1、 近年诺贝尔化学奖的获奖情况2009 年，用 X 射线晶体学方法，研究核糖体的构型和核糖体功能的机理。 2008 年，发现并推广使用绿色荧光蛋白。 2007 年，固体表面化学过程研究。2006 年，在真核转录的分子基础研究。 2005 年，在有机化学的烯烃复分解反应研究。 2004 年，发现了泛素调节的蛋白质降解。 2003 年，在细胞膜通道领域作出了“开创性贡献” 。2002 年，对生物大分子进行识别和结构分析的方法。生物化工是生物学技术和化学工程技术相互融合的新型学科，它以生物来源的物质为原料，通过生物活性物质为催化剂使其转化，或用其他生物技术参照化工技术进行制备、纯化，从而得到我们预期的
2、产品。 生物化工的特点1）以生物为对象，常以有生命的活细胞或酶为催化剂，不依靠地球上的有限资源，着眼于再生资源的利用。（2）常温常压下连续化生产，工艺简单，节约能源，减少环境污染。（3）定向地按人们的需要创造新物种、新产品和有经济价值的生命类物质，开辟了生产高纯度、优质、安全可靠的生物制品的新途径。（4）生物化工为生物技术提供了高效率的反应器、新型分离介质、工艺控制技术和后处理技术，扩大了生物技术的应用范围。生物化学（Biochemistry）的概念是 19 世纪末正式提出的。现代生物化学的开始：18 世纪下半叶法国著名化学家拉瓦锡研究燃烧现象，进而研究呼吸作用 达尔文 孟德尔 巴斯德物种起源
3、 遗传定律 发酵理论 发展第一阶段第一阶段从 19 世纪末到 20 世纪 30 年代，主要是静态的描述性阶段，对生物体各种组成成分进行分离、纯化、结构测定、合成及理化性质的研究。测定了很多糖和氨基酸的结构，确定了糖的构型，并指出蛋白质是肽键连接的。 确立了酶是蛋白质这一概念。通过食物的分析和营养的研究发现了一系列维生素，并阐明了它们的结构。与此同时，人们又认识到另一类数量少而作用重大的物质激素。第二阶段约在 20 世纪 3050 年代，主要特点是研究生物体内物质的变化，即代谢途径，所以称动态生化阶段。其间突出成就是确定了糖酵解、三羧酸循环以及脂肪分解等重要的分解代谢途径。对呼吸、光合作用以及腺
4、苷三磷酸(ATF)在能量转换中的关键位置有了较深入的认识。而对生物合成途径的认识要晚得多，在 5060 年代才阐明了氨基酸、嘌岭、嘧啶及脂肪酸等的生物合成途径。第三阶段是从 20 世纪 50 年代开始(以发现 DNA 的双螺旋结构为典型代表)，主要特点是研究生物大分子的结构与功能。生物化学在这一阶段的发展，以及物理学、技术科学、微生物学、遗传学、细胞学等其他学科的渗透，产生了分子生物学，并成为生物化学的主体。最早的生物化工 酿酒中国的白酒酿造历史悠远古巴比伦人（苏美尔人）发明了啤酒波斯人发明了葡萄酒生物化工的发展史就是发酵工业的发展史原始发展阶段早期发酵工业阶段现代发酵工业阶段发酵生产与化学工
5、程相结合，促成了发酵工业的第一次飞跃。这使有机酸、维生素、激素等都可以用发酵法大规模生产。也是生物化工的真正开始！代谢控制发酵技术的发展使得发酵工业产生了第二次飞跃，其技术核心是生物技术。目前，代谢控制发酵技术已经用于核苷酸、有机酸和部分抗生素的生产中。20 世纪 70 年代以后，基因工程、细胞工程等生物工程技术的开发，使发酵工程进入了定向育种的阶段。 发酵工业已走向全盛时代。20 世纪 80 年代以来，随着学科之间的渗透和交叉，数学、动力学、化学工程原理和计算机技术开始被用于发酵过程的研究。目前，自动记录和自动控制发酵过程的全部参数已经被应用于生产。生物化工已经进入了第三次飞跃 目前生物化工
6、的范畴在医药工业上：胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物。2.在食品工业上：含醇饮料、乳制品、调味品、添加剂。3.在化学工业上：氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等。4.在农业上：生产天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂，食用菌及药用真菌等。5.在环境方面：废弃物的处理、环境净化等。生物化工 传统化工原 料 生物基质、化石资源 以化石资源为主效 率 常温下高效，高转化率，可进行立体专一催化 可在高温、高压下应用，也可以达到高转化率对环境影 响可持续发展，环境友好技术会对环境造成污染生物化工的困境对生物催化剂酶的研究还很欠缺，酶的制造、提纯成本较高，研究经费投入高
