[精选]2 酶工程在环境污染治理中的应用--资料
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– 酶可以极大地降低反应所需的活化能 – 多种催化因素协同作用
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Founded in 1895
酶的专一性/活性可调节
• 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的 反应
– 高度的选择性 – 绝对专一 vs. 相对专一
• 酶的活性可调控，其是代谢调控的基本方式
– 酶浓度的调节
– 生理调节或激素调节
酶的生产及分离纯化
• 微生物是主要的酶源：酶源广泛、产量高、生长周期 短、成本低、易管理、易提取
• 酶必须经过纯化才可使用，一般认为黑曲霉、酵母、 枯草芽孢杆菌等是安全的酶生产菌株
• 酶生产菌的选择：
– 不是致病菌/不产生毒素 – 不易退化/不易感染噬菌体 – 产量高/胞外酶 – 原料廉价/发酵周期短/易培养
• Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而 与酶的浓度无关
• 同一种酶对不同底物的Km值不同 • Km值受到pH和温度的影响 • 对同一种酶而言， Km值最小的底物是其最适底物 • Km不同于Ks
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Founded in 1895
酶的抑制作用
• 分为可逆抑制与不可逆抑制
• 竞争性抑制，抑制剂与底物竞争和酶活性中心结合：vmax不变，Km增大
Founded in 1895
第2讲 酶工程在环境污染治理中的应用
1
Founded in 1895
1 酶学研究基础 • 酶是生物体内一切生物化学反应的催化剂，是生命活
动的重要组成 • 1878年，Kunne提出酶的名称－enzyme • 1896年，Buchner发现发酵是酶的作用的化学本质 • 1894年，Fisher提出锁匙模型，解释酶的专一性 • 1913年，Michaelis和Menten提出米氏方程 • 1926年，Sumner确立了酶的本质是蛋白质 • 酶：具有生物催化活性的特殊蛋白质
– 共价修饰调节
– 酶原的活化
– 抑制剂的调节
– 反馈调节
– 金属离子和其他小分子化合物调节
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Founded in 1895
酶催化反应的影响因素 • 最适pH：一定范围，一定条件
A：最适pH 6.8，反应速率最 大 B：稳定pH 5～8
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Founded in 1895
• 最适温度：一定范围，多种因素
法、热处理沉淀法等 • 层析：利用混合物中各组分的物理化学性质不同，使各组分
在两相中的分布程度不同而达到分离。包括凝胶过滤层析、 离子交换层析、亲和层析、高效液相色谱层析等 • 电泳：由于蛋白质分子表面电荷的差异，可用电泳方法将其 分离开来。常用的区带电泳有聚丙烯酰胺凝胶电泳和等电点 聚焦等
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Founded in 1895
酶的催化特性
• 酶是催化剂：改变化学反应的速度，但不改变化学反 应的性质，即不改变反应的方向和平衡点；反应前后 酶的组成和质量不发生变化
• 酶是特殊的催化剂：高效率/高度专一性/活性可调节/ 反应条件温和/产物易纯化
• 非酶催化反应的速度可能相差1016倍，但酶催化反应 相差无几
Founded in 1895
酶固定化
• 游离酶的稳定性差，且不利 于其和目标产物分离和回收 利用，固定化技术应运而生
• 固定化酶是指固定在载体上 并在一定的空间范围内进行 催化反应的酶，其既保持了 酶的活性，又可反复使用， 且易于分离
• 固定化方法包括吸附法、结 合法和包埋法
固定化方法
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酶反应器
• 以酶为催化剂进行反应所需要 的设备称为酶反应器
• 根据反应类型、动力学性质、 反应器类型和流体流动状态、 热传递及温度的影响、生产量 和工艺流程、操作稳定性等选 择适当的反应器
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Founded in 1895
酶的分离纯化 • 一般包括预处理与酶抽提、粗分离、细分离、结晶等
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酶分离纯化的常用方法
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Founded in 1895
酶提取
• 生物材料的破碎：机械法、物理法、化学法、酶解法 • 酶的提取：相似相溶，酸、碱、盐溶液，有机溶剂 • 沉淀：盐析法、PEG沉淀法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀
• 1925年，依据拟稳态方法推导出Briggs-Haldane方
程
k1
k2
ES
ES
EP
k1
k2
v k2[E0 ][S0 ] Km [S0 ]
Km
k2
k1 k1
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米氏常数的意义
• Km值的物理意义：其是酶促反应速度达到最大反应 速度一半时的底物浓度，单位与底物浓度一致
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Founded in 1895
酶学研究基础 • 1958年，Koshland提出“诱导契合”理论，以解释
酶的催化理论和专一性 • 1961年，Monod提出“变构模型”，用以定量解释
酶活性的调节 • 1969年，由氨基酸单体化学合成牛胰核糖核酸酶 • 重组DNA技术用于酶学研究，能够通过定点突变法
改变酶的催化活性和专一性
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酶学研究进展
• 酶并不一定就是蛋白质：某些RNA也具有催化活 性——酶是特殊的催化剂
• 抗体酶：把抗体的高度选择性与酶的高效催化性进行 结合
• 酶的应用：从现成的动植物或微生物的组织或细胞中 进行提取→发酵法生产（酶工业）
• 酶工程：利用酶的催化作用进行物质转化，将酶学理 论与化工技术相结合；研究领域涉及酶的生产、酶的 分离纯化、酶固定化、酶反应动力学、酶反应器、酶 的应用等
• 非竞争性抑制，酶可同时与底物和抑制剂结合，两者无竞争作用：vmax减 小，Km不变
• 反竞争性抑制，酶只有与底物结合后，才可和抑制剂结合： vmax减小， Km减小
• 底物抑制作用：
v
Km
vmax[S ] [S ] k1[S ]2
底物抑制时的速度曲线
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酶催化反应动力学－酶/底物浓度的影响 • 研究内容包括酶催化反应速度以及影响此速度的各种
因素
酶反应速度与底物浓度的关系
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• 中间产物假说
Ks
k
ES
ES E P
• 1913年，依据快速平衡法推导出米氏方程
v k[E0 ][S ] vmax[S ] Ks [S] Ks [S]
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酶的专一性/活性可调节
• 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的 反应
– 高度的选择性 – 绝对专一 vs. 相对专一
• 酶的活性可调控，其是代谢调控的基本方式
– 酶浓度的调节
– 生理调节或激素调节
酶的生产及分离纯化
• 微生物是主要的酶源：酶源广泛、产量高、生长周期 短、成本低、易管理、易提取
• 酶必须经过纯化才可使用，一般认为黑曲霉、酵母、 枯草芽孢杆菌等是安全的酶生产菌株
• 酶生产菌的选择：
– 不是致病菌/不产生毒素 – 不易退化/不易感染噬菌体 – 产量高/胞外酶 – 原料廉价/发酵周期短/易培养
• Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而 与酶的浓度无关
• 同一种酶对不同底物的Km值不同 • Km值受到pH和温度的影响 • 对同一种酶而言， Km值最小的底物是其最适底物 • Km不同于Ks
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酶的抑制作用
• 分为可逆抑制与不可逆抑制
• 竞争性抑制，抑制剂与底物竞争和酶活性中心结合：vmax不变，Km增大
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第2讲 酶工程在环境污染治理中的应用
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1 酶学研究基础 • 酶是生物体内一切生物化学反应的催化剂，是生命活
动的重要组成 • 1878年，Kunne提出酶的名称－enzyme • 1896年，Buchner发现发酵是酶的作用的化学本质 • 1894年，Fisher提出锁匙模型，解释酶的专一性 • 1913年，Michaelis和Menten提出米氏方程 • 1926年，Sumner确立了酶的本质是蛋白质 • 酶：具有生物催化活性的特殊蛋白质
– 共价修饰调节
– 酶原的活化
– 抑制剂的调节
– 反馈调节
– 金属离子和其他小分子化合物调节
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酶催化反应的影响因素 • 最适pH：一定范围，一定条件
A：最适pH 6.8，反应速率最 大 B：稳定pH 5～8
