第八章 酶和酶工程
酶工程8模拟酶
Tabushi等人将催化基团氨基引入CD得到 模拟酶。乙二胺旳引入不但使反应加速2023倍 以上，还为氨基酸旳形成造就了一种极强旳手 性环境。接近乙二胺一面旳质子转移受到克制， 从而体现出很好旳立体选择性。
N CH3
S
OH NH2 NH
NH2
转氨7酶模型
Han等人合成了一系列含核糖旳环糊 精酶模型，它兼具核酸酶、连接酶、磷酸 脂酶和磷酸化酶旳活性
研究表白，核糖中旳相临二羟基对催 化起着关键作用。它水解环状磷酸脂旳速 率提升33倍。
④ 桥联环糊精仿酶模型
桥联CD是近年来发展起来旳一类新 型仿酶模型，它旳两个CD及桥基上旳功 能基构成了具有协同包结和多重辨认功能 旳催化活性中心，能更加好旳模拟酶对底 物旳辨认与催化功能。
Breslow研究小组发展了一种新措施，试图利用 组合化学技术筛选与环糊精客体具有高选择性结合旳 小肽分子，以便取得高活性旳催化水解肽酶模型。他 们制备了含镍旳水扬酚环糊精复合物 。
在设计模拟酶方面，尽管有 上述理论做指导，但是，目前尚 缺乏系统旳定量旳理论体系。
令人欣喜旳是，大量旳实践证明， 酶旳高效性和高选择性并非天然酶所 独有，人们利用多种策略发展了多种 人工酶模型。
目前，在众多旳模拟酶中，已经 有部分非常成功旳例子，它们旳催化 效率和高选择性已能与生物酶相媲美。
第二节 模拟酶旳分类
根据Kirby分类法，模拟酶可分为：
——(1)单纯酶模型(enzyme-based mimics)，即 以化学措施经过天然酶活性旳模拟来重建和改 造酶活性； ——(2)机理酶模型(mechanism-based mimics)， 即经过对酶作用机制诸如辨认、结合和过渡态 稳定化旳认识，来指导酶模型旳设计和合成； ——(3)单纯合成旳酶样化合物(synzyme)，即某 些化学合成旳具有酶样催化活性旳简朴分子。
酶工程课后题答案.doc
第一章1.简述酶与一般催化剂的共性以及作为生物催化剂的特点共同点：只能催化热力学所允许的的化学反应，缩短达到化学平衡的时间，而不改变平衡点：反应前后酶本身没有质和量的改变：很少量就能发挥较大的催化作用：其作用机理都在于降低了反应的活化能。
酶作为生物催化剂的特点：1.极高的催化率；2.高度专一性；3.酶活的可调节性；酶的不稳定性。
5.酶失活的因素和机理。
酶失活的因素主要包括物理因素，化学因素和生物因素物理因素1热失活：热失活是由于热伸展作用使酶的反应基团和疏水区域暴露，促使蛋白质聚合。
2冷冻和脱水：很多变构酶在温度降低是会产生构象变化。
在冷冻过程中，溶质（酶和盐）随着水分子的结晶而被浓缩，引起酶微环境中的pH和离子强度的剧烈改变，很容易引起蛋白质的酸变性。
3.辐射作用：电离辐射和非电离辐射都会导致多肽链的断裂和酶活性丧失。
4.机械力作用：化学因素1.极端pH：极端pH远离蛋白质的等电点，酶蛋白相同电荷间的静电斥力会导致蛋白肽链伸展，埋藏在酶蛋白内部非电离残基发生电离，启动改变。
交联或破坏氨基酸的化学反应，结果引起不可逆失活。
极端pH也容易导致蛋白质水解。
2.氧化作用：酶分子中所含的带芳香族侧链的氨基酸以及Met, Cys等，与活性氧有极高的反应性，极易受到氧化攻击。
3.聚合作用：加热或高浓度电介质课破坏蛋白质胶体溶液的稳定性，促使蛋白质结构发生改变，分子间聚合并沉淀。
4.表面活性剂和变性剂：表面活性剂主要改变酶分子正常的折叠，暴露酶分子疏水内核的疏水基团，使之变性；变性剂与酶分子结合，改变其稳定性，使之发生变性。
生物因素微生物或蛋白水解酶的作用使酶分子被水解。
6.简述酶活力测定方法的原理直接测定法：有些酶促反应进行一段时间后，酶底物或产物的变量可直接检测。
间接测定法：有些酶促反应的底物或产物不易直接检测，一次必须与特定的化学试剂反应，形成稳定的可检测物。
酶偶联测定法：与间接测定法相类似，只是使用一指示酶，使第一酶的产物在指示酶的作用下转变成可测定的新产物。
酶学与酶工程
Lecture1 酶学与酶工程1、酶的概念,命名、酶的活性中心1）酶是由活细胞产生的，具有催化活性和高度转移性的特殊蛋白质，是一类生物催化剂。
酶工程:将酶学理论与化工技术相结合,研究酶的产生和应用的一门新的技术性学科，包括了酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰与改造及酶反应器等方面。
主要：酶的生产、酶的分离纯化、酶的固定化和酶生物反应器.化学酶工程:用化学手段修饰、改造、模拟天然酶，使其更适合人们的需要,主要包括天然酶、化学修饰酶、固定化酶以及化学人工合成酶的研究与应用.生物酶工程：用生物学的方法，特别是基因工程、蛋白质工程和组合库筛选法改造天然酶，创造性能优异的新酶，主要是抗体酶、杂合酶、进化酶和核酸酶的研究与应用。
2)命名：系统命名法！！催化下列反应酶的命名：ATP+D—葡萄糖→ADP+D—葡萄糖-6—磷酸该酶的正式系统命名是：ATP：葡萄糖磷酸转移酶，表示该酶催化从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。
它的分类数字是：E.C.2.7。
1。
1E.C代表按国际酶学委员会规定的命名第1个数字(2）代表酶的分类名称(转移酶类）第2个数字（7)代表亚类（磷酸转移酶类）第3个数字（1)代表亚亚类(以羟基作为受体的磷酸转移酶类）第4个数字(1)代表该酶在亚—亚类中的排号(D葡萄糖作为磷酸基的受体）3）活性中心必需基团：酶分子中氨基酸残基侧链的化学基团中，一些与酶活性密切相关的基因酶的活性中心：必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。