7、对于初级代谢产物的代谢途径以及各个代谢途径之间的相互影响不清晰工业化的方法少，没有模型化的方法只能生产与生物生长代谢相关的有机化学品糖的概念碳水化合物通式：C n(H2O)m如：葡萄糖 C 6(H2O)6,麦芽糖 C 12(H2O)11。生物学定义：多羟基（多元醇）醛、多羟基酮和它们的缩聚物及其衍生物。糖的分类单糖 ：丙糖(D-甘油醛,二羟基丙酮)、丁糖(D-赤藓糖,D-赤藓酮糖)、戊糖（核糖,阿拉伯糖,木糖）和己糖（葡萄糖,半乳糖,甘露糖，果糖,山梨糖）等 ；（2）低聚糖（亦称寡糖） ：由 210 个单糖结合而成 二糖：蔗糖、麦芽糖和乳糖等；三糖：棉子糖等 。（3）多糖 ：淀粉、纤维素和糖原
8、等 在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在旋光异构现象由于不对称分子中原子或原子团在空间的不同排布对平面偏振光的偏振面发生不同影响所引起的异构现象。所产生的异构体，称为 旋光异构体。如果用旋光仪测定，就可以发现一个偏左：左旋，l 或；一个偏右右旋：d 或。D-葡萄糖在不同条件下得到的结晶，其比旋光度是不同的。室温下从酒精中结晶出来的比旋光度为+112.2；另一种由吡啶中结晶出来的比旋光度为18.7。将这两种葡萄糖结晶分别溶解在水中时，比旋光度会随时间逐渐改变，最后都固定于十 52.5。这种旋光度自行改变的现象，称为变旋光（mutarotation）现象。但葡萄糖的
9、开链结构无法解释这一现象。此外，醛基是相对较活泼的基团，醛基上的碳氧双键可以与其他物质起加成反应。根据上述情况，费歇尔（E.Fischer）提出了单糖的环状结构。结构转换 单糖分子中醛基和其他碳原子上的羟基能发生成环反应，称为半缩醛反应（seiacetol reaction）。糖分子的结构既有开链的醛式，也有环状的半缩醛式，而且以后者为主。单糖的性质物理性质：旋光性，变旋名称 甜度 名称 甜度乳糖半乳糖麦芽糖山梨糖木糖甘露糖葡萄糖麦芽糖醇1630354045507090蔗糖木糖醇转化糖果糖天东苯丙二肽蛇菊苷糖精应乐果天蛋白100125150175150003000050000200001. 还
10、原性（被氧化成糖酸）利用费林（Fehling）试剂定量测定还原糖滴定变色（蓝色 无色）Seliwanoff 反应：将糖与浓酸作用后再与间苯二酚反应，若是酮糖就显鲜红色，若是醛糖就显淡红色，由此可鉴别酮糖和醛糖。与强酸反应：戊糖脱水环化，生成糠醛。与苯肼反应：形成糖脎。不同的糖脎其晶型和熔点均不同，由此可鉴别单糖的种类。形成糖苷：糖的半缩醛羟基与其它物质的羟基或氨基脱水缩合形成的化合物。 在糖苷中，若糖的成分是葡萄糖就称为葡萄糖苷，是果糖就称为果糖苷。糖苷中的非糖部分称为配基或配糖体（aglycone），如果配基是另一分子单糖，则所生成的糖苷为二糖。糖苷是缩醛，单糖是半缩醛。由糖的半缩醛羟基与配
11、糖体缩合后生成的化学键称糖苷键（glycosidic bond），糖苷键的构型由糖基决定。在自然界存在的苷类中，由 D型糖形成的常是 苷，由 L型糖形成的常是 苷。糖苷在医药工业上有很大的实用价值。例如具止咳祛痰功效的苦杏仁，其有效成分为苦杏仁苷（amygdalin ）；以洋地黄为代表的所含的强心苷（cardiacglycoside）也是糖苦的一种，它不仅可以加强心跳，调整脉搏节律，还有利尿的作用。二糖是二个单糖脱去一分子缩合成的。新生成的化学键称为糖苷键。糖苷键的表示方法：写出键连接的两个碳原子的位置，由糖基的碳位用箭头指向配基的碳位。多糖 一般由 10 个以上单糖分子缩合而成。按多糖的组成
12、成分，可分为同聚多糖和杂聚多糖。同聚多糖淀粉直链淀粉分子量约 1 万-200 万，250-260 个葡萄糖分子，以 （14）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色。支链淀粉中除了 （14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在 （16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色糖原为动物体内贮存的主要多糖，此多糖相当于植物体内贮存的淀粉，所以糖原也称为动物淀粉。糖原的基本结构与支链淀粉相似，分子量更大（约 3 万个葡萄糖），分支更多。高等动物的肝脏和肌肉组织中含有较多的糖原。人类肝脏中的糖原含量可达肝脏于重的百分之十左右。人体需要能源时，肝糖原经分解进入血液变成葡萄糖，供机体消耗。纤维素是自然界中分布最广、
13、含量最多的一种多糖。植物体内约有 50的碳是以纤维素的形式存在的。 估计地球上绿色植物每年大约净产有机物中，纤维素占三分之一至二分之一。 棉花、亚麻、芋麻和黄麻部含有大量优质的纤维素。木材中的纤维素则常与半纤维素和木质素共同存在。 由葡萄糖以 （14）糖苷键连接而成的直链。几丁质也大量存在于昆虫和甲壳类动物的甲壳之中。于是几丁质(chitin)可称为甲壳质。虾、蟹壳个富含的甲壳质是一种白色、无定形的半透明物质。据研究资料估计白然界中每年生成的几丁质约有一百亿吨。在天然聚合物中几丁质的贮存量占第二位，仅次于纤维素。目前认为几丁质是由乙酰氨基葡萄糖聚合而成的多糖。因此几丁质(甲壳质)也可称为聚乙酰
