酶工程复习资料

酶工程复习资料

酶工程：从应用的目的出发，将酶学理论与化学工程相结合，研究酶，并在一定的反应装置中利用酶的催化特性，将原料转化为产物的一门新技术。

酶的概念：酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分子，包括蛋白质及核酸，又称为生物催化剂。

酶的化学本质：绝大多数酶是蛋白质,少数是核酸RNA，后者称为核酶。

根据酶的结构特点及分子组成形式分为：单体酶寡聚酶多酶复合体

单纯酶(simple enzyme)是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性仅仅决定于它的蛋白质结构。

复合酶(conjugated enzyme)的催化活性，除蛋白质部分(酶蛋白apoenzyme)外，还需要非蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子(cofactors)，两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme)，即：

全酶酶蛋白辅助因子（辅酶辅基）

(结合蛋白质) (蛋白质部分) (非蛋白质部分)

酶催化作用的特性：1、高度专一性2、高效性3、反应条件温和4、易变性5、酶的活力受到多种因素的调节和控制

酶的系统分类方法：1、氧化还原酶2、水解酶3、合成酶4、异构酶5、转移酶6、裂解酶

酶的催化机理：（一）为何具有高度的催化效率——降低反应的活化能

（二）如何降低反应的活化能——形成中间产物（SE）

中间产物学说认为：酶在催化化学反应时，酶与底物首先形成不稳定的中间物，然后分解酶与产物。即酶将原来活化能很高的反应分成两个活化能较低的反应来进行，因而加快了反应速度。S + E →ES →P + E

底物酶→中间产物→产物

（三）如何形成中间产物——诱导契合（学说）

酶的活性中心：与底物接触并且发生反应的部位就称为酶的活性中心。包括两部分：结合中心、催化中心。

必需集团：一般将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团。

酶的专一性的解释：锁与钥匙学说；诱导契合理论

酶的高效性的解释：

1酸碱催化

2共价催化

3底物与酶邻近效应与定向效应

邻近效应：即底物的反应基团和酶的催化基团越靠近，其反应速度越快。

定向效应：根据“诱导契合”学说，酶在底物起反应前后，酶活性中心原子或基团的构象发生变化，使之与底物互相契合，使底物分子在活性中心作“定向”排布，使分子间反应近似分子内反应，反应活化能降低，从而大大提高了ES-复合物进入过渡态的机率。

4底物分子的形变和扭曲

5活性部位的电荷转移系统

酶作为催化剂的显著特点：高催化效率强专一性酶活性的可调控性

酶的调节调节方式

酶活性的调节（快速调节）

酶浓度的调节（缓慢调节）

1. 酶的活性调节方式

酶的共价修饰激素抑制剂反馈调节金属离子和其他小分子化合物

酶的共价修饰

（1）不可逆的共价调节

这种调节又称酶原激活。

酶原：有些酶在细胞内合成时，或初分泌时，没有催化活性，这种无活性状态的酶的前体称为酶原(zymogen)。酶原激活的生理意义在于避免细胞内产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并可使酶在特定的部位和环境中发挥作用，保证体内代谢的正常进行。

（2）可逆的共价调节

共价修饰(covalent modification)：在其他酶的催化作用下，某些酶蛋白肽链上的一些基团可与某种化学基团发生可逆的共价结合，从而改变酶的活性，此过程称为共价修饰。即：在一些特殊酶的作用下，于酶分子上以共价键的形式插入一个小分子基团，使酶在活性形式与非活性形式间转变；这个小分子基团可通过水解脱落。

最常见的是磷酸化与脱磷酸化。

优点：它比不可逆的调节有更多的机会适合各种环境的变更而加以调控。这种调节能够节约能力，灵活。特别对一些对代谢流量起调节作用的关键酶。

水解：凡引起酶分子一级结构破坏而使酶活力丧失称为水解

变性作用：凡因酶蛋白分子构象改变而引起酶活力丧失的作用称为变性作用

反馈调节：代谢终末段的某一产物，可返回影响代谢初的某步反应，并对代谢全程起限速作用，这种调节方式叫反馈调节。

变构调节（反馈调节的一种）：变构酶又称为别构酶，指酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地共价结合后，引起酶的构象的改变，进而改变酶的活性状态，酶的这种调节作用称为变构调节。

