1、酶 工 程 Enzyme Engineering,课 程 简 介,本课程讲授酶学和酶工程的相关知识，包括酶的生产、酶的改性以及酶的应用。 课程性质 专业基础课，48学时，3学分 适用对象：生物工程专业 先修课程 有机化学、生物化学、微生物学、发酵工程 后续课程 毕业论文（设计）,课 程 简 介,教学目的和要求 以酶学的内容为基础，酶的工程应用为主，融入各章节内容中。 通过本课程的学习，要求系统地掌握酶的生产、改性与应用的技术过程。 理解和掌握酶工程的主要理论、概念，掌握酶工程的研究方法，熟悉工程应用。 了解相关的新进展。 考核方式 期末笔试（闭卷）,课 程 简 介,课程主要内容 酶和酶工程概论
2、（第一章） 酶的生产 微生物发酵产酶（第二章） 动植物细胞培养产酶（第三章） 酶的提取与分离纯化（第四章） 酶的改性 酶分子修饰（第五章） 酶、细胞、原生质体固定化（第六章） 酶非水相催化（第七章） 酶定向进化（第八章） 酶的应用 酶反应器（第九章） 酶的应用（第十章）,课 程 简 介,教材和教学参考书教材： 酶工程（第四版），郭勇编著，科学出版社，2016.,课 程 简 介,教材和教学参考书参考： 酶工程（第三版），郭勇编著，科学出版社，2009,课 程 简 介,教材和教学参考书 教学参考书 酶工程（第二版），罗贵民主编，化学工业出版社，2008 现代酶学（第二版），袁勤生主编，华东理工大学
3、出版社，2001 酶学原理与酶工程，周晓云主编，中国轻工业出版社，2007,酶 工 程 Enzyme Engineering,第 一 课 酶 和 酶 工 程 概 论,酶 和 酶 工 程 概 论,酶（enzyme） 定义： 活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，又称为生物催化剂。 分类： 蛋白类酶（protein enzyme，P酶） 由蛋白质构成，部分含有金属及辅基，不含核酸成分。 核酸类酶（RNA enzyme，R酶） 是具有催化能力的RNA 分子内催化和分子间催化,酶 和 酶 工 程 概 论,酶工程（enzyme engineering） 将酶或者微生物细胞、动植物细胞、细胞器等在一定的
4、生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。 现代酶学理论与化工技术的交叉。 应用领域： 食品工业 轻工业 医药工业,酶 和 酶 工 程 概 论,本章主要内容 酶的基本概念和发展历史 酶催化作用特点 影响酶催化作用的因素 酶的分类与命名 酶的活力测定 酶的生产方法 酶工程发展概况,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 远古时代 古老的“食品工业” 中国夏禹时代：酿酒、酿醋 粬 醪、醴、麴(曲，粬) 两周时代：饴糖、食酱、腌菜 豆：两周时代的重要礼器和食器，盛放腌菜 公元十世纪：制豆酱利用曲霉中的蛋白酶水解豆类蛋
5、白得到 春秋战国时代： 用麴治疗消化不良的疾病,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 远古时代 古老的“食品工业” 古埃及、古巴比伦时代：麦粉发酵酿造啤酒 磨粉、去糠、打碎 麦芽萌发、浸润 成酒发酵、装瓶,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 近代 十八世纪始，酶学的萌芽和初步发展 18世纪中后期，法国科学家Raumur（雷默尔） buzzard（秃鹰）的胃液对肉块具有消化作用，这是一种化学变化而非物理变化过程（如溶解），而且这个化学变化是在很“温和”的条件下实现的。 1783年，Spallazani（斯帕拉扎尼） 通过实验阐明了不仅鸟的胃液，其它动物和人的胃液也有
6、类似的消化作用，这个作用还与温度、胃液加量有关，而且在体外是不稳定的，活性会逐渐丧失。 最早的酶学实验。,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 近代 十八世纪始，酶学的萌芽和初步发展 19世纪中叶，Pasteur 认为酵母中存在一种使葡萄糖转化为酒精的物质，但他认为只有活的酵母细胞才能进行发酵。 1878年，Khne（昆尼） “Enzyme” 的诞生：En（在）+ Zyme（酵母），表示酶在酵母中。昆尼首次将酵母中进行乙醇发酵的物质称之为酶，来此希腊文，意思是“在酵母中”,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 近代 十八世纪始，酶学的萌芽和初步发展 1894年，Ta
7、kamine Joichi（高峰让吉） 利用米霉菌固体培养法生产高峰淀粉酶（第一个商品酶制剂），其方法至今仍被采用。 1896年（另一说1897年），Buchner（巴克纳）兄弟 发现酵母粗提液也能将糖发酵成酒精； 表明起作用的非细胞本身，在细胞外也可以发生作用。 此项发现促进了酶的分离和对其理化性质的研究，也促进了生命过程中酶系统的研究。一般认为酶学研究始于此。 Buchner获得了1911年诺贝尔化学奖。,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 近代 酶作用动力学说的提出 1902年，Henri （亨利） 中间产物学说底物转化成产物之前，必须先与酶形成复合物 1913年，Mic
8、haelis（米彻利斯）和Menten（曼吞）根据上述学说，推导出酶促反应动力学方程 米氏方程,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 近代 酶的本质和结构研究 1926年，J. Sumner（萨姆纳） 从刀豆中提取脲酶（urease），首次获得酶的结晶体 1937年又获得过氧化氢酶结晶 证实了酶是蛋白质 获得1946年诺贝尔化学奖,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 现代酶学 快速发展时期 核酸类酶（Ribozyme）的发现 1982年，Cech（切克）发现四膜虫的26S rRNA前体在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，催化得成熟的rRNA。 1983年，Atm