14、氨基葡糖(或壳多糖)虾青素最好的天然抗氧化剂 化学名称：是 3，3-二羟基-4 ，4-二酮基 -胡萝卜素 分子式：C 40H52O4 对人体可能有抗氧化、抗衰老、抗肿瘤、预防心脑血管疾病作用。杂聚多糖糖胺聚糖（粘多糖）常存在与动物的软骨、筋、腱等部位。常见有：肝素天然的抗凝血剂透明质酸 关节润滑剂硫酸软骨素 免疫，治疗风湿，表面活性剂琼脂是某些海藻( 如石花菜属)所含的多糖物质，主要成分是多聚半乳糖，含硫及钙。它是微生物培养基组分，也是电泳、免疫扩散的支持物之一。食品工业中常用来制造果冻、果酱等。l 一 2%的琼脂在室温下便能形成凝胶 大量存在于植物木质化部分，包括很多高分子的多糖。用稀酸水解
15、则产生己糖和戊糖，所以它是多聚戊糖(如多聚阿拉伯糖、多聚木糖 )和多聚己糖(如多聚半乳糠和多聚甘露糖)的混合物。 复合糖糖蛋白多糖以共价键形式与蛋白质连接形成的生物大分子。多糖中多为糖的衍生物，如 N-乙酰氨基多糖等（常见的糖是半乳糖或甘露糖）寡糖链多是分支的，一般仅含有 15 个以下的单糖，分子量在 540-3200。但糖链数目变化很大功能；糖蛋白，在植物和动物(微生物并不如此)中较为典型。这些糖蛋白可被分泌、进入体液或作为膜蛋白。它们包括许多酶、大分子蛋白质激素、血浆蛋白、全部抗体、补体因子、血型物质和粘液组分以及许多膜蛋白。糖类是自然界中分布最广泛的有机分子，是异养生物的主要碳源和能源自
16、养生物：利用无机 CO2作为碳源。如：绿色植物，光细菌，氢细菌；异养生物：利用有机物为碳源。如：藻类，高等动物，大多数微生物等。植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种能量转换过程葡萄糖进入细胞后，在一系列酶的催化下，发生分解代谢过程。首先糖在无氧条件下，代谢分解为丙酮酸，此过程被称为糖的酵解过程。丙酮酸继续代谢分解，就可被利用作为发酵。在不同条件下，丙酮酸可以被转化成乳酸、乙醇、乙酸、丁酸和丙酮等。工业上常利用微生物发酵方法生产这些化合物。发酵工艺流程所需控制的工艺参数：搅拌；温度；通气与
17、排气；pH 控制；营养物的添加；代谢物的移出；无菌控制等。 培养基的制备各种营养物质的条配，灭菌，保存 培养基的加入批次、半批次、连续（恒化培养） 生长条件的控制温度、pH 值、溶氧发酵 接种 发酵罐的选择 搅拌 温度 通气与排气 pH 控制 营养物的添加 代谢物的移出 无菌控制发酵种类 批式发酵 半批式发酵 连续发酵 半连续发酵蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。 蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。3.1.1 蛋白质的元素组成 蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、
18、铁、碘、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：碳 50；氢 7；氧 23；氮 16%；硫 03；其他微量。氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此，可以将生物组织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含氮量接近于 16%，所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量：蛋白质含量（克%）=每克生物样品中含氮的克数 6.25三聚氰胺性质：白色柱状结晶体。密度 1573gcm 3。熔点 354。微溶于水。乙二醇、甘油、吡啶，极微溶于乙醇，不溶于乙醚、苯、四氯化碳。加热升华，急剧加热则分解。低毒。在一般情况下较稳定，但在高温下可能会分解放出氰化物。应用：主要作为有
19、机合成单体，与甲醛制成三聚氰胺树脂，是一种重要的热固件塑料，也是油漆工业的重要原料。还用于制备纺织物防折防缩处理剂、金属涂料、皮革鞣皮剂、粘合剂、防水剂的交联剂等。作为化学试剂，在有机微量分析中用作测定氮的标准试剂。蛋白功能 1、催化功能(酶)2、运输功能（血红蛋白）3、结构组成（生物膜、角蛋白）4、营养和储藏（肌肉）5、免疫功能（免疫球蛋白）6、调节功能（酶）7、神经信号的产生与传导 蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解.多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线性大分子。它在生物体内可以单独存在，但是更多的则是作为蛋白质
