现代酶工程1.pptx

第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 酶的基本概念酶的基本概念第二节第二节 酶工程发展概况酶工程发展概况第三节第三节 酶的生产方法和应用酶的生产方法和应用第一节 酶的基本概念 一、人们对酶的认识和酶的一、人们对酶的认识和酶的 生物学意义生物学意义 二、二、酶的催化特性酶的催化特性 三、三、酶的分类与命名酶的分类与命名 四、四、酶活力的测定酶活力的测定一、人类对酶的认识及其生物学意义一、人类对酶的认识及其生物学意义 人们对酶的认识最早起源于酿酒、造酱、制饴和治病等生产与生活实践中国 我们的祖先在几千年以前就已经开始利用酶：夏禹时代，人们就会酿酒；夏禹时代，人们就会酿酒；“周礼周礼”上也已有造酱、制饴的记载；上也已有造酱、制饴的记载；春秋战国时期，已采用曲治疗消化春秋战国时期，已采用曲治疗消化 不良等疾病的案例。不良等疾病的案例。当然，在那个时代，我们祖先对酶还是缺乏认识。西方 随着人们对酿酒发酵过程研究随着人们对酿酒发酵过程研究的深入，从的深入，从1919世纪起对酶的认识也世纪起对酶的认识也逐渐深入。逐渐深入。1810年Jaseph-Lussac发现：酵母可将糖转化为酒精酶的现代史可以追溯到酶的现代史可以追溯到18331833年年18331833年年,佩恩佩恩(Payen)Payen)和帕索兹和帕索兹(Persoz)Persoz)首先发现酶；首先发现酶；1833年年,他们在他们在Annales de Chemie et de Physique期刊发表文章期刊发表文章 文章中,法国化学家Anselme Payen和Jean-Franois Persoz描述了从大麦的麦芽中分离淀粉酶多聚体的过程，并将之命名为淀粉酶。和麦芽一样，该产物将糊化淀粉转变成糖，主要是麦芽糖。18351835年瑞典的年瑞典的J Jns Jacob Berzeliusns Jacob Berzelius 首次证明了用麦芽提取物可以比首次证明了用麦芽提取物可以比硫酸更有效地降解淀粉，并将这一过硫酸更有效地降解淀粉，并将这一过程称为催化。程称为催化。1836年德国生理学家年德国生理学家Theodor Schwann 在研究消化过程时，分离出一种在胃内消化蛋白的物质，将它命名为胃蛋白酶。这是第一个从动物组织中提取到的酶。在对酶的认识上还存在在对酶的认识上还存在着一段长达着一段长达6060年关于酵母年关于酵母的争论的争论1839年，德国化学家年，德国化学家Jutus von Liebig建立了一个模型来阐述酵母建立了一个模型来阐述酵母在发酵过程中的作用。他把在发酵在发酵过程中的作用。他把在发酵混合液中的酵母看作一个能产生震混合液中的酵母看作一个能产生震荡的分解物质：荡的分解物质：蔗糖原子经过重排，蔗糖原子经过重排，变为酒精和二氧化碳。变为酒精和二氧化碳。Liebig首次认为发酵现象是由于酵母细胞中含有发酵酶，是发酵酶催化糖发酵产生酒精。但由于当时科学和技术的限但由于当时科学和技术的限制，他未能从酵母细胞中制备出制，他未能从酵母细胞中制备出可催化发酵的无细胞酶制品可催化发酵的无细胞酶制品。而到而到1858年，法国化学及生年，法国化学及生物学家物学家Louis Pasteur用一系列用一系列文章证明发酵仅在活体细胞状文章证明发酵仅在活体细胞状态下才会发生态下才会发生即是与生命相关的现象即是与生命相关的现象Louis Pasteur视视其为一种生理活动。其为一种生理活动。对酵母在发酵过程中作用机理对酵母在发酵过程中作用机理的分歧，引发了的分歧，引发了Liebig和和Pasteur之间的激烈争论。之间的激烈争论。直到直到Liebig和和Pasteur先后于先后于1873年和年和1895年去世，争论仍未年去世，争论仍未结束。结束。1897年，德国化学家年，德国化学家Eduard Bchner 和和 Hans Bchner（常称（常称Bchner 兄弟）兄弟）发现一种离体酵母提发现一种离体酵母提取物可以使酒精发酵，即酵母细胞产取物可以使酒精发酵，即酵母细胞产生一种酶，这种酶引起发酵。生一种酶，这种酶引起发酵。证明离体酵母提取物可以证明离体酵母提取物可以象活体酵母细胞一样将葡萄糖象活体酵母细胞一样将葡萄糖转变为酒精和二氧化碳。换句转变为酒精和二氧化碳。换句话说，这一转变并不依赖于酵话说，这一转变并不依赖于酵母细胞，而是依赖于无生命的母细胞，而是依赖于无生命的酶。酶。