酶工程第章酶的应用

酶的应用,Chapter 7 Enzyme Application,Contents of chapter 7,7.1 酶在医药领域的应用,7.2 酶在能源领域的应用,7.3 酶在环保领域的应用,Go,Go,Go,7.4 酶在其他领域的应用,Go,7.5 酶制剂的安全性问题与法规,Go,7.1 酶与医药,药物设计,疾病诊断,疾病治疗,药物生产,酶在医药方面的应用,1 酶与疾病诊断,依据体内原有酶的活力诊断,用酶测定体内物质含量,白化病酪氨酸羟化酶缺乏,痛风性关节炎磷酸核糖焦磷酸合成酶过量,根据体内原有酶的活力进行诊断,酶相关的遗传性疾病,美国医学家WF安德森等人对腺苷脱氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，是世界上第一个基因治疗成功的范例。,谢德尔，1999,酶相关的遗传性疾病,酶相关的非遗传性疾病,碱性磷酸酶,酸性 磷酸酶,醛缩酶,乳酸脱氢酶同工酶,转氨酶,乳酸脱氢酶,糖尿病,胆碱酯酶,巯基酶,某医院体检报告,用酶测体液中的物质进行诊断,血糖仪,葡萄糖生化仪,糖尿病诊断,在基础电极上装固定化葡萄糖氧化酶膜，酶膜中的酶催化葡萄糖与氧的反应，当电极插入血液或尿液样本时，导致原溶液pH和氧含量的改变，引起基础电极电位变化，由此测出该酶所催化的反应中葡萄糖的浓度。,检测葡萄糖葡萄糖氧化酶+过氧化物酶,a. 500nm下测不同浓度葡萄糖液的标准曲线b. 待测葡萄糖溶液的OD500c. 计算得出葡萄糖的量。,肝肾病变诊断,尿素 + H2O 二氧化碳 + 氨气,尿素酶,尿素在肝生成, 通过肾排出体外。肾功能障碍时, 尿液中尿素减少而血液中尿素增加; 肝病变时, 尿素的生成量减少, 血液和尿液中尿素均减少。,肝硬化、肝昏迷诊断,谷氨酰胺 + H2O 谷氨酸 + 氨气,谷氨酰胺酶,癌基因检测,DNA聚合酶,脑中氨基酸代谢生成的氨被转化为谷氨酰胺，以消除氨对中枢神经毒害。患者的脑氨增加，使得谷氨酰胺增加。10%硫酸溶液与氨气生成硫酸铵，用铵显色剂，测OD490,抗体和抗原检测,酶标免疫检测法,健美生消化酶帮助肠胃蠕动【成分(每片含)】1)消化蛋白质：木瓜蛋白酶50毫克、菠萝蛋白酶30毫克；2)消化脂肪：脂肪酶30毫克；3)消化碳水化合物/淀粉：淀粉酶50毫克；4)消化乳制品：乳糖酶30毫克；5)消化纤维：纤维素酶15毫克。另含：能抑制过多胃酸的葡萄糖酸钙，能缓解反胃薄荷叶和茴香,消化酶类,2 酶与疾病治疗,促进消化,消炎消肿,溶菌酶：抗菌、消炎、镇痛，还可与病毒形成复合物，用于带状孢疹、水痘、肝炎、流感等治疗。常与抗生素合用。来源：蛋清，细菌,细菌溶解死亡,作用于细胞壁,其他消炎酶：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、胶原酶：抗感染、抗炎尿酸酶：分解尿酸，治疗痛风性关节炎,治疗心血管疾病,高血压,冠心病,心血管疾病：涉及心脏和/或血管（动脉和静脉）的多种疾病，与动脉粥样硬化相关。,人类健康的头号杀手,心肌梗死,心力衰竭,高血脂症,纤溶酶原激活剂tPA,纤溶酶原激活剂：一种丝氨酸蛋白酶，催化纤溶酶原水解，形成纤溶酶，进而溶解血纤维蛋白。,激肽释放酶（血管舒缓素）,治疗血栓和凝血,尿激酶、链激酶、链道酶、溶血纤维酶：用于移去凝血块凝血酶：用于各种出血性疾病,凝血酶催化纤维蛋白原水解，生成不溶性血纤维蛋白，从而进行凝血,凝血酶,纤维蛋白原,可溶性纤维蛋白多聚体（软凝块）,纤维蛋白多聚体（硬凝块）,治疗癌症,L-天冬酰胺,L-天冬氨酸 + 氨,L-天冬酰胺酶,L-天冬酰胺合成酶,细胞合成蛋白质时的重要物质,L-天冬酰胺酶：白血病、淋巴肉瘤等可能过敏，需皮内预试。