1、酶工程酶工程Enzyme Engineering 曹新志曹新志E-mail:TEL:138900622361 主要参考书主要参考书l 郭勇郭勇主编，酶工程。北京：中国轻工业出l 版社，2002l 罗贵民罗贵民主编，酶工程。北京：化学工业出l 版社，2002l 陈石根陈石根，周润琦编著，酶学。上海：复旦l 大学出版社，2001l 郭勇郭勇，郑穗平编著，酶学。广州：华南理l 工大学出版社，20002现代生物工程：l1.基因工程（gene engineering）l2.细胞工程（cell engineering）l3.酶工程（enzyme engineering）l4.发酵工程（fermentati
2、on engineering）l5.蛋白质工程（protein engineering）3l 绪论l 酶的工业生产 l 酶的分离纯化与制剂l 固定化酶和固定化细胞 l 酶反应器l 酶的非水相催化l 酶制剂的应用 4第一章第一章 绪论绪论(ENZYME ENGINEERING)(ENZYME ENGINEERING)酶工程是现代生物技术的重要组成部分。酶工程是现代生物技术的重要组成部分。其其特点特点是是利用酶、含酶细胞器或细胞利用酶、含酶细胞器或细胞(微生物、微生物、植物、动物植物、动物)作为生物催化剂来完成某些重要作为生物催化剂来完成某些重要的化学反应的化学反应。15l第一节第一节 酶工程概述
3、酶工程概述l第二节第二节 酶的分类、组成、结构特点和作用机制酶的分类、组成、结构特点和作用机制l第三节第三节 酶作为催化剂的显著特点酶作为催化剂的显著特点l第四节第四节 影响酶活力的因素影响酶活力的因素l第五节第五节 酶动力学和抑制作用酶动力学和抑制作用6生物技术生物技术的四大支柱四大支柱7基因工程基因工程：用用“剪刀剪刀+糨糊糨糊”创造新物种的工程。创造新物种的工程。细胞工程细胞工程：微观水平的嫁接技术。微观水平的嫁接技术。酶工程：酶工程：让工厂高效、安静、美丽如画的工程。让工厂高效、安静、美丽如画的工程。发酵工程：发酵工程：把微生物或细胞造就成无数微型工把微生物或细胞造就成无数微型工 厂，
4、将神话变为现实的桥梁。厂，将神话变为现实的桥梁。8 第一节第一节 酶工程概述酶工程概述 一、一、酶与酶工程发展简史酶与酶工程发展简史 （一）酶学研究简史（一）酶学研究简史 1.1.不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴糖、治不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴糖、治病病 2.2.酶学的产生酶学的产生:消化与发酵现象消化与发酵现象9（1 1）消化）消化法国著名科学家雷默（法国著名科学家雷默（1683-17571683-1757）认为消化是一个在胃液作）认为消化是一个在胃液作用的化学过程而不仅仅是一个物理过程。用的化学过程而不仅仅是一个物理过程。17771777年，意大利物理学家年，意大利物理学家 Spalla
5、nzani(Spallanzani(斯帕兰扎尼斯帕兰扎尼)的山鹰的山鹰实验。证明在胃液中存在一些特殊的活性成分实验。证明在胃液中存在一些特殊的活性成分18221822年，美国外科医生年，美国外科医生 Beaumont Beaumont 研究食物研究食物 在胃里的消化。在胃里的消化。1919世纪世纪3030年代，德国科学家年代，德国科学家施旺施旺获得胃蛋白酶获得胃蛋白酶。10（2 2）发酵）发酵16841684年，比利时医生年，比利时医生HelmentHelment提出提出 fermentferment引起酿酒过程中物质变化的因素（酵素）。引起酿酒过程中物质变化的因素（酵素）。18331833年
6、法国化学家年，法国化学家PayenPayen (佩恩佩恩)和和PersonPerson(帕索兹帕索兹)用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶（用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶（diastasediastase）。）。18781878年，德国科学家年，德国科学家K Khnehne(库尼库尼)提出提出 enzymeenzyme从活生物体中分离得到的酶，意思是从活生物体中分离得到的酶，意思是“在酵在酵母中母中”（希腊文）。（希腊文）。11小插曲 1919世纪，世纪，PasteurPasteur和和LiebigLiebig学术长期争论学术长期争论:18571857年，法国化学家和微生物学家年，法国化学家和
