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1、酶 工 程Enzyme Engineering,赵 珺华侨大学化工学院生物工程与技术系Cell: 15960398427E-mail: ,课 程 简 介,本课程讲授酶学和酶工程的相关知识，包括酶的生产、酶的改性以及酶的应用课程性质专业必修课，36学时，2学分适用对象：生物工程专业先修课程有机化学、生物化学、细胞生物学、微生物学、分子生物学、基因工程,课 程 简 介,教材和教学参考书教材：酶工程（第三版），郭勇编著，科学出版社，2009,课 程 简 介,教材和教学参考书教学参考书酶工程（第二版），罗贵民主编，化学工业出版社，2008现代酶学（第二版），袁勤生主编，华东理工大学出版社，2001酶学
2、原理与酶工程，周晓云主编，中国轻工业出版社，2007,课 程 简 介,课程主要内容酶和酶工程概论（第一章）酶的生产微生物发酵产酶（第二章）动植物细胞培养产酶（第三章）酶的提取与分离纯化（第四章）酶的改性酶分子修饰（第五章）酶、细胞、原生质体固定化（第六章）酶非水相催化（第七章）人工酶（知识拓展）酶的应用酶反应器（第九章）酶的应用（第十章）,课 程 简 介,教学目的和要求以酶学的内容为基础，酶的工程应用为主，融入各章节内容中通过本课程的学习，要求系统地掌握酶的生产、改性与应用的技术过程理解和掌握酶工程的主要理论、概念，掌握酶工程的研究方法，熟悉工程应用了解相关的新进展考核方式期末笔试（闭卷）,酶
3、 工 程Enzyme Engineering,第 一 课酶 和 酶 工 程 概 论,酶 和 酶 工 程 概 论,酶（enzyme）活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，又称为生物催化剂（Biocatalysts）蛋白类酶（proteozyme，P酶）由蛋白质构成，部分含有金属及辅基，不含核酸成分核酸类酶（ribozyme，R酶）是具有催化能力的RNA分子内催化和分子间催化,酶 和 酶 工 程 概 论,酶工程（enzyme engineering）将酶或者微生物细胞、动植物细胞、细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的
4、一门科学技术现代酶学理论与化工技术的交叉应用领域食品工业轻工业医药工业,酶 和 酶 工 程 概 论,本章主要内容酶的基本概念和发展历史酶催化作用特点影响酶催化作用的因素酶的分类与命名酶的活力测定酶的生产方法酶工程发展概况,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史远古时代 古老的“食品工业”中国夏禹时代：酿酒、酿醋 粬醪、醴、糵、麴(曲，粬)两周时代：饴糖、食酱、腌菜豆：两周时代的重要礼器和食器，盛放腌菜春秋战国时代：用麴治疗消化不良的疾病公元十世纪：制豆酱利用曲霉中的蛋白酶水解豆类蛋白得到,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史远古时代 古老的“食品工业”古埃及、古巴比伦
5、时代：麦粉发酵酿造啤酒磨粉、去糠、打碎麦芽萌发、浸润成酒发酵、装瓶,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史近代 十八世纪始，酶学的萌芽和初步发展18世纪中后期，法国科学家Raumurbuzzard（鵟，秃鹰）的胃液对肉块具有消化作用，这是一种化学变化而非物理变化过程（如溶解），而且这个化学变化是在很“温和”的条件下实现的1783年，Spallazani通过实验阐明了不仅鸟的胃液，其它动物和人的胃液也有类似的消化作用，这个作用还与温度、胃液加量有关，而且在体外是不稳定的，活性会逐渐丧失最早的酶学实验,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史近代 十八世纪始，酶学的萌芽和初步
6、发展1810年，Planche的实验从植物根中分离出一种物质，能使创木酯氧化变蓝1814年，Kirchhoff发现某些谷物的种子在发酵时能生成还原糖1826年，Mitscherlich提出“酵素”的概念，这是酶最早的名称1833年，Payen和Persoz用酒精处理麦芽水抽提液，得到白色无定形粉末，命名为diastase,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史近代 十八世纪始，酶学的萌芽和初步发展19世纪中叶，Pasteur认为酵母中存在一种使葡萄糖转化为酒精的物质，但他认为只有活的酵母细胞才能进行发酵1878年，Khne“Enzyme” 的诞生：En（在）+ Zyme（酵母），表
7、示酶在酵母中1898年，Duelaux提出引用diastase的后三个字母“ase”作为酶命名的词根,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史近代 十八世纪始，酶学的萌芽和初步发展1894年，Takamine Joichi（高峰让吉）利用米霉菌固体培养法生产Taka淀粉酶（第一个商品酶制剂），其方法至今仍被采用1896年（另一说1897年），Buchner兄弟发现酵母粗提液也能将糖发酵成酒精表明起作用的非细胞本身，在细胞外也可以发生作用此项发现促进了酶的分离和对其理化性质的研究，也促进了生命过程中酶系统的研究。一般认为酶学研究始于此Buchner获得了1907年诺贝尔化学奖,酶 和