Buecher兄弟结果的意义从实验上说明了发酵与细胞的活力无关表明了酶能够以溶解的、有活性的状态从破碎的细胞中分离出来，推动了酶的分离以及对酶 的理化性质的进一步探讨 和研究促进了各种与生命活动过 程有关的酶系统的深入研 究至此，至此，LiebigLiebig和和PasteurPasteur之间的争之间的争论就最终得到解决。论就最终得到解决。B Bchnerchner兄弟也由此奠定了现代生兄弟也由此奠定了现代生物化学的基石。物化学的基石。从此时开始，人类对具有生物催化的酶有了一个较为清晰的认识 1876年，年，William Kuhne提议用提议用新的术语新的术语-酶（酶（enzyme）来表示未统）来表示未统一名称的已知的各种酵素。如从活体一名称的已知的各种酵素。如从活体组织中提取的酵素等。组织中提取的酵素等。enzyme本身的意思是本身的意思是“在酵母中在酵母中”，起源于希腊语，其中，起源于希腊语，其中en表示表示“在在之内之内，zyme-表示酵母或酵素表示酵母或酵素 此外还有一些划时代的事件：此外还有一些划时代的事件：1913年，年，Leonor Michaelis和和Maud Menten提出了描述酶反应速提出了描述酶反应速率和底物浓度之间关系的动力学模率和底物浓度之间关系的动力学模型；型；1926年，年，Sumner第一次从刀豆中第一次从刀豆中提出脲酶结晶，并证明酶具有蛋白提出脲酶结晶，并证明酶具有蛋白质性质；质性质；1930年，年，Northrop分离出分离出结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及凝乳蛋白酶，并进行了动力学凝乳蛋白酶，并进行了动力学探讨，确立了酶的蛋白质本质。探讨，确立了酶的蛋白质本质。1982年，年，Thomas R.Cech等发现核糖核酸等发现核糖核酸(RNA)也也具有催化活性。具有催化活性。酶的生物学意义和应用从微生物从微生物到植物再到植物再到人，酶到人，酶是所有有是所有有机体体内机体体内的组成成的组成成分。分。1 1 酶无所不在酶无所不在！人、动物、植物以及细菌、真菌等 微生物的体内都有酶。！酶是自然界的工具，它们剪切、拼 接营养物质等。！酶催化所有生物体必需的代谢活 动；比如，在胃内，酶将食物消化 为极小的颗粒，以易于转化为体内 的能量。可以这样说，在生物有机体内每当物质需要由一种形式转化为另一种形式时，酶都可以起催化作用促使反应加速。生命活动生命活动生化反应生化反应在酶的催在酶的催化作用下化作用下生物体内，组成生命活动的大量生物体内，组成生命活动的大量生化反应都是在酶的催化作用生化反应都是在酶的催化作用下得以有序而顺利地进行，进而下得以有序而顺利地进行，进而保证了正常代谢途径的畅通而不保证了正常代谢途径的畅通而不发生副反应，几乎所有生物的生理发生副反应，几乎所有生物的生理现象都与酶的作用紧密相关现象都与酶的作用紧密相关酶是一类酶是一类生物催化生物催化剂，其化剂，其化学本质为学本质为蛋白质蛋白质可以这样说，可以这样说，没有酶的存在没有酶的存在，就没有生物，就没有生物体的一切生命体的一切生命活动活动食物从口腔到肠道的食物从口腔到肠道的过程中，不同的酶作过程中，不同的酶作用于食物的不同成分用于食物的不同成分，将其分解。，将其分解。没有酶，即使你用金卡，在最好的没有酶，即使你用金卡，在最好的饭店中用餐，也会饥饿而死。饭店中用餐，也会饥饿而死。2 2 酶可分解食物酶可分解食物3 3 酶是生物体自身的工程师酶是生物体自身的工程师 酶能将生物物质切割为小的碎片，再将其重新连接起来。这样酶在我们的身体内分解或合成所有生命必需的物质。4 4 每一种酶都有其特定的功能每一种酶都有其特定的功能 酶的一个很独特的酶的一个很独特的性质是，每种酶只催化性质是，每种酶只催化一种反应或者其逆反应。一种反应或者其逆反应。底物与酶象钥匙与底物与酶象钥匙与锁一样配套。只有当酶锁一样配套。只有当酶找到其合适的底物时，找到其合适的底物时，生化反应才会发生。生化反应才会发生。5 5 酶可以被完全生物降解酶可以被完全生物降解使用化学制剂会对环境产生使用化学制剂会对环境产生危害；而酶可以更经济地完危害；而酶可以更经济地完成同样的工作，却对环境无成同样的工作，却对环境无害。自然界有很多微生物可害。自然界有很多微生物可以轻易地将酶分解为单个的以轻易地将酶分解为单个的氨基酸，这些氨基酸又可以氨基酸，这些氨基酸又可以用于周围生物体的生长。为用于周围生物体的生长。为解决工业污染问题提供了最解决工业污染问题提供了最佳方案。佳方案。