7、微生物学家Pasteur(Pasteur(巴斯巴斯德德)认为没有生物则没有发酵。认为没有生物则没有发酵。德国化学家德国化学家LiebigLiebig认为发酵是由化学物质引起的。认为发酵是由化学物质引起的。此争议由德国学者此争议由德国学者BuchnerBuchner(巴克钠巴克钠)兄弟于兄弟于18961896年年解决解决。12BuchnerBuchner兄弟的试验：兄弟的试验：用细砂研磨酵母细胞，压取汁液，汁液用细砂研磨酵母细胞，压取汁液，汁液不含活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二不含活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二氧化碳。氧化碳。证明：发酵与细胞的活动无关。证明：发酵与细胞的活动无关。131
8、4 酶酶活细胞产生的，能在细胞内外起作活细胞产生的，能在细胞内外起作用的（催化）生理活性物质用的（催化）生理活性物质。enzymeorganic chemical substance(a catalyst)formed in living cells,able to cause changes in other substance without being changed itself.酶的化学本质？酶的化学本质？153.3.酶学的迅速发展（理论研究）酶学的迅速发展（理论研究）（1 1）酶的酶的化学本质化学本质德国化学家德国化学家R.WillstatterR.Willstatter的的错误观
9、点。错误观点。19261926年年,美国康乃尔大学的美国康乃尔大学的“独臂学者独臂学者”SumnerSumner（萨萨姆纳）博士从刀豆中提取出脲酶结晶，并证明具有蛋姆纳）博士从刀豆中提取出脲酶结晶，并证明具有蛋白质的性质。白质的性质。并获得并获得19471947年的诺贝尔奖年的诺贝尔奖。19301930年，美国的生物化学家年，美国的生物化学家NorthropNorthrop分离得到了胃蛋分离得到了胃蛋白酶（白酶（pepsinpepsin）、）、胰蛋白酶（胰蛋白酶（trypsintrypsin）、）、胰凝乳蛋白胰凝乳蛋白酶（酶（chymotrypsinchymotrypsin）结晶，确立了酶的化
10、学本质。结晶，确立了酶的化学本质。161718192021（2 2）酶学理论研究酶学理论研究18901890年，年，FisherFisher锁钥学说。锁钥学说。19021902年，年，HenriHenri中间产物学说。中间产物学说。19131913年，年，MichaelisMichaelis 和和 MentenMenten米氏学说。米氏学说。19581958年，年，KoshlandKoshland诱导契合学说。诱导契合学说。19601960年，年，Jacob Jacob 和和 MonodMonod操纵子学说。操纵子学说。22Characteristics of enzyme active Ch
11、aracteristics of enzyme active sitessitesLock and key modelLock and key model(锁钥锁钥锁钥锁钥)1890 picture by Emil fisher.1890 picture by Emil fisher.This model assumed that only This model assumed that only a substrate of the proper shape a substrate of the proper shape could fit with the enzyme.could fit
12、 with the enzyme.Induced fit model Induced fit model(诱导契合诱导契合诱导契合诱导契合)proposed by Daniel proposed by Daniel KoshlandKoshland in in 1958.1958.This model assumes This model assumes continuous changes in active site continuous changes in active site structure as a substrate binds.structure as a substra
