酶工程第一节酶的生物学功能

关于酶工程第一节酶的生物学功能

酶（enzyme)是生物体活细胞产生的、具有催化反应功能的蛋白质。第2页,共50页，2024年2月25日，星期天

近百年来，对酶的研究一直是沿两个方向发展而取得成果：

（一）、理论研究方向脲酶结晶的获得与蛋白质本质锁匙学说与诱导契合学说中间络合物学说与酶促反应动力学酶作用机理（酶理化性质及催化性质）的研究酶蛋白质一级结构测定方法酶蛋白分子结构与功能的关系第3页,共50页，2024年2月25日，星期天

（二）、从应用研究来看1、酶制剂的分离、提纯、大批量生产及新酶的开发；2、酶生产中的基因工程技术的应用；3、酶分子的改造(修饰、模拟与抗体酶等）；4、酶与细胞的固定化；5、酶制剂的应用性开发；6、生物催化；7、酶抑制剂、激活剂开发及应用研究；8、酶反应器的研究（包括反应检测、酶传感器）；第4页,共50页，2024年2月25日，星期天特别是——

20世纪中期，随着微生物发酵技术和酶分离纯化技术提高，酶制剂生产开始走向规模化。固定化技术、基因工程技术的应用、使酶的适应性更加提高，多种类型的酶制剂（固定化酶、人工酶、抗体酶、化学修饰酶和模拟酶等）实现了产业化。酶在工农业、人口与健康（医药食品）、环境保护等方面的应用日益广泛。

酶制剂已成为现代生物产业中一个不可缺少的组成部分，酶工程技术已成为生物工程技术的主要支柱之一。所以，加强酶学理论的研究及应用技术的开发，已成为现代生物技术的主题。

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概括地说——

酶学是生物化学的重要分支；

酶工程（EnzymeEngineering）是生物工程的主要内容之一，是随着酶学研究迅速发展、特别是酶的应用推广，使酶学和工程学相互渗透结合，发展而成的一门新的技术科学。

现代生命科学的前沿课题如生物信息学、基因组学、结构生物学等无一能离开酶。

酶及其转化产品是生物工程产业的主导产品。

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我们为什么重视酶？生命活动离不开酶；酶在现代生命科学研究中的重要作用；酶制剂与人类衣食住行休戚相关；生物催化改造传统产业第7页,共50页，2024年2月25日，星期天

课时：36学时

教材：酶学（复旦大学出版社）

罗九甫:jfluo@

62932942

54744350

第8页,共50页，2024年2月25日，星期天本课程教学指导思想

适应现代社会发展需要的人才三要素：知识---专业、人文；能力---外语、计祘机、自学能力；素质---人品、善于规范自己和与人际沟通合作；所以——授以鱼莫如授以渔加强参与性、体现主动学习第9页,共50页，2024年2月25日，星期天第一章酶的基础知识

