蛋白质和酶工程第一章绪论

蛋白质和酶工程第一章绪论教材与其他课程的关系前期课程主要有：有机化学，生物化学，微生物学，分子生物学等。交叉课程有：细胞工程，基因工程，发酵工程等。教学安排与考核方式总学时：32学时（1-16周）考核方式：平时成绩50%（考勤、课堂表现、回答问题、课后作业）旷课3次以上（含3次）的学生平时成绩计为0分。理论课考试成绩50%（闭卷）Chapter1Introduction绪论Contentsofchapter11、酶的定义与酶工程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GoGoGoGo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106~1013倍。2H2O22H2O+O21mol过氧化氢酶5×106molH2O21mol离子铁6×10-4molH2O21.1酶的定义回本章目录酶工程（EnzymeEngineering）酶的生产、改性与应用的技术过程。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。这门学科在研究内容、手段和目的上与基因工程、蛋白质工程、细胞工程、发酵工程等孪生学科是相互交融的。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Buchner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1911年诺贝尔化学奖。1894年,日本的高峰让吉首先从米曲霉中制得高峰淀粉酶,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。酶的应用历史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。1949年,用液体深层培养法进行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α-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，固定化细胞已能用于生产胞外酶,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1961年国际酶学委员会（EnzymeCommittee,EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：1.3酶的分类与命名酶的分类与命名

酶enzyme蛋白类酶（proteozyme）核酸类酶（ribozyme）核酸类酶

分子内催化R酶（incisribozyme）

分子间催化R酶（intransribozyme）自我剪切酶（self-cleavageribozyme）自我剪接酶（self-splicingribozyme）RNA剪切酶（RNAcleavageribozyme）DNA剪切酶（DNAcleavageribozyme）多肽剪切酶（peptidecleavageribozyme）多糖剪接酶（polysaccharidesplicingribozyme）氨基酸酯剪切酶（aminoacidestercleavageribozyme）多功能酶（multifunctionribozyme）蛋白类酶氧化还原酶（oxidoreductase）转移酶（transferase）裂合酶（lyase）水解酶（hydrolase）异构酶（isomerase）合成酶（synthesase）或连接酶（ligase）Eachenzymeisnowclassifiedandnamedaccordingtothetypeofchemicalreactionitcatalyzes.Soanenzymeisassignedafour-numberclassificationandatwo-partname

calledasystematicname.InadditionrecommendednameissuggestedbyIUBforeverydayuse.E.C.X.X.X.X系统编号乳酸脱氢酶EC1.1.1.27第1大类，氧化还原酶第1亚类，氧化基团CHOH第1亚亚类，H受体为NAD+该酶在亚亚类中的流水编号蛋白类酶的分类与命名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。AH2+B==A+BH2(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。AB+C=A+BC(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：AB+H2O=AOH+BH(3)水解酶hydrolase裂合酶是催化一个化合物裂解成为两个较小的化合物及其逆反应的一类酶。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反应。AB=A+B(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。A=B(5)异构酶Isomerase合成酶，又称为连接酶，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===AB+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LigaseorSynthetase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。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。根据R酶的结构特点不同，可分为锤头型R酶，发夹型R酶，含I型IVS的R酶，含II型IVS的R酶等。根据酶催化的底物是其本身RNA分子还是其它分子，可以将R酶分为分子内催化（incis，也称为自我催化）和分子间催化（intrans）两类。回本章目录（一）酶的化学本质1926年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年发现了第1个有催化活性的天然RNA——ribozyme（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

与酶蛋白结合得紧密的小分子有机物。金属激活剂

金属离子作为辅助因子。酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分。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（monomericenzyme)：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(oligomericenzyme)：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(multienzymesystem)：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。丙酮酸脱氢酶系（E.coli）：丙酮酸脱氢酶（EⅠ）、硫辛酰转乙酰酶（EⅡ）和二氢硫辛酰脱氢酶（EⅢ）。EⅠEⅡEⅢ碱性EⅠEⅡEⅢ+EⅡEⅢ+脲(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酶的活性中心(activecenter)又称活性部位(activesite)，具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合并将底物转化为产物。酶作用的专一性相对专一性（族（基团）专一性）绝对专一性(五)酶作用的专一性相对专一性：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。酶的催化效率通常比非催化反应高108～1020倍，比一般催化剂高107～1013倍。2H2O22H2O+O21mol过氧化氢酶5×106molH2O21mol离子铁6×10-4molH2O2(六)酶促反应具有极高的效率

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，必须控制好各种环境条件，以充分发挥酶的催化功能。(七)影响酶催化的各种因素1、底物浓度的影响影响酶催化作用的因素ＶVmax[S]Km+[S]＝──[S]：底物浓度V：不同[S]时的反应速度Vmax：最大反应速度(maximumvelocity)Ｋm：米氏常数(Michaelisconstant)2酶浓度对反应速度的影响当[S]＞＞[E]，酶可被底物饱和的情况下，反应速度与酶浓度成正比。关系式为：V=K3[E]0V[E]当[S]>>[E]时，Vmax=k3[E]酶浓度对反应速度的影响双重影响温度升高，酶促反应速度升高；由于酶的本质是蛋白质，温度升高，可引起酶的变性，从而反应速度降低。3、温度对反应速度的影响最适温度(optimumtemperature)：酶促反应速度最快时的环境温度。*低温的应用酶活性0.51.02.01.50102030405060温度ºC温度对淀粉酶活性的影响4、pH对反应速度的影响最适pH(optimumpH)：酶催化活性最大时的环境pH。0酶活性pHpH对某些酶活性的影响胃蛋白酶淀粉酶胆碱酯酶246810pH对酶作用的影响机制：1.环境过酸、过碱使酶变性失活；2.影响酶活性基团的解离；3.影响底物的解离。5、抑制剂的影响酶的抑制剂(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂。

区别于酶的变性

抑制剂对酶有一定选择性引起变性的因素对酶没有选择性6、激活剂对反应速度的影响激活剂(activator)使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质。•必需激活剂(essentialactivator)•非必需激活剂(non-essentialactivator)(八)