其他酶：谷氨酰胺酶、精氨酸酶、亮氨酸脱氢酶、喋呤脱氢酶,SOD酶：抗辐射，红斑狼疮，结肠炎，皮炎和氧中毒疾病,抗辐射等,眼科疾病,治疗其他疾病,耳鼻喉疾病,皮肤科疾病,毒蛇咬伤,构建人工器官,代谢紊乱,作业：文献查阅,艾滋病,癌症,高血压,癫痫,酶抑制剂药物：对目标酶的有效抑制，在体内稳定,3 酶与药物设计,酶抑制剂药物,流行性感冒,痛风,治疗AIDS的酶抑制剂,整合酶抑制剂,蛋白酶抑制剂,反转录酶抑制剂,HIV病毒,Zidovudine齐多夫定(AZT),叠氮脱氧核苷(azidothymidine,AZT)是FDA批准的第一个用于治疗艾滋病的临床药物，商品名齐多夫定。,反转录酶抑制剂,叠氮脱氧核苷（azidothymidine，AZT）,反转录酶抑制剂,双脱氧肌苷（dideoxyinosine，ddI）,双脱氧胞苷（dideoxycytidine，ddC）,HIV-1蛋白酶抑制剂,沙奎那韦,治疗癌症的酶抑制剂,二氢叶酸还原酶抑制剂,甲氨蝶呤，Methotrexate，MTX主治：急性白血病，头颈部肿瘤，原发性肝癌,鸟嘌呤核苷酸合酶（GMP synthease）抑制剂,6-巯基嘌呤 (Mercaptopurine)主治儿童急性白血病,6-硫鸟嘌呤（Thioguanine ）主治：成人急性非淋巴细胞白血病,胸腺嘧啶核苷酸合酶抑制剂,5-氟尿嘧啶（Fluorouracil ）抗肿瘤谱较广,呋喃氟尿嘧啶（Tegafur）抗肿瘤谱较广,强效EGFR（表皮生长因子受体）酪氨酸激酶抑制剂,Iressa 易瑞沙 (吉非替尼片),增生,X,凋亡,血管生成,转移,细胞膜,癌细胞,Iressa,EGF,TGFa,X,X,X,细胞核,激酶,X,作用机制,细胞周期蛋白依赖性激酶（CDKs）抑制剂,Staurosporine,K252a,CEP-1347,Eric Meggers Group,Mimicking the protein kinase inhibitor staurosporine with octahedral metal complexes,硫氧还蛋白还原酶TrxR抑制剂,作业：端粒酶抑制剂，其他抗癌酶抑制剂,治疗高血压的酶抑制剂,血管紧张素转化酶（ACE）抑制剂,Captopril 卡托普利,治疗癫痫的酶抑制剂,-氨基丁酸（GABA）转氨酶和谷氨酸脱羧酶抑制剂,丙戊酸钠盐,碳酸苷酶（carbonic anhydras, CA ）抑制剂,乙酰唑胺 acetazolamide,治疗癫痫的酶抑制剂,4 酶与药物生产,非甾体类抗炎剂,抗生素,甾体激素,核苷、核苷酸,酶催化药物生产,酶法拆分,受体拮抗剂,(S)-普萘洛尔，心得安propranolol,(S)-阿替洛尔Atenolol,治疗高血压、心肌梗死,酶法拆分生产-阻断剂药物,脂肪酶PS拆分,异丁苯丙酸, 布洛芬 (S)-(+)-Ibuprofen,酶法拆分生产非甾体抗炎剂,抗炎、止痛药,苯酮苯丙酸(S)-ketoprofen,萘普生(S)-naproxen,脂肪酶CCL拆分,酶法生产核苷、核苷酸,利巴韦林, 病毒唑 ribavirin,阻碍病毒核酸合成，广谱抗病毒药物，包括DNA和RNA病毒,IMP脱氢酶抑制剂,核苷磷酸酯酶,核苷磷酸酯酶,利巴韦林的酶促合成,阿糖腺苷 