现代酶工程(2)课件

1、1 酶工程 Enzyme Engineering 2 第一章第一章 绪绪 论论 3 第一章第一章 绪绪 论论 第一节第一节 酶的基本概念酶的基本概念 第二节第二节 酶工程发展概况酶工程发展概况 第三节第三节 酶的生产方法和应用酶的生产方法和应用 4 第一节 酶的基本概念 一、人们对酶的认识一、人们对酶的认识 和酶的和酶的 生物学意义生物学意义 二、酶的催化特性二、酶的催化特性 三、酶的分类与命名三、酶的分类与命名 四、酶活力的测定四、酶活力的测定 5 一、人类对酶的认识及其生物学意义一、人类对酶的认识及其生物学意义 人们对酶的认识最早起源于酿酒、造酱、 制饴和治病等生产与生活实践 6 中国 我

2、们的祖先在几千年以前就已经开 始利用酶： 夏禹时代，人们就会酿酒；夏禹时代，人们就会酿酒； “周礼周礼”上也已有造酱、制饴的记载；上也已有造酱、制饴的记载； 春秋战国时期，已采用曲治疗消化春秋战国时期，已采用曲治疗消化 不良等疾病的案例。不良等疾病的案例。 当然，在那个时代，我们祖先对酶还是 缺乏认识。 7 西方 随着人们对酿酒发酵过程随着人们对酿酒发酵过程 研究的深入，从研究的深入，从1919世纪起对酶的认世纪起对酶的认 识也逐渐深入。识也逐渐深入。 8 1810年Jaseph-Lussac发现： 酵母可将糖转化为酒精 9 酶的现代史可以追溯到酶的现代史可以追溯到18331833年年 183

3、31833年年, ,佩恩佩恩( (Payen)Payen)和帕索兹和帕索兹 ( (Persoz)Persoz)首先发现酶；首先发现酶； 10 1833年年,他们在他们在Annales de Chemie et de Physique期刊发表文章期刊发表文章 文章中,法国化学家Anselme Payen和 Jean-Franois Persoz描述了从大麦的麦芽 中分离淀粉酶多聚体的过程，并将之命 名为淀粉酶。和麦芽一样，该产物将糊 化淀粉转变成糖，主要是麦芽糖。 11 18351835年瑞典的年瑞典的J Jns Jacob Berzeliusns Jacob Berzelius 首次证明了用麦

4、芽提取物可以比首次证明了用麦芽提取物可以比 硫酸更有效地降解淀粉，并将这一过硫酸更有效地降解淀粉，并将这一过 程称为催化。程称为催化。 12 1836年德国生理学家年德国生理学家 Theodor Schwann 在研究消化过程时，分离出 一种在胃内消化蛋白的物质，将 它命名为胃蛋白酶。这是第一个 从动物组织中提取到的酶。 13 在对酶的认识上还存在在对酶的认识上还存在 着一段长达着一段长达6060年关于酵母年关于酵母 的争论的争论 14 1839年，德国化学家年，德国化学家Jutus von Liebig建立了一个模型来阐述酵母建立了一个模型来阐述酵母 在发酵过程中的作用。他把在发酵在发酵过程

5、中的作用。他把在发酵 混合液中的酵母看作一个能产生震混合液中的酵母看作一个能产生震 荡的分解物质：荡的分解物质： 蔗糖原子经过重排，蔗糖原子经过重排， 变为酒精和二氧化碳。变为酒精和二氧化碳。 15 Liebig首次认为发酵现象是 由于酵母细胞中含有发酵酶，是 发酵酶催化糖发酵产生酒精。 但由于当时科学和技术但由于当时科学和技术 的限制，他未能从酵母细胞中制的限制，他未能从酵母细胞中制 备出可催化发酵的无细胞酶制品备出可催化发酵的无细胞酶制品。 16 而到而到1858年，法国化学年，法国化学 及生物学家及生物学家Louis Pasteur用一用一 系列文章证明发酵仅在活体细系列文章证明发酵仅在

6、活体细 胞状态下才会发生胞状态下才会发生 即是与生命相关的现象即是与生命相关的现象 Louis Pasteur视视 其为一种生理活动。其为一种生理活动。 17 对酵母在发酵过程中作用对酵母在发酵过程中作用 机理的分歧，引发了机理的分歧，引发了Liebig和和 Pasteur之间的激烈争论。之间的激烈争论。 直到直到Liebig和和Pasteur先后先后 于于1873年和年和1895年去世，争论仍年去世，争论仍 未结束。未结束。 18 1897年，德国化学家年，德国化学家Eduard Bchner 和和 Hans Bchner（常称（常称 Bchner 兄弟）兄弟）发现一种离体酵母提发现一种离体