§1、酶的生物学作用

§2、酶的结构与催化机制

§3、酶活性的调节方式

§4、酶分析法第二章酶的生产与改造

§5、酶的生产与分离纯化

§6、酶分子修饰与模拟

§7、酶的固定化

§8、抗体酶课时安排（15讲）第10页,共50页，2024年2月25日，星期天第三章酶制剂工业及其应用

§9、酶制剂工业及应用

§10、酶在现代生命科学研究中的应用

§11、酶抑制剂与药物设计第四章生物催化

§12、生物催化改造传统产业实例

§13、酶法生产--§14、手性化合物的生物合成与转化

§15、酶反应器、生物传感器（21世纪酶工程进展）

第11页,共50页，2024年2月25日，星期天主要参考书：酶学陈石根周润琦编著复旦大学出版社现代酶学袁勤生主编华东理工大学出版社酶工程罗贯民主编化学工业出版社酶制剂工业张树政主编科学出版社酶和酶工程罗九甫编上海交通大学出版社第12页,共50页，2024年2月25日，星期天作业选题一、某种酶制剂（如端粒酶、溶菌酶、几丁质酶、尿激酶等）二、酶法生物转化生产某产品（如苯丙氨酸、丙烯酰胺、某氨基酸等）三、酶的生物学作用如：酶与疾病（如Hiv病毒、蚕豆病、遗传病等）酶与代谢、遗传、DNA修饰等四、酶的应用如：工具酶酶电极原理及其应用（葡萄糖氧化酶电极或尿酶电极等）酶在环境治理与检测、医药临床、食品、轻工等酶抑制剂与药物设计五、酶的基本知识与基本理论如：酶与细胞的固定化、酶的生产、纯化、分析、动力学、酶的辅助因子等六、酶研究动态如：抗体酶、手性化合物酶法拆分、酶的修饰和模拟酶与分子生物学、21世纪酶研究进展等

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酶的种类很多，至今生物界已发现的酶达3000多种，一些单细胞生物体中至少含有数百种以上，人体细胞含酶种类更多。目前人体内已确认的酶有1000多种，相互有关联的酶组成酶体系，分布在特定的细胞组分中参与肌体的代谢活动。生物体内的各种物质代谢、能量传递、信息转录、神经传导、免疫调节、细胞衰老及生长发育等等，都离不开酶的参与。可以说没有酶便不能进行新陈代谢，便没有生命。

第一节酶的生物学功能第14页,共50页，2024年2月25日，星期天

在生物体内，许多复杂化学变化都按一定途径，根据生命活动需要进行得极为顺利，相互联系又相互制约，迅速而又有条不紊。这种使化学变化变得容易发生和迅速进行的根本原因，就是生物体内普遍存在着生物催化剂—酶。可以说离开了酶在生物体内的催化作用，生命也就停止了。

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苯酮尿症（PKU症）

——苯丙氨酸羥化酶（苯丙氨酸4-单加氧酶）缺乏症

苯丙氨酸+

-酮戊二酸苯丙酮酸

沙林试剂（甲氟磷酸异丙酯）

——作用于传递神经细胞间信号的胆碱酯酶，

1毫克足以麻痹呼吸肌

有机磷、氰化物、重金属等中毒

抑制体内含巯基（-SH）的酶

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蚕豆病（G6PD缺乏而引起红细胞膜蛋白受损易惹发溶血）

6-磷酸葡萄糖

NADP

2GSH（还原型）

蚕豆细胞毒素（香豌豆嘧啶异尿咪）

磷酸戊谷胱甘肽糖途径还原酶

G6PD

NADPHH

6-磷酸葡萄糖酸

GSSG（氧化型）

（正常时GSH与GSSG之比为500，保护血液中红细胞不受氧化损伤并消除H2O2的毒害）第17页,共50页，2024年2月25日，星期天

一、酶在生物体内所催化的形形色色的化学反应，按生理功能可归纳为四类：1、执行某种具体的生理功能；2、担负保卫清除功能；3、协同激素起生物信号放大作用；4、催化和调控代谢反应。第18页,共50页，2024年2月25日，星期天1、执行某种具体的生理功能

例如：

神经传导是由神经末稍中的乙酰胆碱酯酶来传导神经冲动的；

肌纤-ATP酶和肌肉收缩有关；

Na+、K+-ATP酶在细胞膜的主动运输中的“钠泵作用”。第19页,共50页，2024年2月25日，星期天Na+、K+泵模式图第20页,共50页，2024年2月25日，星期天2、担负保卫清除功能

（可能是单个酶、或多酶混合物、或一个酶系通过级联系统发挥作用）

例如：

能直接移除自由基O2-，防止毒性过氧化脂质生成的超氧化物歧化酶(SOD)；

能降解外来DNA的限制性内切酶(RD)。

凝血酶；

溶酶体的水解酶；第21页,共50页，2024年2月25日，星期天3、协同激素起生物信号传递与放大作用

细胞外信号传递的两种方式:

●信号分子在胞外与质膜载体蛋白结合,直接进入靶细胞,然后以信号分子本身或以其转化产物作为细胞内信号发挥作用（如疏水的甾体激素）；

●信号分子在胞外与质膜上的受体蛋白结合,导致后者发生构象改变,在胞内形成新的信号分子——第二信使（ｃAMP和Ca+2等)，再通过相应的酶，调节靶细胞性态;（包括亲水性的大部分腺体分泌的激素、神经传质、和局部化学调节物质）

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例:以腺甘酸环化酶为例(受体、腺苷酸环化酶、

cAMP和蛋白激酶体系)：

被激活的腺甘酸环化酶催化ATP形成cAMP,cAMP作为第二信使激活蛋白激酶，从而引起细胞内部功能一系列的变化。（cAMP是中心环节，其形成与分解由腺苷酸环化酶与磷酸二脂酶调节控制）。第23页,共50页，2024年2月25日，星期天腺甘酸环化酶协同肾上腺素激活糖原磷酸化酶第24页,共50页，2024年2月25日，星期天4、催化、调控代谢反应

酶最主要、也是最基本的生物学功能就是催化调控代谢反应；建立起各种代谢途径和体系，为生物体的生存发展、为形形色色的生命活动提供物质基础和能量来源。

正常情况下，生物体并不要求每个酶处于最有效的催化状态，而是要求有快有慢，适应内外环境的变化；

酶在生物体内催化作用是通过调控来实现的，一个失去调控能力的酶是无意义的、甚至是有害的。第25页,共50页，2024年2月25日，星期天

在长期的进化、选择过程中，为适应外界环境变化，满足生理功能的需要，生物体形成了一整套调节机制。

可分为两大类调节机制：

1、酶合成水平上的调节；

2、酶结构活性水平上的调节；第26页,共50页，2024年2月25日，星期天不同的调控机制纷纷提出：

共价修饰调节（可逆，不可逆）；

反馈调节（别构调节）；

存在方式调节（多酶体系）；

浓度调节（合成降解调节)；

生理调节(激素调节)；

寡聚酶的聚合、解聚调节；

外部条件调节（抑制与激活、pH、辅酶浓度、金属离子等）。

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二、酶的生物合成所有的酶都由生物体合成，几乎所有生物都能合成产生酶

酶在生物体内的合成总是受其相应合成调节机制控制，以保证机体最有效、经济地将体内合成原料与能量用于自身生命最需要的酶等物质。

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1、酶基因表达的中心法则

1958年由Crick提出的基因表达的

中心法则（DNAcentraldogma）认为：

蛋白质生物合成完全受控于DNA,DNA控制着蛋白质合成的遗传信息，其本质是将DNA传递到mRNA的遗传信息，在tRNA及一系列其他蛋白因子的参与下，将其翻译成多肽的过程。

DNA转录

mRNA翻译蛋白质

第29页,共50页，2024年2月25日，星期天第30页,共50页，2024年2月25日，星期天

中心法则指出：

A.酶基因以密码形式编码在DNA分子上。

B.酶基因表达的调控环节是转录。原核生物的转录过程较为清楚，我们以原核生物为例来说明转录过程对基因表达的调控，现在普遍接受是操纵子模型。

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2、原核生物的操纵子模型

操纵子模型操纵子（Operon）模型是1961年由J.Monod和F.Jacob在提出mRNA的概念时同时提出的。所谓操纵子是指原核生物上基因的一种组织方式，包括功能上相关的几个蛋白基因（结构基因）和一个共同的调控区域。它是基因表达的调控单位。

第32页,共50页，2024年2月25日，星期天乳糖操纵子模型第33页,共50页，2024年2月25日，星期天

操纵子调节方式操纵子调节转录的具体方式有诱导和阻遏两种。

诱导：在正常情况下不表达或仅在底水平上表达的酶如遇诱导物则大量合成的现象。

阻遏：通常情况下，某些酶在生物生长发育中以一定速度正常合成，但是当它们的作用产物积累到一定浓度水平能满足生物本身的需要时，这些酶的合成就受到抑制的现象。第34页,共50页，2024年2月25日，星期天

