶结合效率的计算一般由固定化的总活力减去未结合的酶活力所得到的差值，再除以用于固定化的总酶活力而得到。
8.酶活力回收率：指固定化酶的总活力与用于固定化的总酶活力的百分率。
9.相对酶活力：具有相同酶蛋白（或酶RNA）量的固定化酶活力与游离酶活力的比值。
10.核酸酶(ribozyme):具有催化活性的RNA。
抗体酶(Abzyme):具有催化活力的抗体。
11.组成型酶：有的酶在细胞中的量比较恒定，环境因素对这些酶的合成速度影响不大，如DNA/RNA聚合酶。
12.适应型酶/调节性酶：有的酶在细胞内的含量变化很大，其合成速度明显受到环境因素的影响，如β-半乳糖苷酶13.模拟酶：又称人工合成酶或酶模型，是指根据酶的作用原理，用人工合成的具有活性中心和催化作用的非蛋白质结构的化合物。
14.酶催化作用的特点：1.酶催化作用的专一性强(相对/绝对专一性) 2.酶催化作用的效率高3.酶催化作用的条件温和 4.酶活性受到调节和控制15.影响酶催化作用的因素：1.底物浓度的影响2.酶浓度的影响3.产物浓度的影响4.温度的影响5.pH值的影响6.抑制剂的影响7.激活剂的影响16.酶生物合成的调节：1、分解代谢物阻遏作用2、酶生物合成的诱导作用3、酶生物合成的反馈阻遏作用17. 从如下实验方法和结果分析酶生物合成的调节作用。
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
第一章 酶工程
Monod
第一章 酶 工 程
酶的研究简史
近代 —— 酶作用学说的提出
1894年，Emil Fisher —— 锁钥学说
酶分子和底物在结构上需有严格的互补关系 底物须契合到酶活性中心，如钥匙插入锁中
Emil Fisher
第一章 酶 工 程
酶的研究简史
1913 米彻利斯和曼吞建立米氏方程。
1926 萨姆纳得到尿酶结晶，证实酶的蛋白质本质
温度，t（℃）
υ
5. pH的影响
当酶分子处于最适pH值反应介质中时，使酶 促反的催化特点及影响因素
影响酶催化作用的因素
6. 抑制剂(inhibitor)的影响
凡能降低酶催化反应速率的物质都称之为抑制剂 抑制剂与酶的必需基团（包括活性基团及辅基）结合，改变 其结构与性质，引起酶反应速率下降 抑制剂对酶有选择性，不包括酶蛋白的水解及变性失活作用
第一章 酶 工 程
酶工程发展概况
Enzyme Engineering
酶工程开始于人类有意识地去生产酶和酶制剂，并进行
工业应用
1894年，Takamine
Joichi（高峰让吉）
利用米霉菌固体培养法生产Taka淀粉酶（第一个商品酶制剂），并
用作消化剂，开创了酶生产和应用的先例，其方法至今仍被采用
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
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 是细胞中的某些物质 在起作用
生物化学_04 酶类化学
(天然酶、生物工程酶) 天然酶、生物工程酶 天然酶 生物催化剂 核酸类： Deoxyribozyme. 核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme. （Biocatalyst） ）
模拟生物催化剂
……
酶的生物学功能： 酶的生物学功能：
参与新陈代谢。 ① 参与新陈代谢。 钥匙” ② 分子生物学的 “钥匙”:
（二） 酶的化学组成 单纯酶类(simple enzyme)：仅由蛋白质组成。 单纯酶类(simple enzyme)：仅由蛋白质组成。 脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等。 脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等。 结合酶类（ enzyme): 结合酶类（conjugated enzyme): 全酶 = 酶蛋白 + 辅因子 辅酶(coenzyme)：与酶蛋白结合较松，可透析除去。 辅酶(coenzyme)：与酶蛋白结合较松，可透析除去。 (coenzyme) 辅基(prosthetic group)：与酶蛋白结合较紧。 辅基(prosthetic group)：与酶蛋白结合较紧。