2、酶的分类、组成、结构特点和作用机制分类:按酶促反应的性质分类（六大类）：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶类、异构酶类、合成酶类全酶=酶蛋白+辅因子辅因子包括：有机辅因子（辅酶非共价结合/辅基非共价结合或共价结合)和金属辅因子（金属酶/金属激活酶)酶蛋白的分类:3、酶作为催化剂的显著特点强大的催化能力：可以加快至1017倍；没有副反应,酶在较温和的条件下催化反应的进行；高度的专一性，各种酶都有专一性但是专一程度的严格性上有所差别；可调节性,包括了抑制剂和激活剂的调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等；易变性，大多数的酶是蛋白质，在极端环境中会受到破坏。
酶工程课件 5 第八章_酶定向进化
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8.2.2 基因体外随机突变方法--易错PCR技术
易错PCR应用实例
Chen.K和Arnold采用易错PCR对枯草杆菌蛋白酶进行了 体外进化研究。他们通过降低反应体系中dATP的浓度,对 编码该酶从第49位氨基酸到C端的DNA片段进行易错 PCR,经筛选得到的几个突变株在高浓度的二甲基甲酰胺 (DMF)中酶活性明显提高,其中突变体PC3在60%的DMF 中,酶活力是野生型的256倍。将PC3再进行两个循环的定 向进化,得到的突变体酶活力比PC3还要高3倍。
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生物的自然进化
➢进化过程：
突变→自然选择→遗传后代
➢进化结果：
基因多样性： 为完成同一功能所表现出的 多个 基因或同一个基因(同源性)
代谢途径的多样性： 同样产物，多条途径 代谢产物的多样性： 同一底物，不同产物
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如何利用相对简单快速的方法对天然 酶的改造或构建新的非天然酶？
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天然酶的局限性
酶催化的精确性和有效性常常不能很好地满足 酶学研究和工业化应用的要求 稳定性差 活性低使催化效率很低 缺乏有商业价值的催化功能
天然酶的局限性源于酶的自然进化过程。
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现代生物工程对酶的要求
1、能具备长期稳定性和活性 2、能适用于水及非水相环境 3、能接受不同的底物甚至是自然界不存在的合成底物 4、进一步增强酶对多种底物的分解能力
用于突变后的分子群，起着选择某一方向的进化而排 除其他方向突变的作用，整个进化过程完全是在人为 控制下进行的
酶工程及酶的特性
●首先对酶进行了命名1878年库尼首先把这种物质称为酶。
1896年巴克纳兄弟发现酵母的无细胞抽提液也能将糖发酵成酒精。
1982年 Cech 、1983年Altman等分别发现核酶。
●什么是酶工程？酶的生产与应用的技术过程成为酶工程。
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、细胞和原生质体固定化、酶的非水相催化、酶反应器和酶的应用。
酶工程的主要任务是经过预先设计，通过人工操作，获得人们所需的美，并通过各种方法使酶充分发挥其催化功能。
●酶的化学本质已知大多数酶的化学本质是蛋白质核酶是核糖酶酶的专一性（特异性）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。
1.绝对专一性一种酶只能催化一种底物进行一种反应，这种高度的专一性称为绝对专一性。
例如，乳酸脱氢酶催化丙酮酸进行加氢反应生成L-乳酸；而D-乳酸脱氢酶却只能催化丙酮酸加氢生成D-乳酸。
2.相对专一性一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应，这种专一性称为相对专一性。
例如，酯酶可催化所有含酯键的酯类物质水解生成醇和酸。
●测定酶活力，应测定酶促反应的初速率。
（即底物消耗量<5％时测得的反应速度）测酶活的步骤（1）根据酶的专一性，选择适宜的底物（2）确定反应条件（3）在一定的条件下，将一定量的酶液与底物混合均匀，记下开始反应的时间。
（4）反应到一定的时间，取出适量的反应液，运用各种生化检测技术，测定产物的生成量或底物的减少量，计算酶的活力。
●终止酶反应的方法●酶的活力单位酶活力单位：是指在特定条件下，在1min内能转化1微摩尔底物的酶量，或转化底物中1微摩尔有关基团的酶量。
●酶的比活力——是指在特定的条件下。
每毫克酶蛋白所具有的酶活力单位数。
●酶的分类（1）从化学组成上看，分为两类：•单纯酶（单成分酶）和结合酶（双成分酶）•结合酶：全酶=酶蛋白+辅因子•辅因子：辅基、辅酶。
酶工程5 第八章_酶定向进化
Stemmer将DNA改组方法引用到酶分子定向进化中，
他用β内酰胺酶作为模型分子，对其正向突变库进行DNA改组，以逐 渐增加头孢氨00倍的突变体。
酶工程5 第八章_酶定向进化
主要内容
第一节 酶定向进化介绍 第二节 酶基因体外随机突变 第三节 酶突变基因的定向选择 第四节 酶分子定向进化的应用
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第一节 酶定向进化介绍
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获得具有新功能和特性的酶的途径 (1) 从大量未知的生物种系中寻找
(2) 改造现有已知的酶。
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定向进化研究的历史
1 萌芽阶段
首先在分子水平上进行改造单一分子的是Sol Spiegelman。在20世纪60年代,利用RNA噬菌体 Q进行的试验, 证明达尔文的自然选择也可在非细 胞体进行.
