酶的基本概念与发展简史.ppt

第一章 绪论1 1酶？概念概念概念概念：具有生物催化功能的生物大分子：具有生物催化功能的生物大分子：具有生物催化功能的生物大分子：具有生物催化功能的生物大分子化学组成化学组成化学组成化学组成：蛋白类酶（：蛋白类酶（：蛋白类酶（：蛋白类酶（P P P P酶）和酶）和酶）和酶）和 核酸类酶（核酸类酶（核酸类酶（核酸类酶（R R R R酶）酶）酶）酶）产生产生产生产生方式：方式：方式：方式：1 1 1 1）自发调控产生：）自发调控产生：）自发调控产生：）自发调控产生：动物、植物、微生物细胞都可以在适宜条件下产生动物、植物、微生物细胞都可以在适宜条件下产生动物、植物、微生物细胞都可以在适宜条件下产生动物、植物、微生物细胞都可以在适宜条件下产生 2 2 2 2）人工调控产生：）人工调控产生：）人工调控产生：）人工调控产生：定向大量产生所需的酶定向大量产生所需的酶定向大量产生所需的酶定向大量产生所需的酶特点特点特点特点：1 1 1 1）催化效率高；）催化效率高；）催化效率高；）催化效率高；2 2 2 2）专一性强；）专一性强；）专一性强；）专一性强；3 3 3 3）作用条件温和。）作用条件温和。）作用条件温和。）作用条件温和。用途用途用途用途：医药、食品、轻工、化工、环保、能源、生物工程等领医药、食品、轻工、化工、环保、能源、生物工程等领医药、食品、轻工、化工、环保、能源、生物工程等领医药、食品、轻工、化工、环保、能源、生物工程等领域。域。域。域。2 2酶工程酶工程？概念概念概念概念：对酶进行生产和应用的技术过程。：对酶进行生产和应用的技术过程。：对酶进行生产和应用的技术过程。：对酶进行生产和应用的技术过程。主要主要主要主要内容内容内容内容：微生物细胞微生物细胞微生物细胞微生物细胞发酵发酵发酵发酵产酶；产酶；产酶；产酶；动植物细胞动植物细胞动植物细胞动植物细胞培养培养培养培养产酶；产酶；产酶；产酶；酶的提取与分离纯化；酶的提取与分离纯化；酶的提取与分离纯化；酶的提取与分离纯化；酶的分子修饰；酶的分子修饰；酶的分子修饰；酶的分子修饰；酶的固定化（游离酶、原生质、细胞）；酶的固定化（游离酶、原生质、细胞）；酶的固定化（游离酶、原生质、细胞）；酶的固定化（游离酶、原生质、细胞）；酶的非水相催化；酶的非水相催化；酶的非水相催化；酶的非水相催化；酶反应器；酶反应器；酶反应器；酶反应器；酶的应用。酶的应用。酶的应用。酶的应用。主要主要主要主要任务任务任务任务：经过预先设计，通过人工操作，获得人们所需要的酶，经过预先设计，通过人工操作，获得人们所需要的酶，经过预先设计，通过人工操作，获得人们所需要的酶，经过预先设计，通过人工操作，获得人们所需要的酶，并通过各种方法使酶充分发挥其催化功能并通过各种方法使酶充分发挥其催化功能并通过各种方法使酶充分发挥其催化功能并通过各种方法使酶充分发挥其催化功能。3 3第一节第一节 酶的基本概念与发展简史酶的基本概念与发展简史 不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴、治病不自觉的应用：酿酒、造酱、制饴、治病 主动性研究：酶学的产生（消化与发酵现主动性研究：酶学的产生（消化与发酵现象）和发展象）和发展4 41.不自觉的应用不自觉的应用（中国）（中国）几千年来，人们不自觉地在生活中利用酶来制几千年来，人们不自觉地在生活中利用酶来制几千年来，人们不自觉地在生活中利用酶来制几千年来，人们不自觉地在生活中利用酶来制造食品和治疗疾病！造食品和治疗疾病！造食品和治疗疾病！造食品和治疗疾病！文献记载：文献记载：4000400040004000多年前（夏禹时代），酿酒技术；多年前（夏禹时代），酿酒技术；多年前（夏禹时代），酿酒技术；多年前（夏禹时代），酿酒技术；3000300030003000多年前（周朝），制造饴糖、食酱；多年前（周朝），制造饴糖、食酱；多年前（周朝），制造饴糖、食酱；多年前（周朝），制造饴糖、食酱；2500250025002500多年前（春秋战国），麴来治疗消化不良多年前（春秋战国），麴来治疗消化不良多年前（春秋战国），麴来治疗消化不良多年前（春秋战国），麴来治疗消化不良。