1、Chapter 1 Introduction,第一章 绪论,Contents of chapter 1,1、生物技术、生物催化和酶的定义,2、酶的发现及研究历史,3、酶的分类命名,4、酶的化学性质与催化特性,Go,Go,Go,Go,当今世界六大高新技术,现代生物技术 新材料技术 信息技术 空间技术 海洋技术 新能源技术 现代生物技术被列为六大高新技术之首,生物技术,1982年,国际经济合作及发展组织(OECD)提出了当时能广泛接受的生物技术定义,即“生物技术是应用自然科学及工程学原理,依靠生物作用剂(biological agent)的作用将物料进行加工以提供产品为社会服务的技术”。 这里所谓
2、的生物作用剂(biological agent)是指酶、整体细胞或生物体,一般也称生物催化剂。,生物技术产业,2006年前快速成长,但仍处于投入阶段 20072008年盈亏平衡 2020年成为支柱产业,第一章 绪论,生物技术产业化的三个浪潮,医药生物技术: 1982年重组人胰岛素上市.农业生物技术: 1996年转基因大豆、玉米、油菜相继上市.工业生物技术: 生物钢、聚乳酸相继上市.,工业生物技术-迈向发达国家之战略,第一章 绪论,生物钢指的是羊奶钢 由转基因羊奶纤维(将南美“黑寡妇”的蜘蛛的纤维蛋白基因转入山羊)织出的布,比防弹衣的强度还大十几倍。这种超强坚韧的物质,是阻挡枪弹射击的理想材料,
3、也可以用来制造坦克、飞机与装甲车,以及作为军事建筑物的理想“防弹衣”。利用这种纤维制成的2.5厘米粗的绳子,足以让一架准备着陆的战斗机完全停下来。,第一章 绪论,聚乳酸,简称PLA,由生物发酵生产的乳酸经人工化学合成而得的热塑性聚合物,但仍保持着良好的生物相容性和生物可降解性。不象其他的树脂必须来源于石油,聚乳酸来源于可再生的象玉米、小麦、甘蔗等天然农作物,是一种完全绿色材料.,第一章 绪论,工业生物技术,定义:在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物技术来实现产品的制造,这种技术是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服务. 核心目标:大规模利用生物体系(如细胞或酶)作为催化剂实现物质转化.,工
4、业生物技术是生物技术的重要组成部分,第一章 绪论,工业生物技术发展空间,提升传统产业 生物能源 环境生物技术 生物材料,Industrial biotechnology: Gateway to a more sustainable future,第一章 绪论,典型工业生物技术过程,第一章 绪论,生物催化,新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生,第一章 绪论,生物催化(Biocatalysis) 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的过程。,生物转化(Biotransformation),第一章 绪论,生物催化是工业生物技术的核心技术,第一章 绪论,第一章 绪论,以生物催化法合成的
5、主要产品,第一章 绪论,趋势判断和需求分析 生物催化剂在精细化学品市场中呈现强劲的增长势头。 到2020年,通过生物催化技术,将实现化学工业的原料消耗、水资源消耗、能量消耗降低30%,污染物的排放和污染扩散减少30%。,第一章 绪论,趋势判断和需求分析 目前生物催化技术已成为各公司争夺的目标并且已成为一些公司谋求发展和提升地位的工具 。 德国德固赛、荷兰DSM、瑞士罗氏Roche、德国BASF,丹麦诺维信等许多跨国公司都在积极采取措施,扩大他们在生物催化领域里的生产能力。,第一章 绪论,生物催化发展的主要推动力 1、新产品需求 (社会压力) -健康:医药、检测 -日用品:洗涤用品、乳品、生物可
6、降解塑料 2、环境 (法律法规压力) 绿色化学、能源、温室效应,第一章 绪论,生物催化发展的主要推动力 3、新发现或基础研究 (技术压力) 基因工程 /定点突变/定向进化、代谢工程、组合化学4、得益/成本降低 (商业压力) -生物分离,第一章 绪论,生物催化工程的目标 开发新生物催化剂:催化性能更好、更快,成本更低 改善性能: 稳定性, 活性,溶剂兼容性 开发分子模型: 新酶的快速重新设计,第一章 绪论,生物催化剂工程技术瓶颈 对生物催化剂作用机理缺乏深入的认识 对次级代谢产物代谢途径(包括途径间相互关系)缺乏理解 细胞工程化的方法十分有限(即代谢工程) 生产酶和辅因子的成本过高,第一章 绪论
7、,当前生物催化的研究热点 新酶或已有酶的新功能的开发 根据已有底物开发新的酶反应 利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能 利用重组DNA技术大规模生产生物催化剂 利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系 体内或体外合成的多酶体系 克服底物和产物抑制 精细化工品或医药合成技术的放大 辅因子再生 生物催化剂的修饰 生物催化剂的固定化,第一章 绪论,生物催化剂高效生产与催化功能研究 强化微生物细胞培养与发酵的调控措施,研究酶的诱导策略 实现生物催化剂的自主和规模生产 分析生物催化剂所催化的特定基团,开辟全新的生物催化反应,第一章 绪论,概念: 酶工程( Enzyme Engineering) 从应用目