Vidarabine,酶法生产核苷、核苷酸,抗病毒，抗癌,由阿糖尿苷生成阿糖腺苷的反应分两步完成,+,尿苷磷酸化酶,嘌呤核苷酸磷酸化酶,第一步,第二步,酶法生产甾体激素,治疗过敏性皮炎、红斑狼疮、类风湿性关节炎、支气管炎，眼病等,氢化可的松，皮质醇,用11-羟化酶生产,酶法生产胆固醇药物,合成胆固醇的限速酶,普伐他汀,洛伐他汀,辛伐他汀,HMG-CoA还原酶抑制剂,细胞色素P450酶系统,化学法生产,土曲霉发酵生产,HMG-CoA还原酶3-羟基-3-甲基-戊二酰辅酶A还原酶,(R)-4-腈基-3-羟基丁酸乙酯,阿托伐他汀(立普妥),Atorvastatin(Lipitor),HheC,7.2 酶与生物质能源,petroleum,coal,natural gas,World,China,230year,80year,45year,15year,61year,30year,Remaining Fossil fuel,太阳能热利用太阳能光伏发电Solar Power,风能发电Wind Power,Renewable Energy,海洋能Ocean energy法国朗斯潮汐发电站,地热能Geothermal Energy 西藏羊八井地热发电站,Renewable Energy,Note: Figures are for the year 2007. No information is included for hydrogen fuel because it was not yet being used in large enough quantities.,薪柴、木炭、林业废弃物,Biomass Energy,农作物残渣，如秸秆,Biomass Energy,牲畜粪便,Biomass Energy,沼气池,Biomass Energy,我国目前1800万个户用沼气池，年产70亿立方米沼气大型沼气池1500处，年产10亿立方米,水生植物： 微藻&浮萍,Biomass Energy,能源作物,Biomass Energy,甜高粱,菊芋,芒属植物,油棕榈,能源作物,Biomass Energy,食品工业残渣：甘蔗渣,城市有机垃圾,Biomass Energy,生物质能的特点,不受时空限制，易于获得，数量巨大,农作物秸秆 3亿吨/年 1.5亿吨标准煤林业废弃物 3亿吨/年 2亿吨标准煤能源作物面积 2千多万hm2 5千万吨生物燃料畜禽养殖和工业有机废水 800亿吨沼气 ,我国生物质资源可转换为能源潜力约5亿吨标准煤。,可以再生，减少CO2排放，较少污染物排放,能源品位低，分布分散，转化技术复杂,生物柴油,生物化学电池,燃料乙醇,沼气发酵,生物产氢,高级醇生物燃料,生物质发电,现代生物质能领域,Enzyme Application inBiomass Energy,燃料乙醇,以淀粉为原料,以木质纤维素为原料,燃料乙醇：高浓度无水乙醇，经变性处理，不能食用，只能与汽油混配，用作燃料。,淀粉,木质纤维素,糖,酶降解,乙醇,酵母发酵，蛋白酶,淀粉生产乙醇的主要工艺,制浆,糊化,液化,糖化,发酵,蒸馏,-葡聚糖酶+戊聚糖酶,磨碎的谷物,蒸汽,-淀粉酶,糖化酶,酵母、蛋白酶,蒸汽,乙醇,水,蒸馏残渣,离心,回收残渣,预料液的黏度降低用酶,-葡聚糖酶、戊聚糖酶（Novozymes公司） Viscozyme Wheat, Viscozyme Barley 或Viscozyme Rye. 预液化的料液在搅拌罐开始混合的30min内就会变稀，便于搅拌、输送和传热，节省能源。,淀粉转化-液化用酶,热稳定性的 -淀粉酶 Liquozyme SC（基因工程改造而得）系统名称：1,4- -D- 葡聚糖，葡聚糖水解酶 迅速降低粘度，同时伴随水解反应。 在更低pH和钙离子水平下使用。 