5 5 19191919世纪世纪世纪世纪30303030年代开始，人们才真正认识到酶的存年代开始，人们才真正认识到酶的存年代开始，人们才真正认识到酶的存年代开始，人们才真正认识到酶的存在和作用。此后，人们对酶的认识经历了一个不断在和作用。此后，人们对酶的认识经历了一个不断在和作用。此后，人们对酶的认识经历了一个不断在和作用。此后，人们对酶的认识经历了一个不断发展和逐步深入的过程。发展和逐步深入的过程。发展和逐步深入的过程。发展和逐步深入的过程。（1 1）对消化的研究）对消化的研究 1777177717771777年，年，年，年，意大利物理学家意大利物理学家意大利物理学家意大利物理学家斯巴兰沙尼斯巴兰沙尼斯巴兰沙尼斯巴兰沙尼SpallanzaniSpallanzaniSpallanzaniSpallanzani 山鹰实验。山鹰实验。山鹰实验。山鹰实验。1822182218221822年，年，年，年，美国外科医生美国外科医生美国外科医生美国外科医生博蒙特博蒙特博蒙特博蒙特 BeaumontBeaumontBeaumontBeaumont 研究食物研究食物研究食物研究食物在胃里的消化。在胃里的消化。在胃里的消化。在胃里的消化。19191919世纪世纪世纪世纪30303030年代，年代，年代，年代，德国科学家德国科学家德国科学家德国科学家施旺施旺施旺施旺 SchwannSchwannSchwannSchwann获得胃蛋获得胃蛋获得胃蛋获得胃蛋白酶（腐败和发酵实验中）。白酶（腐败和发酵实验中）。白酶（腐败和发酵实验中）。白酶（腐败和发酵实验中）。2.主动性研究主动性研究（国外）（国外）6 6（2 2）对发酵的研究）对发酵的研究1684168416841684年，年，年，年，比利时医生比利时医生比利时医生比利时医生HelmentHelmentHelmentHelment提出提出提出提出 fermentfermentfermentferment引起酿酒过引起酿酒过引起酿酒过引起酿酒过程中物质变化的因素（酵素）。程中物质变化的因素（酵素）。程中物质变化的因素（酵素）。程中物质变化的因素（酵素）。1833183318331833年，年，年，年，法国化学家法国化学家法国化学家法国化学家PayenPayenPayenPayen和和和和PersonPersonPersonPerson 用酒精处理麦芽抽用酒精处理麦芽抽用酒精处理麦芽抽用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶（提液，得到淀粉酶（提液，得到淀粉酶（提液，得到淀粉酶（diastasediastasediastasediastase）。）。）。）。1839 1839 1839 1839 年，年，年，年，德国化学家德国化学家德国化学家德国化学家李比希（李比希（李比希（李比希（LiebigLiebigLiebigLiebig）提出发酵过程中提出发酵过程中提出发酵过程中提出发酵过程中酵母起着机械作用（酵母起着机械作用（酵母起着机械作用（酵母起着机械作用（酶酶酶酶 =化学催化剂化学催化剂化学催化剂化学催化剂 ）。）。）。）。1857185718571857年年年年PasteurPasteurPasteurPasteur等人等人等人等人提出酒精发酵是酵母细胞活动的结提出酒精发酵是酵母细胞活动的结提出酒精发酵是酵母细胞活动的结提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。活酵母细胞内有一种物质，可使糖发酵生成乙醇。果。活酵母细胞内有一种物质，可使糖发酵生成乙醇。果。活酵母细胞内有一种物质，可使糖发酵生成乙醇。果。活酵母细胞内有一种物质，可使糖发酵生成乙醇。