13、te binds.2324中间产物学说中间产物学说ESPSE25Steps in an enzymatic reactionSteps in an enzymatic reaction1.1.Enzyme and substrate combine to form a Complex.Enzyme and substrate combine to form a Complex.2.2.Complex goes through a transition state-Complex goes through a transition state-not quite not quite substr
14、ate or productsubstrate or product3.3.A complex of the enzyme and the product is producedA complex of the enzyme and the product is produced4.4.Finally the enzyme and product separate Finally the enzyme and product separate All of these steps are All of these steps are equilibriaequilibria.Lets revi
15、ew each step.Lets review each step.2627282930Michaelis-Menten equation31 酶酶是一类由活性细胞产生的具有催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。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？是否所有的酶都是蛋白质？32（3 3）核酶的发现）核酶的发现 19821982年，年，Thomas Thomas R.CechR.Cech(切克切克)等人发现等人发现四膜虫细胞的四膜虫细胞的26S 26S rRNArRNA前体具有自我前体具有自我剪接功能，剪接功能，将这种具有将这种具有催化活性的天然催化活
16、性的天然RNARNA称为核酶称为核酶RibozymeRibozyme。19831983年，年，Altman(Altman(阿尔特曼阿尔特曼)等人发现核糖核等人发现核糖核酸酶酸酶P P的的RNARNA组分具有组分具有加工加工tRNAtRNA前体的催化功能前体的催化功能。而而RNaseRNase P P中的蛋白组分没有催化功能，只是起中的蛋白组分没有催化功能，只是起稳定构象的作用。稳定构象的作用。33 核酶的发现，改变了有关酶的概念，即核酶的发现，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（蛋白酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白质或质或RNARNA）。）。酶分两大类：酶分两大类：
17、主要由蛋白质组成主要由蛋白质组成蛋白类酶（蛋白类酶（P P酶）酶）主要由核糖核酸组成主要由核糖核酸组成核酸类酶（核酸类酶（R R酶）酶）34（二二)酶工程研究简史（应用研究）酶工程研究简史（应用研究）18941894年，日本的高峰让吉用米曲霉制备得到淀粉酶，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。开创了酶技术走向商业化的先例。19081908年，德国的年，德国的RohmRohm用动物胰脏制得胰蛋白酶，用用动物胰脏制得胰蛋白酶，用于皮革的软化及洗涤。于皮革的软化及洗涤。19081908年，法国的年，法国的BoidinBoidin制备得到细菌淀粉酶，用于制备得到细菌
18、淀粉酶，用于纺织品的褪浆。纺织品的褪浆。19111911年，年，WallersteinWallerstein从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清。于啤酒的澄清。35 19491949年，用微生物液体深层培养法进行年，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淀粉酶的发酵生产，揭开了近代酶工业的序幕。序幕。19601960年，法国科学家年，法国科学家JacobJacob和和MonodMonod提出提出的操纵子学说，阐明了酶生物合成的调节机的操纵子学说，阐明了酶生物合成的调节机制，通过酶的诱导和解除阻遏，可显著提高制，通过酶的诱导和解除阻遏，可显著