6 6 酶是工业问题的自然解决方案酶是工业问题的自然解决方案化学制剂用于纺织业化学制剂用于纺织业生产。如果改用酶，生产。如果改用酶，就没有化学制剂所带就没有化学制剂所带来的危险，而且生产来的危险，而且生产过程中产生的污水更过程中产生的污水更少。少。6 6 日常生活离不开酶日常生活离不开酶在洗涤剂、纺织、食品和饲料工业等许多行业中，酶已经使用了50多年。在这些工业中，酶取代了化学制剂，节约了水、原材料和能源。人类对酶的化学本质的认识 历史上对酶的化学本质的认识也经历了一个曲折的过程 自从人类对酶的催化作用有了认识以后，一直到上世纪初，对酶的化学本质认识都存在争议，主要是酶的化学本质是什么没有一个统一的认识。上世纪20年代初，著名学者Richard Willstatter认为酶是非蛋白质，并开展大量的研究试图证明他的观点Willstatter的实验 Willstatter将过氧化物酶纯化了12000倍后，酶的活性很高，但却检测不到蛋白质Willstatter的结论 Willstatter错误地认为酶是由活动中心与胶质载体组成，活动中心决定酶的催化能力及专一性，胶质载体的作用在于保护活动中心，蛋白质只是保护胶质载体的物质 以此来解释酶纯度越高越不稳定的实验事实。观点错误的原因 由于当时蛋白质的检测水平的限制而产生后果：后果：但由于Willstatter的权威地位，使这一观点在当时较为流行19261926年年SumnerSumner第一个通过第一个通过分离和结晶得到了脲酶分离和结晶得到了脲酶 提出了酶是由蛋白质组成提出了酶是由蛋白质组成的观点的观点直到直到NorthropNorthrop和和KunitzKunitz得到了胃得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白 酶的结晶，并用相关的实验方法酶的结晶，并用相关的实验方法 证实酶是一种蛋白质证实酶是一种蛋白质此后，酶的蛋白质属性才普遍被人此后，酶的蛋白质属性才普遍被人们接受。们接受。迄今为止，所发现的酶已经超过4000种，而这些酶都是由生物体自然产生的具有催化能力的是蛋白质值得指出的是，近年来，核酶、抗体酶、模拟酶或人工酶的发现，对酶的化学本质的传统概念提出了挑战酶的定义：酶的定义：酶是由活细胞产生的，在细胞酶是由活细胞产生的，在细胞内、外一定条件下都能起催化作用内、外一定条件下都能起催化作用的具有高效率和高度专一性的一类的具有高效率和高度专一性的一类特殊蛋白质，特殊蛋白质，酶能在机体内十分温和的条件下高效率地起催化作用，使得生物体内的各种物质处于不断的新陈代谢中。一个氨基酸残基的-羧基与另一氨基酸残基的-氨基之间的酰胺键不分枝的一条或多条多肽链组成蛋白质酶（酶的化学本质）酶的化学本质酶1 蛋白质（单一）2蛋白质+其他辅助因子辅酶酶的两种形式酶的两种形式酶的组成酶的组成一一.酶的化学组成酶的化学组成 1.1.单成分酶（单纯蛋白质单成分酶（单纯蛋白质/简单蛋白质）简单蛋白质）2.2.双成分酶（结合蛋白质）双成分酶（结合蛋白质）(1)蛋白质部分（酶蛋白）稳定辅因子 (2)非蛋白质部分（辅因子）起催化作用 小分子有机化合物 金属离子 全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+辅因子辅因子辅基辅基/辅酶和维生素辅酶和维生素1.维生素的概念维生素的概念 脂溶性维生素：A(视黄醇)D E(生育酚)K维生素 硫辛酸（氧化型）水溶性维生素：Vc（抗坏血酸）VB:B1(硫胺素)B2(核黄素)B3(泛酸)B5(PP)B12（钴胺素）B6(吡哆醇/醛/胺）B7(生物素）硫辛酸（还原型）2.2.辅基辅酶在酶促反应中的作用辅基辅酶在酶促反应中的作用传递电子、原子或某些基团传递氢的辅基传递氢的辅基/辅酶辅酶 1.辅酶辅酶I/辅酶辅酶II及维生素及维生素PP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD/CoI）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （NADP/CoII）NAD+（NADP+）NAD(P)H+H+2H+,2e-2H+,2e2.黄素核苷酸和维生素黄素核苷酸和维生素B2(1)黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（FMN)(2)黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD)FMN（FAD)FMNH2（FADH2)3.