2. 酶浓度的调节

（二）酶降解的调控

降解：使酶的半寿期发生改变

酶的降解就是蛋白质和氨基酸分解代谢的过程

酶生物合成的调节：转录水平的调节对酶的生物合成是最重要的调节。原核生物中酶生物合成的调节主要是转录水平的调节。

操纵子学说概述（见资料）

酶活力的概念：指酶催化特定化学反应的能力。其大小通常用在一定条件下酶催化某一特定化学反应的速度来表示。

酶的活力单位：在最适反应条件（温度25℃）下，每分钟内催化1微摩尔（μmol）底物转化为产物所需的酶量（或1分钟内转化底物生成1微摩尔产物的酶量）称为1标准单位。

酶的比活力：每单位酶蛋白所含的活力单位数。比活力越大，酶的活力越大。

酶活力的测定方法：分光光度法测压法滴定法荧光法旋光法

酶促反应动力学：（比较重要看资料）

酶反应动力学主要研究酶催化的反应速度以及影响反应速度的各种因素。在探讨各种因素对酶促反应速度的影响时，通常测定其初始速度来代表酶促反应速度，即底物转化量<5%时的反应速度。酶促反应动力学是研究酶促反应速率及其影响因素的科学。这些因素包括酶浓度、底物浓度、pH 值、温度、激活剂和抑制剂等。在实际生产中要充分发挥酶的催化作用，以较低的成本生产出较高质量的产品，就必须准确把握酶促反应的条件

第二章固定化酶与固定化细胞

直接应用酶的不足之处:

(1)酶的稳定性差,在温度、pH和无机离子等外界因素的影响下,容易变性失活；

(2)酶通常在水溶液中与底物反应，反应结束后，即使仍有较高酶活力，也难于回收利用，成本较高，不便连续化生产；

(3)酶反应后成为杂质与产物混在一起,增加分离纯化的困难。

固定化酶的优点：(1)提高酶稳定性；(2)可反复或连续使用；(3)易于和反应产物分开；（4）酶反应过程可严格控制；（5）产物溶液无酶残留，简化提纯工艺；（6）较游离酶更适合多酶反应；（7）增加产物收率，提高产物质量；（8）酶的使用效率提高，成本降低。

缺点：（1）固定化时酶活有损失；（2）增加了生产初始成本；（3）只能用于可溶底物且较小分子；（4）与完整菌体相比不适宜于多酶反应；（5）胞内酶须分离。固定化酶:在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续进行反应，反应后的酶可回收重复使用。

固定化酶制备原则：

（1）维持酶的催化活性及专一性；（2）有利于生产自动化、连续化；（3）应有最小的空间位阻；（4）酶与载体必须结合牢固；（5）应有最大稳定性，载体不与废物、产物或反应液发生化学反应；（6）成本要低。

酶固定化方法：1、吸附法2、包埋法5、脂质体包埋3、共价键结合法4、交联法6、反相胶团微囊化7、热处理法（资料）

吸附法：分为物理吸附法和离子交换吸附法。

包埋法：是将聚合物的单体与酶溶液混合，再借助于聚合助进剂(包括交联剂)的作用进行聚合，酶被包埋在聚合物中以达到固定化。包埋法分为网格型和微囊型结合法：离子键结合法和共价键结合法

载体的选择：

①一般亲水载体在蛋白质结合量和固定化酶活力及其稳定性上都优于疏水载体。②载体结构疏松，表面积大，有一定的机械强度。③载体必须有在温和条件与酶共价结合的功能基团。④载休没有或很少有非专一性吸附。⑤载体来源容易．方便．并能反复使用。

酶分子和载体连接的功能基团：①酶蛋白N—端的氨基；②酶蛋白C-端的羧基；③Cys残基的巯基。④Ser、Tyr、Thr残基的羟基。⑤Phe和Tyr残基的苯环。

⑥His残基的咪唑基。⑦Trp残基的吲哚基。

被偶联的基团还应是酶活性的非必需基团，否则将导致酶失去活性。

载体活化的方法：A．重氮法B．叠氮法C．溴化氰法D．烷基化反应法

交联法：借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作用，制成网状结构的固定化酶的方法称为交联法。

交联法的特点：此法与共价结合法一样也是利用共价键固定酶的，所不同的是不使用载体。

各种酶固定化方法的比较