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1、酶工程导论,2007.3 生物科学与工程学院,罗晓春 办公室：南校区B6 电话：13710952319 Email: ,任课教师,参考书目,酶工程，郭勇，科学出版社 酶工程原理与技术，郭勇，高等教育出版社 酶工程，罗贵民，化学工业出版社 酶学，郭勇、郑穗平，华南理工大学出版社,本课程的主要内容,通过本课程的教学，帮助学生了解酶工程的基本方法、原理，了解酶在科学研究、国民经济、社会生活中的应用和生命科学前沿领域的新进展。 本课程将系统介绍酶工程技术的概念、原理、研究方法、发展方向，同时介绍酶工程领域的最新科技成果。内容主要包括酶的基本特性和生产、轻工行业用酶、环境和化工行业用酶、医药诊断治疗用酶
2、、酶的进化和人工设计等前沿领域。,1高等教育的目标,全面素质教育 有一定专业方向 的全面素质的培养， 面对多个方面的挑战,职业教育 从事某一种职业 的训练和准备,人是物的附件,以人为本,为什么开设科学技术系列课程？,“every Harvard graduate should be broadly educated as well as trained in a particular academic specialty or concentration.” 每一个哈佛毕业生应该受到 广博教育并且还应在专门的学科方面得到一定的培训.”,哈佛大学核心课程主要包括六大门类,1. 各国文化 2. 历
3、史研究 3. 文学美术 4. 道德伦理 5. 科学:数学,生命科学 6. 社会分析,着重点: 人格的养成; 思辨能力和思维习惯的养成; 分析、把握和解决问题的能力的养成.,2、“公共基础”由哪些板块组成？,数理化,毕业设计,专 业 课,专 业 基 础 课,政 治,人 文,计算机,外 语,生 物,1980年以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课. 1995年以后，国内重点理工科大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。,酶的重要性,新陈代谢是生命活动的基础，而构成新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化，都是在酶催化下进行的。,基因组计划已经描绘
4、出人类完整的生命周期“元素表”，生命科学研究已进入后基因组时代。,医药生物技术,人类基因组学 及相关科学,农业生物技术,动植物基因组学 及相关科学,工业生物技术,微生物基因组学 及相关科学,推动,目前人类所了解的微生物仅占总数1，故以微生物和酶为主的工业生物催化技术的发展潜力非常大，发展空间较大。,推动,推动,拉动,人口 健康,食品,资源 能源 环境,拉动,拉动,Red Biotechnology,Green Biotechnology,White Biotechnology,物质加工方式的变革,可持续发展,不可持续发展,石油精炼,有机化学 化工过程 化学反应多步 溶剂, 催化剂 能量,石油工
5、业,石油,石脑油,石油 化学产品,关键化合物 乙烯、丙烯、丁二烯 苯、甲苯、二甲苯,生物基 化学产品,生物有机化学,新化学工业过程,生物催化 化学催化 工艺绿色化,生物质化学工业,CO2,可持续 社会,短缺,燃料,分解,生物质加工的重大产品体系,酶参与了生物体内所有的生命活动和生命过程,执行具体的生理功能-唾液、胃液中的消化酶，凝血酶等 清除有害物质,起保卫作用-过氧化物酶，超氧化物岐化酶等 协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转换,传递与放大作用,调节生理功能-蛋白激酶 催化代谢反应,建立各种各样代谢体系与代谢途径-葡萄糖、氨基酸、核酸代谢,酶是生物学有力的研究工具,基因工程工具酶 基因组学
6、 蛋白组学,酶和工农业生产与医学实践有着密切的关系,工业用酶：淀粉糖业 农业用酶：饲料 医疗用酶：蛋白酶 检测试剂 抗病毒等新药物开发,“绿色健康，“酶”力无限 洗涤剂、纺织、淀粉制糖、发酵、酒精、食品（包括果蔬汁、啤酒酿造、谷物食品、蛋白水解、和功能食品以及食用油脂）、饲料、皮革、造纸和化工等工业领域,溶菌酶,凝血酶,栓溶酶类与心血管疾病,SOD与化妆品行业,消化酶类,健美生消化酶帮助肠胃蠕动 【产品规格】90片瓶 【食用方法】成人每日3片，随主餐服用 【成分(每片含)】 1)消化蛋白质：木瓜蛋白酶50毫克、菠萝蛋白酶30毫克； 2)消化脂肪：脂肪酶30毫克； 3)消化碳水化合物/淀粉：淀粉
7、酶50毫克； 4)消化乳制品：乳糖酶30毫克； 5)消化纤维：纤维素酶15毫克。 另含：能抑制过多胃酸的葡萄糖酸钙，能缓解反胃薄荷叶和茴香 【适用人群】 消化不良者 肠胃疾病患者 大病初愈者,淀粉酶类与淀粉糖业,果汁生产与果胶酶,乳制品与凝乳酶,酶制剂在国外饲料工业中得到不断应用，不仅提高了饲料原料的转化率，也促进了对饲料的消化。,植酸酶 Bio-Feed Phytase ( Ronozyme P ) 主要用于提高植酸磷的消化率，并相应改善钙和其它矿物元素的利用率。大大降低了动物粪便中磷的排放量，有益环保。,生物抛光是一种用纤维素酶改善纤维素纤维制品表面的整理工艺,以达到持久的抗起毛起球并增加
8、织物的光洁度和柔软度,青霉素酰化酶与抗生素改造,现代基因工程的创始人P伯格（美国,1926）在1960年以敏锐的科学预见力提出一个大胆的设想：是否可以创造出一种人工方法，把外界的遗传基因引入动物体内，以达到改变遗传性状和治疗某些疾病的需要呢？1972年，伯格把两种病毒的DNA用同一种限制性内切酶切割后，再用DNA连接酶把这两种DNA分子连接起来，于是产生了一种新的重组DNA分子，首次实现两种不同生物的DNA体外连接，获得了第一批重组DNA分子，这标志着基因工程技术的诞生。伯格因此获得了1980年诺贝尔化学奖。,“分子剪刀”的发现者,限制性内切酶,“分子手术刀 ”,限制性 酶活性 缓冲液 甲基化