20、的组成部分。蛋白质是由一个或多个多肽链通过共价键（主要是二硫键）或非共价力结合而成。应用化学或物理方法，可以将蛋白质拆分成多肽组分。完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各种氨基酸的混合物。所以，氨基酸 是蛋白质的基本结构单元。大多数的蛋白质都是由 20 种氨基酸组成。这 20 种氨基酸被称为 基本（标准）氨基酸。最早发现的氨基酸 天冬酰胺是在 1806 年从芦笋中提炼出来的。直到 1938 年才发现最后一个氨基酸 苏氨酸 ！2. 所有的氨基酸都有一个即具体又统一的一个名字。比如：Glutamate(谷氨酸)是从麦麸（wheat gluten）中提取的； Tyros
21、ine（酪氨酸）是从干酪（cheese）中提取的。3.营养价值必需氨基酸：人和哺乳动物不可缺少但又不能合成的氨基酸，只能从食物中补充，共有 8 种：Leu、Lys、Met、Phe、Ile、Trp、Thr、Val半必需氨基酸：人和哺乳动物虽然能够合成，但数量远远达不到机体的需求，尤其是在胚胎发育以及婴幼儿期间，基本上也是由食物中补充，只有 2 种：Arg、His。有时也不分必需和半必需，统称必需氨基酸，这样就共有 10 种。非必需氨基酸：人和哺乳动物能够合成，能满足机体需求的氨基酸，其余10 种 从营养价值上看，必需半必需非必需氨基酸的旋光性. 氨基酸的光吸收 氨基酸的离解性质氨基酸的等电点当溶
22、液浓度为某一 pH 值时，氨基酸分子中所含的-NH 3+和-COO -数目正好相等，净电荷为 0。这一 pH 值即为氨基酸的等电点，简称 pI。层析：支持剂是一些具有亲水性的不溶性物质，如纤维素、淀粉、硅胶、阴阳离子交换树脂等。电泳：根据电荷的多少及分子量的大小。目前氨基酸的合成方法有 5 种：（1）直接发酵法；（2）添加前体发酵法；（3）酶法；（4）化学合成法；（5）蛋白质水解提取法。通常将直接发酵法和添加前体发酵法统称为发酵法氨基酸的应用 .治疗药剂。治疗药剂。化学工业。食品工业。农业。化妆品工业、抗菌肽是一种抗菌素（antibiotoic），是一类抑制细菌和其他微生物生长或繁殖的物质，对
23、传染性疾病的治疗有重要意义。抗菌肽是由特定微生物产生的，并含有一些通常不在蛋白质或肽类中存在的氨基酸，或含有异常的的酰胺式的结合方式。青霉素（penicillin该类物质中最熟悉的是青霉素，青霉素的主体结构可以看作是由 D半胱氨酸和 D缬氨酸结合成的二肽衍生物，不过这种结合为非肽键连接。青霉素即氨基酸的二肽衍生物，侧链 R 基不同，即为不同的青霉素，其通式为：R 为苯甲基，即为苄青霉素。青霉素主要破坏细菌细胞壁糖肽的合成，引起溶菌。蛋白质是由一条或多条多肽(polypeptide )链以特殊方式结合而成的生物大分子。 蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在 6000 道尔顿以上的多肽称为
24、蛋白质。 蛋白质分子量变化范围很大, 从大约 6000 到 1000000 道尔顿甚至更大。蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构n 主要有 -螺旋、-折叠、-转角。蛋白质的三级结构主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等蛋白质的四级结构n 蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。n 这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位 Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性；n 维持亚基之间的化学键主要是疏水力。由多个亚基聚集而成的蛋白质常常
25、称为寡聚蛋白 蛋白质的结构与功能的关系每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。蛋白质的结构决定了蛋白质的功能。蛋白质的功能直接由其高级结构（构象）决定。蛋白质的一级结构决定高级结构（构象），因此，最终决定了蛋白质的功能。蛋白质的性质蛋白质的两性离解和电泳现象蛋白质的两性离解和电泳现象 电泳 蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质 蛋白质的沉淀作用蛋白质的沉淀作用. 蛋白质的变性蛋白质的变性蛋白质的紫外吸收蛋白质的紫外吸收蛋白质的分离与纯化蛋白质的分离步骤(1)生物组织的机械破碎。常用的方法有研磨法、超声波法、冻融法和酶解法等。(2)根据蛋白质的特性，选择不同的溶剂进行抽提。水溶性蛋白用中性缓
26、冲溶液抽提，酸性蛋白用稀碱性溶液抽提，脂溶性蛋白用表面活性剂抽提等。(3)粗提: 离心除去固体杂质后，可通过沉淀法、超滤法、萃取法等处理，得到蛋白质粗制品。(4)精制：可用层析法、电泳法等进行精制。(5)成品加工：测定蛋白质的性质并干燥成成品。蛋白质的纯化方法（1）沉淀法盐析； 有机溶剂沉淀法； 等电点沉淀法；（2）膜分离法透析法； 超过滤法； 等电点沉淀法；（3）萃取法双水相萃取法；超临界流体萃取法；（4）层析法离子交换层析法； 凝胶过滤法； 亲和层析法（5）电泳法蛋白质含量的测定n定氮法n双羧脲法nFolin-Lowry 法n考马斯亮蓝法（Bradford 法）n紫外吸收法卷发(烫发)的生
27、物化学基础 永久性卷发(烫发) 是一个生物化学过程。 角蛋白的侧链 R 基一般都比较大，而且蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，不适于处在 构象状态。 烫发时先用巯基化合物破坏二硫键使之易于卷曲， 角蛋白在湿热或化学烫发剂条件下伸展转变为 构象， 然后当外力解除后，用氧化剂恢复二硫键使卷曲固定。这就是卷发行业的生化基础。煤气中毒的机制 一氧化碳（CO）也能与血红素 Fe 原子结合。由于 CO 与血红蛋白结合的能力是 O2 的 200 倍，因此，人体吸入少量的 CO 即可完全抑制血红蛋白与 O2 的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含 O2 的环境中（如新鲜空气、纯氧气或
28、高压氧气），使与血红素结合的 CO 被 O2 置换出来。n 免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白(serum glycoprotein)。糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。n 免疫球蛋白是被脊椎动物作为抗体合成的。它的合成场所是网状内皮系统的细胞。这些细胞分布在脾、肝和淋巴节等组织中。当一类外来的被称为抗原的物质，如多糖、核酸和蛋白质等侵入机体时即引起抗体的产生，这就是所谓免疫反应。抗体就是免疫球蛋白 n 抗体具有两个最显著的特点，一是高度特异性，二是多样性。n 高度特异性就是一种抗体一般只能与引起它产生的相应抗原发生反应。抗原抗体复合物往往是不溶的，因此常从溶液中沉淀出来，此即“沉淀反应”。在体外，沉
29、淀反应已被广泛用于研究抗原抗体反应，并成为免疫学的基础。多样性就是它们可以和成千上万的各种抗原(天然的和人工的)起反应。n般说来，一个抗原与接受该抗原的动物关系愈远，则产生抗体所需的时间愈短，抗体反应也愈强。（4）免疫球蛋白 免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白(serum glycoprotein)。糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。 免疫球蛋白是被脊椎动物作为抗体合成的。它的合成场所是网状内皮系统的细胞。这些细胞分布在脾、肝和淋巴节等组织中。 当一类外来的被称为抗原的物质，如多糖、核酸和蛋白质等侵入机体时即引起抗体的产生，这就是所谓免疫反应。抗体就是免疫球蛋白。 抗体的特点 抗体具有两个最显著的特点
30、，一是高度特异性，二是多样性。 高度特异性就是一种抗体一般只能与引起它产生的相应抗原发生反应。抗原抗体复合物往往是不溶的，因此常从溶液中沉淀出来，此即“沉淀反应”。在体外，沉淀反应已被广泛用于研究抗原抗体反应，并成为免疫学的基础。多样性就是它们可以和成千上万的各种抗原( 天然的和人工的 )起反应。 般说来，一个抗原与接受该抗原的动物关系愈远，则产生抗体所需的时间愈短，抗体反应也愈强。抗原抗体的作用第 4 章 酶化学与酶工程问题 1 为什么动物吃的食物在体内常温下（37C ）就可消化，而在体外却需要高温才能解？问题 2 酵母细胞是如何轻易地将糖转化为酒精的？3.1 酶的研究历程及发展前景 185
31、0s 巴斯德研究酿酒酵母细胞浆液将“Enzyme”定义为酵素（ferments） 1897 年，毕希纳发现利用酵母的提取液成功地将淀粉发酵成酒精，1907 获诺贝尔化学奖 1913 年， Michalis Km 值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。 同一种酶有几底物就有几个 Km 值，其中 Km 值最小的底物一般称为该酶的最适底物或天然底物。 计算一定速率下的底物浓度，或通过底物浓度求该条件下的反应速率。二. 酶浓度的影响 在酶催化的反应中，酶先要与底物形成中间复合物，当底物浓度大大超过酶浓度时，反应速率随酶浓度的增加而增加（当温度和 pH 不变时），两者成正比例关系。 三. pH 的影响在一
32、定的 pH 下，酶具有最大的催化活性，通常称此 pH 为最适 pH。四. 温度的影响酶促反应同其他大多数化学反应一样，受温度的影响较大。温度高时，反应速率加快，温度降低时，反应速率减慢。温度每升高 10所增加的反应速率称为温度系数（temperature coefficient，一般用 Q10 表示）。一般化学反应的 Q10 为 23（提高 23倍），但酶促反应的 Q10 仅 12。 一方面是温度升高,酶促反应速度加快。 另一方面,温度升高,酶的高级结构将发生变化或变性，导致酶活性降低甚至丧失。 因此大多数酶都有一个最适温度。在最适温度条件下,反应速度最大。3.5 酶的制备(酶的高成本) 整个
33、工作包括三个基本环节：抽提、纯化和制剂。第一步是将酶从原料中抽提出来作成酶溶液；然后是纯化，即选择地将酶从溶液中分离出来，或者选择地将杂质从酶溶液中移除出去；最后是制剂，即将纯化的酶作成一定形式的制剂。一基本原则（1）要注意防止酶变性失活操作都应在低温条件下进行，尤其是在有机溶剂存在的情况下更应特别小心；必须控制整个系统 4pH10；操作中应尽量减少泡沫形成；重金属等能引起酶失效，有机溶剂能使酶变性，微生物污染以及蛋白水解酶的存在能使酶分解破坏，所有这些都应予以足够的重视。（2）允许在不破坏“目的酶”的限度内，使用各种手段。（3）跟踪检测酶活。二酶提取纯化的方法提取的要求是将尽可能多的酶、尽量
34、少的杂质从原料引入溶液。1. 预处理和破碎细胞 2. 抽提 细胞破碎后，可采用两种方式进行抽提：一是“普遍”抽提；二是先后用不同溶剂进行选择性抽提。3. 浓缩 抽提液和发酵液中酶的浓度一般都很低，所以在进行纯化前往往须先加以浓缩。常用的浓缩方法有以下几种：蒸发。超过滤。凝胶过滤。冰冻浓缩。4. 酶的纯化 (同蛋白质的纯化 )3.6 酶工程简介一.酶工程的定义酶工程（enzyme engineering）是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技
35、术。二. 酶的发酵生产商业用酶来源于动植物组织和某些微生物。传统上由植物提供的酶有蛋白酶、淀粉酶、氧化酶和其他酶，由动物组织提供的酶主要有胰蛋白酶、脂肪酶和用于奶酪生产的凝乳酶。但是，从动物组织或植物组织大量提取的酶，经常要涉及技术上、经济上以及伦理上的问题，使得许多传统的酶源已远远不能适应当今世界对酶的需求。为了扩大酶源，人们正越来越多地求助于微生物。 1. 发展微生物作为酶生产（1）微生物生长繁殖快，生活周期短，产量高，单位干重产物的酶比活很高。一般来说，微生物的生长速度比农作物快 500 倍，比家畜快 1000 倍。（2）微生物培养方法简单，所用的原料大都为农副产品，来源丰富，价格低廉，
36、机械化程度高，经济效益高。（3）微生物菌株种类繁多，酶的品种齐全。可以说一切动植物细胞中存在的酶几乎都能从微生物细胞中找到。（4）微生物有较强的适应性和应变能力，可以通过适应、诱导、诱变及基因工程等方法培育出新的产酶量高的菌种。 2. 微生物产酶目前大多数的工业微生物酶的生产，都局限于使用仅有的极少数的真菌、细菌或酵母菌。微生物发酵产酶的方法同其他发酵行业类似，首先必须选择合适的产酶菌株，然后采用适当的培养基和培养方式进行发酵，使微生物生长繁殖并合成大量所需的酶，最后将酶分离纯化，制成一定的酶制剂。3. 微生物产酶的关键(1) 优良产酶菌种的筛选优良的产酶菌种是提高酶产量的关键，筛选符合生产需
37、要的菌种是发酵生产酶的首要环节，一个优良的产酶菌种应具备以下几点：繁殖快、产酶量高、有利于缩短生产周期；能在便宜的底物上生长良好；产酶性能稳定、菌株不易退化、不易受噬菌体侵袭；产生的酶容易分离纯化；不是致病菌及产生有毒物质和其他生理活性物质的微生物，确保酶生产和应用的安全。 三. 酶的分子修饰酶分子修饰是指通过对酶蛋白主链的剪接切割和侧链的化学修饰对酶分子进行改造，改造的目的在于改变酶的一些性质，创造出天然酶不具备的某些优良性状，扩大酶的应用以达到较高的经济效益。制备修饰酶的目的1提高酶活力 2改进酶的稳定性 3允许酶在一个变化的环境中起作用 4改变最适 pH值或最适温度 5改变酶的特异性使它