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2 奠基阶段
1981年，Hall B G等报道了他们定向改变了大肠杆 菌K12中的第二半乳糖苷酶的底物专一性，开发出对 几种糖苷键有水解能力的酶。
天然酶的作用
生物体系之所以能够相对独立地存在于自然界中， 并维持其独立性和生命的延续性，都是因为生物体内 的一系列酶在发挥着作用。
酶保证了生物体内组成生命活动的大量生化反应得 以按照预定的方向有序、精确而顺利地进行，几乎所 有生物的生理现象都与酶的作用紧密相关，可以这样 说，没有酶的存在，就没有生物体的一切生命活动。
HallB G等利用lacz缺陷型的菌株为宿主菌，分别在含有某种碳源的培养 基上培养．从酶的自发突变库中筛选出分别可以水解半乳糖、乳果糖、乳 糖酸的突变酶，而野生型的酶不能水解这些底物。
酶学与酶工程学习重点知识整理
2012年10月酶学与酶工程复习重点酶的定义与化学本质定义:酶---活细胞产生的，能在细胞内外起作用的(催化)生理活性物质。
酶的化学本质: 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，包括蛋白质和核酸等酶催化作用的特点1.催化效率极高反应速度比无催化剂时高108~1020倍，比其他催化剂高107~1013倍。
常用分子比来表示,即每摩尔的酶催化底物的摩尔数。
Kcat:每秒每个酶分子能催化多少个微摩尔的底物发生转化。
2.高度的专一性酶对反应物(底物)具有严格的选择性。
一种酶只能催化某一种或某一类特定的底物发生反应。
绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个反应，而不作用于任何其它物质。
相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作用。
包括键专一性和簇(基团)专一性。
立体异构专一性：这类酶能辨别底物不同的立体异构体，只对其中的某一种构型起作用，而不催化其他异构体。
包括旋光异构专一性和几何异构专一性。
3.反应条件温和酶在强酸、强碱、高温、高压等条件下会变性失活，故催化反应一般在常温、常压、接近中性的溶液中进行。
4.酶的催化活性是受调节控制的易受各种因素的影响，在活细胞内受到精密严格的调节控制,这是酶与非生物催化剂的本质区别。
酶的国际系统分类法及编号1.氧化还原酶2.转移酶3.水解酶4.裂合酶5.异构酶6.合成酶酶活力、酶单位、比活力酶活力(也称酶活性)：指酶专一催化一定化学反应的能力。
酶单位(u): 在酶作用最适底物、最适pH、最适缓冲液的离子强度及25 ℃下，每分钟内催化1.0微摩尔底物转化为产物底酶量为一个国际酶活力的单位(IU)。
比活力(specific activity):每mg蛋白质所具有的酶活力单位数，用（U/mg蛋白）来表示。
酶活力测定方法单体酶，寡聚酶(oligomeric enzyme )，多酶体系(multienzyme system) ,多酶复合体单体酶：它是一个具有完整生物功能、独立三级结构的单酶蛋白部分只有一条多肽链的酶称为单体酶。
第八章酶工程
按现代观点，酶工程主要包括以下内容 ① 酶的大量生产和分离纯化及它们在细胞外的应用 ② 新颖酶的发现、研究和应用 ③ 酶的固定化技术和固定化酶反应器 ④ 基因工程技术应用于酶制剂的生产与遗传修饰酶的研究 ⑤ 酶分子改造与化学修饰以及酶结构与功能之间关系的研究 ⑥ 有机介质中酶的反应 ⑦ 酶的抑制剂、激活剂的开发及应用研究 ⑧ 抗体酶、核酸酶的研究 ⑨ 模拟酶、合成酶以及酶分子的人工设计、合成的研究
第八章-酶工程
2023/12/28
第八章酶工程
酶工程
一． 概述 二． 酶的命名和分类 三． 酶的化学本质、来源和生产 四． 酶催化反应机理及反应动力学 五． 酶的固定化和固定化酶反应器 六． 酶工程的应用 七． 酶工程的研究进展
第八章酶工程
一 酶和酶工程的概述
（一）、 酶的概念 （二）、 对酶的认识和研究历程 （三）、 酶工程的概念
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。
第八章酶工程
微生物细胞产生的酶分类 结构酶：在细胞的生长过程中出于其自身需要而表达， 诱导酶：加入相应的诱导剂后才会表达，诱导剂一般是
该酶所催化反应的底物或产物。 一般而言，野生型微生物需要经过遗传改造后，才能变
为高产酶的菌株。其方法包括 ① 物理诱变育种 ② 化学诱变育种 ③ 基因工程构建
第八章酶工程
3）发酵条件控制 营养条件 环境条件，注意溶氧浓度、温度、pH值 特别注意剪气力对蛋白质的影响，因为在高剪
切力下，蛋白质容易失活。 注意发酵的泡沫，因为蛋白质是表面活性剂，
大量的蛋白质积累在发酵液中使得在鼓泡条 件下很容易形成泡沫，影响发酵正常操作。 因此应该考虑除泡装置，并添加消泡剂。
第八章酶工程
酶工程概论
占总酶比例% 26 27 24 12 5 6
利用率% 65 25 5 ~5 ~1 ~1
核酸类酶（R酶）的分类
自1982年以来，被发现的核酸类酶越来越多，对它的 研究越来越广泛和深入。但是对于分类和命名还没有 统一的原则和规定。
根据酶催化反应的类型，可以将R酶分为剪切酶，剪 接酶，和多功能酶等三类。
生物技术是当今世界发展最快、潜力最大的 和影响最深远的一项技术，被视为21世纪人类 彻底解决人口、资源、环境三大危机，实现可 持续发展的有效途径之一。
生物技术的四大支柱
生物技术 （ 生物工程）
基因工程 细胞工程 酶工程 发酵工程
基因工程（gene engineering）：用“剪刀+糨糊” 创造新物种的工程。
必需基团
活性中心
与底物结合,使底物与酶的一定 构象形成复合物
结合基团
催化基团 催化底物转变成产物的部位
活性中心外基团 酶
非必需基团
维持酶的空间构象
结合部位（Binding site）
酶分子中与底物结合的部位 或区域一般称为结合部位。
此部分为重点掌握内容
催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化 学变化的部位称为催化部 位。
酶是具有生物催化作用的生物大分子，可分为P酶（蛋白 类酶）和R酶（核酸类酶）。
1.1.2 酶工程的概念
酶工程：酶的生产、改性及应用的技术过程。
酶工程主要包括以下内容 微生物细胞发酵产酶及动植物细胞培养产酶 酶的提取与纯化 酶、细胞、原生质体的固定化技术 酶的分子修饰 酶的分子定向进化 酶的非水相催化 酶反应器及酶的应用
辅因子
辅酶 与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。 辅基 与膜蛋白结合得紧密的小分子有机物。 金属激活剂 金属离子作为辅助因子。
酶工程 1~10章题目及答案
第一章绪论试题精选一、名词解释1、酶2、酶工程3、核酸类酶4、蛋白类酶5、酶的生产6、酶的改性7、酶的应用8、酶的专一性9、酶的转换数二、填空题1、根据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_和核酸类酶_两大类。
2、核酸类酶分子中起催化作用的主要组分是_核糖核酸，蛋白类酶分子中起催化作用的主要组分是_蛋白质_。
3、进行分子内催化作用的核酸类酶可以分为_自我剪切酶_，_自我剪接酶_。
4、酶活力是_酶量_的量度指标，酶的比活力是_酶纯度_的量度指标，酶的转换数的主要组分是_酶催化效率_的度量指标。
5、非竞争性抑制的特点是最大反应速度Vm_减小_，米氏常数Km__不变_。
三、选择题1、酶工程是（C）的技术过程。
A、利用酶的催化作用将底物转化为产物B、通过发酵生产和分离纯化获得所需酶C、酶的生产与应用D、酶在工业上大规模应用2、核酸类酶是（D）。
A、催化RNA进行水解反应的一类酶B、催化RNA进行剪接反应的一类酶C、由RNA组成的一类酶D、分子中起催化作用的主要组分为RNA的一类酶3、RNA剪切酶是（B）。
A、催化其他RNA分子进行反应的酶B、催化其他RNA分子进行剪切反应的R酶C、催化本身RNA分子进行剪切反应的R酶D、催化本身RNA分子进行剪接反应的R酶4、酶的改性是指通过各种方法（A）的技术过程。
A、改进酶的催化特性B、改变酶的催化特性C、提高酶的催化效率D、提高酶的稳定性5、酶的转换数是指（C）。
A、酶催化底物转化成产物的数量B、每个酶分子催化底物转化为产物的分子数C、每个酶分子每分钟催化底物转化为产物的分子数D、每摩尔酶催化底物转化为产物的摩尔数四、判断题（V）1、相同的酶在不同的pH条件下进行测定时，酶活力不同。
（V）2、竞争性抑制的特点是最大反应速度Vm不变，米氏常数Km 增大。
（X）3、催化两个化合物缩成一个化合物的酶称为合成酶。
（X ）4、RNA剪切酶是催化RNA分子进行剪切反应的核酸类酶。
酶工程_第11次_8章
固定化细胞(内)酶除受固定化因素影响外，还受细胞结
构及细胞膜透性的影响。
五、固定化细胞发酵产酶的特点
1．提高产酶率 2．可以反复使用或连续使用较长时间 3．基因工程菌的质粒稳定不易丢失 4．发酵稳定性好 5．缩短发酵周期，提高设备利用率 6．产品容易分离纯化
7．适用于胞外酶等胞外产物的生产
六、固定化原生质体
Section 5 固定化技术的应用
脱落。
2) 共价结合法
共价结合法是指借助共价键将酶的活性非必需侧链基团 和载体的功能基团进行偶联的固定化方法。 载体有：天然高分子衍生物，如纤维素、葡聚糖凝胶、 琼脂糖等；人工合成的高聚物，如聚丙烯酰胺凝胶、多聚氨
基酸、乙烯与顺丁烯二酸酐的共聚物、聚苯乙烯、尼龙等。
酶和载体的偶联反应有多种，取决源自载体上的功能基团与1．酶的活性 2．酶的稳定性 固定化增加了酶活性构象的牢固程度
抑制酶的自身降解
固定化部分阻挡了外界不利因素对酶的侵袭
固定化酶稳定性升高表现在以下方面：
1. 固定化增加了酶的耐热性
2.
3.
固定化增大了酶对变性剂、抑制剂的抵抗能力
固定化减轻了蛋白酶的破坏作用
4.
固定化可以增强贮存稳定性和操作稳定性
酶蛋白的功能团有N末端的—氨基、赖氨酸的ε-氨基、酪 氨酸的酚基、半胱氨酸的巯基和组氨酸的咪唑基等 双功能和多功能试剂根据它们的功能基团相同与不同可分
为“同型”和“杂型”两类，其中常用的交联剂是戊二醛。
交联法的优点是操作简便，其缺陷则是交联反应的过程 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。
的固定化方法称为结合法。可分为离子键结合法，共价键结
合法两种。
酶工程
一、绪论1、生物催化：利用酶或有机体（细胞或细胞器）等）作为催化剂实现化学转化（通常是加快）的过程。
2、生物催化与发酵：1、发酵：用活细胞，将原材料转化成更复杂的目标产物。
2、前体发酵：发酵过程中添加前体物质，并有活细胞将其转化为目标产物。
3、生物转化：用酶或静息细胞经过一系列步骤，将前体转化成目标产物。
4、生物（酶）催化：提取酶或部分纯化的酶，将底物转化成目标产物。
3、酶工程：应用目的出发研究酶，在一定的生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。
是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的边缘科学。
4、酶工程研究内容：（一）酶的生产（二）化学酶工程（三）生物酶工程（四）酶反应器（五）酶反应介质（六）酶的应用5、酶反应器：活塞流反应器全混流反应器流化床反应器固定床反应器膜反应器二、酶学概述6、酶的分类：（一）按酶催化反应的类型分类1、氧化还原酶2、转移酶3、水解酶4、裂合酶5、异构酶6、连接酶（合成酶）1．氧化还原酶: 催化氧化-还原反应，转移氢或加氧。
主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)、过氧化氢酶、氧合酶、细胞色素氧化酶。
例如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应2、转移酶: 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。
参与生物物质的代谢.(例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
) 3、水解酶:水解酶催化底物的加水分解反应（或逆反应）。
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。
4、裂解酶：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。
5、异构酶：此类酶为生物代谢需要对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋、差向异构、顺反异构等，分为差相异构酶、消旋酶、顺反异构酶等。
6、连接酶（合成酶）：能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。
第八章 现代酶工程技术
Flash1
(四） L-苹果酸生产
L—苹果酸是一种重要的有机酸， 在医药和食品工业中有广泛用途。L— 苹果酸生产途径有（1）用葡萄糖直接 发酵：（2）用延胡索酸为原料酶法合 成；目前国内L—苹果酸工业化生产主 要是用延胡索酸为原料的酶法合成。普 遍使用的包埋载体是卡拉胶（K— carrageenan）。
•
三、 固定化酶技术 （一）固定化技术概述 （二）酶和菌体固定化技术 （三）固定化细胞的反应器
☆
（一）固定化技术概述
• 概说：酶已广泛应用工业及家庭日常生活 中。如 • 1、淀粉酶都采用酸解法，现在很多都用 酶解法。家庭所用甜酒药就是根霉。我们 知道还有 • 2、蛋白酶（如酱油、豆腐乳等）； • 3、果胶酶（如酒类澄清、白莲脱皮）； • 4、脂肪酶（如皮毛脱脂）等。
2．酶促效率明显提高 和固定化酶不同，菌体细胞在固定 化过程中通常不损伤细胞本身，细 胞内的酶系统也最大限度地保持着 天然状态，因此它具有较高的酶促 效率。
3．热稳定性增强 如恶臭假单孢菌经包埋后 最适反应温度较游离细胞提高 20℃，而且热稳定性也增强。
4．易产生副反应
微生物菌体细胞内含有庞大而复杂的酶系 统，其中一些酶在生产时是我们不需要的， 某些酶甚至是有害的，它们可催化生产影 响产品质量的物质。如包埋黄色短杆菌 （产延胡索酸酶）生产L—苹果酸时，便有 副产物琥珀酸产生，它是影响产品出口的 主要因素。生产上一般采用胆汁酸处理固 定化细胞，可显著降低琥珀酸的含量。
（四）菌体包埋 （1）卡拉胶熔化 生理盐水500Kg，卡拉胶20Kg， 加入1.5m3的搪瓷罐中，开搅拌， 夹套加热，升温到100℃，保温 10min，卡拉胶彻底熔化。降温到 50℃，夹套保温备用。
（四）菌体包埋 （2）混合 湿菌体114Kg，加100Kg生理盐水 放另一搪瓷罐中混匀，保温45℃， 然后压入卡拉胶罐中，恒温45℃， 搅拌10min。
酶工程-重点整理总结