9、 底物性状,DNA缠绕成的染色体末端，有称做端粒（telomere）的区域。控制着细胞的分裂次数，端粒随着细胞分裂每次变短，短到某个程度，细胞将不再分裂。人的一生中，细胞大约能分裂5060次。因此端粒是控制生理寿命的生物钟，而端粒长短就成为表示细胞“年龄”的指标。如果加入一种“端粒酶”阻止它缩短，就可使细胞保持年轻，人就像吃了“唐僧肉”一样实现长生不老的梦想。,Iressa 艾若萨 (ZD1839),阿斯利康公司 苯胺喹啉化合物（anilinoquinazoline） 强效EGFR（表皮生长因子受体）酪氨酸激酶抑制剂。 对癌细胞的增殖、生长、存活的信号转导通路起阻断作用。 增加PPD、Taxe
10、l、Doxtaxel、ADM治疗NSCLC有效率920 不良反应：皮疹、恶心、呕吐、腹泻。,增生,X,凋亡,血管生成,转移,细胞膜,癌细胞,ZD1839,EGF,TGFa,X,X,X,细胞核,激酶,X,ZD1839: 作用机制,苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病,PKU苯丙酮尿症 脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商 050,白化病,限制性内切酶图谱多态性技术（RFLP） 基因突变使得内切酶图谱改变,酶切,电泳,放射性探针杂交,图谱多态性,红细胞6- 磷酸葡萄糖脱氢酶缺陷症(G6PD),杜顺德，儿科学专家，华西医科大学儿科创始人，是中国蚕豆病的最先发现者和命名人。 1955年粤东地区发生蚕豆病大流行，
11、患者达1000人以上。广东省很重视这一问题，特邀杜顺德及其在中山医学院的长子杜传书，进行现场调查。杜传书对蚕豆成分进行了研究，并证实患者红细胞内缺乏6磷酸葡萄糖脱氢酶，因而发生急性溶血。杜传书将研究成果写成蚕豆病一书，该书1987年由人民卫生出版社出版。,美国医学家WF安德森等人对腺苷脱氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，是世界上第一个基因治疗成功的范例。,1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩谢德尔进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中
12、，这种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活。,谢德尔，1999,什么是酶工程？,酶工程(enzyme engineering)是在1971年第一届国际酶工程会议上才得到命名的一项新技术，是酶制剂的大批量生产和应用的技术。 酶工程主要研究酶的生产、纯化、固定化技术、酶分子结构的修饰和改造以及在工农业、医药卫生和理论研究等方面的应用。,两种不同的角度,一是化学方法，即通过对酶的化学修饰或固定化处理，改善酶的性质以提高酶的效率和降低成本，甚至通过化学合成法制
13、造人工酶，（化学酶工程）； 另一种是用基因重组技术生产酶以及对酶基因进行修饰或设计新基因，从而生产性能稳定，具有新的生物活性及催化效率更高的酶。（生物酶工程）,化学酶工程,天然酶（从生物材料中分离纯化得到酶） 化学修饰酶（对酶分子的化学修饰改善酶的性能） 固定化酶（将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于水的，但仍具有酶活性的状态） 人工模拟酶(用化学合成了人工酶催化剂),生物酶工程,生物酶工程是酶学和以DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物。 用基因工程技术大量生产酶(克隆酶)； 对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶(突变酶)； 全新设计新酶基因或者通过体外进化，合成自然界不曾
14、有的新酶。,第一讲 酶的基本概念和发展历史,酶的定义 酶的发现及研究历史 酶的分类命名 酶的化学本质 酶催化的特性（专一性、敏感性，可调性）,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1061013倍。,1mol过氧化氢酶 5106 molH2O2 1mol离子铁 610-4molH2O2,1、酶的定
15、义,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。 1896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
16、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。,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
17、。 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。,酶的应用历史,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
18、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 -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;