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Founded in 1895
• 最适温度：一定范围，多种因素
法、热处理沉淀法等 • 层析：利用混合物中各组分的物理化学性质不同，使各组分
在两相中的分布程度不同而达到分离。包括凝胶过滤层析、 离子交换层析、亲和层析、高效液相色谱层析等 • 电泳：由于蛋白质分子表面电荷的差异，可用电泳方法将其 分离开来。常用的区带电泳有聚丙烯酰胺凝胶电泳和等电点 聚焦等
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Founded in 1895
酶的催化特性
• 酶是催化剂：改变化学反应的速度，但不改变化学反 应的性质，即不改变反应的方向和平衡点；反应前后 酶的组成和质量不发生变化
• 酶是特殊的催化剂：高效率/高度专一性/活性可调节/ 反应条件温和/产物易纯化
• 非酶催化反应的速度可能相差1016倍，但酶催化反应 相差无几
Founded in 1895
酶固定化
• 游离酶的稳定性差，且不利 于其和目标产物分离和回收 利用，固定化技术应运而生
• 固定化酶是指固定在载体上 并在一定的空间范围内进行 催化反应的酶，其既保持了 酶的活性，又可反复使用， 且易于分离
• 固定化方法包括吸附法、结 合法和包埋法
固定化方法
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酶反应器
• 以酶为催化剂进行反应所需要 的设备称为酶反应器
• 根据反应类型、动力学性质、 反应器类型和流体流动状态、 热传递及温度的影响、生产量 和工艺流程、操作稳定性等选 择适当的反应器
13/Байду номын сангаас4
Founded in 1895
酶的分离纯化 • 一般包括预处理与酶抽提、粗分离、细分离、结晶等
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Founded in 1895
酶分离纯化的常用方法
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Founded in 1895
酶提取
• 生物材料的破碎：机械法、物理法、化学法、酶解法 • 酶的提取：相似相溶，酸、碱、盐溶液，有机溶剂 • 沉淀：盐析法、PEG沉淀法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀
• 1925年，依据拟稳态方法推导出Briggs-Haldane方
程
k1
k2
ES
ES
EP
k1
k2
v k2[E0 ][S0 ] Km [S0 ]
Km
k2
k1 k1
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米氏常数的意义
• Km值的物理意义：其是酶促反应速度达到最大反应 速度一半时的底物浓度，单位与底物浓度一致
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Founded in 1895
酶学研究基础 • 1958年，Koshland提出“诱导契合”理论，以解释
酶的催化理论和专一性 • 1961年，Monod提出“变构模型”，用以定量解释
酶活性的调节 • 1969年，由氨基酸单体化学合成牛胰核糖核酸酶 • 重组DNA技术用于酶学研究，能够通过定点突变法
改变酶的催化活性和专一性
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Founded in 1895
酶学研究进展
• 酶并不一定就是蛋白质：某些RNA也具有催化活 性——酶是特殊的催化剂
• 抗体酶：把抗体的高度选择性与酶的高效催化性进行 结合
• 酶的应用：从现成的动植物或微生物的组织或细胞中 进行提取→发酵法生产（酶工业）
• 酶工程：利用酶的催化作用进行物质转化，将酶学理 论与化工技术相结合；研究领域涉及酶的生产、酶的 分离纯化、酶固定化、酶反应动力学、酶反应器、酶 的应用等
• 非竞争性抑制，酶可同时与底物和抑制剂结合，两者无竞争作用：vmax减 小，Km不变
• 反竞争性抑制，酶只有与底物结合后，才可和抑制剂结合： vmax减小， Km减小
• 底物抑制作用：
v
Km
vmax[S ] [S ] k1[S ]2
底物抑制时的速度曲线
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Founded in 1895
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酶催化反应动力学－酶/底物浓度的影响 • 研究内容包括酶催化反应速度以及影响此速度的各种
因素
酶反应速度与底物浓度的关系
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Founded in 1895
• 中间产物假说
Ks
k
ES
ES E P
• 1913年，依据快速平衡法推导出米氏方程
v k[E0 ][S ] vmax[S ] Ks [S] Ks [S]