7、酵母提 取物可以使酒精发酵，即酵母细胞产取物可以使酒精发酵，即酵母细胞产 生一种酶，这种酶引起发酵。生一种酶，这种酶引起发酵。 19 证明离体酵母提取物证明离体酵母提取物 可以象活体酵母细胞一样将葡可以象活体酵母细胞一样将葡 萄糖转变为酒精和二氧化碳。萄糖转变为酒精和二氧化碳。 换句话说，这一转变并不依赖换句话说，这一转变并不依赖 于酵母细胞，而是依赖于无生于酵母细胞，而是依赖于无生 命的酶。命的酶。 20 Buecher兄弟结果的意义 从实验上说明了发酵与细 胞的活力无关 表明了酶能够以溶解的、 有活性的状态从破碎的细 胞中分离出来， 21 推动了酶的分离以及对酶 的理化性质的进一步探讨 和

8、研究 促进了各种与生命活动过 程有关的酶系统的深入研 究 22 至此，至此，LiebigLiebig和和PasteurPasteur之间的争之间的争 论就最终得到解决。论就最终得到解决。 B Bchnerchner兄弟也由此奠定了现代生兄弟也由此奠定了现代生 物化学的基石。物化学的基石。 23 从此时开始，人 类对具有生物催化的酶有 了一个较为清晰的认识 24 1876年，年，William Kuhne提议用提议用 新的术语新的术语-酶（酶（enzyme）来表示未统）来表示未统 一名称的已知的各种酵素。如从活体一名称的已知的各种酵素。如从活体 组织中提取的酵素等。组织中提取的酵素等。 enzy

9、me本身的意思是本身的意思是“在酵母在酵母 中中”，起源于希腊语，其中，起源于希腊语，其中en表示表示 “在之内在之内，zyme- 表示酵母表示酵母 或酵素或酵素 25 此外还有一些划时代的事件：此外还有一些划时代的事件： 1913年，年， Leonor Michaelis和和 Maud Menten提出了描述酶反应速提出了描述酶反应速 率和底物浓度之间关系的动力学模率和底物浓度之间关系的动力学模 型；型； 1926年，年，Sumner第一次从刀豆中第一次从刀豆中 提出脲酶结晶，并证明酶具有蛋白提出脲酶结晶，并证明酶具有蛋白 质性质；质性质； 26 1930年，年，Northrop分离出分离出

10、 结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及 凝乳蛋白酶，并进行了动力学凝乳蛋白酶，并进行了动力学 探讨，确立了酶的蛋白质本质。探讨，确立了酶的蛋白质本质。 27 1982年，年，Thomas R. Cech等发现核糖核酸等发现核糖核酸(RNA) 也具有催化活性。也具有催化活性。 28 酶的生物学意义和应用 29 从微生物从微生物 到植物再到植物再 到人，酶到人，酶 是所有有是所有有 机体体内机体体内 的组成成的组成成 分。分。 30 ！人、动物、植物以及细菌、真菌等 微生物的体内都有酶。 ！酶是自然界的工具，它们剪切、拼 接营养物质等。 ！酶催化所有生物体必需的代谢活 动；比如，在

11、胃内，酶将食物消化 为极小的颗粒，以易于转化为体内 的能量。 31 可以这样说，在生物有 机体内每当物质需要由一种 形式转化为另一种形式时， 酶都可以起催化作用促使反 应加速。 32 生命活动生命活动 生化反应生化反应 在酶的催在酶的催 化作用下化作用下 生物体内，组成生命活动的大量生物体内，组成生命活动的大量 生化反应都是在酶的催化作用生化反应都是在酶的催化作用 下得以有序而顺利地进行，进而下得以有序而顺利地进行，进而 保证了正常代谢途径的畅通而不保证了正常代谢途径的畅通而不 发生副反应，几乎所有生物的生理发生副反应，几乎所有生物的生理 现象都与酶的作用紧密相关现象都与酶的作用紧密相关 酶是