酶的诱导酶的阻遏第35页,共50页，2024年2月25日，星期天

三、酶在生物体内的分布GPT与尿激酶、心肌中的细胞色素氧化酶

生物体自身需要决定了酶的生物合成，酶的生物合成机制决定了酶在生物体内的分布和所处环境状态；所以：它们或定位于某亚细胞结构上处于“溶解”状态；

不同生物体细胞内酶的数量和种类不同；

同一生物体内的不同部位或不同生长发育阶段的细胞内酶的数量、种类不同；

SOD第36页,共50页，2024年2月25日，星期天

对微生物酶来说，合成后分泌有两种情况：

1、胞外酶（分泌型酶）是指可以穿过质膜的任何酶，大多数是水解酶，大多数工业用酶是胞外酶。

优点：它比胞内酶容易回收、纯化，不必将细胞破碎，也不用去核酸，容易获得高产。第37页,共50页，2024年2月25日，星期天

胞外酶的分泌位置由细胞和酶的结构所决定

革兰氏阳性菌的外壳由细胞质膜和包在膜外面的壁组成。其有两类胞外酶：

合成后分泌到培养基中，如芽孢杆菌的淀粉酶、蛋白酶。

分泌蛋白穿过质膜后，结合于膜表面的胞外酶，当细胞形成原生质体时可部分或全部从膜上释放，如地衣芽孢杆菌的碱性磷酸酯酶和

-葡萄糖苷酶。

革兰氏阴性菌有4种不同位置的分泌型酶：分泌蛋白结合在内膜外表面、分布在周质中、结合在外膜上、分泌到培养基中。第38页,共50页，2024年2月25日，星期天

基因工程中外源蛋白最终在周质中表达的情况，常给工作带来许多麻烦。用基因工程手段获得的微生物高产外源酶常会被宿主本身的蛋白酶迅速降解。因此，尽可能的使产生的外源酶分泌到细胞质膜外，是稳定外源酶的有效措施之一。关于胞外酶分泌机制现在有一种信号肽假说。第39页,共50页，2024年2月25日，星期天信号肽假说机理图第40页,共50页，2024年2月25日，星期天2、胞内酶

是指合成后仍然在细胞内发挥作用的酶。

细胞本身结构的非均一性决定了酶分布和所处状态非均一，或处于“溶解”状态，或定位结合于某一特定的亚细胞结构中；由于细胞器的分工，某些酶对特定细胞来说是独有或主要的；各细胞器上往往集中了具各自特征的酶系统（标记酶）。第41页,共50页，2024年2月25日，星期天

对于标记酶,有以下几例：质膜：主要两种：Na+、K+-ATP酶、腺甘酸环化酶；细胞核：主要是担负DNA与RNA合成的酶。如：RNA甲基转移酶、乳酸脱氢酶等；

线粒体：主要集中了参与三羧酸循环、脂肪酸氧化、呼吸链、氧化磷酸化等与能量代谢有关的酶和酶系。如：NADH脱氢酶、己糖激酶等；溶酶体：各种水解酶（约60种左右）；内质网：蛋白质合成、脂类合成、药物转化的酶。如：细胞色素还原酶、胆固醇酰基转移酶；第42页,共50页，2024年2月25日，星期天

四、酶的分类命名

酶的分类命名原则

1961年,国际生化联合会酶委员会(InternationalCommissionofEnzyme)

制定了国际系统分类命名原则，已为各国普遍接受。第43页,共50页，2024年2月25日，星期天

习惯命名法的依据：根据——酶的底物酶的来源酶的反应最佳条件酶的反应性质也有结合两点来命名

简单、方便，但缺少系统性常出现一酶数名、一名数酶。第44页,共50页，2024年2月25日，星期天系统命名与习惯命名

催化反应: