酶工程课件：绪论

酶工程EnzymeEngineering

参考书目：

1

王镜岩朱圣庚徐长法.生物化学（上、下册）.北京:高等教育出版社，2002.2

郭勇.酶工程.北京:科学出版社,2004.3

罗贵民主编.酶工程.北京:化学工业出版社,2002.4

陈石根,周润琦编著.酶学.上海:复旦大学出版社,2001.5袁勤生主编.现代酶学.上海:华东理工大学出版社,2001.6张树政,孟广震,何忠效主编.酶学研究技术

(上册).北京:科学出版社,1987.生物技术的四大支柱第一章绪论生物技术的基本内容（几大领域）基因工程：用“剪刀+糨糊”创造新物种的工程。细胞工程：微观水平的嫁接技术。酶工程：让工厂高效、安静、美丽如画的工程。发酵工程：把微生物或细胞造就成无数微型工厂，将神话变为现实的桥梁。

第一节酶工程简介

一、酶与酶工程发展简史（一）酶学研究简史

1.不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴、治病

酿酒:

中国4200年前的夏禹时代已开始酿酒古时酿酒用的酒母称——

趜or酶古代酶——媒相通经过趜作媒介可酿酒酶——催化反应的媒介物质

造酱:豆类蛋白质在霉菌蛋白酶作用下水解

制饴:

利用麦曲含有的淀粉酶将淀粉降解为麦芽糖

治病:

春秋战国时期用曲治疗消化不良2.酶学的产生:

西方17世纪才开始有酶的记载，知道酶的存在是与消化现象和发酵现象联系在一起的。（1）消化1777年，意大利物理学家Spallanzani

的山鹰实验。1822年，美国外科医生Beaumont证明食物在胃里是经过化学作用被消化的。19世纪30年代，德国科学家施旺获得胃蛋白酶。（2）发酵1684年，比利时医生Helment提出

ferment—引起酿酒过程中物质变化的因素（酵素）。1833年，法国化学家Payen和Person

用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶（diastase）。1878年，德国科学家Kűhne提出

enzyme—从活生物体中分离得到的酶，意思是“在酵母中”（希腊文），但没有获得有力的实验证据。小插曲

19世纪，Pasteur和Liebig学术长期争论:

1857年，法国化学家和微生物学家Pasteur著名的雁颈瓶试验证明了酒精发酵是酵母细胞活动的结果。但它错误地用这个观点用来解释发酵中酵母的作用问题，认为没有生物则没有发酵。德国化学家Liebig认为发酵是由化学物质引起的。此争议由德国学者Buchner兄弟于1896年才得以解决。Buchner兄弟的试验：用细砂研磨酵母细胞，然后压取汁液，这种汁液不含活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二氧化碳，从而证明了发酵与细胞的活动无关（即发酵过程不需要完整的酵母细胞），结束了Pasteur和Liebig

将近60年的论战。一般认为，酶学的研究始于Buchner兄弟的发现。

酶——活细胞产生的，能在细胞内外起作用的（催化）生理活性物质。enzyme—organicchemicalsubstance(acatalyst)formedinlivingcells,abletocausechangesinothersubstancewithoutbeingchangeditself.

酶的化学本质？这是20世纪初期酶学研究和争论的中心问题。3.酶学的迅速发展（理论研究）（1）酶的化学本质

德国化学家R.Willstatter因阐明叶绿素结构荣获1915年诺贝尔化学奖，在酶学方面也做出过许多贡献。

1920年，由于当时实验手段落后，他认为酶不是蛋白质。

1926年,美国康乃尔大学的“独臂学者”Sumner（萨姆纳）博士用全能的右手，花了9年时间，从刀豆中提取出了脲酶结晶，并证明具有蛋白质的性质。

1930年，美国的生物化学家Northrop分离得到了胃蛋白酶（pepsin）、胰蛋白酶（trypsin）、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）结晶，确立了酶的化学本质。

Sumner和Northrop荣获1946年诺贝尔化学奖。（2）酶学理论研究1890年，Fisher——锁钥学说。1902年，Henri——中间产物学说。1913年，Michaelis和Menten——米氏学说。1958年，Koshland——诱导契合学说。1960年，Jacob和Monod——操纵子学说。CharacteristicsofenzymeactivesitesLockandkeymodel(锁钥)

1890picturebyEmilfisher.Thismodelassumedthatonlyasubstrateofthepropershapecouldfitwiththeenzyme.Induced–fitmodel(诱导契合)proposedbyDanielKoshlandin1958.Thismodelassumescontinuouschangesinactivesitestructureasasubstratebinds.中间产物学说ESPSEStepsinanenzymaticreactionEnzymeandsubstratecombinetoformaComplex.Complexgoesthroughatransitionstate---notquitesubstrateorproductAcomplexoftheenzymeandtheproductisproducedFinallytheenzymeandproductseparateAllofthesestepsareequilibria.Letsrevieweachstep.

