酶工程(基本原理1).ppt

1、应用酶工程学、主要参考书： 1酶工程学、郭勇主编、高中轻工专业试用教材、中国轻工业出版社2酶工程学、罗贵主编、化工出版社3蛋白质分子结构、阎隆飞主编、清华大学出版社4酶学序论，由禹邦超主编、华中师范大学出版社5酶学、邹国林主编、 酶在武汉大学出版社6食品加工中的应用，e李雁群翻译，中国轻工业出版社CH 1绪论，CH 1.1酶的基本概念1酶是蛋白2酶具有催化活性的3酶催化反应具有特异性和高效性的CH 1.2酶工程及其主要研究内容CH 1.3酶的历史沿革，CH 1.1酶的基本概念， 1酶被生化证明蛋白酶的化学本质是蛋白质，可以研究酶的化学本质，研究蛋白质的方法一般来说，一个完整结构的酶包括蛋白质和

2、非蛋白质两个部分，蛋白质的部分称为辅酶蛋白质，非蛋白质的部分称为辅助因子，辅酶蛋白质和辅助因子称为一个全辅助因子的化学本质因酶而异，可以是小分子量的有机化合物，也可以是无机矿物质离子。 2酶具有催化活性的酶是一种生物催化剂，在催化活性上类似于无机催化剂，酶在催化反应时不发生化学变化，只是催化反应的进行，而酶在催化反应时只改变反应的程度，不改变反应的平衡。 酶催化反应的动力学机制是降低反应的活性能量。 酶与一般催化剂的共性1 .用量少、催化效率高2 .不改变化学反应平衡点3 .可以降低反应的活化能，3酶催化反应具有特异性和高效酶作为生物催化剂，其催化反应的特异性远远超过无机催化剂，根据酶的特异性

3、分为绝对特异性和相对特异性绝对特异性是指一种酶只能催化一种基质进行一种反应，基质的分子结构、空间结构类型和结构差异表现出特异性。 酶与一般催化剂的区别酶的特性1 .高效性2 .特异性结构特异性(相对特异性/绝对特异性) (特异性)立体异性特异性(几何异性/旋光异性)3.不稳定性(要求温和的反应条件)4.控制性、相对特异性如胰蛋白酶(Trypsin EC 3.4.31.4 ) 催化含赖氨酸或精氨酸羰基的肽键的水解反应，含赖氨酸或精氨酸羰酰胺键的基质全部被该酶催化水解。 CH 1.2酶工程学及其主要研究内容，1生物工程学(Biotechnology ) :又称生物工程学，是20世纪70年代开始提倡

4、的高新技术名词，指引遗传工程技术的生物技术与化学技术、工程学相结合，产业化应用的技术领域。 有遗传工程、细胞工程、发酵工程、酶工程4个领域。 2酶工程(Enzyme Engineering ) :酶学研究与其应用工程结合形成的新技术领域酶学、微生物学的基本原理是与化学工程技术有机结合，相互渗透形成的边缘学科。 上游工序和下游工序：前者包括酶的产生和酶制剂的制备；后者主要包括酶固定化技术、酶修饰技术、生物反应器。(1)上游技术： (2)下游技术：CH 1.3酶的历史沿革1酶学研究简史，1酶的发现：中国在4000多年前就已经朴素地应用了酶，但真正对酶的认识是1833年Payen和Person首先从

5、酒精发酵物中提取活性物质，发现了2酶(enzz 的提出：是继Payen和Person之后，德国的Kuhne进一步深入研究酶，提出了Enzyme这个名词的Enzyme是希腊语，本来是指“在酵母中”我们翻译成酶，日本设立了酶. 3酶学(Enzymology ) Buchner兄弟进行了从破碎酵母细胞中提取酶的研究，得到了使糖转化而产生乙醇的粗酶。 形成了初步的新兴学科。 在酶催化理论方面：1 1894年，E.Fisher提出了酶与底物作用的锁钥学说2 1913年，Michaelis Menton提出了快速平衡学说，建立了AN酶促反应模型，导出了酶促反应动力学方程米氏方程。 3 1925年，Brig

6、gs和Handane建立了稳态学说，修正了米氏方程。 4 1958年，Koshland提出了诱导适应学说，在酶蛋白化学的研究中，1 1926年，Sumner首次获得脲酶结晶，证明酶的化学本质在蛋白质21年后获得诺贝尔奖。 2 1963年发现牛胰核糖核酸酶a的一级结构3 1965年报道了鸡蛋清溶菌酶的三维结构4 1969年首次用单一氨基酸人工合成核糖核酸酶5 1982年，Cech组发现rRNA具有催化功能(Ribozyme )但蛋白化学研究及其催化原理及其酶蛋白功能研究总是相互促进、相互渗透。 CH 1.3酶的历史沿革2酶工程的发展历程、1酶工程研究的建立：以工业化酶制剂生产为主要内容的酶工程雏

7、形阶段(50年代) 2酶固定化技术和细胞固定化技术的研究在60年代开始的3 70年代基因工程兴起，深入引导了酶工程技术研究， 带来新内涵的4 1971年第一次国际酶工程会议的召开，显示了酶工程学科和完善的技术体系的形成，在5 80年代实现了克隆酶的突破(Wager将青霉素酰化酶基因克隆到Ecoli菌株的质粒，得到了高效表达)，在6 80年代实现了酶固定化技术， 形成了细胞固定化技术研究等酶工程的研究热点，开始了广泛的产业化应用，开始了基因重组技术和酶化学修饰技术的7 90年代引领了基因工程的酶工程技术分支生物酶工程(包括酶基因克隆表达和基因修饰)， CH 1.1酶的结构和功能CH 1.2酶催化