8、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。,第一章 绪论,国内外酶制剂生产和应用现状 1 世界三大酶制剂公司 诺维信(Novo)(丹麦) 杰能科(Genencor International)(美国) DSM(荷兰) 三大公司销售额占世界总额的70%,第一章 绪论,国际市场酶制剂销售额比例 2009年工业酶制剂的世界市场约为15亿美元,用于制药工业与精细化学工业约1.2亿-1.5亿美元. 2013年预计全球酶制剂将达到70亿美元.,第一章 绪论
9、,第一章 绪论,我国酶工业发展阶段 1 1965 无锡酶制剂厂,淀粉酶 2 1979 糖化酶,碱性蛋白酶,中性蛋白酶 3 1993 耐高温淀粉酶 4 1998 国外大公司纷纷入驻,第一章 绪论,国内酶制剂销售额比例,第一章 绪论,国内外酶制剂生产应用差异 1 规模:国外多公司重组, 国内重复建设、效益低 2 投入: 国外:开发经费高达15%,甚至19%销售额. 国内:研究、开发投入不足,占1%销售额 3 开发重点:国外:大力研制、开发新酶种和新用途. 国内:品种少、剂型少,第一章 绪论,我国酶制剂工业的发展方向 1走集约化、规模化经营 2加大科研投入 3发展具有自己知识产权的新技术 4 调整产
10、品结构、大力开发新品种,酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂。,定义:酶是生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂。,酶具有一般催化剂的特征:1.只能进行热力学上允许进行的反应;2.可以缩短化学反应到达平衡的时间,而不改变反应的平衡点;3.通过降低活化能加快化学反应速度。,酶的催化高效性,通常要高出非生物催化剂催化活性的1061013倍。,1.1 酶的定义,回本章目录,1.2 酶的发现及研究历史,人们对酶的认识起源于生产与生活实践。 夏禹时代,人们掌握了酿酒技术。 公元前12世纪周朝,人们酿酒,制作饴糖和酱。 春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾
11、病。酶者,酒母也,酶 酒,西方国家19世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究。直到1897年,德国巴克纳兄弟用石英砂磨碎酵母细胞,制备了不含酵母细胞的抽提液,并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵,说明发酵与细胞的活动无关。从而说明了发酵是酶作用的化学本质,为此Buchner获得了1907年诺贝尔化学奖。 1896年,日本的高峰让吉首先从米曲霉中制得淀粉酶,用作消化剂,开创了有目的的进行酶生产和应用的先例。,1878年, 给酶一个统一的名词,叫Enzyme,这个字来自希腊文,其意思“在酵母中”。后来对酶的作用机理及酶的本质做了深入研究 1930年,证实酶是一种蛋白质;80年代初发现了具有催化功能的
12、RNA核酶(ribozyme),这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念,开辟了酶学研究的新领域, 现已鉴定出4000多种酶,数百种酶已得到结晶,而且每年都有新酶被发现。,1908年,德国的罗姆制得胰酶,用于皮革的软化。 1908年,法国的波伊登(Boidin)制备了细菌淀粉酶,应用于纺织品的退浆。 1911年,美国的华勒斯坦(Wallestein)制得木瓜蛋白酶,用于除去啤酒中的蛋白质浑浊。 此后,酶的生产和应用逐步发展。然而在50年代以前停留在从微生物,动物或植物中提取酶,加以利用阶段.由于当时生产力落后,生产工艺较繁杂,难以进行大规模工业化生产。,酶的应用历史,1949年,用液体深层培养法进行
13、细菌淀粉酶的发酵生产,揭开了近代酶工业的序幕。 50年代以后,随着生化工程的发展,大多数酶制剂的生产已转向微生物流体深层发酵的方法。酶的应用越来越广泛。 50年代:开始了酶固定化研究。1953年德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树脂与淀粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等结合,制成了固定化酶。 60年代,是固定化酶技术迅速发展的时期。1969年,日本的千烟一郎首次在工业上应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸。出现了“酶工程”这个名词来代表有效利用酶的科学技术领域。,1971年第一届国际酶工程学术会议在美国召开,当时的主题即是固定化酶,进一步开展了对微生物细胞固定化的研究。 1973年,千