应用方便，降低生产成本。,糖化酶,葡萄糖淀粉酶 Spirizyme Fuel （基因工程菌株深层发酵而得）活力更高，稳定性更强。 最高在70下运行。,蛋白酶,发酵过程中，加入蛋白酶增加酵母的营养 ，确保更高的玉米处理量，而无需增加发酵罐和蒸馏塔投入。 大约增加20%30%处理量,木质纤维素生产燃料乙醇的主要工艺,多聚糖链,单糖,发酵,蒸馏,纤维素原料粉碎,热化学预处理,纤维素酶/半纤维素酶,酵母,蒸汽,乙醇,蒸馏残渣,离心,回收残渣,来源广，成本低,纤维素酶和半纤维素酶,纤维素酶混合物： 瑞氏木霉纤维素酶（Cellucalst）与 纤维二糖水解酶（Novozyme 188）促进纤维素水解 或瑞氏木霉纤维素酶（Cellucalst） 与-葡萄糖苷酶（BG）混合促进纤维素水解 纤维素酶与半纤维素酶混合物： 瑞氏木霉纤维素酶（Cellucalst）与 阿拉伯木聚糖降解酶Ultraflo L存在协同作用,瑞氏木霉纤维素酶（Cellucalst）与 -葡萄糖苷酶（BG） 混合促进纤维素水解，A：Cellucalst ； B: Cellucalst +BG,瑞氏木霉纤维素酶（Cellucalst）与 阿拉伯木聚糖降解酶Ultraflo L的协同作用,Cellucalst,Ultraflo L,Cellucalst+Ultraflo L,丹麦工业大学，从秸秆生产乙醇。150kg/d，共有17个罐，乙醇发酵2个2700L发酵罐，2006秋已投入运行,基于淀粉S和木质纤维素L工艺的能源（蒸汽）和资金成本分析,原料储存,预处理和水解,SSF和发酵,蒸馏,除水,蒸发,烘干,其他,World Ethanol Production,生物柴油,生物柴油： 由动植物油脂与甲醇/乙醇（短链脂肪醇）经酯交换反应，制得的长链脂肪酸甲酯或乙酯。 可再生的清洁能源 不含石蜡，低温下发动机可启动， -20 较高运动粘度，良好润滑性能 无需改动柴油机，可与普通柴油调和使用,动植物油脂 + 3甲醇,长链脂肪酸甲酯 + 甘油,脂肪酶,工程微藻生产生物柴油第三代生物燃料,优点：a 生产能力高，节约农业资源；b 比陆生植物单产油脂高出几十倍；c 生物柴油不含硫，环保,脂肪酶,2009, scientists at Warwick Univ. invented “World First Formula 3 racing car.” The car runs on biodiesel that is from chocolate waste and vegetable oils. Racing speeds：more than 145 miles (233 kilometers) per hour.,7.3 酶与环境保护,重金属污染,土壤污染,太湖蓝藻,染料废水,造纸废水,漏油事故,农药残留,Enzyme Application in Environmental Monitoring（环境监测）,酶法分析的特点,特异性灵敏度高反应条件温和，减少环境污染检测手段多样化 显色法、光吸收法、荧光法、电化学法、微量热法反应类型：单酶反应、偶联酶反应、和酶循环放大反应,胆碱酯 + 水,胆碱 + 脂肪酸,胆碱酯酶,显色,阴性,弱阳性,强阳性,酶检测农药残留,酶检测亚硝酸盐,HNO2 + NAD(P)H,NAD(P)+ + NO + H2O,亚硝酸还原酶,制成固定化酶电极，检测水中亚硝酸盐的浓度,酶检测重金属污染,汞,SLDH1活力升高,乳酸脱氢酶同工酶SLDH,铜,SLDH4活力升高,镉和铅,SLDH5活力升高,酶检测细菌污染,4-甲基香豆素基-葡聚糖,甲基香豆素,大肠杆菌-葡聚糖甘酸酶,荧光,紫外,Enzyme