8、反应的动力学CH 1.3酶的分类和命名CH 1.4酶活性概念和活力测定、形成CH 2酶学基本原理的CH 2.1酶的结构和功能(. 酶催化功能的结构基础)、构成1.1酶活性中心的氨基酸在一级结构上呈分散状态， 这些氨基酸通过酶蛋白的二、三、四级结构在空间上相互集中，由酶活性表达相关的特定区域、构成该特定区域的酶活性中心(active center )的酶活性中心由基质结合部位和催化部位两部分组成。 例如，溶菌酶：由129个AA组成，而构成活性中心的AA由：Glu35、Asp52、Try62、Asp101(Gly101 )组成。 1.2酶作用的高效性机理-影响酶的高效性的要素1 .附近取向效果2

9、.应变效果3 .亲核催化剂/亲核催化剂(共价催化剂)4.酸碱催化剂5 .微环境的影响附近效果是指a和b两个基质分子与酶分子的结合部位结合，两个分子的反应基团相互接近取向效应a、b的两个分子进入过渡状态，两个分子的反应基必须在一定的方向上重叠或交叉，如果这个方向稍微错开，反应就难以进行，或者增加大的能量，这个酶活性部位赋予基质的方向性的取向效应。 1.3异构酶的酶分子表达其活性是基于完整的结构，有些酶除了影响其活性部位外，还影响另一个异构酶的活性，这些酶又称为异构酶或异构酶。 异构酶多为代谢调节酶，由于异构酶部位的变化，酶的活性发生变化，异构酶部位的变化也可以通过与一个配体结合来实现，但与酶的活

10、性部位不同，与异构酶部位结合的配体不是基质，而是调节酶活性的效果、CH 2.1酶的结构和功能(2.酶催化特异性基本说)、2.1片钥匙说(lock and key theory) 1894年，E.Fisher提出了酶与基质作用的片钥匙说，说明了酶与基质之间的特异性问题，其基本意义是. 2诱导适应说(induced-fit hypothesis ) 1958年，Koshland提出了诱导适应学说，据片锁学说，丝氨酸蛋白酶的活性中心位于酶分子表面凹陷的小口袋中，口袋的大小和口袋内的微小环境(疏水性、电荷性)决定了丝氨酸蛋白酶的基质特异性，胰蛋白酶： 裂解主要由疏水性氨基酸残基包围、开口大的芳香族氨基

11、酸的羧基侧的肽键的胰蛋白酶：口袋大，底部有Asp，有利于Lys .Arg键，裂解碱性氨基酸残基的羧基侧的肽键弹性蛋白酶：口袋由Thr构成)只进入Ala等的小部分，分解小的中性氨基酸残基的羧基的电荷中继网： Ser195His57Asp102氢键系。 通过电荷中继网进行酸碱催化剂和共有催化剂。 在不存在基质的情况下，Ser195His57Asp102形成氢键体系，His57是去质子化状态，Asp102的coo通过氢键将His57局部化固定。 底物结合时： His57从Ser195收到质子，增加Ser195羟基氧原子对底物的亲核攻击性，增加Asp102在coo稳定过剩状态下His57正电荷的形式。

12、 胰蛋白酶反应的详细机理第一阶段：酰化Ser195O-中的氧攻击肽键的羰基碳(共价催化剂)，酶的His57咪唑h与基质中的-NH形成氢键(酸碱催化剂)，形成四连体过渡状态(Ser195O-、 基质的第二阶段：脱酰基电荷中继网从水中吸收质子，得到的oh攻击与Ser195上的基质羰基c原子相连，形成四重态过渡状态，His57向Ser195上的氧原子提供质子，基质中的酸成分从Ser195放出。、酶催化机制例胰蛋白酶1 .胰蛋白酶结构、酶催化机制例胰蛋白酶2 .胰蛋白酶的电荷中继网、4 .酶催化机制例胰蛋白酶2 .胰蛋白酶的催化过程、a .酶与基质结合，形成米复合体(ES )、b的酶催化机制例如为胰蛋

13、白酶、e .含水分子的四重项f .羰基生成物形成、酶游离、CH2.2酶催化反应的动力学(. 酶催化反应的初始记述度)、2.1 Michaelis-Menten迅速上述平衡说和Henri-Michaelis-Mentwen方程式单基质酶促进反应模型： k1 kp E SESE P -k1迅速上述平衡对于上述反应模型，有酶和基质结合形成酶基质复合体的记述度快的2个假设。 反应整体上述度取决于酶基质复合体释放游离酶和形成生成物的反应的上述度。 CH2.2酶催化反应的动力学(2.基质浓度对反应的前述度的影响)反应度v=kpes.(1) ks=es/es (ks是es的分解常数).(2) es=es/k

14、s. (3) 假设反应体系中酶的总浓度为E0，则反应达到平衡后酶分子以下列两种形式存在： e0=ees.(4) 3式分别整理为1式4式得到： v=kpes/ks.(5) e0=ees/ks.(6) 5式除以6式得到： kpps ksv/e0=(7) ees/ks1s/ks是两侧乘以1/kps/的结果VM=KP e 0(9)，整理9式和8式： s/ksv/VM=(10 )1s/ksvmsv=.(11 )。 也就是说，我们称之为米方程式。 总结了CH2.2酶催化反应的动力学(3. Henri-Michaelis-Mentwen方程式)，在基于高速平衡说的米方程式的导出中，在反应模型中不考虑ESE P的逆反应，但对于很多酶有基本假设的s比e值高，在反应过程中忽略基质的消耗ES解离为ES的上述度比ES形