12、一类酶是一类 生物催化生物催化 剂，其化剂，其化 学本质为学本质为 蛋白质蛋白质 可以这样说，可以这样说， 没有酶的存在没有酶的存在 ，就没有生物，就没有生物 体的一切生命体的一切生命 活动活动 33 34 3 3 酶是生物体自身的工程师酶是生物体自身的工程师 35 4 4 每一种酶都有其特定的功能每一种酶都有其特定的功能 36 5 5 酶可以被完全生物降解酶可以被完全生物降解 37 6 6 酶是工业问题的自然解决方案酶是工业问题的自然解决方案 38 6 6 日常生活离不开酶日常生活离不开酶 39 人类对酶的化学本质的认识 历史上对酶的化学本 质的认识也经历了一个曲折的 过程 40 自从人类对

13、酶的催化作 用有了认识以后，一直到上世纪 初，对酶的化学本质认识都存在 争议，主要是酶的化学本质是什 么没有一个统一的认识。 41 上世纪20年代初，著名 学者Richard Willstatter认为 酶是非蛋白质，并开展大量 的研究试图证明他的观点 42 Willstatter的实验 Willstatter将过氧化物 酶纯化了12000倍后，酶的活性 很高，但却检测不到蛋白质 43 Willstatter的结论 Willstatter错误地认为酶是由 活动中心与胶质载体组成，活动中心 决定酶的催化能力及专一性，胶质载 体的作用在于保护活动中心，蛋白质 只是保护胶质载体的物质 以此来解释酶纯

14、度越高越不稳定 的实验事实。 44 观点错误的原因 由于当时蛋白质的检测水 平的限制而产生 后果：后果：但由于Willstatter的权 威地位，使这一观点在当时较 为流行 45 19261926年年SumnerSumner第一个通过第一个通过 分离和结晶得到了脲酶分离和结晶得到了脲酶 提出了酶是由蛋白质组成提出了酶是由蛋白质组成 的观点的观点 46 直到直到NorthropNorthrop和和KunitzKunitz得到了胃得到了胃 蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白 酶的结晶，并用相关的实验方法酶的结晶，并用相关的实验方法 证实酶是一种蛋白质证实酶是一种蛋白质 此后，

15、酶的蛋白质属性才普遍被此后，酶的蛋白质属性才普遍被 人们接受。人们接受。 47 迄今为止，所发现的酶 已经超过4000种，而这些酶都 是由生物体自然产生的具有催 化能力的是蛋白质 48 值得指出的是，近年来，核酶、 抗体酶、模拟酶或人工酶的发 现，对酶的化学本质的传统概 念提出了挑战 49 酶的定义：酶的定义： 酶是由活细胞产生的，在细胞酶是由活细胞产生的，在细胞 内、外一定条件下都能起催化作用内、外一定条件下都能起催化作用 的具有高效率和高度专一性的一类的具有高效率和高度专一性的一类 特殊蛋白质，特殊蛋白质，酶能在机体内十分温 和的条件下高效率地起催化作用， 使得生物体内的各种物质处于不断

16、的新陈代谢中。 50 蛋白质 酶（酶的化学本质） 酶 的 化 学 本 质 51 酶 1 蛋白质（单一） 2 蛋 白 质 + 其 他 辅助 因子 辅酶 52 酶的组成酶的组成 一一. .酶的化学组成酶的化学组成 1.1.单成分酶（单纯蛋白质单成分酶（单纯蛋白质/ /简单蛋白质）简单蛋白质） 2.2.双成分酶（结合蛋白质）双成分酶（结合蛋白质） (1)蛋白质部分（酶蛋白） 稳定辅因子 (2)非蛋白质部分（辅因子） 起催化作用 小分子有机化合物 金属离子 全酶全酶= =酶蛋白酶蛋白+ +辅因子辅因子 53 辅基辅基/ /辅酶和维生素辅酶和维生素 1.维生素的概念维生素的概念 脂溶性维生素： A(视黄

17、醇) D E(生育酚) K 维生素 硫辛酸（氧化型） 水溶性维生素：Vc（抗坏血酸） VB: B1(硫胺素) B2(核黄素) B3(泛酸) B5(PP) B12（钴胺素） B6 (吡 哆醇/醛/胺） B7 (生 物素 ） 硫辛酸（还 原型） 54 2.2.辅基辅酶在酶促反应中的作用辅基辅酶在酶促反应中的作用 传递电子 、原子或某些基团 55 传递氢的辅基传递氢的辅基/辅酶辅酶 1. 辅酶辅酶I/辅酶辅酶II及维生素及维生素PP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD/ CoI ） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （ NADP/CoII） NAD+（ NADP+

