第六章酶工程制药
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例如，丙酮酸羧化酶Hale Waihona Puke Baidu化的反应。
丙酮酸 + CO2 草酰乙酸
四、酶的来源和生产
1 、直接从动植物获得，即从生物体中分离和提纯 不足：生产周期长，来源有限，还要受一些自然 条件的限制。
2、化学合成方法 不足：一般只适用于短肽的生产。
3、 工业微生物发酵
通过液体深层发酵或固态发酵细菌，从细菌中 获得酶，是工业上酶的主要来源。
近代－－酶的化学本质
◆ 1926年美国的Sumner从刀豆中得到脲酶结 晶，首次提出酶的蛋白质本质,并为此获得1947 年诺贝尔奖。
◆ 30年代，Northrops得到了胃蛋白酶、胰蛋 白酶、胰凝乳蛋白酶的结晶。
酶是蛋白质???
酶表现出蛋白质性质：
◆ 酶是高分子胶体物质、两性电解质，在电场 中如蛋白质一样泳动; ◆ 导致蛋白质变性的因素如温度、pH、紫外线、 表面活性剂、重金属等往往也能使酶变性; ◆ 酶能被蛋白酶水解而失活。
1969年，Merrifield等人由氨基酸人工合成了具 有催化活性的酶RNase，进一步证实了酶的蛋白 质本质。
•1982 美国的切克（Cech）发现具有催化功能 的RNA，即四膜虫的26s rRNA具有催化自我剪切 能力，并命名为核酶(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，Cech 因此获得1986 诺贝 尔奖。
例：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH
OH OH
OH
CH2OH
CH2OH
O OH
OH OH
6、合成酶类
合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、CN 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分 解反应相互偶联。
A + B + ATP === A-B + ADP + Pi
4、裂解酶类
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成 双键的反应及其逆反应。
主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。
HOOCCH=CHCOOH H2O
HOOCCH2CHCOOH OH
5、异构酶类
异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分 子内基团或原子的重排过程。如消旋酶、顺反异构 酶等。
• 德国巴克纳(Buchner)兄弟用石英砂磨碎酵 母细胞，制备了不含酵母细胞的抽提液，并 证明此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1911年诺贝尔化学奖。
1878年, 给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这 个字来自希腊文，其意思“在酵母中”。
酶的高效性
以分子比表示，酶的催化反应的速度比非催化 反应高108—1020倍，比非酶催化剂高103— 1013倍。
专一性 只能作用于某一类或某一种特定物质。
反应条件温和 许多反应如无酶催化须在高温、高压、极端的 pH条件下才能进行，而以酶为催化剂则可在 常温、常压及中等的pH条件下进行。
反应可调节性
第六章 酶工程制药
第一节 概述
一、酶的定义
定义：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。
酶具有一般催化剂的特征： 1.只能进行热力学上允许进行的反应；2.可以缩短化学反 应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；3.通过降低 活化能加快化学反应速度。
酶的特点： 高效性、专一性、反应条件温和、可调节性。
酶是一类具有催化活性的生物大分子，包括 蛋白质和核酸。
三、酶的分类
1961年国际生化协会酶命名委员会根据酶 所催化的反应类型将酶分为六大类，即氧化 还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、 异构酶类和合成酶类。
1、氧化还原酶类
催化氧化-还原反应。
主要包括脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、羟化酶以 及加氧酶类。
近代－－酶的发现
•1783年,意大利科学家司 帕拉扎尼（Spallazani）阐 明动物和人的胃液对肉块 的消化作用为化学变化而 非物理变化（如溶解）， 在“温和”的条件下实现， 这个作用还和温度、胃液 加量有关，且在体外是不 稳定的，活性会逐渐丧失。
19世纪，Pasteur和Liebig学术长期争论: 1857年，法国化学家和微生物学家Pasteur认为没 有生物则没有发酵。 德国化学家Liebig认为发酵是由化学物质引起的。 此争议由德国学者Buchner兄弟于1896年解决。
如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
CH3CHCOOH NAD+ OH
CH3CCOOH NADH H+ O
2、转移酶类
转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基 团或原子转移到另一个底物的分子上，如如转甲基 酶、转氨基酶、已糖激酶、磷酸化酶等。
例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH
NH2
O
CH3CCOOH HOOCCH2CH2CHCOOH
O
NH2
3、水解酶类
水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。
例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
其优点如下： ❖ 微生物种类繁多，制备出的酶种类齐全。 ❖ 微生物繁殖快，生产周期短，成本低。 ❖ 微生物具有较强的适应性和应变能力，可以通过
适应、诱导、诱变以及基因工程等方法培育出新 的高产酶的菌株。
五、酶工程及其研究内容
酶工程：工业上有目的地设计一定的反应器和 反应条件，利用酶的催化功能，在常温常压下 催化化学反应，生产人类需要的产品或服务于 其它目的的一门应用技术。广义地讲还包括酶 的生产、分离和纯化。
酶浓度的调节 共价修饰调节 限制性蛋白水解作用与酶活力调控 抑制剂的调节 反馈调节 金属离子和其他小分子化合物的调节
二、酶学研究历史回顾
古代
最早酶的利用： 食品加工：面包，酒，醋及奶酪等。 夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。 商代，BC 1300，“酒池肉林”。 酿醋出现的时间几乎和酿酒同步。 公元前12世纪周朝，酿酒，制作饴糖和酱。 春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。
丙酮酸 + CO2 草酰乙酸
四、酶的来源和生产
1 、直接从动植物获得，即从生物体中分离和提纯 不足：生产周期长，来源有限，还要受一些自然 条件的限制。
2、化学合成方法 不足：一般只适用于短肽的生产。
3、 工业微生物发酵
通过液体深层发酵或固态发酵细菌，从细菌中 获得酶，是工业上酶的主要来源。
近代－－酶的化学本质
◆ 1926年美国的Sumner从刀豆中得到脲酶结 晶，首次提出酶的蛋白质本质,并为此获得1947 年诺贝尔奖。
◆ 30年代，Northrops得到了胃蛋白酶、胰蛋 白酶、胰凝乳蛋白酶的结晶。
酶是蛋白质???