酶工程-酶的生物合成及调节
COOH CH2 + FAD CH2 COOH
HOOC H
SDH
C + FADH2
C
H COOH
琥珀酸
延胡索酸
COOH
H-C-COOH ＋ 延胡索酸水合酶
‖
HOOC-C-H
H2O
延胡索酸
CH2
∣
HO－CH ＋
CH3
L-乳酸
NAD＋
COOH
C＝O ＋
CH3
丙酮酸
NADH＋ ＋H＋
COOH
HO－CH ＋
CH3
L-乳酸
NAD＋
COOH
C＝O ＋
CH3
丙酮酸
NADH＋ ＋H＋
几何异构专一性geometrical specificity
当底物具有顺、反异构体时，酶只能 选择性催化其中一种起反应，而对另 一种构型则无催化作用。
（2）酶作为生物催化剂的特性
①催化效率更高
- 淀 粉 酶 催 化 淀 粉 水 解 ， 1 克 结 晶 酶 在 65C条件下可催化2吨淀粉水解。
据报道，如果在人的消化道中没有各种 酶的参与，那么，在37C的情况下，要 消化一餐简单的午饭，大约需要50年。 如果将唾液淀粉酶稀释100万倍，仍具有 催化活性。
第二讲 酶的基础知识
第一节酶学概论 第二节酶促反应动力学（自学）
第一节 酶学概论
一、酶的概念及其作用特点 二、酶的化学本质及其组成 三、单体酶、寡聚酶、多酶复合体、多酶融合体 四、酶的命名及分类 五、影响酶催化作用的因素 六、酶的活力测定
酶工程第章酶的结构和功能
羧肽酶A活性中心的结构
羧肽酶A催化多肽链上羧基端氨基酸的水解。 当末端氨基酸是含有较大疏水基团的氨基酸时 （苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸），反 应速度很快。但是当有这些较大疏水基团的氨基 酸残基进入亚位点3～6时，就会减低酶对这些底 物的亲和力。说明羧肽酶A对底物的识别和结合 有多个位点。同时，苯丙氨酸是羧肽酶A的竞争 性抑制实验证实，还有一个组氨酸残基的 咪唑基位于木瓜蛋白酶活性中心的催化部位（木瓜 蛋 白 酶 共 有 212 个 氨 基 酸 ， 有 His81 和 His159 两 个 His）。Husain和Lowe用1,3-二溴丙酮修饰木瓜蛋白 酶，在pH5.6，1克当量的试剂完全抑制了木瓜蛋白 酶的活性。对修饰后的酶进行氨基酸分析，发现少 一个组氨酸。在用1,3-二溴丙酮（2-14C）的修饰实验 中，发现修饰剂连接了Cys-25和His-159两个残基， 因此知道了这两个基团之间的距离在 5 以内。这个 结论通过x-光衍射分析法又进一步得到了肯定。
差示标记法
胰蛋白酶的差示标记
胰蛋白酶催化碱性氨基酸的羧基形成的肽键水 解。人们认为在胰蛋白酶的活性中心必有酸性基团 存在。ψ胰蛋白酶（Lys6-Ile7之间断裂成为β胰蛋 白 酶 ； Lys6-Ile7 和 Lys131-Ser132 两 处 断 裂 成 为 α 胰 蛋 白 酶 ； Lys6-Ile7 、 Lys131-Ser132 和 Lys176Asp177三处断裂成为ψ胰蛋白酶）失去了水解碱 性氨基酸的羧基形成的肽键的能力，而保留了一般 的酯酶活性，估计Asp177的β－COOH可能与结 合底物有关（与底物中的碱性氨基酸结合）。
一、酶的活性中心
1．酶的活性中心和必需基团的概念 在酶蛋白中，只有少数特异的氨基酸残基与催 化活性直接相关。这些特异的氨基酸残基可以在肽 链的一级结构上相距较远，但通过肽链的折叠、盘 旋，使它们在空间上接近，形成活性中心（或称活 性部位）。组成活性中心的氨基酸残基有些执行结 合底物的任务，有些执行催化反应的任务。我们把 组成活性中心的氨基酸残基的侧链基团及一些维持 整个酶分子构象所必需的侧链基团称为必需基团。
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：
酶工程原理与技术