38、能催化不同的底物 6改变催化反应类型 7提高催化过程的反应效率四. 固定化酶酶是一种蛋白质，稳定性差，而且在催化结束后难以回收。为适应工业化生产的需要，人们模仿生物体内酶的作用方式，通过固定化技术对酶加以固定。经固定化后的生物催化剂既具有酶的催化性质，又具有一般化学催化剂能回收、反复使用的优点，并在生产工艺上可以实现连续化和自动化。自 1973 年日本千田一郎首次在工业上成功应用固定化微生物细胞连续生产 L天冬氨酸以来，细胞固定化已取得了迅猛的进展，近来又从静止的固定化菌体发展到了固定化活细胞（增殖细胞）。3. 固定化酶的特点： 优点：1. 不溶于水，易于与产物分离；2. 可反复使用；3. 可
39、连续化生产；4. 稳定性好。 缺点：固定化过程中往往会引起酶的失活5. 酶固定化举例1. 欧洲用固定化青霉素酰化酶将青霉素 G 或 V 转化为 6-烷基青霉烷酸（6-APA），用于合成各种青霉素衍生物，每年至少生产 3500 吨 6-APA，消耗 30 吨青霉素酰化酶；2. 在美国、日本和欧洲每年要将数千吨葡萄糖用固定化葡萄糖异构酶转化为高果糖浆；3. 日本每年有几千公斤 L-蛋氨酸、L-苯丙氨酸、L-色氨酸和 L-缬氨酸用固定化氨基酰化酶生产；4. 另外固定化酶技术还用于制作酶电极生物传感器，用来快速灵敏地检测脲、氨基酸、葡萄糖、乙醇和乳酸等，广泛应用于临床诊断、工业在线控制和科研活动中。
40、五. 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。酶反应器有两种类型：一类是直接应用游离酶进行反应的均相酶反应器；另一类是应用固定化酶进行反应的非均相酶反应器。六. 酶传感器随着生产力的高度发展和物质文明的不断提高，在工农业生产、环境保护、医疗诊断和食品工业等领域，每时每刻都有大量的样品需要分析和检验。这些样品要求在很短的时间内完成检测，有时甚至要求在线或在活体内直接测定。由于酶蛋白具有高度的分子识别功能，固定化酶柱或酶管又具有能被重复使用的优点，因而可以被广泛地应用于生产分析和临床化学检测。自 20 世 60 年代酶电极问世以来，生物传感器获得了巨大的发展，已成为酶法分析的一个日益
41、重要的组成部分。 第五章. 维生素与辅酶4.1 辅酶 coenzyme一. 全酶 根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类： 单纯蛋白酶：它们的组成为单一蛋白质. 结合蛋白酶：某些酶，例如氧化-还原酶等，其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分. 结合蛋白酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分包括辅酶及金属离子(或辅因子 cofactor)。 酶蛋白与辅助成分组成的完整分子称为全酶。单纯的酶蛋白无催化功能. 全酶=酶蛋白+辅因子( 辅酶和金属离子)二. 辅基辅酶在酶促反应中的作用 辅酶是一类具有特殊化学结构和功能的化合物。参与的酶促反应主要为氧化-还原反应或基团转移反应。在反应中起传递电子 、 原子
42、或某些基团的作用。 大多数辅酶的前体主要是水溶性 B 族维生素。许多维生素的生理功能与辅酶的作用密切相关。三. 辅酶在酶促反应中的作用特点 辅酶在催化反应过程中，直接参加了反应。 每一种辅酶都具有特殊的功能，可以特定地催化某一类型的反应。 同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成不同的全酶。 一般来说，全酶中的辅酶决定了酶所催化的类型（反应专一性），而酶蛋白则决定了所催化的底物类型（底物专一性）。4.2 维生素一. 维生素的发现唐代医学家“药王”孙思邈（公元 581682）在其著作千金方中指出 ：动物肝脏防治夜盲病，用谷皮汤熬粥防治脚气病。 二. 维生素的定义 生命胺维生素，维他命（Vitam
43、in） 维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类有机物质，在代谢中起调节作用，缺乏时会导致疾病。 维生素一般习惯分为脂溶性和水溶性两大类。其中脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的调节作用，而水溶性维生素是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。三. 维生素的生理功能维生素对有机体的生长、生理机能的调节起着十分重要的作用。尤为重要的是绝大多数维生素通过辅酶或辅基的形式参与生物体内的酶反应体系，调节酶活性及代谢活性。生物对维生素的需要情况是由两方面的因素决定的：一方面是代谢过程中是否需要，另一方面是自身能否合成。人和哺乳动物所需的 V 大都不能自身合成，须由食物供给；植物所需的各种 V 能自身合成，故植