8、酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史近代 酶作用学说的提出1902年，Henri 中间产物学说 底物转化成产物之前，必须先与酶形成复合物1913年，Michaelis和Menten 米氏方程 1925年，Briggs和Handane提出“拟稳态”学说，对米氏方程作重要修正,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史近代 酶作用学说的提出1894年，Emil Fisher 锁钥学说酶分子和底物在结构上需有严格的互补关系底物须契合到酶的活性中心，如同钥匙插入锁中,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史近代 酶的本质和结构研究1926年，J. Sumner从刀豆中提取脲酶（
9、urease），首次获得酶的结晶体1937年又获得过氧化氢酶结晶证实了酶是蛋白质获得1946年诺贝尔化学奖,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史近代 酶的本质和结构研究1957年，Sanger报道了胰岛素的氨基酸序列，这是第一次阐明一个蛋白质的氨基酸全序列1963年，第一个酶的氨基酸系列被报道（核糖核酸酶）1969年，首次报道由氨基酸化学合成牛胰核糖核酸酶，定性证明酶和普通的生物催化剂没有区别从此，酶的结构与功能和它的氨基酸系列全面挂钩。一级结构决定三级结构，进而决定其功能,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史现代酶学 快速发展时期1958年，Daniel E. K
10、oshland 诱导契合学说酶是具有柔性的大分子底物与酶分子互相碰撞时，可诱导酶的构象与底物相吻合，才能形成中间络合物1961年，Monod等人“变构模型”，定量解释某些酶活性可以通过与效应物结合进行调节，揭示了酶的调控作用,Daniel E. Koshland,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史现代酶学 快速发展时期核酸类酶（Ribozyme）的发现1982年，Cech发现四膜虫（Tetrahymena）的26S rRNA前体在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，催化得成熟的rRNA1983年，Atman和 Pace等人发现核糖核酸酶P中的RNA组分M1 RNA具有核糖核酸酶
11、的催化活性，单独催化tRNA前体切除部分核苷酸而成为成熟的tRNA,Thomas Cech,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史现代酶学 快速发展时期核酸类酶（Ribozyme）的发现,四膜虫Tetrahymena rRNA内含子的二级和三级结构,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的基本概念和发展历史现代酶学 快速发展时期Ribozyme发现的重大意义RNA具有酶的催化活性，向酶的化学本质是蛋白质这一传统概念提出了挑战在理论上，对于生物起源和生命进化的研究具有重要启示Ribozyme具有内切酶活性，可定点切割mRNA，破坏mRNA，抑制基因表达，为基因、病毒和肿瘤治疗提供了可行途径,
12、酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点催化剂的共性用量少而催化效率高能够改变化学反应的速率，但是不能改变化学反应平衡降低反应的活化能，从而加速反应的进行一般要与反应物形成过渡态酶催化反应的特性专一性强催化效率高催化反应的条件温和,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点催化作用的专一性专一性：一定条件下，一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型反应的特性绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一种反应构型专一性 立体异构选择性，顺反异构选择性专一底物 如脲酶催化尿素的分解反应相对专一性：一种酶催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应键专一性 作用于相同化学键的一类底物，如
13、酯酶基团专一性 作用于相同基团的一类底物，如胰蛋白酶,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点酶催化作用专一性的机制酶分子的活性中心，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团，即一个具有潜手性基团的底物与酶结合后，将向着与酶结合位点构象相匹配的构型的方向发生转化,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点酶催化作用专一性的相关学说“三点结合”的催化理论酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现,酶 和 酶 工 程 概 论
14、,酶催化作用的特点酶催化作用专一性的相关学说锁钥学说整个酶分子的天然构象是刚性的，酶表面具有特定的形状酶与底物的结合，如同一把钥匙对一把锁一样,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点酶催化作用专一性的相关学说诱导契合学说该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点酶催化作用专一性的相关学说结构性质互补假说酶同底物结合的专一性，与底物结构和酶的活性中心的空间结构相关，二者的结构是互补的如果底物是解离的，则酶的活性中心的空间结构必然带相反的电荷才能很好结合而且底物同酶活性中心的极性也必然相同,酶 和 酶 工