19、提高酶的产量。酶的产量。36 在酶的应用过程中，人们注意到酶的一些在酶的应用过程中，人们注意到酶的一些不足之处，如：稳定性差，对强酸碱敏感，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。只能使用一次，分离纯化困难等。解决的方法之一是固定化。解决的方法之一是固定化。37 固定化技术的发展经历固定化技术的发展经历n19161916年，年，NelsonNelson和和GriffinGriffin发现蔗糖酶吸附到发现蔗糖酶吸附到骨炭上仍具催化活性。骨炭上仍具催化活性。n 19691969年，日本千佃一郎首次在工业规模上用年，日本千佃一郎首次在工业规模上用固定化氨基酰化酶从固定化氨
20、基酰化酶从DL-DL-氨基酸生产氨基酸生产L L氨基酸。氨基酸。n19711971年，第一届国际酶工程会议在美国召开，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。会议的主题是固定化酶。38 二二 .酶工程酶工程简介简介 由酶学与化学工程技术、基因工程技术、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、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酶的制备与改造、酶反应器以及酶的各方面应用。应用。分为：化学酶工程与生物酶工程。分为：化学酶工程与生物酶
21、工程。391.1.化学酶工程化学酶工程（初级酶工程（初级酶工程）2.2.酶化学与化学工程技术相结合的产物。酶化学与化学工程技术相结合的产物。3.3.主要研究内容：酶的制备、酶的分离纯化、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、酶反应器酶与细胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器和酶的应用。和酶的应用。4.4.2.2.生物酶工程生物酶工程（高级酶工程（高级酶工程）5.5.在化学酶工程基础上发展起来的、酶学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。与现代分子生物学技术相结合的产物。6.6.40 生物酶工程主要研究内容生物酶工程主要研究内容（1
22、 1）用基因工程技术大量生产酶用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）（克隆酶）如：尿激酶原和尿激酶是治疗血栓病的有效药物。用如：尿激酶原和尿激酶是治疗血栓病的有效药物。用DNADNA重组技术将人尿激酶原的结构基因转移到大肠杆菌中，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。人尿中提取尿激酶。（2 2）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶）（突变酶）如：酪氨酰如：酪氨酰tRNAtRNA合成酶，用合成酶，用Ala5Ala5（第第5 5位的丙氨酸
23、取位的丙氨酸）取代代Thr51Thr51（第第5151位的丝氨酸），使该酶对底物位的丝氨酸），使该酶对底物ATPATP的亲和的亲和力提高了力提高了100100倍。倍。（3 3）设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能）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。稳定、活性更高的新酶。41 生物酶工程示意图生物酶工程示意图42l 酶工程原理和基本过酶工程原理和基本过程程 菌种菌种 扩大培养扩大培养 发酵发酵 发酵酶液发酵酶液 酶的提取酶的提取 酶成品酶成品 原料原料 前处理前处理 杀菌杀菌 酶反应器酶反应器 反应液反应液 产品提取产品提取 产品产品酶的固定化酶的固定化
24、43 思考题：思考题：1.1.酶工程的概念、分类及其研究内容。酶工程的概念、分类及其研究内容。2.2.PayenPayen和和PersonPerson、BuchnerBuchner兄弟、兄弟、SumnerSumner、FisherFisher、KoshlandKoshland、HenriHenri、MichaelisMichaelis和和MentenMenten、JacobJacob和和MonodMonod、CechCech和和AltmamAltmam及及千佃一郎对酶学的主要贡献是什么？千佃一郎对酶学的主要贡献是什么？44应用范围包括应用范围包括:l医药、食品、化学工业，诊断分析和生物传感器医