14、烟一郎首次利用固定化的大肠杆菌细胞生产L-天冬氨酸。 1978年,日本的铃木等固定化细胞生产 -淀粉酶研究成功.所以说,70年代是固定化细胞技术取得进展的时期. 80年代,固定化细胞只能用于生产胞外酶,因此,80年代又发展了固定化原生质体技术,排除了细胞壁这一障碍。,在酶的固定化技术发展的同时,酶分子修饰技术也取得了进展。 60年代,用小分子化合物修饰酶分子侧链基团,使酶性质发生改变; 70年代,修饰剂的选用、修饰方法上又有了新的发展。 此外,对抗体酶,人工酶,模拟酶等方面,以及酶的应用技术研究 ,在近20年均取得了较大进展,使酶工程不断向广度和深度发展,显示出广阔而诱人的前景。,回本章目录,
15、1961年国际酶学委员会(Enzyme Committee, EC)根据酶所催化的反应类型和机理,把酶分成6大类:,1.3 酶的分类与命名,Each enzyme is now classified and named according to the type of chemical reaction it catalyzes. So an enzyme is assigned a four-number classification and a two-part name. In addition recommended name is suggested by IUB for every
16、day use.E.C. X.X.X.X,酶的命名有两种方法:系统名、惯用名。,系统名:包括所有底物的名称和反应类型。,乳酸 + NAD+,丙酮酸 + NADH + H+,乳酸:NAD+氧化还原酶,惯用名:只取一个较重要的底物名称和反应类型。,乳酸:NAD+氧化还原酶,乳酸脱氢酶,对于催化水解反应的酶一般在酶的名称上省去反应类型。,氧化-还原酶催化氧化-还原反应。 主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。 如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。,(1) 氧化还原酶 Oxidoreductase,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
17、到另一个底物的分子上。 例如, 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。,(2) 转移酶 Transferase,水解酶催化底物的加水分解反应。 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:,(3) 水解酶 hydrolase,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。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如, 延胡索酸裂合酶催化的反应。,(4) 裂合酶 Lyase,异构酶催化各种同分异构体的相互转化,即底物分子内基团或原子的重排过程。 例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。,(5) 异构酶 Isomerase,合成酶,又称为连接酶
18、,能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 例如,丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸 + CO2 草酰乙酸,(6) 合成酶 Ligase or Synthetase,(7)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。核酸酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNA,能够催化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。 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。,回
19、本章目录,酶用于生物催化的概况,(一)酶的化学本质,1926年J.B.Sumner首次从刀豆制备出脲酶结晶,证明其为蛋白质,并提出酶的本质就是蛋白质的观点。,1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNAribozyme(核酶),以后Altman和Pace等又陆续发现了真正的RNA催化剂。,核酶的发现不仅表明酶不一定都是蛋白质,还促进了有关生命起源、生物进化等问题的进一步探讨。,1.4 酶的化学性质与催化特性,(二)酶的组成,酶,单纯酶,结合酶,(全酶)= 酶蛋白 + 辅因子,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
