01 第一章 酶工程绪论.ppt

第1页：第一章绪论封面

本章为《酶工程》第一章绪论，依次讲述酶的定义、酶的发现及研究历史、酶的分类命名，以及酶的化学性质与催化特性。

第2页：第一章绪论目录

• 酶的定义
• 酶的发现及研究历史
• 酶的分类命名
• 酶的化学性质与催化特性

第3页：酶的定义与催化高效性

酶的定义

酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催化剂，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生物催化剂。

酶具有一般催化剂的三个特征：

• 只能进行热力学上允许进行的反应
• 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
• 通过降低活化能加快化学反应速度

酶的催化高效性通常高出非生物催化剂催化活性的 10⁶～10¹³ 倍。以过氧化氢分解反应 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ 为例：

第4页：酶认识的起源与早期实践

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」字由「酒」而来，反映出酶的认识与酿酒的渊源。

第5页：无细胞发酵与酶的商品化开端

• 西方国家 19 世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究。1897 年德国 Buchner 兄弟用石英砂磨碎酵母细胞，制备不含酵母细胞的抽提液，并证明该抽提液也能使糖发酵，说明发酵与细胞的活动无关，从而阐明发酵是酶作用的化学本质，Buchner 因此获得 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，开创了有目的地进行酶生产和应用的先例

第6页：酶的命名由来与化学本质研究

• 1878 年给酶一个统一的名词 Enzyme，该词来自希腊文，意为「在酵母中」
• 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），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

第7页：酶应用历史的早期案例

• 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

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的阶段，生产工艺繁杂，难以大规模工业化生产。

第8页：近代酶工业的开端与固定化酶起步

• 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转向微生物流体深层发酵
• 50 年代开始酶固定化研究：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，制成固定化酶
• 60 年代是固定化酶技术迅速发展时期：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从 DL-氨基酸生产 L-氨基酸，「酶工程」一词随之出现

第9页：固定化细胞与原生质体技术进展

• 1971 年第一届国际酶工程学术会议在美国召开，主题为固定化酶，并进一步开展微生物细胞固定化研究
• 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 α-淀粉酶研究成功，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，又发展了固定化原生质体技术，排除了细胞壁这一障碍

第10页：酶分子修饰技术的发展

• 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
• 70 年代在修饰剂的选用、修饰方法上又有了新的发展
• 近 20 年在抗体酶、人工酶、模拟酶等方面以及酶的应用技术研究上均取得较大进展

酶工程不断向广度和深度发展，显示出广阔而诱人的前景。

第11页：1.3 酶的分类与命名

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。

第12页：酶的 EC 四位编号规则

每一种酶按所催化的化学反应类型进行分类和命名，得到一个四位数字的分类编号和一个系统名，IUB 同时推荐一个惯用名供日常使用。

以乳酸脱氢酶 EC 1.1.1.27 为例：

第13页：酶的系统名与惯用名

酶的命名有两种方法：

系统名

包括所有底物的名称和反应类型，如 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，如乳酸脱氢酶

催化反应式：乳酸 + NAD⁺ → 丙酮酸 + NADH + H⁺。对于催化水解反应的酶，一般在名称上省去反应类型。

第14页：氧化还原酶

氧化还原酶催化氧化-还原反应，主要包括脱氢酶（dehydrogenase）和氧化酶（oxidase），如乳酸脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。

第15页：转移酶

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分子上，例如谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。

第16页：水解酶

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，例如脂肪酶（lipase）催化的脂的水解反应。

第17页：裂合酶

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，主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等，例如延胡索酸水合酶催化的反应。

第18页：异构酶

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，例如 6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。

第19页：合成酶

合成酶又称连接酶，催化 C-C、C-O、C-N 以及 C-S 键的形成反应，这类反应必须与 ATP 分解反应相互偶联。

通式：A + B + ATP + H-O-H → A—B + ADP + Pi。例如丙酮酸羧化酶催化丙酮酸 + CO₂ → 草酰乙酸。

第20页：核酸类酶（R 酶）的分类

自 1982 年以来被发现的核酸类酶越来越多，但分类和命名尚无统一原则，可按三种方式划分：

• 按催化反应类型：剪切酶、剪接酶、多功能酶
• 按结构特点：锤头型 R 酶、发夹型 R 酶、含 I 型 IVS 的 R 酶、含 II 型 IVS 的 R 酶
• 按作用方式：分子内催化（in cis，自我催化）与分子间催化（in trans）

第21页：酶的化学本质

• 1926 年 J.B. Sumner 首次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
• 1982 年 T. Cech 发现第 1 个有催化活性的天然 RNA——ribozyme（核酶），此后 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。

第22页：酶的组成：单纯酶与结合酶

按组成可将酶分为单纯酶和结合酶。结合酶（全酶）= 酶蛋白 + 辅因子。

酶的催化专一性主要决定于酶蛋白部分，辅因子通常作为电子、原子或某些化学基团的载体。

第23页：单体酶、寡聚酶和多酶复合物

• 单体酶：仅有一条具有活性部位的多肽链
• 寡聚酶：由几个或多个亚基组成，亚基间以非共价键牢固结合，单个亚基没有催化活性
• 多酶复合物：几个酶镶嵌而成的复合物，催化将底物转化为产物的一系列顺序反应

例如大肠杆菌丙酮酸脱氢酶系由丙酮酸脱氢酶（EⅠ）、硫辛酰转乙酰酶（EⅡ）和二氢硫辛酰脱氢酶（EⅢ）组成。

第24页：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

必需基团包括活性部位内的结合基团（决定专一性）与催化基团（决定催化性质），以及活性部位外维持酶空间结构的基团。

第25页：酶作用的专一性

酶作用的专一性包括结构专一性和立体异构专一性，结构专一性又可分为族（基团）专一性与绝对专一性。

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

第26页：影响酶催化的各种因素

酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH 值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。在酶的应用过程中，必须控制好各种环境条件，以充分发挥酶的催化功能。

第27页：酶活力测定与酶活力单位

• 酶活力与酶反应速度、比活力
• 酶活力测定方法：反应体系选择、反应条件确定、反应物检测与酶活力计算，以及偶联酶反应活力测定

1961 年国际生物化学与分子生物学联合会规定：在特定条件下（温度可采用 25 ℃ 或其它选用的温度，pH 等条件均采用最适条件），每 1 min 催化 1 μmol 底物转化为产物的酶量定义为 1 个酶活力单位，称为国际单位。

反应速度：u = dS/dt = dP/dt