维生素维生素C（抗坏血酸）（抗坏血酸）4.泛醌（辅酶泛醌（辅酶Q)5.谷胱甘肽谷胱甘肽 2GSH GSSG +2H+,+2e-2H+,-2e-2H+2H+2H+2H二二.传递电子的辅基传递电子的辅基铁卟啉铁卟啉 Fe 3+Fe 2+三三.转移基团的辅基转移基团的辅基/辅酶辅酶1.传递磷酸根的辅酶传递磷酸根的辅酶腺苷磷酸酯腺苷磷酸酯 (ATP/ADP/AMP)转移磷酰基转移磷酰基 ATP+S ADP +P-S 转移糖基转移糖基 ATP+糖糖-P ADP-糖糖+PPi 转移转移AMP ATP+FMN FAD+PPi 转移腺苷转移腺苷 ATP+Met+H2O 腺苷腺苷-Met +PPi +Pi 能量的载体能量的载体 ATP+H2O ADP+Pi+e-e三三.转移基团的辅基转移基团的辅基/辅酶辅酶2.脱羧的辅酶硫胺素焦磷酸（TPP)硫胺素+ATP TPP+AMP3.转移酰基的辅酶（1）辅酶A和泛酸 CoA-SH +RCOOH CoA-S-COR+H2O CoA-S-COR+底物 底物-COR+CoA-SH（2）硫辛酸和VB1 mg硫胺素激酶4.转移氨基的辅酶和VB6 磷酸吡哆醛（PLP)/磷酸吡哆胺(PMP)AA 酮酸 PCHO PCH2NH2 5.固定CO2的辅酶生物素(VB7、VH）6.转移一碳基团的辅酶 (1)四氢叶酸（FH4)(2)钴铵素(VB12)酮酸AA酶活性中心示意图酶活性中心示意图酶酶的的活活性性中中心心酶分子中的酶分子中的氨基酸残基氨基酸残基辅酶或辅助因子辅酶或辅助因子或它们的部分或它们的部分结构结构酶的活性中心构成酶的活性中心构成酶的结构酶的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结构酶的结构酶的一级、二级、三级和四级结构示意图酶的空间结构四级结构三级结构二级结构酶的空间结构酶的一级结构酶分子中氨基酸酶分子中氨基酸的排列顺序。的排列顺序。酶的化学酶的化学结构结构酶的一级结构酶的一级结构酶的二级结构多肽链主多肽链主链原子的链原子的局部空间局部空间排列排列酶的酶的二级二级结构结构没有考虑到它的侧链的构象没有考虑到它的侧链的构象或与其它部分的相互关系或与其它部分的相互关系螺旋结构-折叠酶蛋白的-螺旋结构酶蛋白的折叠结构由-螺旋、折叠和随机结构构成的溶菌酶的空间结构酶的三级结构指单一的多肽链或共价连接的多肽链中，所有原子在空间上的排列酶的三级结构在二极结构的基础上，肽链通过进一步转曲折叠而成酶的四级结构各亚基在寡聚酶中的空间排布及其相互作用不考虑亚基的内部几何形状酶的四级结构酶的四级结构亚基组成酶蛋白四级结构的最小单位每个亚基的三维结构仍被看成是它的三级结构疏水键疏水键离子键维持酶蛋白四级结维持酶蛋白四级结构的主要作用力构的主要作用力单体酶酶的存在类别寡聚酶多酶融合体多酶复合体单体酶一条肽链组成单体酶分子量通分子量通常在常在35 kDa35 kDa以下以下不含四不含四级结构级结构单体酶的单体酶的种类很少，种类很少，一般多是一般多是催化水解催化水解反应的酶，反应的酶，绝大多数绝大多数单体酶只单体酶只表现一种表现一种酶活性酶活性寡聚酶两个或两个以上亚基组成寡聚酶分子量一般分子量一般高于高于30 kDa30 kDa含四含四级结构级结构相当数量的相当数量的寡聚酶是调寡聚酶是调节酶，其活节酶，其活性可受各种性可受各种形式的灵活形式的灵活调节，在调调节，在调节控制代谢节控制代谢过程中起着过程中起着非常重要的非常重要的作用作用构成寡聚酶的亚基可以是相同的，也可以是不构成寡聚酶的亚基可以是相同的，也可以是不同的，亚基与亚基之间一般是以非共价键、对同的，亚基与亚基之间一般是以非共价键、对称的形式排列称的形式排列寡聚酶多酶复合体两个或两个以上的酶多酶复合体靠共价键连接一个酶催化一个反应，所有反应依次连接，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分，由于这一连串反应是在一高度有序的多酶复合体内完成，反应效率非常高多酶复合体酶2酶3酶1酶4酶6酶5二、酶的生物催化特性二、酶的生物催化特性与生物膜结合与生物膜结合 一种结构更高的多酶复合体，酶整齐的排列在生物膜上。催化效率最高。