20、属离子作为辅助因子。,辅因子通常是作为电子、原子或某些化学基团的载体。,(三)单体酶、寡聚酶和多酶复合物,1.单体酶(monomeric enzyme):仅有一条具有活性部位的多肽链,全部参与水解反应。,2.寡聚酶 (oligomeric enzyme):由几个或多个亚基组成,亚基牢固地联在一起,单个亚基没有催化活性。亚基之间以非共价键结合。,3.多酶复合物 (multienzyme system):几个酶镶嵌而成的复合物。这些酶催化将底物转化为产物的一系列顺序反应。,(四) 活性部位和必需基团,必需基团:这些基团若经化学修饰使其改变,则酶的活性丧失。,活性部位:酶分子中直接与底物结合,并和酶
21、催化作用直接有关的部位。,必需基团,活性部位,维持酶的空间结构,结合基团,催化基团,专一性,催化性质,(五) 酶作用的专一性,族专一性:可作用于一类或一些结构很相似的底物。,绝对专一性:只能作用于某一底物。,专一性,酶的专一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: 只催化一种底物进行快速反应,甚至是立体专一性 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。基团专一和键专一,酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。在酶的应用过程中,必须控制
22、好各种环境条件,以充分发挥酶的催化功能。,(六) 影响酶催化的各种因素,底物浓度的影响,在底物浓度较低的情况下,酶催化反应速度与底物浓度成正比,反应速度随着底物浓度的增加而加快。当底物浓度达到一定的数值时,反应速度的上升不再与底物浓度成正比,而是逐步趋向平衡。,酶浓度的影响,在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,温度的影响,每一种酶的催化反应都有其适宜温度范围和最适温度。在最适温度条件下,酶的催化反应速度达到最大。,pH值的影响,酶的催化作用与反应液的pH值有很大关系, 每一种酶都有其各自的适宜pH值范围和最适pH值。,抑制剂的影响,酶的抑制剂:使酶的催化活性降低或者丧失的物
23、质。 抑制剂有可逆性抑制剂和不可逆抑制剂之分。 不可逆抑制剂:与酶分子结合后,抑制剂难于除去,酶活性不能恢复。 可逆性抑制剂:与酶的结合是可逆的,只要将抑制剂除去,酶活性即可恢复。 根据可逆性抑制作用的机理不同, 酶的可逆性抑制作用可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三种。,抑制剂的影响,竞争性抑制:指抑制剂和底物竞争与酶分子结合而引起的抑制作用。 机制:竞争性抑制剂与酶作用底物的结构相似。它与酶分子结合以后,底物分子就不能与酶分子结合,从而对酶的催化起到抑制作用。 例如,丙二酸是琥珀酸的结构类似物。丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。 竞争性抑制的特点:是酶催化反应的最大反应速度V
24、m不变,而米氏常数Km增大。,抑制剂的影响,非竞争性抑制(noncompetitive inhibition):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。 机制:由于非竞争性抑制剂是与酶的活性中心以外的位点结合,所以,抑制剂的分子结构可能与底物分子的结构毫不相关。增加底物浓度也不能使非竞争性抑制作用逆转。 非竞争性抑制的特点:最大反应速度Vm减小,而米氏常数Km不变。,抑制剂的影响,反竞争性抑制(uncompetitive inhibition):在底物与酶分子结合生成中间复合物后, 抑制剂再与中间复合物结合而引起的抑制作用。 机制:反竞争性抑制剂不能与未结合底物
25、的酶分子结合,只有当底物与酶分子结合以后由于底物的结合引起酶分子结构的某些变化,使抑制剂的结合部位展现出来,抑制剂才能结合并产生抑制作用。所以亦不能通过增加底物浓度使反竞争抑制作用逆转。 反竞争性抑制的特点:最大反应速度Vm和米氏常数Km同时减小。,激活剂的影响,酶的激活剂或活化剂:能够增加酶的催化活性或使酶的催化活性显示出来的物质。 常见的激活剂有Ca+、Mg+、Co+、Zn+、Mn+等金属离子和Cl- 等无机负离子。 例如,氯离子(Cl-)是-淀粉酶的激活剂,钴离子(Co+2)和镁离子(Mg+2)是葡萄糖异构酶的激活剂等。 有的酶也可以作为激活剂,通过激活剂的作用使酶分子的催化活性提高或者
26、使酶的催化活性显示出来。,1、酶活力与酶反应速度,比活力 2、酶活力测定方法 反应体系选择 / 反应条件确定 反应物检测 / 酶活力计算 偶联酶反应活力测定3、酶活力单位1961年国际生物化学与分子生物学联合会规定:在特定条件下(温度可采用25或其它选用的温度,pH等条件均采用最适条件),每1 min 催化1 mol 的底物转化为产物的酶量定义为1 个酶活力单位。这个单位称为国际单位。,(七) 酶活力测定,d S d P u = - - = -d t d t,回本章目录,酶与底物的结合模型,a 锁和钥匙模型 1890年德国化学家E. Fischer提出著名的“钥匙-锁模型”(lock and key model),酶-底物相互作用的“钥匙与锁”模型,2 酶与底物的结合模型,b 诱导锲合模型 1958年,D. E. Koshland提出的“诱导-楔合模型”,