酶工程简介教学辅导

第五章第四节酶工程简介教学辅导

一、知识结构

二、重点和难点

1.教学重点

（1）酶制剂的生产和应用。

（2）生物工程各分支领域之间的密切关系。

2.教学难点

生产酶制剂的基本原理。

三、参考答案

复习题一、2.主要区别有两点：一是前者将所需要的酶固定在一定的空间范围内；二是前者可以重复使用。

四、参考资料

酶工程发展情况简介1894年，日本科学家首次从米曲霉中提炼出淀粉酶，并将淀粉酶用作治疗消化不良的药物，从而开创了人类有目的地生产和应用酶制剂的先例。1908年，德国科学家从动物的胰脏中提取出胰酶（胰蛋白酶、胰淀粉酶和胰脂肪酶的混合物），并将胰酶用于皮革的鞣制。同年，法国科学家从细菌中提取出淀粉酶，并将淀粉酶用于纺织品的退浆。1911年，美国科学家从木瓜中提取出木瓜蛋白酶，并将木瓜蛋白酶用于除去啤酒中的蛋白质浑浊物。此后，酶制剂的生产和应用就逐步发展起来了。然而，在此后的近半个世纪内，酶制剂的生产一直停留在从现成的动植物和微生物的组织或细胞中提取酶的方式。这种生产方式不仅工艺比较复杂，而且原料有限，所以很难进行大规模的工业生产。1949年，科学家成功地用液体深层发酵法生产出了细菌α淀粉酶，从此揭开了近代酶工业的序幕。

早在1916年，美国科学家就发现，酶和载体结合以后，在水中呈不溶解状态时，仍然具有生物催化活性。但是，系统地进行酶的固定化研究则是从20世纪50年代开始的。1953年，德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮化，然后将淀粉酶等与这种载体结合，制成了固定化淀粉酶。1969年，日本科学家首先在工业上应用固定化氨基酰化酶生产出L-氨基酸。同年，各国科学家开始使用“酶工程”这一名称来代表生产和使用酶制剂这一新兴的科学技术领域。1971年，第一次国际酶工程学术会议在美国召开，会议的主题就是固定化酶的研制和应用。20世纪70年代后期，酶工程领域又出现了固定化细胞（又叫做固定化活细胞或固定化增殖细胞）技术。固定化细胞是指固定在一定空间范围内的、能够进行生命活动的并且可以反复使用的活细胞。1978年，日本科学家用固定化细胞成功地生产出α-淀粉酶。

我们知道，细胞中的一些物质之所以不能分泌到细胞外，原因之一就是细胞壁起到了阻碍作用。科学家设想，如果将细胞壁除去，就有可能使比较多的胞内物质分泌到细胞外，这就是科学家开展固定化原生质体研究的意图。1986年，我国科学家利用固定化原生质体发酵生产碱性磷酸酶和葡萄糖氧化酶等相继获得成功，为酶工程的进一步发展开辟了新的途径。

近20年来，在固定化酶、固定化细胞和固定化原生质体发展的同时，酶分子修饰技术、酶的化学合成以及酶的人工合成等方面的研究，也在积极地开展中，从而使酶工程更加显示出广阔而诱人的前景。

酶的生产酶的生产是指经过预先设计，并且通过人工控制而获得所需要的酶的过程。概括地说，酶的生产方法有提取法、发酵法和化学合成法三种。

提取法是最早采用并且一直沿用至今的一种方法。提取法采用各种技术，直接从动植物或微生物的细胞或组织中将酶提取出来。提取法虽简单易行，但必须要有充足的原材料，这就使提取法的广泛应用受到了限制。但是，在动植物或微生物资源丰富的地区，提取法仍然具有应用价值。例如，在屠宰厂，可从家畜胰脏中提取胰酶；在水果加工厂，可从菠萝皮中提取菠萝蛋白酶。

发酵法是20世纪50年代以来生产酶的主要方法。发酵法主要通过微生物发酵来获得人们所需要的酶。发酵法一般包括固体发酵、液体深层发酵、固定化细胞发酵和原生质体发酵等多种方式。

化学合成法是20世纪60年代末出现的一种生产酶的新技术。1969年，美国科学家首次采用化学合成的方法获得了含有124个氨基酸的核糖核酸酶。但是，化学合成法的成本比较高，并且只能合成那些已知化学结构的酶。所以，化学合成法目前仍然停留在实验室内合成的阶段。

酶的提取和分离纯化许多酶都存在于细胞内。为了提取这些胞内酶，首先需要对细胞进行破碎处理。细胞破碎的方法很多，主要包括机械破碎法、物理破碎法、化学破碎法和酶学破碎法等。机械破碎法是指利用捣碎机、研磨器或匀浆器等将细胞破碎开来。物理破碎法是指利用温度差、压力差或超声波等将细胞破碎开来。化学破碎法是指利用甲醛、丙酮等有机溶剂或表面活性剂作用于细胞膜，使细胞膜的结构遭到破坏或透性发生改变。酶学破碎法是指选用合适的酶，使细胞壁遭到破坏，进而在低渗溶液中将原生质体破碎开来。

酶的提取是指在一定条件下，用适当的溶剂处理细胞破碎后的含酶原料，使酶充分地溶解到提取液中的过程。酶的提取方法有盐溶液提取法、碱溶液提取法和有机溶剂提取法等。为了提高酶的提取率和防止酶提取后变性失活，提取过程中必须注意保持适宜的温度和pH，并且添加适量的保护剂。

提取液中含有多种酶，要想从提取液中分离纯化出某一种酶，必须根据这种酶的特性，选择适合的分离纯化方法。酶分离纯化的方法很多，下面简介利用酶相对分子质量的大小进行分离纯化的过程。首先，通过透析的方法，使提取液中的酶和其他蛋白质分子与提取液中的各种小分子物质分离开来。其次，通过高速离心使酶和其他蛋白质分子沉降。在高速离心的情况下，酶和其他蛋白质分子虽然都会发生沉降，但是沉降的速度因各自相对分子质量的不同而不同。人们利用这一原理就可以达到分离纯化酶的目的。具体做法是，取一只离心试管，管内注入具有连续浓度梯度的蔗糖溶液（试管上部溶液的浓度低，下部溶液的浓度高）。在蔗糖溶液的表层，小心地滴上含有酶和其他蛋白质的待分离纯化的液体（图5-8）。

通过高速离心后，酶和其他蛋白质就会沿着浓度梯度形成各自的区带，每个区带中只含有一种酶或一种蛋白质。将离心试管的底部钻一个小孔，使管内的溶液分段流出。这样就可以将各区带的溶液分开，进而通过结晶和干燥等方法获得所需要的那种酶。也可以将整个离心试管进行冷冻，然后通过切割获得含有所需酶的那个区带，进而通过结晶和干燥等方法获得那种酶。

酶的固定化方法酶的固定化方法不下百种，归纳起来大致可以分为三类，即载体结合法、交联法和包埋法（图5-9）。

载体结合法是指将酶固定到非水溶性载体上的方法。根据固定方式的不同，这种方法又可以分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法。物理吸附法是指将酶吸附到固体吸附剂表面的方法，固体吸附剂多