酶⼯程原理与技术绪论第⼀节酶的基本概念酶：具有⽣物催化功能和特殊构象的⽣物⼤分⼦。
酶⼯程:利⽤酶的催化作⽤，在特定的酶反应器中，把相应的原料转变为产品的过程。
酶的催化作⽤具有：专⼀性、⾼效性，作⽤条件温和可控性。
第⼆节酶的分类与命名酶的分类：蛋⽩类酶（P酶）核酸类酶（R酶）两⼤类别。
蛋⽩类酶（P酶）：氧化还原酶，转移酶，⽔解酶，裂合酶，异构酶，合成酶（或称连接酶）磷酸内酶（R酶）：分⼦内催化磷酸内酶、分⼦间催化磷酸内酶。
第三节酶活⼒的测定酶活⼒⼤⼩可⽤⼀定条件下内酶所催化的反应初速率表⽰。
终⽌酶反应的⽅法：（1）加热使酶失活（2）加⼊适宜的酶变性剂（如三氯醋酸）；（3）调节pH值；（4）低温终⽌反应。
⼆、酶活⼒单位在特定条件下，每1 min 催化1 µmol 的底物转化为产物的酶量定义为1 个酶活⼒单位。
这个单位称为国际单位（IU）在特定条件下，每秒催化1 mol底物转化为产物的酶量定义为1卡特（Kat） 1Kat = 6×10 7 IU 酶的⽐活⼒是指在特定条件下，单位重量（mg）蛋⽩质或RNA所具有的酶活⼒单位数。
酶⽐活⼒＝酶活⼒（单位）/ mg （蛋⽩或RNA）第⼀篇酶的⽣产1、提取分离法2、⽣物合成法3、化学合成法⽣物合成法：经过预先设计，通过⼈⼯操作，利⽤微⽣物细胞、植物细胞或动物细胞的⽣命活动来获取所需酶的技术过程。
⽣物合成的过程：获得优良产酶菌株、优化培养、细胞新陈代谢、酶和其他代谢物、分离纯化。
反义链：在RNA的转录中，⽤作模板的DNA称为反义链。
(3’---5’)有义链：在RNA的转录中，不⽤作模板的DNA称为有义链。
不同的RNA的⽣物学功能：1.作为遗传信息的载体2.具有⽣物催化活性。
3.tRNA是在蛋⽩质合成过程中，作为氨基酸载体。
并由其中的反密码⼦识别mRNA上的密码⼦；mRNA是蛋⽩质合成的模板；rRNA是蛋⽩质合成的场所。
sRNA是⼩分⼦核糖核酸，在分⼦修饰和代谢调节⽅⾯起重要作⽤。
生物工程的酶工程
生物工程的酶工程酶工程是生物工程领域中的一个分支，它涉及到利用酶在生物体内或外的产生、提取、纯化和改性等过程，以实现对酶的研究、开发和应用。
酶是一类特殊的蛋白质，具有催化作用，能够加速化学反应的速率，同时具有高效、选择性和可控性等特点，因此在医药、食品、化工等领域具有广泛的应用前景。
第一部分：酶的特性及应用1. 酶的特性酶是由生物体合成的蛋白质，具有特异性、高效性和可逆性等特点。
酶可以加速生物体内的化学反应，降低反应的活化能，提高反应速率。
酶还可以在温和的条件下催化反应，具有较好的选择性，可以实现对具体底物的特异性催化。
2. 酶在医药领域的应用酶在医药领域具有广泛的应用，包括制药、诊断和治疗等方面。
例如，酶可以用于生产制剂，合成抗生素和药物原料。
酶还可以作为诊断试剂，用于检测特定疾病的标志物。
此外，酶还可以用于生物催化，催化特定底物转化成特定产物，用于治疗疾病。
3. 酶在食品领域的应用酶在食品领域也有广泛的应用。
酶可以用于食品加工，例如面包中的酵母发酵和奶酪中的乳酸菌发酵。
酶还可以用于食品改良，例如果汁澄清、酒精酿造和乳制品生产等。
此外，酶还可以用于食品保鲜，延长食品的保质期。
第二部分：酶工程的研究与开发1. 酶工程的研究内容酶工程的研究主要包括酶的筛选、酶的改造和酶的表达等方面。
通过筛选具有良好催化性能和稳定性的酶，可以用于特定反应的催化。
通过酶的改造，可以提高酶的催化效率、耐温性和耐酸碱性等性质。
通过酶的表达，可以将酶产生的菌株进行工业化生产。
2. 酶工程的开发应用酶工程的开发应用主要涉及到生产酶制剂、生产酶催化反应和生物催化合成等方面。
通过工程菌株的发酵和酶的提取纯化等工艺，可以大规模生产酶制剂，并应用于医药、食品和化工等领域。
酶催化反应可以用于制备特定化合物，例如生产饲料中的氨基酸和食品中的添加剂等。
生物催化合成可以利用酶催化合成具有特定功能的化合物，例如合成抗癌药物和氨基酸等。
第三部分：酶工程的挑战与前景1. 挑战酶工程面临的挑战主要包括酶的稳定性、催化效率和特异性方面的改进。