25、药、食品、化学工业，诊断分析和生物传感器等。等。l 诸如糖化酶、淀粉酶、洗涤用酶以及与诸如糖化酶、淀粉酶、洗涤用酶以及与-内内酰胺抗生素生产有关的青霉素酰化酶、酰胺抗生素生产有关的青霉素酰化酶、7-ACA7-ACA酰化酰化酶等，酶等，l 其市场需求、生产规模和产值均很可观，并其市场需求、生产规模和产值均很可观，并已产生巨大的经济效益。已产生巨大的经济效益。l 随着酶的大量应用，各种随着酶的大量应用，各种酶反应器酶反应器和和固定化固定化技术技术应运而生，更进一步地推动了酶工程的发展。应运而生，更进一步地推动了酶工程的发展。45当代酶工程发展的趋势之一当代酶工程发展的趋势之一l 是寻找是寻找耐极端
26、条件耐极端条件的酶，如耐高温、的酶，如耐高温、耐酸碱、耐盐等。这些酶存在于嗜高温、耐酸碱、耐盐等。这些酶存在于嗜高温、嗜酸碱、嗜高盐的细菌中。嗜酸碱、嗜高盐的细菌中。l 近年来对这些细菌的研究进展迅速，近年来对这些细菌的研究进展迅速，这将为酶工业提供源源不断的新型酶类。这将为酶工业提供源源不断的新型酶类。46酶有多少种酶有多少种?l 现已发现生物体内存在的酶有近现已发现生物体内存在的酶有近80008000种，而种，而且每年都有新酶发现。迄今，数百种酶已纯化达且每年都有新酶发现。迄今，数百种酶已纯化达到了均一纯度，大约有到了均一纯度，大约有200200多种酶得到了结晶。多种酶得到了结晶。l 由于
27、蛋白质分析分离技术的飞速发展，特别由于蛋白质分析分离技术的飞速发展，特别是在运用是在运用x x射线衍射分析等方法后，人们相继弄清射线衍射分析等方法后，人们相继弄清了溶菌酶了溶菌酶(129(129个氨基酸残基个氨基酸残基)、胰凝乳蛋白酶、胰凝乳蛋白酶(245(245个氨基酸残基个氨基酸残基)、羧肽酶、羧肽酶(307(307个氨基酸残基个氨基酸残基)、多、多元淀粉酶元淀粉酶A(460A(460个氨基酸残基个氨基酸残基)等的结构和作用机等的结构和作用机理。理。l 现在对于细胞基本代谢过程中的各种酶，很现在对于细胞基本代谢过程中的各种酶，很多已有比较清楚的认识，但有关遗传过程中的酶多已有比较清楚的认识
28、但有关遗传过程中的酶还有待深入研究。还有待深入研究。47 酶是生物体内进行自我复制、新陈代谢所不可缺少的酶是生物体内进行自我复制、新陈代谢所不可缺少的生物催化剂。由于酶能在常温、常压、中性生物催化剂。由于酶能在常温、常压、中性pHpH等温和条件等温和条件下高度专一有效地催化底物发生反应，所以酶的开发和利下高度专一有效地催化底物发生反应，所以酶的开发和利用是当代新技术革命中的一个重要课题。酶工程主要指自用是当代新技术革命中的一个重要课题。酶工程主要指自然酶制剂在工业上的大规模应用，然酶制剂在工业上的大规模应用，由由4 4个部分组成个部分组成：酶的产生；酶的产生；酶的分离纯化；酶的分离纯化；酶的
29、固定化；酶的固定化；生物反应器。生物反应器。48酶工程的发展历史酶工程的发展历史:l 一般认为，酶工程的发展历史应从第二次世界一般认为，酶工程的发展历史应从第二次世界大战后算起。大战后算起。l从从2020世纪世纪5050年代开始年代开始，由微生物发酵液中分离出一，由微生物发酵液中分离出一些酶，制成酶制剂。些酶，制成酶制剂。l6060年代后年代后，由于固定化酶、固定化细胞崛起，使酶，由于固定化酶、固定化细胞崛起，使酶制剂的应用技术面貌一新。制剂的应用技术面貌一新。l7070年代后期年代后期以来，由于微生物学、遗传工程及细胞以来，由于微生物学、遗传工程及细胞工程的发展为酶工程进一步向纵深发展带来勃
30、勃生工程的发展为酶工程进一步向纵深发展带来勃勃生机，从酶的制备方法、酶的应用范围到后处理工艺机，从酶的制备方法、酶的应用范围到后处理工艺都受到巨大冲击。尽管目前业已发现和鉴定的酶约都受到巨大冲击。尽管目前业已发现和鉴定的酶约有有80008000多种，但大规模生产和应用的多种，但大规模生产和应用的商品酶只有数商品酶只有数十种十种。l。849自然酶在工业应用上自然酶在工业应用上受到限制的原因受到限制的原因主主要有：要有：l大多数酶脱离其生理环境后极不稳定，大多数酶脱离其生理环境后极不稳定，而酶在生产和应用过程中的条件往往与其而酶在生产和应用过程中的条件往往与其生理环境相去甚远；生理环境相去甚远；l
31、酶的分离纯化工艺复杂；酶的分离纯化工艺复杂；l酶制剂成本较高酶制剂成本较高50固定化酶较自由酶具有很多固定化酶较自由酶具有很多优点优点：l稳定性高；稳定性高；酶可反复使用；酶可反复使用；产物纯度高，产物纯度高，副产物少，从而有利提纯；副产物少，从而有利提纯；生产可连续化、自生产可连续化、自动化；动化；设备小型化，节约能源等。设备小型化，节约能源等。l 因此因此固定化酶研究仍是酶工程研究的中心固定化酶研究仍是酶工程研究的中心，其，其应用范围越来越广。除应用于传统的食品工业应用范围越来越广。除应用于传统的食品工业(乳乳糖的分解、乳酪制造、牛奶消毒、酒精生产等糖的分解、乳酪制造、牛奶消毒、酒精生产等