第一章绪论1、何为酶工程，试述其主要内容和任务。
答：（1）酶工程：酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程。
（2）主要内容：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，酶非水相催化，酶定向进化，酶反应器和酶的应用等。
（3）主要任务：经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方式使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。
2、酶有哪些显著的催化特性？答：（1）酶催化作用的专一性强（①绝对转移性：一种酶只能催化一种第五进行一种反应；②相对专一性：一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应）；（2）酶催化作用的效率高（107~1013倍）；（3）酶催化作用条件温和。
3、简述影响酶催化作用的主要因素。
答：（1）底物浓度的影响：决定酶催化作用的主要因素。
酶催化反应速度随底物浓度增加现增加在逐步趋向平衡再反而下降。
（2）酶浓度的影响：底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度成正比。
（3）温度的影响：适宜温度范围内，酶能进行催化反应，最适温度条件下，酶的催化反应速度达到最大。
一般60°C以上易失活，5°C以下活性极低，Taq聚合酶95°C下仍稳定。
（4）PH的影响：适宜PH范围内，酶才能显示其催化活性，最适pH条件下，酶催化反应速度达到最大。
（5）抑制剂的影响：在抑制剂的影响下，酶的催化活性降低甚至丧失，从而影响酶的催化功能，有竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制。
（6）激活剂的影响：在激活剂的作用下，酶的催化活性提高或者由无活性的酶生成有催化活性的酶。
如Ca、Mg、Co、Zn、Mn、等金属离子和Cl等无机负离子。
第二章微生物发酵产酶1、试述酶生物合成的基本过程。
答：（1）RNA的生物合成—转录：转录的起始、RNA链的延伸、RNA链合成的终止、RNA前体的加工；（2）蛋白质的生物合成—翻译：氨基酸活化生成氨酰-tRNA、肽链合成的起始、肽链的延伸、肽链合成的终止、蛋白质前体的加工。
酶与酶工程绪论PPT课件
酶是具有生物催化功能的生物大分 子。
1982年Cech小组发现RNA本身可以是一 个生物催化剂，称之为核酶Ribozyme。
事先设计好的过渡态类似物为半抗原，按 一般单克隆抗体制备程序获得具有催化活 性的抗体。称之为抗体酶Abzyme。
酶有两大类别：
主要由蛋白质组成称为蛋白类 酶（P酶）；
改造酶的特性最有效的方法是定位突变 （Site-directed Mutagenesis）和定向进 化（Directed Evolution in Vitro）。
定位突变技术只对某些氨基酸残基进行 替换、删除、天加或修饰，并不能从根 本上改变酶的高级结构，故有一定的局 限性。
体外定向进化不需要酶的结构、功能关系 和催化机制方面的信息。
生物酶工程则是以酶学和以基因重组 技术为主的现代分子生物学技术相结 合的产物，
主要包括：
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。
1.3 分子酶学工程（Molecular Engineering）
是酶工程在分子水平上的体现。
❖ 一是发展构建工程酶的理论、策略和方法； ❖ 二是在考察和研究生物多样性的基础上发现
新的酶及其工程化； ❖ 三是扩大工程酶的应用领域。
分子酶学工程的基本策略和方法
1）在对酶结构与功能分析的基础上，应 用基因工程、蛋白质工程（包括分子进化） 技术改变或完善天然酶某些性质并构建出 更加实用的新酶，如进化酶、模块酶和杂 和酶等；
蛋白质工程 生物催化过程的开发流程
生物催化过程又是典型的高度不均一过 程，理论上
需要特殊设计的硬件部分， 需要有高催化效率的生物催化剂， 需要实施计算机控制的软件， 需要能降低成本的回收和再利用技术，
蛋白质与酶工程第八章酶的应用
执行具体的生理功能-唾液、胃液中的消化酶，凝血 酶等 清除有害物质,起保卫作用-过氧化物酶，朝氧化物岐 化酶等 协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转换,传递 与放大作用,调节生理功能-蛋白激酶 催化代谢反应,建立各种各样代谢体系与代谢途径-葡 萄糖、氨基酸、核酸代谢
酶是生物学有力的研究工具
一些嗜极菌极端酶的应用见下表：
Contents of chapter 8
Go Go Go Go Go
1、酶在医药方面的应用 2、酶在食品方面的应用 3、酶在轻工、化工方面的应用
4、酶在环境保护中的应用 5、酶在生物技术方面的应用
8.1 酶在医药方面的应用
用酶进行疾病的诊断 用酶进行疾病的治疗 用酶制造各种药物
一、酶在疾病诊断方面的应用