Chapter 1 酶与酶工程(整理)
第一章酶与酶工程第一节酶的底子概念与开展史〔一〕酶与酶工程酶〔enzyme〕：由活细胞发生的具有生物催化功能的生物大分子。
酶工程(enzyme engineering)：酶的出产、应用的技术过程。
★酶工程已在工业、农业、医药、食品等方面有广泛应用，并在资源、能源、环保等方面起着举足轻重的作用。
〔二〕酶的开展史1、酶在古代的应用★早在4000年前的周朝，我国人们就不自觉地将酶的催化作用应用于酿酒、制酱工业。
★一种古老的酶技术〔酒曲〕从远古时代被用于豆成品调味料 (豆面酱) 和发酵饮料 (米酒、酒精) 的出产，而且一直沿用到今天。
★蒸过的米参加霉菌混合物就能得到酒曲，这项技术世代相传。
2、酶学研究的历史★最早的酶学尝试：1783年，意大利科学家Spallanzani发现鸟的胃液能分解消化肉类。
斯帕兰扎尼〔Spallanzani〕他用本身饲养的山鹰做了一个十分耐人寻味的尝试。
他将一块生肉塞进一个上面布满许多孔眼的金属小管子里，管子两端盖紧，不使肉掉下来，然后迫使山鹰吞下小管。
过一段时间再设法取出小管。
小管依然完好无损，盖子仍牢牢地固定在小管上，但是管中的肉不见了，只留下一些淡黄色的液体，这使斯巴兰沙尼惊讶不已。
这恐怕要算最早的酶学尝试。
虽然他未说明此物为酶，但后来有人还是把他看作是酶的最早发现者。
★酶水解作用的发现： 1814年，德国物理学家 Kirchhoff研究了酶的水解现象。
基尔霍夫〔Kirchhoff〕发现淀粉经稀酸加热后可水解为葡萄糖，而某些谷物种子在发酵时也能生成复原糖。
假设把种子抽芽时的水提取物加到泡在水里的谷物中，也能发生不异的水解反响，很显然，活的谷物种子的水解能力取决于包含在此中的水溶性物质，这种水溶性物质脱离了生物体后仍能阐扬作用。
★最早的酶制剂：1833年，法国化学家Payen和Persoz得到了diastase。
佩恩〔Payen〕和帕索兹 (Persoz) 他们从麦芽的水抽提物中，用酒精沉淀得到一种可使淀粉水解成可溶性糖的物质，称之为淀粉酶〔diastase['daiəsteis]〕。
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作业选题
一、某种酶制剂（如端粒酶、溶菌酶、几丁质酶、尿激酶等） 二、酶法生物转化生产某产品（如苯丙氨酸、丙烯酰胺、某氨基酸等） 三、酶的生物学作用 如：酶与疾病（如Hiv病毒、蚕豆病、遗传病等） 酶与代谢、遗传、DNA修饰等 四、酶的应用 如：工具酶 酶电极原理及其应用（葡萄糖氧化酶电极或尿酶电极等） 酶在环境治理与检测、医药临床、食品、轻工等 酶抑制剂与药物设计 五、酶的基本知识与基本理论 如：酶与细胞的固定化、酶的生产、纯化、分析、动力学、 酶的辅助因子等 六、酶研究动态 如：抗体酶、手性化合物酶法拆分、酶的修饰和模拟 酶与分子生物学、21世纪酶研究进展等
第一节
酶的生物学功能
酶的种类很多，至今生物界已发现的酶 达3000多种，一些单细胞生物体中至少含有 数百种以上，人体细胞含酶种类更多。目前 人体内已确认的酶有1000多种，相互有关联 的酶组成酶体系，分布在特定的细胞组分中 参与肌体的代谢活动。 生物体内的各种物质代谢、能量传递、 信息转录、神经传导、免疫调节、细胞衰老 及生长发育等等，都离不开酶的参与。可以 说没有酶便不能进行新陈代谢，便没有生命。
2、担负保卫清除功能；
3、协同激素起生物信号放大作用； 4、催化和调控代谢反应。
1、执行某种具体的生理功能
例如：
神经传导是由神经末稍中的乙酰胆碱酯 酶来传导神经冲动的； 肌纤-ATP酶和肌肉收缩有关； Na+、K+-ATP酶在细胞膜的主动运输中的 “钠泵作用”。
、 泵 模 式 图
Na+ K+
（二）、从应用研究来看
1、酶制剂的分离、提纯、大批量生产及新酶的开发； 2、酶生产中的基因工程技术的应用；
3、酶分子的改造(修饰、模拟与抗体酶等）；
4、酶与细胞的固定化； 5、酶制剂的应用性开发； 6、生物催化； 7、酶抑制剂、激活剂开发及应用研究；