（如呼吸链）酶1酶2酶4酶5酶3与一般的化学催化剂相比较，酶既拥有一般催化剂的共性，又有特性酶催化作用的特点加快反应速度加快反应速度降低反应降低反应的活化能的活化能不改变不改变反应性质反应性质反应前后其数反应前后其数量和性质不变量和性质不变催化效率高专一性强反应条件温和酶的催化活性受到调节和控制共性特性酶催化作用的特点极高的催化效率2H2O2 2H2O+O2Fe2+作为催化剂催化效率为610-4 mol/(mol.s)过氧化氢酶，催化效率为6106 mol/(mol.s)过氧化氢酶比Fe2+的催化效率要高出1010倍酶的催化效率相对其他无机或有机催化剂要高1061013倍例子高度专一性酶对它所作用的底物有严格的选择性，一种酶只能催化某一类，甚至是某一种物质起化学反应酶的专一性底物专一性反应专一性 立体异构专一性(手性、区域)从根本上保证了生物体内为数众多的各种各样的化学反应能有条不紊地协同进行高度专一性酶催化酶催化专一性专一性作用机作用机制假说制假说锁钥假说诱导契合假说酶的催化作用机理酶的催化作用机理一一.中间产物学说中间产物学说二二.酶作用专一性机理酶作用专一性机理 1.1.锁钥学说锁钥学说 2.2.诱导契合学说诱导契合学说酶受底物诱导而变形酶受底物诱导而变形 3.3.张力学说（应变效应）张力学说（应变效应）底物变形以适应酶底物变形以适应酶三三.酶作用高效性机理酶作用高效性机理 -影响酶高效性的因素影响酶高效性的因素 1.1.邻近定向效应邻近定向效应 2.2.应变效应应变效应 3.3.亲核催化亲核催化/亲电催化（共价催化）亲电催化（共价催化）4.4.酸碱催化酸碱催化 5.5.微环境的影响微环境的影响 酶催化作用的中间产物学说酶催化作用的中间产物学说 E +S ES P +E （酶酶）底物）底物）（中间物（中间物）（产物（产物）（酶）（酶）中间产物存在的证明：中间产物存在的证明：H2O2 +过氧化物酶过氧化物酶 （H2O2 过氧化物酶）过氧化物酶）（褐色）褐色）（红色）红色）645587548498nm 561550nm （H2O2 过氧化物酶）过氧化物酶）+AH2 过氧化物酶过氧化物酶 +A +2H2O （红色）红色）（褐色）褐色）锁锁 钥钥 学学 说说诱导契合学说邻邻 近近 定定 向向 效效 应应反应条件温和温和的反应条件温和的反应条件常温常常压压接近中性的接近中性的pH值值不需要耐高温、高压以及耐强酸、强碱的反应器酶催化机理实例酶催化机理实例胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶1.1.胰凝乳蛋胰凝乳蛋 白酶结构白酶结构2.胰凝乳蛋白酶的电荷接力网胰凝乳蛋白酶的电荷接力网 3.胰凝乳蛋白酶的催化过程胰凝乳蛋白酶的催化过程A.A.酶与底物结合，形成米氏复合物（酶与底物结合，形成米氏复合物（ESES）B.B.形成四联体过渡态中间物形成四联体过渡态中间物E.E.形成包括水分子的四联体过度中间物形成包括水分子的四联体过度中间物F.F.羰基产物形成，酶游离羰基产物形成，酶游离酶催化活性的调控机制酶的调控方式抑制剂调节反馈调节酶原激活激素控制调节酶的调节酶的活性、酶量活性、酶量来控制代来控制代谢速度，谢速度，以满足生以满足生命的各种命的各种需要和适需要和适应环境的应环境的变化变化酶的催化功能降低化降低化学反应学反应的活化的活化能能中间络合物学说底物酶“底物+酶”中间络合物产物酶可靠的实验证实中可靠的实验证实中间络合物的存在间络合物的存在酶的催化中心酶的催化活性集中的区域酶的催化活性中心与底物结合与底物结合的结合中心的结合中心促进底物发促进底物发生化学变化生化学变化的催化中心的催化中心决定了酶的专一性决定了决定了酶催化酶催化反应的反应的性质性质活性中心酶分子在三维结构上比较靠近的少数几个氨基酸残基或这些残基上的某些基团辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构不需要辅酶的不需要辅酶的酶酶需要辅酶的酶一级结构上可能相距甚远，甚至是位于不同的肽链上，通过肽链的盘绕、折叠而在空间构象上相互靠近活性中心酶原在细胞内合成完毕后并不表现出催化活性一些酶酶原有催化活性的酶酶原的激活通过去掉分子中的部分肽链段，通过去掉分子中的部分肽链段，引起酶分子空间结构的变化，从引起酶分子空间结构的变化，从而形成或暴露出催化活性中心而形成或暴露出催化活性中心酶原酶原-酶关系酶关系 例子例子酶的催化作用机制酶的催化作用机制邻近和定向效应酸碱催化张变、扭曲效应共价催化多元催化与协同效应静电催化、微环境效应等三酶的命名和分类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12结合法结合法胆固醇胆固醇氧化酶氧化酶醇醇脱氢酶脱氢酶谷丙谷丙转氨酶转氨酶来源来源心心肌肌黄黄酶酶胰胰蛋蛋白白酶酶缺点缺乏系统性，常常会不可避免地出现一酶数名或一名数酶的混乱情况国际生物化学联合会International Union of Biochemistry 简称IUB1961年提出年提出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氧化氧化-还原酶催化氧化还原酶催化氧化-还原反应。