酶表现出蛋白质性质：
◆ 酶是高分子胶体物质、两性电解质，在电场 中如蛋白质一样泳动; ◆ 导致蛋白质变性的因素如温度、pH、紫外线、 表面活性剂、重金属等往往也能使酶变性; ◆ 酶能被蛋白酶水解而失活。
1969年，Merrifield等人由氨基酸人工合成了具 有催化活性的酶RNase，进一步证实了酶的蛋白 质本质。
•1982 美国的切克（Cech）发现具有催化功能 的RNA，即四膜虫的26s rRNA具有催化自我剪切 能力，并命名为核酶(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，Cech 因此获得1986 诺贝 尔奖。
例：6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH
OH OH
OH
CH2OH
CH2OH
O OH
OH OH
6、合成酶类
合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、CN 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分 解反应相互偶联。
A + B + ATP === A-B + ADP + Pi
4、裂解酶类
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成 双键的反应及其逆反应。
主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。
HOOCCH=CHCOOH H2O
HOOCCH2CHCOOH OH
5、异构酶类
异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分 子内基团或原子的重排过程。如消旋酶、顺反异构 酶等。
• 德国巴克纳(Buchner)兄弟用石英砂磨碎酵 母细胞，制备了不含酵母细胞的抽提液，并 证明此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1911年诺贝尔化学奖。
1878年, 给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这 个字来自希腊文，其意思“在酵母中”。
酶的高效性
以分子比表示，酶的催化反应的速度比非催化 反应高108—1020倍，比非酶催化剂高103— 1013倍。
专一性 只能作用于某一类或某一种特定物质。
反应条件温和 许多反应如无酶催化须在高温、高压、极端的 pH条件下才能进行，而以酶为催化剂则可在 常温、常压及中等的pH条件下进行。
反应可调节性
第六章 酶工程制药
第一节 概述
一、酶的定义
定义：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。
酶具有一般催化剂的特征： 1.只能进行热力学上允许进行的反应；2.可以缩短化学反 应到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点；3.通过降低 活化能加快化学反应速度。
酶的特点： 高效性、专一性、反应条件温和、可调节性。
酶是一类具有催化活性的生物大分子，包括 蛋白质和核酸。
三、酶的分类
1961年国际生化协会酶命名委员会根据酶 所催化的反应类型将酶分为六大类，即氧化 还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂解酶类、 异构酶类和合成酶类。
1、氧化还原酶类
催化氧化-还原反应。
主要包括脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、羟化酶以 及加氧酶类。
近代－－酶的发现
•1783年,意大利科学家司 帕拉扎尼（Spallazani）阐 明动物和人的胃液对肉块 的消化作用为化学变化而 非物理变化（如溶解）， 在“温和”的条件下实现， 这个作用还和温度、胃液 加量有关，且在体外是不 稳定的，活性会逐渐丧失。
19世纪，Pasteur和Liebig学术长期争论: 1857年，法国化学家和微生物学家Pasteur认为没 有生物则没有发酵。 德国化学家Liebig认为发酵是由化学物质引起的。 此争议由德国学者Buchner兄弟于1896年解决。
如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
CH3CHCOOH NAD+ OH
CH3CCOOH NADH H+ O
2、转移酶类
转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基 团或原子转移到另一个底物的分子上，如如转甲基 酶、转氨基酶、已糖激酶、磷酸化酶等。
例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH
NH2
O
CH3CCOOH HOOCCH2CH2CHCOOH
O
NH2
3、水解酶类
水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。
例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
其优点如下： ❖ 微生物种类繁多，制备出的酶种类齐全。 ❖ 微生物繁殖快，生产周期短，成本低。 ❖ 微生物具有较强的适应性和应变能力，可以通过
适应、诱导、诱变以及基因工程等方法培育出新 的高产酶的菌株。
五、酶工程及其研究内容
酶工程：工业上有目的地设计一定的反应器和 反应条件，利用酶的催化功能，在常温常压下 催化化学反应，生产人类需要的产品或服务于 其它目的的一门应用技术。广义地讲还包括酶 的生产、分离和纯化。
酶浓度的调节 共价修饰调节 限制性蛋白水解作用与酶活力调控 抑制剂的调节 反馈调节 金属离子和其他小分子化合物的调节
二、酶学研究历史回顾
古代
最早酶的利用： 食品加工：面包，酒，醋及奶酪等。 夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。 商代，BC 1300，“酒池肉林”。 酿醋出现的时间几乎和酿酒同步。 公元前12世纪周朝，酿酒，制作饴糖和酱。 春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。