酶学诊断是通过酶的催化作用测定体内 某些物质的含量变化了，或者通过体内 原有酶活力的变化情况进行疾病诊断的 方法。 酶学诊断可靠、简便又快捷。
(1)、通过酶活力变化进行疾病诊断 (2)、用酶测定物质的量的变化进行疾病诊断
1、通过酶活力变化进行疾病诊断
酶 淀粉酶 胆碱酯酶 酸性磷酸酶 疾病与酶活力变化 胰脏疾病，肾脏疾病时升高；肝病时下降 肝病、肝硬化、有机磷中毒、风湿等，活力下降 前列腺癌、肝炎、红血球病变时，活力升高
葡萄糖氧化酶
亮氨酸氨肽酶（LAP）
测定血糖含量，诊断糖尿病
肝癌、阴道癌、阻塞性黄疸，活力明显升高
2．用酶测定体液中某些物质的量诊断疾病 酶具有专一性强、催化效率高等特点，可以利用酶 来测定体液中某些物质的含量，从而诊断某些疾病。 例如：利用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的联合作用，检测血 液或尿液中葡萄糖的含量，从而作为糖尿病临床诊断的依据， 这两种酶都可以固定化后制成酶试纸或酶电极，从而十分方 便地用于临床检测。
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第三节 酶的生产方法和应用前景
一 酶的来源和生产
酶的来源
微生物
动物
酶
植物
早期酶的生产
分离
纯化
动植物
例1
粗品酶
例2
纯酶
木瓜
木瓜 蛋白酶
菠萝
菠萝 蛋白酶
动 植 物 原 料 的 特 点 和 不 足
生产周期长 来源有限 地理、气候 和季节影响 技术、经济 以及伦理
不能满 足要求
？
酶的化学合成
可行性？
氨基酸 酶 的 化 学 本 质
不分枝的一条或 多条多肽链组成
蛋白质
酶（酶的化学本质）
二、酶的生物催化特性
与一般的化学催化剂相 比较，酶既拥有一般催化剂 的共性，又有特性
酶催化作用的特点
特性
加快反应速度
催化效率高
降低反应 的活化能 不改变 反应性质
酶催 化作 用的 特点
共性
专一性强
反应条件温和
极高的催化效率
上世纪20年代初，著名 学者Richard Willstatter认为 酶是非蛋白质。
——1926年Sumner第一个通过 分离和结晶得到了脲酶
提出了酶是由蛋白质组成 的观点
——直到Northrop和Kunitz得到了胃 蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白 酶的结晶，并用相关的实验方法 证实酶是一种蛋白质
中国科学家 1964年
胰岛素
经济
化学合 成法
Gutte和 Merrilield 1969年
试剂
核糖 核酸酶
设备
微生物发酵法
商品酶的主要 生产方法
优点
①微生物种类繁多，制备出 的酶种类齐全，几乎所有的 酶都能从微生物中得到 ②微生物繁殖快、生产周期 短、培养简便，并可以通过 控制培养条件来提高酶的产量
至此，Liebig和Pasteur之间的争 论就最终得到解决。 Bü chner兄弟也由此奠定了现代生 物化学的基石。
点数击败对手！
从此时开始，人类对 具有生物催化的酶有了一 个较为清晰的认识
酶的生物学意义和应用
1 酶无所不在
从微生物 到植物再 到人，酶 是所有有 机体体内 的组成成 分。
酶对它所作用的底物有严格的选择性，一种酶只能 催化某一类，甚至是某一种物质起化学反应
底物专一性
酶的专一性
反应专一性
锁 钥 学 说
诱导契合学说
反应条件要耐高温、高压以及 耐强酸、强碱的反应器
常 压
三、酶活力的测定
酶活力，也就是酶活性，是指酶催化一定 化学反应的能力。
Pilot Biostat UD50
20世纪90年代， 随着基因工程的广泛介 入，一些原来只能由动 物或植物生产的酶，经 过酶基因重组，可以在 微生物上表达。由于在 发酵过程中很容易对微 生物进行控制，因此 “基因工程＋发酵工艺 ＋先进的发酵设备”可 以算是酶工业的第三次 飞跃。
霉菌
二 酶工程的应用
此后，酶的蛋白质属性才普遍被 人们接受。
迄今为止，所发现的酶已 经超过4000种，而这些酶都是 由生物体自然产生的具有催化 能力的是蛋白质
酶的定义：
酶是由活细胞产生的，在细胞内、 外一定条件下都能起催化作用的具 有高效率和高度专一性的一类特殊 蛋白质。酶能在机体内十分温和的 条件下高效率地起催化作用，使得 生物体内的各种物质处于不断的新 陈代谢中。
生物体内，组成生命活动的大量 生化反应都是在酶的催化作用 下得以有序而顺利地进行，进而 保证了正常代谢途径的畅通而不 发生副反应，几乎所有生物的生理 现象都与酶的作用紧密相关
生命活动
生化反应 酶是一类 生物催化 剂，其化 学本质为 蛋白质
可以这样说， 没有酶的存在 ，就没有生物 体的一切生命 活动
微生物
酶
③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 培育出新的产酶高的菌株
微生物发酵法
高产 优良 菌株
培养 和 繁殖
代谢 和 积累
分离 和 纯化
酶制剂
酶的发酵生产技术
放线菌
1887年以后，Buchner 兄弟发现酶的细胞外 作用现象，从而导致 了酶的商品化生产。
酶分子改造与修饰
酶的结构与功能关系
模拟酶、合成酶以及酶分子的人工设计
三、酶和酶工程研究的重要意义