还原反应。主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。如，乳酸如，乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。氧化氧化-还原酶还原酶 OxidoreductaseOxidoreductase水解酶催化底物的加水分解反应。水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反应：催化的脂的水解反应：水解酶水解酶 hydrolasehydrolase转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。转移酶转移酶 TransferaseTransferase裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，例如，延胡索酸水合酶催化的反应。延胡索酸水合酶催化的反应。裂合酶裂合酶 LyaseLyase异构酶催化各种同分异构体的相互转化，异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，例如，6-6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。异构酶异构酶 IsomeraseIsomerase合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键的形成反应。这类反应必须与键的形成反应。这类反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi B+ADP+Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸丙酮酸+CO2+ATP+H2O 草酰乙酸草酰乙酸+ADP+Pi 合成酶合成酶 Ligase or SynthetaseLigase or Synthetase核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的RNARNA，能够催化能够催化RNARNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反分子中的磷酸酯键的水解及其逆反应。应。核酶（催化核酸）核酶（催化核酸）ribozymeribozymeECEC命名法命名法ECx.y.z.nECx.y.z.nECEC为酶学委员会为酶学委员会Enzyme CommissionEnzyme Commission亚亚亚亚类类下下的的具具体体的的个个别别酶酶的的顺顺序序号号各亚类下各亚类下的亚亚类的亚亚类酶酶所所属属大大类类1 1 6 6大大类类下下的的亚亚类类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2 2 国际系国际系统命名法统命名法酶酶系统名称系统名称习惯名称习惯名称国际系统命名法国际系统命名法 XYXY正反应、逆反应都用同一名称正反应、逆反应都用同一名称催化的反催化的反应名称应名称底物名底物名底物底物1:1:底物底物2 2ATP:ATP:ATP:ATP:己糖磷酸基转移酶己糖磷酸基转移酶己糖磷酸基转移酶己糖磷酸基转移酶DH2+NAD+D+NADH+H+DHDH2 2 NADNAD+氧化还原酶氧化还原酶各大类酶的特殊命名规则氧化还原酶往往可命名为供体受体氧化还原酶，转移酶为供体受体被转移基团转移酶值得注意的是来自不同物种或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同一物种的不同组织或不同细胞器的同一种酶，虽然他们催胞器的同一种酶，虽然他们催化同一个生化反应，但它们本化同一个生化反应，但它们本身的一级结构可能并不相同，身的一级结构可能并不相同，命名也有所区别命名也有所区别CuZn-SODMn-SODFe-SODCuZn-SOD牛细胞牛细胞CuZn-SODCuZn-SODCuZn-SODCuZn-SOD猪细胞猪细胞CuZn-SODCuZn-SODCuZn-SODCuZn-SODSOD讨论一个酶时，讨论一个酶时，需要说明来源和需要说明来源和名称名称四、酶活力的测定四、酶活力的测定酶活力酶活力，也就是酶活性，是指酶催化一定化学反应的能力。