1878187818781878年，德国科学家年，德国科学家年，德国科学家年，德国科学家K K K K hnehnehnehne提出提出提出提出 enzymeenzymeenzymeenzyme从活生物体中从活生物体中从活生物体中从活生物体中分离得到的酶，意思是分离得到的酶，意思是分离得到的酶，意思是分离得到的酶，意思是“在酵母中在酵母中在酵母中在酵母中”（希腊文）。（希腊文）。（希腊文）。（希腊文）。7 7Buchner兄弟的试验兄弟的试验 1896 1896 1896 1896年，巴克纳兄弟用细砂研磨酵母细胞，压取汁液，年，巴克纳兄弟用细砂研磨酵母细胞，压取汁液，年，巴克纳兄弟用细砂研磨酵母细胞，压取汁液，年，巴克纳兄弟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氧化汁液不含活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二氧化汁液不含活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二氧化汁液不含活细胞，但仍能使糖发酵生成酒精和二氧化碳。碳。碳。碳。证明：证明：证明：证明：发酵与细胞的活动无关发酵与细胞的活动无关 酶酶活细胞产生的，能在细胞内外起作用的活细胞产生的，能在细胞内外起作用的（催化）生理活性物质（催化）生理活性物质。8 8 酶的化学本质研究酶的化学本质研究（蛋白酶的确立）（蛋白酶的确立）1926192619261926年年年年美国康乃尔大学的美国康乃尔大学的美国康乃尔大学的美国康乃尔大学的萨姆纳（萨姆纳（萨姆纳（萨姆纳（SummerSummerSummerSummer）从刀从刀从刀从刀豆中提取出豆中提取出豆中提取出豆中提取出脲酶的结晶脲酶的结晶脲酶的结晶脲酶的结晶,并证明它具有并证明它具有并证明它具有并证明它具有蛋白质的性蛋白质的性蛋白质的性蛋白质的性质质质质。19301930193019301936193619361936年年年年NorthropNorthropNorthropNorthrop等等等等得到了得到了得到了得到了胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶（pepsinpepsinpepsinpepsin）、胰蛋白酶（）、胰蛋白酶（）、胰蛋白酶（）、胰蛋白酶（trypsintrypsintrypsintrypsin）等的结晶，证等的结晶，证等的结晶，证等的结晶，证实并确立了实并确立了实并确立了实并确立了酶是蛋白质酶是蛋白质酶是蛋白质酶是蛋白质的化学本质。的化学本质。的化学本质。的化学本质。3.酶学研究的快速发展酶学研究的快速发展9 91010是否所有的酶都是是否所有的酶都是蛋白质蛋白质？1111 酶的化学本质的拓展酶的化学本质的拓展（核酶的发现）（核酶的发现）1982198219821982年年年年,切克切克切克切克(CechCechCechCech)等等等等发现四膜虫细胞发现四膜虫细胞发现四膜虫细胞发现四膜虫细胞rRNArRNArRNArRNA前体具有自前体具有自前体具有自前体具有自我剪贴功能，发现：催化功能的我剪贴功能，发现：催化功能的我剪贴功能，发现：催化功能的我剪贴功能，发现：催化功能的RNA-RNA-RNA-RNA-核酶核酶核酶核酶(ribozymeribozymeribozymeribozyme)。1983198319831983年，阿尔特曼（年，阿尔特曼（年，阿尔特曼（年，阿尔特曼（AlmantAlmantAlmantAlmant）等发现核糖核酸酶等发现核糖核酸酶等发现核糖核酸酶等发现核糖核酸酶P P P P（RNaseRNaseRNaseRNase P P P P）的）的）的）的RNARNARNARNA部分部分部分部分M1 RNA M1 RNA M1 RNA M1 RNA 具有核糖核酸酶具有核糖核酸酶具有核糖核酸酶具有核糖核酸酶P P P P的催的催的催的催化活性，而该酶的蛋白质部分化活性，而该酶的蛋白质部分化活性，而该酶的蛋白质部分化活性，而该酶的蛋白质部分C5C5C5C5蛋白却没有酶活性。蛋白却没有酶活性。