9、an（阿尔特曼）等人发现核糖核酸酶P中的RNA组分M1 RNA具有核糖核酸酶的催化活性，单独催化tRNA前体切除部分核苷酸而成为成熟的tRNA。,Thomas Cech,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史 现代酶学 快速发展时期 核酸类酶发现的重大意义 RNA具有酶的催化活性，向酶的化学本质是蛋白质这一传统概念提出了挑战。 在理论上，对于生物起源和生命进化的研究具有重要启示。 核酸类酶具有内切酶活性，可定点切割mRNA，破坏mRNA，抑制基因表达，为基因、病毒和肿瘤治疗提供了可行途径。,给酶下一个新概念？,酶是具有生物催化功能的生物大分子。,酶的分类？,蛋白类酶和核酸类酶。,蛋
10、白类酶分子中起催化作用的主要组分是（），核酸类酶分子中起催化作用的主要组分是（）。,填空练习题：,蛋白质 核糖核酸（RNA）,第一节 小结,酶 和 酶 工 程 概 论,第二节 酶催化作用的特点 催化剂的共性 用量少而催化效率高； 能够改变化学反应的速率，但是不能改变化学反应平衡； 降低反应的活化能，从而加速反应的进行； 一般要与反应物形成过渡态。 酶催化反应的特性 专一性强 催化效率高 催化反应的条件温和,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点一 催化作用的专一性 专一性：一定条件下，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。 绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一
11、种反应。 相对专一性：一种酶催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应。,绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一种反应 构型专一性 立体异构选择性 如：乳酸脱氢酶催化丙酮酸进行加氢反应生成的产物是L-乳酸。 而D-乳酸脱氢酶催化丙酮酸生成的是D-乳酸。专一底物 如脲酶催化尿素的分解反应,相对专一性：一种酶催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应。 键专一性 作用于相同化学键的一类底物，如酯酶基团专一性 作用于相同基团的一类底物，如胰蛋白酶，水解含有赖氨酰或精氨酰羰基的肽键，如酰胺类、脂类、蛋白质等等都可被胰蛋白酶水解。,酶 和 酶 工 程 概 论,补充：为什么酶催化具有专一性？ 酶催化
12、作用专一性的“三个学说” “三点结合”的催化理论 锁钥学说 诱导契合学说,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用专一性的相关学说 1、“三点结合”的催化理论 酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，催化作用才能实现。,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点专一性 酶催化作用专一性的相关学说 2、锁钥学说 整个酶分子的天然构象是刚性的，酶表面具有特定的形状 酶与底物的结合，如同一把钥匙对一把锁一样。,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点 酶催化作用专一性的相关学说 3、诱导契合学说 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底
13、物的诱导才形成了互补形状。,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点二 酶催化作用效率高 酶的催化作用可使反应速度提高1071013倍 例如：H2O2的分解反应Fe3+催化，效率为610-4 mol/(mols) 过氧化氢酶催化，效率为6106 mol/(mols) 过氧化氢酶将H2O2分解反应的活化能从75.24 kJmol-1 降低到8.36 kJmol-1 非酶催化剂钯，将H2O2分解反应的活化能从75.24 kJmol-1 降低到48.94 kJmol-1,活化能？,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点 酶催化作用效率高 活化能：在一定温度条件下，1mol的初态分子转化为活
14、化分子所需的自由能称为活化能，单位J/mol。 酶与非酶催化时所需的活化能示意图 图中酶催化反应和非酶催化反应的活化能差异显著,非酶催化反应,酶催化反应,活化能,反应过程,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点三 酶促反应条件温和 酶促反应一般在pH 58水溶液中进行，温度范围为2040 oC，即通常的生理条件； 高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。 原因： 酶催化所需活化能低。 酶是生物大分子，易变性而失活。,酶 和 酶 工 程 概 论,第三节 影响酶催化作用的因素 底物浓度 酶浓度 温度 反应体系pH值 抑制剂 激活剂,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素一