18、） NAD(P )H + H+ +2H+ , 2e -2H+ ,2e 56 2. 黄素核苷酸和维生素黄素核苷酸和维生素B2 (1) 黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（FMN) (2) 黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD) FMN （FAD) FMNH2（FADH2) 3. 维生素维生素C（抗坏血酸）（抗坏血酸） 4. 泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q) 5. 谷胱甘肽谷胱甘肽 2GSH GSSG +2H+ , +2e -2H+ ,-2e -2H + 2 H + + 2 H + +2H 57 二二. .传递电子的辅基传递电子的辅基铁卟啉铁卟啉 Fe 3+ Fe 2+ 三三. .转移基团的辅基转移基团

19、的辅基/ /辅酶辅酶 1.传递磷酸根的辅酶传递磷酸根的辅酶腺苷磷酸酯腺苷磷酸酯 (ATP/ADP/AMP) 转移磷酰基转移磷酰基 ATP + S ADP + P-S 转移糖基转移糖基 ATP + 糖糖-P ADP-糖糖 + PPi 转移转移AMP ATP + FMN FAD + PPi 转移腺苷转移腺苷 ATP + Met + H2O 腺苷腺苷- Met + PPi + Pi 能量的载体能量的载体 ATP + H2O ADP + Pi +e -e 58 三三. .转移基团的辅基转移基团的辅基/ /辅酶辅酶 2.脱羧的辅酶硫胺素焦磷酸（TPP) 硫胺素+ATP TPP + AMP 3.转移酰基的

20、辅酶 （1）辅酶A和泛酸 CoA-SH + RCOOH CoA-S-COR + H2O CoA-S-COR +底物 底物- COR + CoA- SH （2）硫辛酸和VB1 mg 硫胺素激酶 59 4.转移氨基的辅酶和VB6 磷酸吡哆醛（PLP)/磷酸吡哆胺(PMP) AA 酮酸 PCHO PCH2NH2 5.固定CO2的辅酶生物素(VB7 、 VH） 6.转移一碳基团的辅酶 (1)四氢叶酸（FH4) (2)钴铵素(VB12) 酮酸AA 60 酶活性中心示意图酶活性中心示意图 61 酶酶 的的 活活 性性 中中 心心 酶分子中的酶分子中的 氨基酸残基氨基酸残基 辅酶或辅助因子辅酶或辅助因子 或

21、它们的部分或它们的部分 结构结构 酶的活性中心构成酶的活性中心构成 62 二级结构二级结构 三级结构三级结构 一级结构一级结构 四级结构四级结构 酶的结构酶的结构 63 酶的一级、二级、三级和四级结构示意图 64 酶的空间结构 四级 结构 三级结构 二级 结构 酶的空间结构 65 酶的一级结构 酶分子中氨基酸酶分子中氨基酸 的排列顺序。的排列顺序。 酶的化学酶的化学 结构结构 酶的一级结构酶的一级结构 66 酶的二级结构 酶的酶的 二级二级 结构结构 67 酶蛋白的-螺旋结构 68 酶蛋白的折叠结构 69 由-螺旋、折叠和随机结构 构成的溶菌酶的空间结构 70 酶的三级结构 酶的三 级结构 7

22、1 酶的四级结构 酶的四 级结构 72 酶的四级结构 73 疏水键疏水键 离子键 74 单体酶 酶的存在类别 寡聚酶 多酶融合体 多酶复合体 75 单体酶 76 寡聚酶 77 寡聚酶 78 多酶复合体 多 酶 复 合 体 79 多酶复合体 酶2 酶3 酶1 酶4 酶6 酶5 80 二、酶的生物催化特性二、酶的生物催化特性 81 与生物膜结合与生物膜结合 一种结构更高的多酶复合体，酶整齐的排 列在生物膜上。催化效率最高。（如呼吸链） 酶1 酶2 酶4 酶5 酶3 82 与一般的化学催化剂相 比较，酶既拥有一般催化剂 的共性，又有特性 83 共性 特性 酶催化作用的特点 84 2H2O2 2H2O