44、物是维生素的来源；微生物一般也能自身合成 V，个别不能合成者则成为其生长限制因子，因此在微生物培养和发酵生产中，往往需要补充些 V 作为生长因子。如：培养 Glu或 Lys 的棒杆菌时，需加入 VH。人类所需维生素广泛存在于食物中，除了营养不良、饮食单调或食物保存加工不当可造成维生素缺乏外，某些疾病或其他特殊原因也可能引起维生素不足或缺乏。缺少维生素不仅会影响生物正常的生命活动，而且会引发疾病。 四. 维生素的分类脂溶性维生素：A D E K 维生素 硫辛酸（氧化型）水溶性维生素：Vc VB: B1 B2 B3（泛酸）B5(PP) B12（氰钴胺素）B6 (吡哆醇/醛/胺）B7 (生物素 ）硫
45、辛酸（还原型）（一）水溶性维生素1. 维生素 B5(PP)又叫抗糙皮病维生素，它包括尼克酸（烟酸）和尼克酰胺（烟酰胺），二者均为吡啶衍生物。来源于肉类、肝脏、谷物、花生。此外，人体可利用色氨酸合成维生素 PP 。 存在形式及功能尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+ ，又称辅酶）。尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （NADP+，又称辅酶)。NAD+和 NADP+在体内作为作为多种不需氧脱酶的辅酶，参与物质代谢。NAD+和 NADP+在生物过代谢过程中的作用是递氢。2. 核黄素（VB2)核黄素(维生素 B2)来源于酵母、蛋、奶及绿叶蔬菜，由核糖醇和 6，7- 二甲基异咯嗪两部分组成。缺乏时组织呼吸减弱，代谢
46、强度降低。主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。辅酶/活性形式：1、黄素单核苷酸（FMN）。2、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。 功能：为各种黄酶的辅基，起氢传递体的作用3. 维生素 B3 和辅酶 A(CoA)又称遍多酸，来源于动物性食品、谷物及豆制品。作为辅酶 A（CoASH）和酰基载体蛋白（ACP ）的辅基。 4. 维生素 B1又叫抗脚气病维生素，因其分子中含有硫和氨基，所以又叫硫胺素。来源于种子的外皮和胚芽，黄豆、酵母及瘦肉。 功能（TPP） 1、 作为丙酮酸脱氢酶系和 -酮戊二酸脱氢酶系的辅酶，参与 - 酮酸的氧化脱羧作用。2、作为转酮醇酶的辅酶，参与磷酸戊糖代谢途径。5. 维生素
47、C又叫抗坏血酸，是 L- 已糖酸内酯，具有不饱和的一烯二醇结构。具有酸性和较强的还原性。来源于新鲜水果及蔬菜 在体内参与氧化还原反应，羟化反应。人体不能合成。(二) 脂溶性维生素 维生素 A,D,E,K 均溶于脂类溶剂，不溶于水，在食物中通常与脂肪一起存在，吸收它们，需要脂肪和胆汁酸。1. 维生素 A维生素 A 分 A1, A2 两种，是不饱和一元醇类。维生素 A1 又称为视黄醇，A2 称为脱氢视黄醇。生理功能1、参与构成感光物质（11-顺视黄醛、全反视黄醛）。 2、维持上皮组织结构和功能的完整。3、维持机体的生长和发育。4、 胡萝卜素的抗氧化作用。五. 维生素与营养人体所需的基本营养要素食物
48、营养素包括六大类：糖类、蛋白质、脂类、维生素、水、无机盐类与微量元素，这些营养素分别为机体提供能量、调节物质代谢并构成机体的结构成分。维生素维生素维护着身体的健康，也维持着生命的延续。当维生素补充剂作为当今都市生活的必需品，被越来越多地应用于日常保健之中时，注重生活品质的你是否也是它的拥趸？你真正了解维生素吗？你知道在日常生活中如何补充维生素吗？怎样避免维生素白白流失？脂溶性维生素指可溶于油脂中的维生素，主要有四种：维生素 A 、维生素 D 、维生素 E 、维生素 K ，摄取后会储存于体内，较不容易受光、热、氧气破坏。水溶性维生素指可溶于水的维生素，如维生素 B 族、维生素 C 、叶酸等，遇水
49、光、热、氧气等外力极易被破坏。维生素 A作用：具有抗氧化防衰老和保护心脑血管的作用，维持正常视力，预肪夜盲症和干眼病。缺乏时：感觉皮肤干燥，有呼吸道感染迹象，眼部干燥、畏光、多泪、视物模糊等症状。补给站动物肝脏、鱼肝油、奶类、蛋类及鱼卵等；胡萝卜、菠菜、豌豆苗、青椒和红薯等。提示：写作人员、电脑操作人员、打字员和驾驶员等用眼量大的人员，应当多服用维生素 A。由于维生素 A 在体内容易储存积聚、不易排泄、所以长期服用或过量服用会引起维生素 A 中毒。其中在肝、肾和乳汁中积聚量最大，孕期和哺乳期妇女应谨慎服用。维生素 B1作用：参与神经传导、能量的代谢，提高能量和活力。缺乏时：长时间消化不良，手脚发麻、多发性神经炎和脚气病等症状。补给站：粗粮、