32、)外，外，在其他领域如有机合成反应、分析化学、医疗、在其他领域如有机合成反应、分析化学、医疗、废液处理、亲和层析等也获得广泛应用。废液处理、亲和层析等也获得广泛应用。51在固定化酶的基础上又逐渐发展在固定化酶的基础上又逐渐发展固定化固定化细胞的技术细胞的技术l近年来，后来居上的固定化细胞技术发展更为迅速，在近年来，后来居上的固定化细胞技术发展更为迅速，在实际应用方面已大大超过固定化酶。实际应用方面已大大超过固定化酶。l在工业应用方面，利用固定化酵母细胞发酵生产酒精、在工业应用方面，利用固定化酵母细胞发酵生产酒精、啤酒的研究较引入注目。啤酒的研究较引入注目。l日本日本Toshio Toshio
33、OnakaOnaka 等用海藻酸钙凝胶包埋酵母细胞，等用海藻酸钙凝胶包埋酵母细胞，可在一天内获得质量优良的啤酒。可在一天内获得质量优良的啤酒。l法国法国CorriellCorriell 等将酵母细胞固定在聚氯乙烯碎片和多等将酵母细胞固定在聚氯乙烯碎片和多孔砖等载体上进行啤酒发酵中型试验，可连续运转孔砖等载体上进行啤酒发酵中型试验，可连续运转8 8个个月。月。l中国上海工业微生物研究所中国上海工业微生物研究所等单位也从等单位也从2020世纪世纪7070年代后年代后期进行过类似的研究工作，用固定化酵母发酵啤酒的规期进行过类似的研究工作，用固定化酵母发酵啤酒的规模不断扩大，已正式投入大规模生产。模不
34、断扩大，已正式投入大规模生产。1052 基因工程与酶工程相结合基因工程与酶工程相结合 19801980年，年，WagnerWagner等人报道，将大肠杆菌等人报道，将大肠杆菌ACTT11105ACTT11105的的青霉素酰化酶基因克隆到质粒上，获得产酶活力更高的大青霉素酰化酶基因克隆到质粒上，获得产酶活力更高的大肠杆菌肠杆菌5K(PHMl2)5K(PHMl2)杂交株，并将此大肠杆菌杂交株固定，杂交株，并将此大肠杆菌杂交株固定，用于生产青霉素酰化酶。这是用于生产青霉素酰化酶。这是基因工程与酶工程相结合的基因工程与酶工程相结合的第一例第一例。近年来，有关藻类等各种植物细胞、原生动物等各种近年来，有
35、关藻类等各种植物细胞、原生动物等各种动物细胞固定化研究十分活跃。动物细胞固定化研究十分活跃。19801980年，年，LimLim和和SunSun报道，报道，用海藻酸钙包埋胰岛细胞可用于大白鼠糖尿病的治疗研究。用海藻酸钙包埋胰岛细胞可用于大白鼠糖尿病的治疗研究。53酶分子的改造和修饰酶分子的改造和修饰l 酶制剂的应用并不一定都需要固定化，而且酶制剂的应用并不一定都需要固定化，而且需要固定化的天然酶也仍有必要提高其活力，改需要固定化的天然酶也仍有必要提高其活力，改善其某些性质，以便更好地发挥酶的催化功能。善其某些性质，以便更好地发挥酶的催化功能。l 由此而提出了酶分子的改造和修饰。由此而提出了酶分
36、子的改造和修饰。l 在第七届国际酶工程会议上，以酶分子改造在第七届国际酶工程会议上，以酶分子改造和修饰为和修饰为主要内容主要内容的提高酶稳定性的研究占较大的提高酶稳定性的研究占较大比例，它与比例，它与基因工程的应用基因工程的应用、活细胞的固定化活细胞的固定化一一起，成为起，成为19831983年国际酶工程会议最为活跃的三大年国际酶工程会议最为活跃的三大领域领域。544l l l 通常通常将改变酶蛋白一级结构的过程称为将改变酶蛋白一级结构的过程称为改造改造，而，而将酶蛋白侧链基团的共价变化称为将酶蛋白侧链基团的共价变化称为修饰修饰。l 酶分子经加工改造后，可导致有利于应用的许多酶分子经加工改造后
37、可导致有利于应用的许多重要性质与功能的变化。如德重等利用蛋白水解酶的重要性质与功能的变化。如德重等利用蛋白水解酶的有限水解作用，已将有限水解作用，已将L-L-天冬氨酸酶的活力提高天冬氨酸酶的活力提高3 36 6倍。倍。l 美国美国DavisDavis等人还利用蛋白质侧链基团的修饰作用，等人还利用蛋白质侧链基团的修饰作用，研究降低或解除异体蛋白的抗原性及免疫原性。以聚研究降低或解除异体蛋白的抗原性及免疫原性。以聚乙二醇修饰治疗白血病的特效药乙二醇修饰治疗白血病的特效药L-L-天冬酰胺酶，使其天冬酰胺酶，使其抗原性完全解除。抗原性完全解除。1155在酶工程研究中，与酶分子本身不直接有在酶工程研究
38、中，与酶分子本身不直接有关的有关的有两项重要内容两项重要内容：l酶生物反应器的研究酶生物反应器的研究和和酶抑制剂的研究酶抑制剂的研究。l 酶生物反应器酶生物反应器往往可以提高催化效率、简化工艺，从而往往可以提高催化效率、简化工艺，从而增加经济效益。结合固定化技术，业已发展成酶电极、酶增加经济效益。结合固定化技术，业已发展成酶电极、酶膜反应器、免疫传感器及多酶反应器等新技术。这在化学膜反应器、免疫传感器及多酶反应器等新技术。这在化学分析、临床诊断与工业生产过程的监测方面成为很有价值分析、临床诊断与工业生产过程的监测方面成为很有价值的应用技术。的应用技术。l 酶抑制剂酶抑制剂，尤其是微生物来源的菌