Michaelis-Mentenequation

酶——是一类由活性细胞产生的具有催化作用和高度专一性的特殊蛋白质。

是否所有的酶都是蛋白质？（3）核酶的发现

1982年，ThomasR.Cech等人发现四膜虫细胞的26SrRNA前体具有自我剪接功能，将这种具有催化活性的天然RNA称为核酶—Ribozyme。

1983年，Altman等人发现核糖核酸酶P的RNA组分具有加工tRNA前体的催化功能。而RNaseP中的蛋白组分没有催化功能，只是起稳定构象的作用。

核酶的发现，改变了有关酶的概念，即“酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白质或RNA）。

酶分两大类：主要由蛋白质组成——蛋白类酶（P酶）主要由核糖核酸组成——核酸类酶（R酶）

为此，Cech和Altman获得1989年诺贝尔化学奖。现在，“ribozyme”种类>10种。

1995年，发现DNA的催化活性，即脱氧核酶(deoxyribozyme或DNAzyme)。（二)酶工程研究简史（应用研究）1894年，日本的高峰让吉用米曲霉制备得到淀粉酶，开创了酶技术走向商业化的先例。1908年，德国的Rohm用动物胰脏制得胰蛋白酶，用于皮革的软化及洗涤。1908年，法国的Boidin制备得到细菌淀粉酶，用于纺织品的褪浆。1911年，Wallerstein从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清。

1949年，用微生物液体深层培养法进行

－淀粉酶的发酵生产，揭开了近代酶工业的序幕。

1960年，法国科学家Jacob和Monod提出的操纵子学说，阐明了酶生物合成的调节机制，通过酶的诱导和解除阻遏，可显著提高酶的产量。

在酶的应用过程中，人们注意到酶的一些不足之处，如：稳定性差，对强酸碱敏感，只能使用一次，分离纯化困难等。解决的方法之一是固定化。

1916年，美国的Nelson和Griffin发现蔗糖转化酶吸附在骨炭上仍有催化活性。

1953年，德国的Grubhofer和Schleith用交联法制成固定化酶。

1969年，日本的酶学专家千钿一郎首次在工业上应用固定化氨基酰化酶由DL－氨基酸生产L－氨基酸。

1971年，第一届国际酶工程会议在美国召开，会议的主题是固定化酶。二.酶工程（enzymeengineering）

由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新的技术科学。它从应用目的出发，研究酶的产生、酶的制备与改造、酶反应器以及酶的各方面应用。分为：化学酶工程与生物酶工程。化学酶工程（初级酶工程）

自然酶、化学修饰酶、固定化酶、人工酶、模拟酶的研究与利用生物酶工程（高级酶工程）

克隆酶、突变酶、抗体酶酶工程化学酶工程：又称初级酶工程（primaryenzymeengineering）。是由酶化学与化学工程技术相结合的产物。主要研究内容：酶的制备、酶的分离纯化、酶与细胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器和酶的应用。2.生物酶工程：又称高级酶工程（advancedenzymeengineering）。是在化学酶工程基础上发展起来的、酶学与现代分子生物学技术相结合的产物。

主要研究内容：（1）用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）如：尿激酶原和尿激酶上治疗血栓病的有效药物。用DNA重组技术将人尿激酶原的结构基因转移到大肠杆菌中，可使大肠杆菌细胞生产人尿激酶原，从而取代从大量的人尿中提取尿激酶。（2）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶）如：酪氨酰－tRNA合成酶的突变酶，其突变部位使Ala5（第5位的丙氨酸）取代了Thr51（第51位的丝氨酸），使该酶对底物ATP的亲和力提高了100倍。（3）设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能稳定、活性更高的新酶。

生物酶工程示意图酶工程包括的内容：（1）各类酶的开发和生产（2）酶的分离、纯化、及鉴定技术（3）酶的固定化技术（4）多酶反应器的研制和应用（5）酶结构改造修饰其中固定化酶技术是酶工程的核心。实际上有了酶的固定化技术，酶在工业生产中的利用价值才真正得以体现。

酶工程原理和基本过程菌种→扩大培养→发酵→发酵酶液→酶的提取→酶成品

原料→前处理→杀菌→酶反应器←↓

反应液→产品提取→产品酶的固定化：指酶经物理或化学方法处理，使酶变成不易随水流失，而又能发挥催化作用。酶反应器：以酶为催化剂进行反应所需要的设备。酶的固定化

思考题：酶工程的概念、分类及其研究内容。Pay