（可以根据需要定义）酶促反应速度，单位是：浓度/单位时间酶促反应速度曲线：1、酶活力测定方法步骤步骤：（1 1）配制底物溶液）配制底物溶液（2 2）确定反应条件）确定反应条件（3 3）反应开始，记时间）反应开始，记时间（4 4）测定产物的生产量或底物的减少量）测定产物的生产量或底物的减少量2、酶活力单位酶活力的高低，是以酶活力单位数来表示。酶活力的高低，是以酶活力单位数来表示。1 1个活力单位：个活力单位：在在特定条件特定条件下，每下，每1 1minmin催化催化 1 1molmol的底物转化为产物的的底物转化为产物的 酶量。酶量。比活力：比活力：在特定条件下每在特定条件下每1 1mgmg酶蛋白所具有的酶活酶蛋白所具有的酶活 力单位数。力单位数。即酶比活力酶活力即酶比活力酶活力mgmg酶蛋白酶蛋白3 3、固定化酶的活力测定、固定化酶的活力测定固定化酶：固定化酶：与水不溶性载体结合，在一定与水不溶性载体结合，在一定范围内其催化作用的酶。范围内其催化作用的酶。其活力测定方法：其活力测定方法：（1 1）振荡测定法）振荡测定法（2 2）柱法测定）柱法测定（3 3）连续测定）连续测定（4 4）固定化酶的比活力测定）固定化酶的比活力测定（5 5）酶结合效率与酶活力回收率的测定）酶结合效率与酶活力回收率的测定（6 6）相对酶活力测定）相对酶活力测定一、酶工程是生物技术的重要组成部分一、酶工程是生物技术的重要组成部分二、酶工程的研究内容二、酶工程的研究内容三、酶和酶工程研究的重要意义三、酶和酶工程研究的重要意义四、酶和酶工程研究进展四、酶和酶工程研究进展第二节 酶工程发展概况 一、酶工程是生物技术的重要组成部分一、酶工程是生物技术的重要组成部分 酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程具酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程具有密切的联系，相互依存，相互促进，构成完整有密切的联系，相互依存，相互促进，构成完整的生物技术。的生物技术。常规菌（或常规细胞株）常规菌（或常规细胞株）改造物种改造物种 生物工程（学）生物工程（学）工程菌（或工程细胞株）工程菌（或工程细胞株）商品生产商品生产 大量生产：大量生产：经济效益、社会效益、生态效益经济效益、社会效益、生态效益基因工程、细胞工程基因工程、细胞工程发酵工程、酶工程、发酵工程、酶工程、生物反应器工程生物反应器工程酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程的关系基因工程基因工程发酵工程发酵工程 酶工程酶工程酶酶细胞工程细胞工程酶酶细细 胞胞菌体细胞菌体细胞固定化菌体细胞固定化菌体细胞转基因动物转基因动物转基因植物转基因植物生物技术生物技术的四大支柱四大支柱二、酶工程的主要研究内容二、酶工程的主要研究内容 酶工程是酶工程是酶学基本原理酶学基本原理与与化学工程化学工程相结相结合而形成的一门新兴的合而形成的一门新兴的技术科学技术科学。研究酶。研究酶制剂大规模生产及应用所涉及的理论与技制剂大规模生产及应用所涉及的理论与技术方法。术方法。酶工程酶工程是酶学与工程学相互渗酶工程是酶学与工程学相互渗酶工程是酶学与工程学相互渗酶工程是酶学与工程学相互渗透、结合并发展而形成的一门透、结合并发展而形成的一门透、结合并发展而形成的一门透、结合并发展而形成的一门新的技术科学新的技术科学新的技术科学新的技术科学从应用的目的出发研究酶、从应用的目的出发研究酶、应用酶的特异性催化功能，应用酶的特异性催化功能，并通过工程化将相应的原并通过工程化将相应的原料转化为有用物质的技术料转化为有用物质的技术酶学工程学酶工程的定义酶工程的内容酶工程酶的生产酶的生产酶与固定化酶酶与固定化酶的应用的应用酶的分离纯化酶的分离纯化酶的固定化酶的固定化酶及固定化酶酶及固定化酶的反应器的反应器按按19711971年第一届年第一届国际酶工程会议国际酶工程会议酶工程的内容酶工程酶的大批量生产、应用酶的大批量生产、应用酶的大批量生产、应用酶的大批量生产、应用酶的分离纯化酶的分离纯化酶的分离纯化酶的分离纯化酶的固定化和固定化酶反应器酶的固定化和固定化酶反应器酶的固定化和固定化酶反应器酶的固定化和固定化酶反应器新酶的开发和应用新酶的开发和应用新酶的开发和应用新酶的开发和应用 