有助于阐明生命的本质和活动规律； 为催化剂设计，药物设计及疾病诊断治疗 提供依据和新思路；
运用酶技术生产有重要价值的产品；
运用酶技术改进生产工艺，提高产品质量
和产率，降低生产成本；
酶技术应用于疾病诊断治疗和环境保护等。
影响酶促反应速率的因素
温度：通常为25℃，30℃， 37℃
PH值：选择合适的PH缓冲系统控制PH值
底物的浓度：通常浓度与反应速率成正相关 性，但超过一定浓度就不具相关性了
2
1
1、酶活力测定方法
步骤： （1）配制底物溶液 （2）确定反应条件 （3）反应开始，记时间 （4）测定产物的生产量或底物的减少量
第八章 酶与酶工程
Enzyme And Enzyme Engineering
主要内容
第一节 酶的基本概念 第二节 酶工程发展概况 第三节 酶的生产方法和应用
第一节 酶的基本概念
一、人们对酶的认识和酶的 生物学意义 二、酶的催化特性 三、酶活力的测定
一、人类对酶的认识及其生物学意义
人们对酶的认识最早起源于酿酒、造酱、制 饴和治病等生产与生活实践
4 每一种酶都有其特定的功能
酶的一个很独特的 性质是，每种酶只催化 一种反应或者其逆反应。 底物与酶象钥匙与 锁一样配套。只有当酶 找到其合适的底物时， 生化反应才会发生。
5 酶是工业问题的自然解决方案
化学制剂用于纺织业 生产。如果改用酶， 就没有化学制剂所带 来的危险，而且生产 过程中产生的污水更 少。
酶学
工程学
酶工程是酶学与工程学相互 渗透、结合并发展而形成的 一门新的技术科学
酶工程
从应用的目的出发研究酶、 应用酶的特异性催化功能， 并通过工程化将相应的原 料转化为有用物质的技术
酶工程的定义
酶工程的内容
酶的大批量生产、应用
酶的分离纯化 新酶的开发和应用 遗传修饰酶的研究
酶工程
酶生产中基因工程 抗体酶、核酸酶的研究
！人、动物、植物以及细菌、真菌等 微生物的体内都有酶。 ！酶是自然界的工具，剪切，连接功 能（限制性内切酶） ！酶催化所有生物体必需的代谢活 动；比如，在胃内，酶将食物消化 为极小的颗粒，以易于转化为体内 的能量。
可以这样说，在生物有 机体内每当物质需要由一种 形式转化为另一种形式时， 酶都可以起催化作用促使反 应加速。
离体酵母提取物(发酵酶) 效果相同 活体酵母细胞
换句话说，这一转变并不依赖于酵母细胞， 而是依赖于无生命的酶。
Buecher兄弟结果的意义 ——从实验上说明了发酵与细 胞的活力无关 ——表明了酶能够以溶解的、 有活性的状态从破碎的细 胞中分离出来，
——推动了酶的分离以及对酶 的理化性质的进一步探讨 和研究
胃蛋白酶的发现
1836年德国生理学家 Theodor Schwann（施旺）
在研究消化过程时，分离出一种 在胃内消化蛋白的物质，将它命名为 胃蛋白酶。这是第一个从动物组织中 提取到的酶。
在对酶的认识上还存在 着一段长达60年关于酵母 的争论
1839年，德国化学家Jutus von Liebig建立了一个模型来阐述酵母 在发酵过程中的作用。他把在发酵 混合液中的酵母看作一个能产生震 荡的分解物质： 蔗糖原子经过重排， 变为酒精和二氧化碳。
对酵母在发酵过程中作用机理的 分歧，引发了Liebig和Pasteur之间 的激烈争论。
VS
直到Liebig和Pasteur先后于1873年 和1895年去世，争论仍未结束。
1897年，德国化学家 Eduard Bü chner 和 Hans Bü chner（常称Bü chner 兄弟） 发现一种离体酵母提取物可 以使酒精发酵，即酵母细胞 产生一种酶，这种酶引起发 酵。 分离
模糊的认识阶段 ——1810年Jaseph-Lussac发现： 酵母可将糖转化为酒精
C6H12O6（无氧条件）→2C2H5OH + 2CO2↑
酶工程
酶的现代史可以追溯到1833年
1833年,佩恩(Payen)和帕索兹 (Persoz)首先发现酶；
Payen
1833年,他们在Annales de Chemie et de Physique期刊发表文章
文章中,法国化学家Anselme Payen和 Jean-Franois Persoz描述了从大麦的麦芽 中分离淀粉酶多聚体的过程，并将之命 名为淀粉酶。该产物将糊化淀粉转变成 糖，主要是麦芽糖。
1835年瑞典的Jö ns Jacob Berzelius
首次证明了用麦芽提取物可以比 硫酸更有效地降解淀粉，并将这一过 程称为催化。
Liebig首次认为发酵现象是 由于酵母细胞中含有发酵酶，是 发酵酶催化糖发酵产生酒精。 但由于当时科学和技术的 限制，他未能从酵母细胞中制备 出可催化发酵的无细胞酶制品。
而到1858年，法国化学及生物学家Louis Pasteur发表一系列文章证明发酵仅在活体 细胞状态下才会发生—— 即是与生命相关的现象 Louis Pasteur视 其为一种生理活动。
第二节 酶工程发展概况
一、酶工程是生物工程的重要组成部分 二、酶工程的研究内容 三、酶和酶工程研究的重要意义 四、酶和酶工程研究进展
一、酶工程是生物技术的重要组成部分
酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程具有 密切的联系，相互依存，相互促进，构成完整的 生物工程。