19、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。,1961年国际酶学委员会（Enzyme Committee, EC）根据酶所催化的反应类型和机理，把酶分成6大类：,1. 氧化还原酶类：主要是催化氢的转移或电子传递的氧化还原反应。,AH2 + B（O2）,A + BH2（H2O2，H2O）,（1）脱氢酶类：催化直接从底物上脱氢的反应。,AH2 +B,A +BH2（需辅酶或辅酶）,3、酶的分类与命名,（2）氧化酶类,催化底物脱氢，氧化生成H2O2：,
20、AH2 + O2,A + H2O2（需FAD或FMN）,催化底物脱氢，氧化生成H2O：,2AH2 + O2,2A + 2H2O,（3）过氧化物酶,ROO + H2O2,RO + H2O + O2,（4）加氧酶（双加氧酶和单加氧酶）,（顺，顺-已二烯二酸）,RH + O2 + 还原型辅助因子,ROH + H2O + 氧化型辅助因子,（又称羟化酶）,2. 转移酶类：催化化合物中某些基团的转移。,AX + B,A +BX,根据X分成8个亚类：转移碳基、酮基或醛基、酰基、糖基、烃基、含氮基、含磷基和含硫基的酶。,3. 水解酶类：催化加水分解作用。,AB + H2O,AOH + BH,4. 裂解酶类：催
21、化非水解性地除去基团而形成双键的反应或逆反应。,CC键,+ CO2,CO键,+ H2O,CN键,+ NH3,5. 异构酶：催化 各种异构体之间的互变。,常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类。,6. 合成酶类：催化有ATP参加的合成反应。,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。,（一）大多数酶是蛋白质,1926年J.B.Sumner首次
22、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。,酶是蛋白质的证据。,1982年T.Cech发现了第1个有催化活性的天然RNAribozyme（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。,4、酶的化学本质,（二）酶的辅因子,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,：与膜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膜蛋白部分，辅因子通常是作
23、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（monomeric enzyme)：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 (oligomeric enzyme)：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 (multienzyme system)：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（E）、硫辛酰转乙酰酶（E）和二氢硫辛酰脱氢酶（E）。,碱性,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
24、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,5、酶的结构与功能的关系,酶作用的专一性,结构专一性,立体异构专一性,族（基团）专一性,绝对专一性,6、酶作用的专一性,族专一性：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。,2NH3 + CO2,（一）酶的催化作用与分子活化能,化学反应自由能方程式G =H -TS,（ G是总自由能的变化， H 是总热能的变化，S是熵的变化）,当G0，反应不能自发进行。 当G0，反应能自发进行。,活化能：分子由常态转变为活
25、化状态所需的能量。是指在一定温度下，1mol 反应物全部进入活化状态所需的自由能。,7、酶的作用机理简介,（过渡态）,促使化学反应进行的途径： 用加热或光照给反应体系提供能量。 使用催化剂降低反应活化能。,酶和一般催化剂的作用就是降低化学反应所需的活化能，从而使活化分子数增多，反应速度加快。,（二）中间产物学说,E + S,ES,E +P,中间产物存在的证据：1.同位素32P标记底物法（磷酸化酶与葡萄糖结合）；2.吸收光谱法（过氧化物酶与过氧化氢结合）。,（三）诱导嵌合学说,“锁钥学说”（Fischer，1890）：酶的活性中心结构与底物的结构互相吻合，紧密结合成中间络合物。,诱导嵌合学说（K
26、oshland，1958）：酶活性中心的结构有一定的灵活性，当底物（激活剂或抑制剂）与酶分子结合时，酶蛋白的构象发生了有利于与底物结合的变化，使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向，转入有效的作用位置，这样才能使酶与底物完全吻合，结合成中间产物。,（四）使酶具有高催化效率的因素,酶分子为酶的催化提供各种功能基团和形成特定的活性中心，酶与底物结合成中间产物，使分子间的催化反应转变为分子内的催化反应。,1. 邻近定向效应：酶与底物结合成中间产物过程中，底物分子从稀溶液中密集到活性中心区，并使活性中心的催化基团与底物的反应基团之间正确定向排列所产生的效应。,2. “张力”与“形变”：酶与底物的结合，不仅酶分子发生构象变化，同样底物分子也会发生扭曲变形，使底物分子的某些键的键能减弱，产生键扭曲，降低了反应活化能。,3. 酸碱催化：通过想反应物（作为碱）提供质子或从反应物（作为酸）夺取质子来达到加速反应的一类催化。（广义酸碱催化，Bronsted的酸碱定义）,蛋白质中起酸或碱催化的功能基团有氨基、羧基、咪唑基、巯基和酚基。,影响酸碱催化反应速度的两种因素：（1）酸或碱的强度（pK）；（2）质子传递的速度。His的咪唑基最活跃。,靠近,定向,形 变,第一讲 就到这里了！,