蛋白却没有酶活性。蛋白却没有酶活性。（核酶的发现，改变了酶的概念（核酶的发现，改变了酶的概念（核酶的发现，改变了酶的概念（核酶的发现，改变了酶的概念-“-“-“-“酶是具有生物催化功能的生酶是具有生物催化功能的生酶是具有生物催化功能的生酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白质物大分子（蛋白质物大分子（蛋白质物大分子（蛋白质 或或或或 RNARNARNARNA）”，CechCechCechCech 和和和和 Altman Altman Altman Altman 为此共同获得了为此共同获得了为此共同获得了为此共同获得了1989198919891989年度诺贝尔化学奖：年度诺贝尔化学奖：年度诺贝尔化学奖：年度诺贝尔化学奖：不仅为探索不仅为探索不仅为探索不仅为探索RNARNARNARNA的复制能力提供了线索，而且说的复制能力提供了线索，而且说的复制能力提供了线索，而且说的复制能力提供了线索，而且说明了最早的生命物质是同时具有生物催化功能和遗传功能的明了最早的生命物质是同时具有生物催化功能和遗传功能的明了最早的生命物质是同时具有生物催化功能和遗传功能的明了最早的生命物质是同时具有生物催化功能和遗传功能的RNARNARNARNA，打破了蛋白，打破了蛋白，打破了蛋白，打破了蛋白质是生物起源的定论质是生物起源的定论质是生物起源的定论质是生物起源的定论）酶分两大类：主要由蛋白质组成酶分两大类：主要由蛋白质组成酶分两大类：主要由蛋白质组成酶分两大类：主要由蛋白质组成蛋白类酶（蛋白类酶（蛋白类酶（蛋白类酶（P P P P酶）酶）酶）酶）主要由核糖核酸组成主要由核糖核酸组成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（核酸类酶（核酸类酶（R R R R酶）酶）酶）酶）1212 酶催化的理论研究酶催化的理论研究18941894年年年年FisherFisher提出酶与底物作用的提出酶与底物作用的提出酶与底物作用的提出酶与底物作用的“锁与钥匙锁与钥匙锁与钥匙锁与钥匙”学说。学说。学说。学说。19031903年年年年HenriHenri提出酶与底物作用的提出酶与底物作用的提出酶与底物作用的提出酶与底物作用的中间复合物中间复合物中间复合物中间复合物学说。学说。学说。学说。19131913年年年年MichaelisMichaelis等等等等导出导出导出导出米氏方程米氏方程米氏方程米氏方程,19251925年年年年BriggsBriggs等等等等进一进一进一进一步修改米氏方程并提出步修改米氏方程并提出步修改米氏方程并提出步修改米氏方程并提出稳态学说稳态学说稳态学说稳态学说。19581958年，年，年，年，KoshlandKoshland提出提出提出提出诱导契合学说诱导契合学说诱导契合学说诱导契合学说。19601960年年年年,雅各雅各雅各雅各(Jacob)(Jacob)和莫诺得和莫诺得和莫诺得和莫诺得(MonodMonod)提出提出提出提出操纵子学说操纵子学说操纵子学说操纵子学说,阐述了酶生物合成的基本调节机制。阐述了酶生物合成的基本调节机制。阐述了酶生物合成的基本调节机制。阐述了酶生物合成的基本调节机制。1313酶的其它理论研究酶的其它理论研究1963196319631963年年年年HirsHirsHirsHirs等等等等测定了核糖核酸酶测定了核糖核酸酶测定了核糖核酸酶测定了核糖核酸酶(RNaseRNaseRNaseRNase)的的的的氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸顺序顺序顺序顺序。1965196519651965年年年年PhillipsPhillipsPhillipsPhillips首次用首次用首次用首次用X X X X射线晶体衍射技术阐明鸡射线晶体衍射技术阐明鸡射线晶体衍射技术阐明鸡射线晶体衍射技术阐明鸡蛋溶菌酶的蛋溶菌酶的蛋溶菌酶的蛋溶菌酶的三维结构三维结构三维结构三维结构。