23、+O2 Fe2+作为催化剂 催化效率为 610-4 mol/(mol.s) 过氧化氢酶，催化效率 为6106 mol/(mol.s 过氧化氢酶比Fe2+ 的催化效率要高出 1010倍 酶的催化效率相对其他无机 或有机催化剂要高1061013倍 例子 85 酶对它所作用的底物有严格的选择性，一种酶只能 催化某一类，甚至是某一种物质起化学反应 酶的专一性底物专一性 反应专一性 立体异构专一性 (手性、区域) 从根本上保证了生物体内为数众多的各种 各样的化学反应能有条不紊地协同进行 86 酶催化酶催化 专一性专一性 作用机作用机 制假说制假说 87 酶的催化作用机理酶的催化作用机理 一一. . 中间

24、产物学说中间产物学说 二二. .酶作用专一性机理酶作用专一性机理 1.1.锁钥学说锁钥学说 2.2.诱导契合学说诱导契合学说酶受底物诱导而变形酶受底物诱导而变形 3.3.张力学说（应变效应）张力学说（应变效应）底物变形以适应酶底物变形以适应酶 三三. .酶作用高效性机理酶作用高效性机理 -影响酶高效性的因素影响酶高效性的因素 1.1.邻近定向效应邻近定向效应 2.2.应变效应应变效应 3.3.亲核催化亲核催化/ /亲电催化（共价催化）亲电催化（共价催化） 4.4.酸碱催化酸碱催化 5.5.微环境的影响微环境的影响 88 酶催化作用的中间产物学说酶催化作用的中间产物学说 E + S ES P +

25、 E （酶酶 ） 底物）底物） （中间物（中间物 ） （产物（产物 ） （酶）（酶） 中间产物存在的证明：中间产物存在的证明： H2O2 + 过氧化物酶过氧化物酶 （H2O2 过氧化物酶）过氧化物酶） （ 褐色）褐色） （ 红色）红色） 645587548498nm 561550nm （H2O2 过氧化物酶）过氧化物酶）+ AH2 过氧化物酶过氧化物酶 + A + 2H2O （ 红色）红色） （ 褐色）褐色） 89 锁锁 钥钥 学学 说说 90 诱导契合学说 91 邻邻 近近 定定 向向 效效 应应 92 温和的反应条件温和的反应条件 常 温 常常 压压 接近中性的接近中性的pH值值 不需要耐

26、高温、高压以及 耐强酸、强碱的反应器 93 酶催化机理实例酶催化机理实例胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶 1.1.胰凝乳蛋胰凝乳蛋 白酶结构白酶结构 94 2.胰凝乳蛋白酶的电荷接力胰凝乳蛋白酶的电荷接力 网网 95 3. 胰凝乳蛋白酶的催化过程胰凝乳蛋白酶的催化过程 A.A.酶与底物结合，形成米氏复合物（酶与底物结合，形成米氏复合物（ESES）B.B.形成四联体过渡态中间物形成四联体过渡态中间物 96 97 E.E.形成包括水分子的四联体过度中间物形成包括水分子的四联体过度中间物 F.F.羰基产物形成，酶游离羰基产物形成，酶游离 98 酶 的 调 控 方 式 调节酶的调节酶的 活性、酶量活性、酶量

27、来控制代来控制代 谢速度，谢速度， 以满足生以满足生 命的各种命的各种 需要和适需要和适 应环境的应环境的 变化变化 99 降低化降低化 学反应学反应 的活化的活化 能能 100 底物 酶 “底物+酶” 中间络合物 产物 酶 101 与底物结合与底物结合 的结合中心的结合中心 促进底物发促进底物发 生化学变化生化学变化 的催化中心的催化中心 决定了酶 的专一性 102 需要辅酶 的酶一级结构上可能相距甚 远，甚至是位于不同的 肽链上，通过肽链的盘 绕、折叠而在空间构象 上相互靠近 103 酶原 酶 原 104 酶原酶原- -酶关系酶关系 例子例子 105 106 三酶的命名和分类 107 2-

28、根据酶所催化的反应性质根据酶所催化的反应性质 酶学研究早期，无系统的命名法则酶学研究早期，无系统的命名法则 1-根据酶的作用底物命名根据酶的作用底物命名 淀粉酶淀粉酶 蛋白酶蛋白酶 脂肪酶脂肪酶 氧化酶氧化酶 还原酶还原酶 转氨酶转氨酶 108 1 2 结合法结合法 胆固醇胆固醇 氧化酶氧化酶 醇醇 脱氢酶脱氢酶 谷丙谷丙 转氨酶转氨酶 来源来源 心心 肌肌 黄黄 酶酶 胰胰 蛋蛋 白白 酶酶 109 缺点 110 1961年提出年提出 1965、1972、1978、 1984修改、补充修改、补充 系统命名法系统命名法 国际分类法国际分类法 111 1-氧化还氧化还 原酶类原酶类 2-转移转移

29、 酶类酶类 3-水解水解 酶类酶类 6-合成合成 酶类酶类 5-异构异构 酶类酶类 4-裂解裂解 酶类酶类 1 国际系国际系 统分类法统分类法 112 氧化氧化- -还原酶催化氧化还原酶催化氧化- -还原反应。还原反应。 主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶 (Oxidase)(Oxidase)。 如，乳酸如，乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。 氧化氧化- -还原酶还原酶 OxidoreductaseOxidoreductase CH3CHCOOH OH NAD+H+C

30、H3CCOOH O NADH 113 水解酶催化底物的加水分解反应。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。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应： 水解酶水解酶 hydrolasehydrolase H2O COOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH 114 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子 的基团或原子转移到另一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 例如例如, ,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。

31、谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。 转移酶转移酶 TransferaseTransferase CH3CHCOOH NH2 HOOCCH2CH2CCOOH O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2 CH3CCOOH O 115 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或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。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。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如，例如， 延胡索酸水合酶催化的反应。延胡索酸水合酶催化的反应。 裂合酶裂合酶 LyaseLyase HOOCCH=CHCOOHH2O HOOCCH2CHCOOH

32、OH 116 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，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。即底物分子内基团或原子的重排过程。 例如，例如，6-6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。 异构酶异构酶 IsomeraseIsomerase O CH2OH OH OH OH OH O CH2OHCH2OH OH OH OH 117 合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、 C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须与键的形成反应。这类反应必须与 ATPATP分解反应相互偶联。分

33、解反应相互偶联。 A + B + ATP + H-O-H =A A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸丙酮酸+CO2+ATP+H2O 草酰乙酸草酰乙酸+ADP+Pi 合成酶合成酶 Ligase or SynthetaseLigase or Synthetase 118 核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA， 能够催化能够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反分子中的磷酸酯键的水解及其逆反 应。应。 核酶（催化核酸）核

34、酶（催化核酸） ribozymeribozyme 33 33 3 33 3 33 55 555 555 55 BB BBB PPP + POHPP BBB B PP PP P B P 119 ECEC命名法命名法 ECx.y.z.nECx.y.z.n ECEC为酶学委员会为酶学委员会 Enzyme Enzyme CommissionCommission 亚亚类下亚亚类下 的具体的的具体的 个别酶的个别酶的 顺序号顺序号 各亚类下各亚类下 的亚亚类的亚亚类 酶所属酶所属 大类大类 1616 大类下大类下 的亚类的亚类 x,y,zx,y,z 编号中的前三个编号中的前三个 数字表明了该酶数字表明了该

35、酶 的特性如反应物的特性如反应物 的种类、反应的的种类、反应的 性质性质 120 2 2 国际系国际系 统命名法统命名法 酶酶 系统名称系统名称习惯名称习惯名称 121 国际系统命名法国际系统命名法 XYXY 正反应、逆反应都用同一名称正反应、逆反应都用同一名称 催化的反催化的反 应名称应名称 底物名底物名 底物底物1:1:底物底物2 2 122 各大类酶的 特殊命名规则 123 值得注意的是来自不同物种或值得注意的是来自不同物种或 同一物种的不同组织或不同细同一物种的不同组织或不同细 胞器的同一种酶，虽然他们催胞器的同一种酶，虽然他们催 化同一个生化反应，但它们本化同一个生化反应，但它们本

36、身的一级结构可能并不相同，身的一级结构可能并不相同， 命名也有所区别命名也有所区别 牛细胞牛细胞 猪细胞猪细胞 SOD 讨论一个酶时，讨论一个酶时， 需要说明来源和需要说明来源和 名称名称 124 四、酶活力的测定四、酶活力的测定 125 酶活力酶活力，也就是酶活性，是指酶催化一定 化学反应的能力。（可以根据需要定义） 酶促反应速度，单位是：浓度/单位时间 酶促反应速度曲线： 126 1、酶活力测定方法 步骤步骤： （1 1）配制底物溶液）配制底物溶液 （2 2）确定反应条件）确定反应条件 （3 3）反应开始，记时间）反应开始，记时间 （4 4）测定产物的生产量或底物的减少量）测定产物的生产量