39、抑制剂多是重要抗生，尤其是微生物来源的菌抑制剂多是重要抗生素。酶抑制剂还可在代谢控制、生物农药、生物除草剂等素。酶抑制剂还可在代谢控制、生物农药、生物除草剂等方面发挥特殊作用，其低毒性备受人们欢迎。酶抑制剂的方面发挥特殊作用，其低毒性备受人们欢迎。酶抑制剂的开发业已受到国际产业部门的重视。开发业已受到国际产业部门的重视。1256l 从酶工程的进展和动态中可以预料，今后将会出现一从酶工程的进展和动态中可以预料，今后将会出现一批基因工程表达的酶制剂，亲和层析技术仍将得到广泛应批基因工程表达的酶制剂，亲和层析技术仍将得到广泛应用，并会出现一个应用经分子改造与修饰的酶制剂的热潮。用，并会出现一个应用经
40、分子改造与修饰的酶制剂的热潮。异体酶的抗原性将得到解决。在酶活性的控制方面将会有异体酶的抗原性将得到解决。在酶活性的控制方面将会有较大突破，其中较大突破，其中酶抑制剂与激活剂仍将受到极大重视酶抑制剂与激活剂仍将受到极大重视，并，并在临床及工农业生产中发挥重要作用。在化学合成工业中，在临床及工农业生产中发挥重要作用。在化学合成工业中，酶法生产将有重大贡献，模拟酶、酶的人工设计合成、抗酶法生产将有重大贡献，模拟酶、酶的人工设计合成、抗体酶、杂交酶将成为活跃的研究领域。非水系统酶反应技体酶、杂交酶将成为活跃的研究领域。非水系统酶反应技术术(反向胶束中的酶促反应、有机溶剂中的酶反应反向胶束中的酶促反应
41、有机溶剂中的酶反应)也仍将也仍将是是研究热点研究热点之一。之一。1357第二节第二节 酶的分类、组成、结构特点和作用酶的分类、组成、结构特点和作用机制机制 1458一、酶的分类一、酶的分类2-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59缺点缺乏系统性，常常会不可避免地出现一酶数名或一名数酶的混乱情况60国际生物化学联合会International Union of Biochemistry 简称IUB1961年提出
42、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61l 1961年国际生化联合会酶学委员会提出将酶分成年国际生化联合会酶学委员会提出将酶分成6类。许类。许多酶是由它们底物名称加上后缀多酶是由它们底物名称加上后缀“-ase”命名。命名。l 因此脲酶因此脲酶(urease)是催化尿素是催化尿素(urea)水解的酶。果糖水解的酶。果糖-1，6-二磷酸酶二磷酸酶(fluctose-l，6-diphosphatase)是水解果是水解果糖糖-l，6-二磷酸的酶。二磷酸的酶。l 然而，有些酶然而，有些酶(如胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶如胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶
43、)的命名并末的命名并末表示它的底物名称。有些酶有多种不同的名称。表示它的底物名称。有些酶有多种不同的名称。l 为了使酶的名称合理，国际上已公认一种酶的命名为了使酶的名称合理，国际上已公认一种酶的命名(enzyme nomenclature)系统，这个系统将所有的酶根据系统，这个系统将所有的酶根据其反应催化的类型安置到其反应催化的类型安置到6种主要类型的某一种中种主要类型的某一种中(表表1-1)。62 63酶酶1-氧化还氧化还原酶类原酶类2-转移转移酶类酶类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64ECEC命名法命名法EC
44、x.y.z.nECx.y.z.nECEC为酶学委员会为酶学委员会Enzyme CommissionEnzyme Commission亚亚类亚亚类下的具下的具体的个体的个别酶的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酶所所属大属大类类1616大类大类下的下的亚类亚类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65l 此外每种酶各有一个独自的此外每种酶各有一个独自的4 4个数字的分类编个数字的分类编号，例如胰蛋白酶有一由国际生化联合会团委员号，例如胰蛋白酶有一由国际生化联合会团委员会公布的酶