1969196919691969年年年年MerrifielidMerrifielidMerrifielidMerrifielid等等等等人工合成人工合成人工合成人工合成具有酶活性具有酶活性具有酶活性具有酶活性RNaseRNaseRNaseRNase。1986198619861986年年年年SchultzSchultzSchultzSchultz等等等等人研制成了人研制成了人研制成了人研制成了抗体酶抗体酶抗体酶抗体酶（abzymeabzymeabzymeabzyme，具有催化性质的抗体）。具有催化性质的抗体）。具有催化性质的抗体）。具有催化性质的抗体）。1997199719971997年年年年BoyerBoyerBoyerBoyer等等等等人阐明了人阐明了人阐明了人阐明了ATPATPATPATP合酶合成和分解合酶合成和分解合酶合成和分解合酶合成和分解ATPATPATPATP的的的的分子机制。分子机制。分子机制。分子机制。1414酶学研究中的诺贝尔化学奖酶学研究中的诺贝尔化学奖19071907年年 巴克纳巴克纳(Edward Buchner,18601907)(Edward Buchner,18601907)德国人，发现德国人，发现无细胞发酵现象无细胞发酵现象。19291929年年 哈登哈登(Sir Arthur Harden(Sir Arthur Harden，18651940)18651940)英国人，研究英国人，研究糖的发酵作用及其糖的发酵作用及其与酶的关系与酶的关系；奥伊勒；奥伊勒(Sir Arthur Harden(Sir Arthur Harden，18651940)18651940)瑞典人，研究瑞典人，研究辅酶辅酶。1946 1946年年 萨姆纳萨姆纳（James Batcheller Sumner,1887-1955James Batcheller Sumner,1887-1955）美国人，发现）美国人，发现结晶蛋白结晶蛋白酶酶；诺思罗普；诺思罗普(John Howard Northrop(John Howard Northrop，1891)1891)美国人，制备美国人，制备绩效状态的酶绩效状态的酶和和病毒蛋白质；斯坦利病毒蛋白质；斯坦利(Wendell Meredith Stanley(Wendell Meredith Stanley，19041971)19041971)美国人，制备美国人，制备绩绩效状态的酶效状态的酶和病毒蛋白质。和病毒蛋白质。19571957年年 托德托德(Sir Alexander Robertus Todd,1907-)(Sir Alexander Robertus Todd,1907-)英国人，研究核苷酸和英国人，研究核苷酸和核苷酸核苷酸辅酶辅酶。19721972年年 安芬林安芬林(Christian Borhmer Anfinsen(Christian Borhmer Anfinsen，1916-)1916-)美国人，研究美国人，研究酶化学的基酶化学的基本理论本理论；摩雷；摩雷(Stanford Moore(Stanford Moore，1913-1982)1913-1982)美国人，研究美国人，研究酶化学的基本理论酶化学的基本理论 ；斯坦斯坦(William H(William HSteinStein，19111980)19111980)美国人，研究美国人，研究酶化学的基本理论酶化学的基本理论。19891989年年 切赫切赫(T(TR Rcech)cech)美国人，关于发现美国人，关于发现核糖核酸催化作用核糖核酸催化作用的研究；的研究；奥尔奥尔特曼特曼(S(SAltnan)Altnan)美国人，关于发现美国人，关于发现核糖核酸催化作用核糖核酸催化作用的研究。的研究。19971997年年 延斯延斯 斯科（斯科（Jens Christian SkouJens Christian Skou）丹麦人，发现细胞中钠离子和钾离丹麦人，发现细胞中钠离子和钾离子浓度平衡的酶（子浓度平衡的酶（钠钾钠钾-ATPase-ATPase ）。）。1515