15、 程 概 论,酶催化作用的特点酶催化作用效率高酶的催化作用可使反应速度提高1071013倍例如：H2O2的分解反应Fe3+催化，效率为610-4 mol/(mols)过氧化氢酶催化，效率为6106 mol/(mols)过氧化氢酶将H2O2分解反应的活化能从75.24 kJmol-1 降低到8.36 kJmol-1,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点酶催化作用效率高酶与非酶催化时所需的活化能示意图图中酶催化反应和非酶催化反应的活化能差异显著,非酶催化反应,酶催化反应,活化能,反应过程,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点酶促反应条件温和酶促反应一般在pH 58水溶液中进行，温度
16、范围为2040 oC，即通常的生理条件高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活原因：酶催化所需活化能低酶是生物大分子，易变性而失活,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点酶活力可调节控制转录水平调节：诱导与阻遏，如乳糖操纵子动力学调节：加入酶的激活剂或抑制剂控制酶促反应速率修饰调节：对酶分子进行修饰改造，改变其活性酶原激活：前体酶经过一系列激活生成具有活性的酶某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关金属离子能维持酶活性中心的构型辅酶基团可以传递质子和电子基团转移功能,酶 和 酶 工 程 概 论,酶催化作用的特点常见辅酶,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素底物浓度酶浓度
17、温度反应体系pH值抑制剂激活剂,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素底物浓度对酶活的影响Michaelis-Menten方程当底物浓度较低时，酶促反应速率与底物浓度成正比，符合一级反应动力学当底物浓度很高时，反应速率不随底物浓度的改变而变化，符合零级反应动力学,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素Michaelis-Menten方程的推导 快速平衡（rapid equilibrium）假设及其三个条件测定的速度为反应初速度，底物消耗很少，产物P的生成极少，不考虑由P+E逆转生成ES的可能性底物浓度S远大于酶浓度E，ES形成不会明显降低S，S以起始浓度S0计酶和底物结合物
18、ES合成速度显著快于ES形成P+E速度，也就是说E+SES的可逆反应在测定初速度时已达到平衡，ES分解生成产物不足以破坏这个平衡,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素Michaelis-Menten方程的推导 快速平衡假设设ES形成E+S的解离常数为Ks，则有平衡时，S不变（假设(2)），由式(1-1) 和式(1-2) 得,(1-1),(1-2),(1-3),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素Michaelis-Menten方程的推导 快速平衡假设由假设(1)，由条件(2)，由此可得将式(1-4)、式(1-6)代入式(1-3)可得,(1-4),(1-5),(1-6),
19、(1-7),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素Michaelis-Menten方程的推导 拟稳态（quasi-steady-state）假设及其条件在初速度范围内，酶浓度E远低于底物浓度S，则酶底物复合物浓度ES也很低除了反应初期的瞬间，ES的变化速率相对于产物浓度P而言可以忽略，即从复合物ES生成产物P是一个很快的过程。因此反应进行一定时间后，复合物ES的积累不随时间而变化,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素Michaelis-Menten方程的推导 拟稳态假设反应速率可以表示为根据“拟稳态”假设，定义,(1-8),(1-9),(1-10),酶 和 酶 工 程 概
20、 论,影响酶催化作用的因素Michaelis-Menten方程的推导 拟稳态假设可得又根据物料守恒，将式(1-11) 代入式(1-12) 得,(1-11),(1-12),(1-13),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素Michaelis-Menten方程的推导 拟稳态假设将式(1-13) 代入式(1-8) 得Km 和Ks 的关系为可以说，“快速平衡”假设的米氏方程只是“拟稳态”假设方程中的一种特殊情况,(1-14),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素酶浓度的影响在底物浓度足够高的情况下，酶催化反应速率与酶浓度成正比：,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素
21、温度对酶反应速率的影响影响酶的稳定程度，酶蛋白在过高温度下将发生热变性影响最大反应速率，即影响k2影响酶和底物的结合，即影响Ks或k1和k-1影响酶和底物分子中某些解离基团的pKa值,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素最适温度（optimum temparature）酶反应速率随着温度的升高达到一个最大值时所对应的温度它不是酶催化反应的特征值，受作用时间、底物浓度、酶浓度及反应的pH等条件影响温度提高时，在反应速率增加的同时，酶蛋白变性失活的速率也迅速增加，所谓的最适温度，实际上是这两种因素综合影响的结果,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素pH值对酶反应速率的影响多
