第二章 酶工程

第三章酶工程

第一节概述

酶工程简介

生物工程包括四大技术体系：基因工程，细胞工程，酶工程和发酵工程。基因工程不是一个独立的生产技术，通过基因工程可以改变生物的产酶量和酶系，真正发挥工业效益的还是发酵工程和酶工程。

酶工程是酶学研究发展和工程学相互渗透、结合，发展成一门新的技术科学—酶工程。

酶工程是工业上有目的的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他目的的一门应用技术。

酶工程这一术语出现在20世纪60年代末和70年代初，1971年召开了第一次国际酶工程会议：当时研究的范围包括酶的生产（包括微生物酶的发酵提取及从动植物中提取酶的技术、酶的固定化技术、酶的化学修饰、酶动力学研究、酶反应器的设计和应用及酶在医学、工业、农业、食品等方面的应用）

近些年又增加了一些新的内容：

酶的化学修饰：通过化学修饰（在分子水平上用化学方法对），提高酶的稳定性、改变其作用专一性或者最是反应条件，增加其稳定性，消除其抗原性（指某些酶能在体内诱导产生抗体而失活）。

模拟酶：根据酶的原理，用人工方法合成具有活性中心和催化作用的非蛋白质结构的化合物。

抗体酶：由于抗体和酶均属于蛋白质，两者都有求于互补性物质，具有相似性，前者结合的是直接的，后者的结合是过渡态的。抗体酶是将类似酶反应中过渡态结合物注入动物体所诱发出来的一种抗体。

核酸酶：具有催化活性的RNA。

有机相酶反应：极端条件下进行得反应，可以改变某些酶的性质，两种方式：1 在水-水不容的有机溶剂双相体系中反应，底物在水和有机溶剂中溶解度大，产物在有机溶剂中溶解度大；2 采用形成反胶束的方式进行，即酶的水溶液都在表面活性剂的作用下在有机相中形成“油包水”的乳浊液，底物要求是能溶于有机相。

酶标免疫反应：

酶传感器：生物传感器中的一类，一般包括两部分，1 固定化酶膜，膜允许被测小分子物质进入膜内，而固定在膜内侧的酶则不能泄到膜外；另一部分是基本传感器，酶膜即覆盖在其上。小分子被测物质作为底物被酶催化产生pH或者O2的变化或形成简单产物，如NH3，H2O2，CO2等。

酶工程（Enzyme engineering）是指通过化学方法、酶学方法和DNA重组技术改善自然酶的形成、结构和性质，提高酶的催化活性、降低成本并在大规模工业化生产中应用。

主要内容：

1 酶的制备和酶与细胞的固定化

2 酶反应器的设计和放大

3反应条件的控制和优化

…….

酶工程的分类

●化学酶工程：通过对酶的化学修饰或固定化处理，改善酶的性质，提高酶的效率

和降低成本，甚至通过化学合成法制造人工酶，也称为初级酶工程；

●生物酶工程：用基因工程技术生产酶以及对酶基因进行修饰或设计性能稳定、具

有新的生物活性及催化效率更高的酶，也称为高级酶工程。

一、酶的定义

酶是由生物体内活细胞产生的一种生物催化剂，按化学组成的不同主要分为核酸类酶（R酶）和蛋白质类酶（P酶）。

二、酶的分类与命名法

1 习惯命名法

底物名称：淀粉酶、蛋白酶

催化反应性质：氧化酶、转氨酶

底物结合催化反应性质：胆固醇氧化酶、醇脱氢酶

来源：心肌黄酶、含铁酶

缺点：无系统性，一酶数名或一名数酶。

2 系统命名法与分类

国际生化联合会（IUB）酶学委会于1961年规定了酶的统一命名法及分类原则。系统命名法：酶的名称由底物及反应类型两部分组成。

六大类：氧化-还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和连接酶。

三、酶的结构和特性

1 酶的结构

●酶的组成成分

单纯酶——仅由蛋白质组成的酶。

结合酶——除蛋白质外，还有非蛋白质的成分。

全酶=酶蛋白+辅因子

辅因子有两种：辅酶和辅基

辅酶：与酶蛋白结合较松弛的小分子物质。

辅基：与酶蛋白结合较紧密，常常以共价键结合。

●根据酶的聚合状态，酶可以分为三类：

单体酶：酶蛋白仅有一条多肽链组成。

寡聚酶：酶蛋白是寡居蛋白质，有几个至几十个亚基组成，以非共价键连接。

多酶复合体：由几个酶聚合而成的复合体。一般由在系列反应中功能相关的酶组成，有利于系列反应的形成。

●酶的活性中心指酶分子中直接和底物结合，并和酶催化作用直接相关的部位。

组成：

由一些氨基酸残基的侧链基团组成。这些基团在一级结构上可能相聚很远，甚至可能不在一条肽链上，但在蛋白质空间结构上彼此靠近，形成具有一定空间

结构的区域。

对于结合酶，辅因子常常是活性中心的组成部分。

酶活性中心的特点：

●活性中心在酶分子总体积中只占相当小的部分（1-2%），相当于2-3个氨基酸。

●都是酶分子表面的一个凹穴，有一定的大小和形状，但不是刚性的，而具有一

定的柔性。

●活性中心为非极性的微环境，有利于与底物结合。

●底物与酶通过形成较弱键力的次级相互作用并结合到酶的活性中心。

●酶的活性部位并不是和底物的几何图形正好吻合，而是在酶与底物结合的过程

中，底物分子或酶分子或它们两者的构想同时发生一定变化后才能相互契合，这时催化基团的位置也正好处于所催化底物的敏感化学键部位。

2 酶的特性

①催化效率高

②专一性强

③反应条件温和

④催化活性受到调节和控制

四、酶的来源

酶作为生物催化剂普遍存在于动物、植物和微生物中，可直接从生物体中分离提纯。酶的生产方法可分为提取法﹑发酵法以及化学合成法。

–化学法仍在实验室阶段；

–提取法是最早采用且沿用至今的方法，如从动植物组织液中提取胰蛋白酶和菠萝蛋白酶；

–发酵法是50年代以来酶生产的主要方法，如生成葡萄糖异构酶和枯草芽孢杆