8、酶反应器的研究（包括反应检测、酶传感器）；
特别是——
20世纪中期，随着微生物发酵技术和酶分离 纯化技术提高，酶制剂生产开始走向规模化。固 定化技术、基因工程技术的应用、使酶的适应性 更加提高，多种类型的酶制剂（固定化酶、人工 酶、抗体酶、化学修饰酶和模拟酶等）实现了产 业化。酶在工农业、人口与健康（医药食品）、 环境保护等方面的应用日益广泛。 酶制剂已成为现代生物产业中一个不可缺少 的组成部分，酶工程技术已成为生物工程技术的 主要支柱之一。所以，加强酶学理论的研究及应 用技术的开发，已成为现代生物技术的主题。
在生物体内，许多复杂化学变化都按一定 途径，根据生命活动需要进行得极为顺利，相 互联系又相互制约，迅速而又有条不紊。这种 使化学变化变得容易发生和迅速进行的根本原 因，就是生物体内普遍存在着生物催化剂—酶。 可以说离开了酶在生物体内的催化作用，生命 也就停止了。
苯酮尿症（PKU症）
苯丙氨酸 + -酮戊二酸 苯丙酮酸
酶（enzyme)是生物体活细胞产生的、 具有催化反应功能的蛋白质。
近百年来，对酶的研究一直是沿两个方 向发展而取得成果： （一）、理论研究方向 脲酶结晶的获得与蛋白质本质
锁匙学说与诱导契合学说
中间络合物学说与酶促反应动力学
酶作用机理（酶理化性质及催化性质）的研究
酶蛋白质一级结构测定方法 酶蛋白分子结构与功能的关系
——苯丙氨酸羥化酶（苯丙氨酸4-单加氧酶）缺乏症
沙林试剂（甲氟磷酸异丙酯）
—— 作用于传递神经细胞间信号的胆碱酯酶， 1毫克足以麻痹呼吸肌
有机磷、氰化物、重金属等中毒
抑制体内含巯基（乏而引起红细胞膜蛋白受损易惹发溶血）
6-磷酸葡萄糖
NADP 磷酸戊 糖途径
加强参与性、体现主动学习
课时安排（15讲）
第一章 酶的基础知识 §1、酶的生物学作用 §2、酶的结构与催化机制 §3、酶活性的调节方式 §4、酶分析法
第二章 酶的生产与改造 §5、酶的生产与分离纯化 §6、酶分子修饰与模拟 §7、酶的固定化 §8、抗体酶
第三章 酶制剂工业及其应用 §9、酶制剂工业及应用 §10、酶在现代生命科学研究中的应用 §11、酶抑制剂与药物设计
第四章 生物催化 §12、生物催化改造传统产业实例 §13、酶法生产-§14、手性化合物的生物合成与转化 §15、酶反应器、生物传感器（21世纪酶工 程进展）
主要参考书：
酶学 陈石根 周润琦编著 复旦大学出版社 现代酶学 袁勤生主编 华东理工大学出版社 酶工程 罗贯民主编 化学工业出版社 酶制剂工业 张树政主编 科学出版社 酶和酶工程 罗九甫编 上海交通大学出版社
我们为什么重视酶？
生命活动离不开酶； 酶在现代生命科学研究中的重要作用； 酶制剂与人类衣食住行休戚相关； 生物催化改造传统产业
课时：36学时 教材：酶学（复旦大学出版社） 罗九甫: jfluo@ 62932942 54744350
本课程教学指导思想
适应现代社会发展需要的人才三要素： 知识---专业、人文； 能力---外语、计祘机、自学能力； 素质---人品、善于规范自己和与人际沟通合作； 所以——授以鱼莫如授以渔
G6PD
2GSH（还原型）
谷胱甘肽 还原酶
蚕豆细胞毒素
（香豌豆嘧啶异尿咪）
NADPH H
6-磷酸葡萄糖酸
GSSG（氧化型）
2
（正常时GSH与GSSG之比为500，保护血液中红细胞不受氧化损伤并消除H O2的毒害）
一、酶在生物体内所催化的形形色色的 化学反应，按生理功能可归纳为四类： 1、执行某种具体的生理功能；
2、担负保卫清除功能
（可能是单个酶、或多酶混合物、或一个酶系通过级联 系统发挥作用）
例如： 能直接移除自由基O2-，防止毒性过氧
化脂质生成的超氧化物歧化酶(SOD)；
概括地说——
酶学是生物化学的重要分支； 酶工程（Enzyme Engineering）是生物工程的主 要内容之一，是随着酶学研究迅速发展、特别是 酶的应用推广，使酶学和工程学相互渗透结合， 发展而成的一门新的技术科学。 现代生命科学的前沿课题如生物信息学、基因
组学、结构生物学等无一能离开酶。 酶及其转化产品是生物工程产业的主导产品。