22、数情况下，酶反应速度随pH的变化呈钟罩形曲线最适pH（optimum pH）酶反应速率随pH变化达到最大值时所对应的pH值不是常数，受许多因素影响,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素pH对酶及其反应系统的影响改变酶空间构象，使酶可逆或不可逆变性失活当酶液的pH值回复到最适pH时，活力可完全恢复的称为可逆失活，反之，则称为不可逆失活改变反应系统的组成成分，主要是影响酶、底物和酶底物复合物的结合/解离状态影响酶活性中心基团的解离状态，使底物不能分解为产物影响酶分子中底物结合部位的解离状态，使其不能与底物结合影响底物的解离状态，使底物不能与酶相结合，或结合后不能生成产物,酶 和 酶 工
23、 程 概 论,影响酶催化作用的因素抑制剂对酶反应速率的影响凡能降低酶催化反应速率的物质都称之为抑制剂抑制剂与酶的必需基团（包括活性基团及辅基）结合，改变其结构与性质，引起酶反应速率下降抑制剂对酶有选择性，不包括酶蛋白的水解及变性失活作用酶抑制剂的特点:在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合物,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素抑制类型不可逆抑制抑制剂与酶的活性中心发生了化学反应，或共价地连接到酶分子的必需基团上，阻碍了底物的结合或破坏了酶的催化基团不能用透析或稀释的方法除去抑制剂，酶活性难以恢复。不可逆抑制作用与
24、时间有关可逆抑制抑制剂与酶蛋白以解离平衡为基础，以非共价方式结合，引起酶活性暂时性丧失抑制剂可以通过物理方法（如透析等）被除去，并且能部分或全部恢复酶的活性。可逆抑制作用与时间无关,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素可逆抑制作用的类型竞争性抑制（competitive inhibition）非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）反竞争性抑制（uncompetitive inhibitor）,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素竞争性抑制（competitive inhibition）抑制剂In和底物S对游离酶E的结合有竞争作用，互相排斥,酶
25、 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素竞争性抑制动力学推导反应速率方程：采用“拟稳态”假设，,(1-15),(1-16),(1-17),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素竞争性抑制动力学推导由式(1-16) 和式(1-17) 分别有又根据物料守恒，定义解离常数Km 和KIn：,(1-18),(1-19),(1-20),(1-21),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素竞争性抑制动力学推导因此将式(1-22) 代入式(1-15) 得,(1-22),(1-23),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素对于竞争性抑制的分析KIn 是EIn复合物的解离常数，
26、 KIn 越小，表示抑制强度越大表观米氏常数Km,app比米氏常数Km大，意味着酶与底物亲和力减低Vmax不变，说明竞争性抑制不影响最大反应速率,(1-24),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素竞争性抑制的速率曲线,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导致酶活性下降这类物质并不是与底物竞争酶的活性中心，而是与非活性中心结合，所以称为非竞争性抑制剂,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素非竞争性抑制的动力学方程由“快速平衡”假设推导出表观最大反应
27、速率,(1-25),(1-26),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素非竞争性抑制的特点酶分子可以和抑制剂 In 结合，生成EIn，也可和底物S结合，生成ES，再生成无活性的ESIn最大反应速率Vmax下降米氏常数Km 值不变某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素非竞争性抑制的速率曲线,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素反竞争性抑制（uncompetitive inhibition）抑制剂In不能和游离酶结合，只和酶底物复合
28、物ES结合成无活性的三元复合物ESIn，也是说S和E的结合不仅不排斥In，反而促进In和E的结合在多元反应体系中常见,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素反竞争性抑制的动力学方程由“拟稳态”假设可推导出表观最大反应速率和米氏常数,(1-27),(1-28),酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素反竞争性抑制的速率曲线,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素激活剂对酶反应速率的影响能够增加酶催化活性，或使酶催化活性显示出来的物质称为酶的激活剂或活化剂常见的激活剂有无机离子（Ca2+、Mg2+、Co2+、Zn2+、Mn2+、Cl-等）和某些有机分子等。部分酶也可以作