37、或底物的减少量 127 2、酶活力单位 酶活力的高低，是以酶活力单位数来表示。酶活力的高低，是以酶活力单位数来表示。 1 1个活力单位：个活力单位：在在特定条件特定条件下，每下，每1 1minmin催化催化 1 1molmol的底物转化为产物的的底物转化为产物的 酶量。酶量。 比活力：比活力：在特定条件下每在特定条件下每1 1mgmg酶蛋白所具有的酶活酶蛋白所具有的酶活 力单位数。力单位数。 即酶比活力酶活力即酶比活力酶活力mgmg酶蛋白酶蛋白 128 3 3、固定化酶的活力测定、固定化酶的活力测定 固定化酶：固定化酶：与水不溶性载体结合，在一定与水不溶性载体结合，在一定 范围内其催化作用的酶

38、。范围内其催化作用的酶。 其活力测定方法：其活力测定方法： （1 1）振荡测定法）振荡测定法 （2 2）柱法测定）柱法测定 （3 3）连续测定）连续测定 （4 4）固定化酶的比活力测定）固定化酶的比活力测定 （5 5）酶结合效率与酶活力回收率的测定）酶结合效率与酶活力回收率的测定 （6 6）相对酶活力测定）相对酶活力测定 129 一、酶工程是生物技术的重要组成部分一、酶工程是生物技术的重要组成部分 二、酶工程的研究内容二、酶工程的研究内容 三、酶和酶工程研究的重要意义三、酶和酶工程研究的重要意义 四、酶和酶工程研究进展四、酶和酶工程研究进展 第二节 酶工程发展概况 130 一、酶工程是生物技术

39、的重要组成部分一、酶工程是生物技术的重要组成部分 酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程 具有密切的联系，相互依存，相互促进，构成完具有密切的联系，相互依存，相互促进，构成完 整的生物技术。整的生物技术。 常规菌（或常规细胞株）常规菌（或常规细胞株） 改造物种改造物种 生物工程（学）生物工程（学） 工程菌（或工程细胞株）工程菌（或工程细胞株） 商品生产商品生产 大量生产：大量生产： 经济效益、社会效益、生态效益经济效益、社会效益、生态效益 131 酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程的关系 基因工程基因工程发酵工程发酵工程 酶工程酶工程酶酶 细胞工程细胞工程

40、酶酶 细细 胞胞 菌体细胞菌体细胞 固定化菌体细胞固定化菌体细胞 转基因动物转基因动物 转基因植物转基因植物 132 生物技术生物技术的四大支柱四大支柱 基 因 工 程 细 胞 工 程酶 工 程发 酵 工 程 生生物物技技术术 （ 生 物 工 程 ） 133 二、酶工程的主要研究内容二、酶工程的主要研究内容 酶工程是酶工程是酶学基本原理酶学基本原理与与化学工程化学工程相相 结结 合而形成的一门新兴的合而形成的一门新兴的技术科学技术科学。研究酶。研究酶 制剂大规模生产及应用所涉及的理论与技制剂大规模生产及应用所涉及的理论与技 术方法。术方法。 134 酶学工程学 酶工程的定义 135 酶工程的内

41、容 136 酶工程的内容 137 三、酶和酶工程研究的重要意义三、酶和酶工程研究的重要意义 有助于阐明生命的本质和活动规律；有助于阐明生命的本质和活动规律； 为催化剂设计，药物设计及疾病诊断治疗为催化剂设计，药物设计及疾病诊断治疗 提供依据和新思路；提供依据和新思路； 蛋白质和核酸一级结构测定和基因工程研蛋白质和核酸一级结构测定和基因工程研 究中的重要工具；究中的重要工具； 运用酶技术生产有重要价值的产品；运用酶技术生产有重要价值的产品； 运用酶技术改进生产工艺，提高产品质量运用酶技术改进生产工艺，提高产品质量 和产率，降低生产成本；和产率，降低生产成本； 酶技术应用于疾病诊断治疗和环境保护等