15、底物浓度对酶活的影响 米氏方程（米彻利斯和曼吞）当底物浓度较低时，酶促反应速率与底物浓度成正比，符合一级反应动力学。 当底物浓度很高时，反应速率不随底物浓度的改变而变化，符合零级反应动力学。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素二 酶浓度的影响 在底物浓度足够高的情况下，酶催化反应速率与酶浓度成正比：,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素三 温度对酶反应速率的影响表现： 影响酶的稳定程度，酶蛋白在过高温度下将发生热变性； 影响最大反应速率； 影响酶和底物的结合； 影响酶和底物分子中某些解离基团的pKa值。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 最适温度（op
16、timum temparature） 酶反应速率随着温度的升高达到一个最大值时所对应的温度。 它不是酶催化反应的特征值，受作用时间、底物浓度、酶浓度及反应的pH等条件影响。 温度提高时，在反应速率增加的同时，酶蛋白变性失活的速率也迅速增加，所谓的最适温度，实际上是这两种因素综合影响的结果。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素四 pH值对酶反应速率的影响 多数情况下，酶反应速度随pH的变化呈钟罩形曲线。 最适pH（optimum pH） 酶反应速率随pH变化达到最大值时所对应的pH值。 不是常数，受许多因素影响。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 pH对酶及其反应系
17、统的影响表现： 1、改变酶空间构象，使酶可逆或不可逆变性失活 当酶液的pH值恢复到最适pH时，活力可完全恢复的称为可逆失活，反之，则称为不可逆失活。 2、改变反应系统的组成成分，主要是影响酶、底物和酶底物复合物的结合/解离状态。 影响酶活性中心基团的解离状态，使底物不能分解为产物； 影响酶分子中底物结合部位的解离状态，使其不能与底物结合； 影响底物的解离状态，使底物不能与酶相结合，或结合后不能生成产物。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素五 抑制剂对酶反应速率的影响 凡能降低酶催化反应速率的物质都称之为抑制剂 抑制剂与酶的必需基团（包括活性基团及辅基）结合，改变其结构与性质，引起
18、酶反应速率下降。（抗坏血酸抑制蔗糖酶） 抑制剂对酶有选择性，不包括酶蛋白的水解及变性失活作用。 酶抑制剂的特点: 在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似 能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合物,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素抑制剂 抑制类型 不可逆抑制 抑制剂与酶的活性中心发生了化学反应，或共价地连接到酶分子的必需基团上，阻碍了底物的结合或破坏了酶的催化基团。 不能用透析或稀释的方法除去抑制剂，酶活性难以恢复。可逆抑制作用与时间有关。 可逆抑制 抑制剂与酶蛋白以解离平衡为基础，以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失。 抑制剂可以通过物理方法（如
19、透析等）被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。可逆抑制作用与时间无关。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 可逆抑制作用的类型 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 竞争性抑制：是指抑制剂和底物竞争与酶分子结合而引起的抑制作用。 抑制剂In和底物S对游离酶E的结合有竞争作用，互相排斥。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 竞争性抑制的速率曲线,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 非竞争性抑制：是指抑制剂与底物分别与酶分子上的不同位点结合而引起酶活性降低的抑制作用。 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分
20、子构象变化，并导致酶活性下降。 这类物质并不是与底物竞争酶的活性中心，而是与非活性中心结合，所以称为非竞争性抑制剂。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 非竞争性抑制的速率曲线,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 反竞争性抑制：是指在底物与酶分子结合生产中间复合物后，抑制剂再与中间复合物结合而引起的抑制作用。 抑制剂In不能和游离酶结合，只和酶底物复合物ES结合成无活性的三元复合物ESIn，也是说S和E的结合不仅不排斥In，反而促进In和E的结合。,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素 反竞争性抑制的速率曲线,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素六 激活剂对酶反应速率的影响表现： 能够增加酶催化活性，或使酶催化活性显示出来的物质称为酶的激活剂或活化剂。 常见的激活剂有无机离子（Ca2+、Mg2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Cl-等）和某些有机分子等。部分酶也可以作为激活剂。 激活作用的类型 激活剂A与游离酶E相结合，形成活性酶复合物EA； 激活剂A与底物S相结合，形成复合的活性底物SA； 激活剂A与游离酶E、酶底物复合物ES形成三元复合物EAS。,