Application inEnvironment treatment（环境治理）,果蔬解毒酶,污水管道系统,污水处理系统,受纳水体,污水的收集与处理系统组成,废水的治理,废水的治理用酶,过氧化物酶,漆酶,多酚氧物酶,-淀粉酶,造纸废水,含酚/氯/芳香胺废水,(亚)硝酸还原酶,(亚)硝酸盐废水,脱卤酶,AB生物处理技术,活性污泥法,废水生物处理技术,废水生物脱氮除磷技术,ABR生物处理技术,SBR生物处理技术,LINDE生物处理技术,MBR生物处理技术,涤饵DEAR净水复合酶,印染废水MBFB膜生物流化床工艺设备,7.4 酶在其他领域的应用,食品工业淀粉生产糖浆的主要工艺,淀粉乳,液化,糖化,纯化,异构化,水,淀粉,-淀粉酶,淀粉葡萄糖酶/普鲁兰酶,葡萄糖异构酶,果葡糖浆,精制,麦芽糖浆,葡萄糖浆,混合糖浆,蒸汽,食品工业啤酒加酶酿造工艺,糖化锅,糊化锅,麦芽汁冷却器,主发酵罐,后发酵罐,煮沸锅,辅料,-淀粉酶,麦芽大麦小麦,麦芽汁,啤酒,酶B,酶C,酶A,过滤,酒花,酶A：-淀粉酶，蛋白酶，-葡聚糖酶，戊聚糖酶酶B：脱支酶，-淀粉酶，糖化酶，-葡聚糖酶，-乙酰乳酸脱羧酶酶C：蛋白酶,酵母,食品工业常用酶,保鲜：葡萄糖氧化酶、溶菌酶等奶酪：凝乳蛋白酶、天冬氨酸型蛋白酶等果汁：鼠李糖苷酶、花青素酶、果胶酶等面包：-淀粉酶、麦芽糖淀粉酶、木聚糖酶等酸味剂：乳酸脱氢酶、延胡索酸酶等增味剂：谷氨酸脱氢酶等甜味剂：嗜热菌蛋白酶、葡萄糖基转移酶等,浸水,脱毛/浸灰,脱脂,软化,浸酸/鞣制,蛋白酶 pH 89,动物皮,蛋白酶 pH 1213如NUE 0.6MOX,脂肪酶如Creasex 100L,蛋白酶/脂肪酶pH 34,皮革,轻工业皮革加工工艺,蛋白酶 pH 2.57,制浆,稀释,漂白,木料,木聚糖酶如Pulpzyme HC,纸浆,轻工业纸浆工艺,碎浆,废纸,纤维素酶如Novozyme 342,木质素酶,轻工业常用酶,纺织原料： -淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶生丝脱胶：胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等羊毛除垢：枯草杆菌蛋白酶等烟草原料：纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、硝酸还原酶、蔗糖转化酶（增加香气）洗涤剂：碱性蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶牙膏：蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、右旋糖酐酶（预防龋齿）,农业常用酶,饲料：淀粉酶、蛋白酶、植酸酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、木聚糖酶、-葡聚糖酶水产养殖：纤维素酶、-葡聚糖酶、木聚糖酶、淀粉酶、蛋白酶和植酸酶鱼类加工：胰蛋白酶、木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、三甲胺氧化酶（去除腥气）、胶原酶（除鱼鳞）、胃蛋白酶（回收胶原蛋白）、转谷氨酰胺酶海藻加工：纤维素酶、细胞壁溶解酶贝类加工：中性蛋白酶、胃蛋白酶,7.5 酶制剂的安全与法规,非传统微生物菌株,基因工程技术,酶制剂的安全性问题,加酶洗涤剂过敏事件,避免吸入或直接接触粉末状酶或液体酶产品