45、分类会公布的酶分类(用用ECEC标示标示)编号为编号为3 3、4 4、2l2l、4 4，l这里第一个数字这里第一个数字“3”3”表示它是表示它是水解酶水解酶；l第二个数字第二个数字“4”4”表示它是蛋白酶水解表示它是蛋白酶水解肽键肽键；l第三个数字第三个数字“21”21”表示它是丝表示它是丝氨酸蛋白酶氨酸蛋白酶，在活，在活性部位上有一至关重要的丝氨酸残基；性部位上有一至关重要的丝氨酸残基；l第四个数字第四个数字“4”4”表示它是这一类型中被指认的表示它是这一类型中被指认的第第四个酶四个酶。作为对照，胰凝乳蛋白酶的。作为对照，胰凝乳蛋白酶的ECEC编号为编号为3 3、4 4、2l2l、l l，弹
46、性蛋白酶编号为，弹性蛋白酶编号为3 3、4 4、2121、3636。66值得注意的是来自不同物种或同一物种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胞器的同一种酶，的不同组织或不同细胞器的同一种酶，虽然他们催化同一个生化反应，但它们虽然他们催化同一个生化反应，但它们本身的一级结构可能并不相同，命名也本身的一级结构可能并不相同，命名也有所区别有所区别CuZn-SODMn-SODFe-SODCuZn-SOD牛牛细胞细胞CuZnCuZnCuZnCuZn-SOD-SOD-SOD-SOD猪细胞猪细胞CuZnCuZnCuZnCuZn-SOD-SOD-SOD-SODSOD讨论一个酶时，讨论一个酶时
47、需要说明来源和需要说明来源和名称名称6715(1)(1)氧化还原酶氧化还原酶 在体内参与产能、解毒和某些生理活性物在体内参与产能、解毒和某些生理活性物质的合成。重要的有各种脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、质的合成。重要的有各种脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、氧合酶、细胞色素氧化酶等。氧合酶、细胞色素氧化酶等。(2)(2)转移酶转移酶 在体内将某基团从一个化合物转移到另一化合在体内将某基团从一个化合物转移到另一化合物，参与核酸、蛋白质、糖及脂肪的代谢和合成。重要的物，参与核酸、蛋白质、糖及脂肪的代谢和合成。重要的有一碳基转移酶、酮醛基转移酶、酰基转移酶、糖苷基转有一碳基转移酶、酮醛基转移酶、酰基转移酶
48、糖苷基转移酶、含氮基转移酶、磷酸基转移酶、含硫基团转移酶等移酶、含氮基转移酶、磷酸基转移酶、含硫基团转移酶等(3)(3)水解酶水解酶 在体内外起降解作用，也是人类应用最广的酶在体内外起降解作用，也是人类应用最广的酶类。重要的有各种脂肪酶、糖苷酶、肽酶等。类。重要的有各种脂肪酶、糖苷酶、肽酶等。水解酶一般水解酶一般不需辅酶不需辅酶。68(4)(4)裂合酶裂合酶 这类酶可脱去底物上某一基团而留下双键，这类酶可脱去底物上某一基团而留下双键，或可相反地在双键处加入某一基团。它们分别催化或可相反地在双键处加入某一基团。它们分别催化CCCC、C OC O、CNCN、CSCS、CX(FCX(F，C1C1，
49、BrBr，I)I)和和P-OP-O键。键。16(6)(6)连接酶连接酶(合成酶合成酶)这类酶关系很多生命物质的合成，这类酶关系很多生命物质的合成，其其特点特点是需要三磷酸腺苷等高能磷酸酯作为结合能源，有是需要三磷酸腺苷等高能磷酸酯作为结合能源，有的还需金属离子辅助因子。分别形成的还需金属离子辅助因子。分别形成COCO键键(与蛋白质合与蛋白质合成有关成有关)、CSCS键键(与脂肪酸合成有关与脂肪酸合成有关)、CCCC键和磷酸酯键和磷酸酯键。键。(5)(5)(5)(5)异构酶异构酶异构酶异构酶 此类酶为生物代谢需要而对某些物质进行分此类酶为生物代谢需要而对某些物质进行分此类酶为生物代谢需要而对某些
50、物质进行分此类酶为生物代谢需要而对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋差向异构、顺反异构、醛酮异子异构化，分别进行外消旋差向异构、顺反异构、醛酮异子异构化，分别进行外消旋差向异构、顺反异构、醛酮异子异构化，分别进行外消旋差向异构、顺反异构、醛酮异构、分子内转移、分子内裂解等。构、分子内转移、分子内裂解等。构、分子内转移、分子内裂解等。构、分子内转移、分子内裂解等。69二、酶的组成和结构特点二、酶的组成和结构特点70酶的酶的结构结构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酶的结构结构71酶的一级、二级、三级和四级结构示意图72酶的空间结构四级结构三级结构二级结构酶的
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