按现在的观点按现在的观点遗传修饰酶的研究遗传修饰酶的研究遗传修饰酶的研究遗传修饰酶的研究抗体酶、核酸酶的研究抗体酶、核酸酶的研究抗体酶、核酸酶的研究抗体酶、核酸酶的研究酶生产中基因工程酶生产中基因工程酶生产中基因工程酶生产中基因工程酶分子改造与修饰酶分子改造与修饰酶分子改造与修饰酶分子改造与修饰酶的结构与功能关系酶的结构与功能关系酶的结构与功能关系酶的结构与功能关系模拟酶、合成酶以及酶分子的人工设计模拟酶、合成酶以及酶分子的人工设计模拟酶、合成酶以及酶分子的人工设计模拟酶、合成酶以及酶分子的人工设计有机介质中有机介质中有机介质中有机介质中酶反应的酶反应的酶反应的酶反应的研究研究研究研究酶的抑制酶的抑制酶的抑制酶的抑制剂、激活剂、激活剂、激活剂、激活剂剂剂剂三、酶和酶工程研究的重要意义三、酶和酶工程研究的重要意义有助于阐明生命的本质和活动规律；有助于阐明生命的本质和活动规律；为催化剂设计，药物设计及疾病诊断治疗为催化剂设计，药物设计及疾病诊断治疗提供依据和新思路；提供依据和新思路；蛋白质和核酸一级结构测定和基因工程研蛋白质和核酸一级结构测定和基因工程研究中的重要工具；究中的重要工具；运用酶技术生产有重要价值的产品；运用酶技术生产有重要价值的产品；运用酶技术改进生产工艺，提高产品质量运用酶技术改进生产工艺，提高产品质量和产率，降低生产成本；和产率，降低生产成本；酶技术应用于疾病诊断治疗和环境保护等。酶技术应用于疾病诊断治疗和环境保护等。四、酶和酶工程研究进展四、酶和酶工程研究进展4酶的应用研究酶的应用研究 20世纪世纪50年代：大规模的酶工业化生产建立；年代：大规模的酶工业化生产建立；60年代：酶固定化，酶分子化学修饰，酶电极年代：酶固定化，酶分子化学修饰，酶电极 问世，酶标免疫技术建立；问世，酶标免疫技术建立；70年代：微生物细胞固定化；年代：微生物细胞固定化；80年代：动植物细胞固定化；年代：动植物细胞固定化；近年来，抗体酶，人工酶和模拟酶研究。近年来，抗体酶，人工酶和模拟酶研究。4酶的理论研究酶的理论研究u新酶的发现和鉴定新酶的发现和鉴定u酶一级结构与活力的关系酶一级结构与活力的关系u酶分子高级结构的测定酶分子高级结构的测定u酶活性部位结构与催化机理酶活性部位结构与催化机理u核酶的发现（核酶的发现（ribozyme)ribozyme)化学修饰法化学修饰法是研究酶一级结构与活力关系是研究酶一级结构与活力关系的主要方法之一，近年来发展了一些新的研的主要方法之一，近年来发展了一些新的研究技术：究技术：过渡态类似物技术；过渡态类似物技术；自杀性底物技术；自杀性底物技术；基因定位突变技术；基因定位突变技术；计算机模拟技术等。计算机模拟技术等。一部分酶的高级结构已经被测定，但绝大一部分酶的高级结构已经被测定，但绝大多数酶的高级结构仍没有确定。多数酶的高级结构仍没有确定。X-X-射线晶体结射线晶体结构分析构分析仍然是十分有效的方法；近年来，仍然是十分有效的方法；近年来，二维二维核磁共振技术核磁共振技术的应用越来越广泛，可用于测定的应用越来越广泛，可用于测定溶液中酶分子的构象及其变化过程。溶液中酶分子的构象及其变化过程。酶活性中心结构及其催化机理的研究是酶学研究中最核酶活性中心结构及其催化机理的研究是酶学研究中最核心的问题。心的问题。应用应用X-X-射线晶体结构分析技术射线晶体结构分析技术研究酶研究酶-底物（底物类似物）底物（底物类似物）复合物结构，可以确定酶活性部位结构以及酶分子与底物复合物结构，可以确定酶活性部位结构以及酶分子与底物分子的结合情况；分子的结合情况；应用应用二维核磁共振技术二维核磁共振技术可以确定酶活性部位解离基团的可以确定酶活性部位解离基团的pKpK值以及催化过程中的质子转移情况；值以及催化过程中的质子转移情况；电子计算机编程电子计算机编程研究酶促反应动力学，对酶与底物的作用研究酶促反应动力学，对酶与底物的作用方式以及底物反应过程中酶分子的可能存在形式作出判断；方式以及底物反应过程中酶分子的可能存在形式作出判断；应用应用隧道电镜技术隧道电镜技术可以观察酶催化过程中质子转移和电可以观察酶催化过程中质子转移和电子转移的情况子转移的情况 近年来，发现生物体中的近年来，发现生物体中的一些一些RNARNA具有具有催化作用催化作用，具有酶的类似性质，可以，