42、。酶技术应用于疾病诊断治疗和环境保护等。 138 四、酶和酶工程研究进展四、酶和酶工程研究进展 4酶的应用研究酶的应用研究 20世纪世纪50年代：大规模的酶工业化生产建立；年代：大规模的酶工业化生产建立； 60年代：酶固定化，酶分子化学修饰，酶电极年代：酶固定化，酶分子化学修饰，酶电极 问世，酶标免疫技术建立；问世，酶标免疫技术建立； 70年代：微生物细胞固定化；年代：微生物细胞固定化； 80年代：动植物细胞固定化；年代：动植物细胞固定化； 近年来，抗体酶，人工酶和模拟酶研究。近年来，抗体酶，人工酶和模拟酶研究。 139 4酶的理论研究酶的理论研究 u新酶的发现和鉴定新酶的发现和鉴定 u酶一级

43、结构与活力的关系酶一级结构与活力的关系 u酶分子高级结构的测定酶分子高级结构的测定 u酶活性部位结构与催化机理酶活性部位结构与催化机理 u核酶的发现（核酶的发现（ribozyme)ribozyme) 140 化学修饰法化学修饰法是研究酶一级结构与活力关是研究酶一级结构与活力关 系系 的主要方法之一，近年来发展了一些新的研的主要方法之一，近年来发展了一些新的研 究技术：究技术： 过渡态类似物技术；过渡态类似物技术； 自杀性底物技术；自杀性底物技术； 基因定位突变技术；基因定位突变技术； 计算机模拟技术等。计算机模拟技术等。 141 一部分酶的高级结构已经被测定，但绝一部分酶的高级结构已经被测定，

44、但绝 大大 多数酶的高级结构仍没有确定。多数酶的高级结构仍没有确定。X-X-射线晶体结射线晶体结 构分析构分析仍然是十分有效的方法；近年来，仍然是十分有效的方法；近年来，二维二维 核磁共振技术核磁共振技术的应用越来越广泛，可用于测定的应用越来越广泛，可用于测定 溶液中酶分子的构象及其变化过程。溶液中酶分子的构象及其变化过程。 142 酶活性中心结构及其催化机理的研究是酶学研究中酶活性中心结构及其催化机理的研究是酶学研究中 最核最核 心的问题。心的问题。 应用应用X-X-射线晶体结构分析技术射线晶体结构分析技术研究酶研究酶- -底物（底物类似物）底物（底物类似物） 复合物结构，可以确定酶活性部位

45、结构以及酶分子与底复合物结构，可以确定酶活性部位结构以及酶分子与底 物分子的结合情况；物分子的结合情况； 应用应用二维核磁共振技术二维核磁共振技术可以确定酶活性部位解离基团的可以确定酶活性部位解离基团的 pKpK值以及催化过程中的质子转移情况；值以及催化过程中的质子转移情况； 电子计算机编程电子计算机编程研究酶促反应动力学，对酶与底物的作研究酶促反应动力学，对酶与底物的作 用方式以及底物反应过程中酶分子的可能存在形式作出用方式以及底物反应过程中酶分子的可能存在形式作出 判断；判断； 应用应用隧道电镜技术隧道电镜技术可以观察酶催化过程中质子转移和电可以观察酶催化过程中质子转移和电 子转移的情况子

46、转移的情况 143 近年来，发现生物体中的近年来，发现生物体中的一些一些RNARNA 具有催化作用具有催化作用，具有酶的类似性质，可以，具有酶的类似性质，可以 切割特异性切割特异性RNARNA序列序列。这一重大发现对于生。这一重大发现对于生 命的起源和生物进化研究；对于病毒和肿命的起源和生物进化研究；对于病毒和肿 瘤的治疗将具有深远意义。瘤的治疗将具有深远意义。 144 第三节第三节 酶的生产方法和应用前景酶的生产方法和应用前景 145 一 酶的来源和生产 146 酶酶植物植物动物动物 微生物微生物 酶的来源酶的来源 147 动植物动植物 粗品酶粗品酶纯酶纯酶 早期酶的生产 分离分离 纯化纯化 木瓜木瓜 木瓜木瓜 蛋白酶蛋白酶 菠萝菠萝 菠萝菠萝 蛋白酶蛋白酶 例例1 1 例例2 2 148 生产周期长生产周期长 来源有限来源有限 地理、气候地理、气候 和季节影响和季节影响 技术、经济技术、经济