29、为激活剂激活作用的类型激活剂A与游离酶E相结合，形成活性酶复合物EA激活剂A与底物S相结合，形成复合的活性底物SA激活剂A与游离酶E、酶底物复合物ES形成三元复合物EAS,酶 和 酶 工 程 概 论,影响酶催化作用的因素A + E EA竞争性激活作用，动力学方程：A + E + S EAS非竞争性激活作用，动力学方程：,(1-29),(1-30),酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名蛋白类酶（proteozyme，P酶）国际酶学委员会提出的酶的命名与分类方案六大类酶核酸类酶（ribozyme，R酶）分子内催化R酶（in cis ribozyme）分子间催化R酶（in trans ribo
30、zyme）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名蛋白类酶（P酶）的命名规则 p11推荐命名法 底物名 + 催化反应类型 + 酶“水解酶”可以省略“水解”二字（如淀粉酶、蛋白酶等）有时可以加上酶的来源或特性（如胃蛋白酶、碱性磷酸酶等）系统命名法 底物名（供体：受体）+ 催化反应类型 + 酶如果反应中有多个底物，每个底物均需列出（水解反应中的水可省略），底物名称之间用 “:” 隔开若底物有构型，也需标出,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶命名举例e.g.1: EC 1.1.1.1乙醇脱氢酶 俗名乙醇：NAD+ 氧化还原酶 系统命名CH3CH2OH + NAD+ CH3CHO +
31、NADH + H+ 催化的反应e.g.2: EC 2.6.1.2谷丙转氨酶 俗名丙氨酸：-酮戊二酸氨基转移酶 系统命名丙氨酸 + -酮戊二酸 丙酮酸 + 谷氨酸 催化的反应,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶系统命名编号EC 类 . 亚类 . 小类 . 序号EC：Enzyme Commission的缩写类 P酶的六大类氧化还原酶类（oxidoreductases）转移酶类（transferases）水解酶类（hydrolases）裂合酶类（lyases）异构酶类（isomerases）连接酶类（ligases）或合成酶类（synthetases）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分
32、类与命名P酶系统命名编号亚类 每个大类中，按照酶作用的底物、化学键或基团的不同，分为若干亚类小类 每一亚类中再根据某一种相同的性质划分为若干小类序号 每一小类中包括若干具体的酶，按照一定的顺序依次编号e.g.：-D-葡萄糖氧化还原酶 EC 1.1.3.4,氧化还原酶类,反应在供体的CHOH基上进行,以氧为氢受体,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶 氧化还原酶（oxidoreductases）催化受体A的氧化还原反应的酶：很多情况下需要辅酶（如NAD+、FMN等）参与系统命名 A：B氧化还原酶推荐名A脱氢酶（dehydrogenase）或A还原酶（reductase）以O2作为氢受体
33、时 A氧化酶（oxidase）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶 转移酶（transferases）催化某基团X从供体化合物A转移到受体化合物B上的酶系统命名 A：B基团X转移酶L-丙氨酸：2-酮戊二酸氨基转移酶 EC 2.6.1.2推荐名 A基团X转移酶 / B基团X转移酶丙氨酸氨基转移酶（alanine transaminase）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶 水解酶（hydrolases）催化化合物AB进行水解反应的酶系统命名 AB：化学键水解酶5-核苷酸磷酸水解酶 EC 3.1.3.5（省略了“：水”）推荐名 AB（水解）酶5-核苷酸酶（5-nucleo
34、tidase）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶 裂合酶（lyases）催化一个化合物AB分解成两个化合物A、B及其逆反应的酶。一般裂合酶催化底物裂解为产物后，产生一个双键系统命名 AB-裂解的基团X-裂合酶（单底物）L-谷氨酸-1-羧基-裂合酶 EC 4.1.1.15推荐名谷氨酸脱羧酶（glutamate decarboxylase）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶 异构酶（isomerases）催化分子内部基团位置或构象转换的酶系统命名 底物+消旋酶/异构酶/变位酶推荐名 同系统命名或用习惯名称丙氨酸消旋酶 EC 5.1.1.1（alanine racemas
35、e）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶 连接酶（ligases）或合成酶（synthetases）催化两个分子A和B进行连接反应，生成产物AB的酶，伴随ATP的水解供能系统命名 A：B连接酶L-天冬氨酸：氨连接酶 EC 6.3.1.1推荐名 AB合成酶天冬酰胺合成酶（asparagine synthetase）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶 连接酶（ligases）或合成酶（synthetases）e.g.1 L-天冬氨酸：氨连接酶 EC 6.3.1.1e.g.2 L-谷氨酸：氨连接酶 EC 6.3.1.2,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶的其他分
36、类法 按酶的化学组成分类简单蛋白酶酶的活性仅仅决定于它的蛋白质结构例：脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等结合蛋白酶酶只有在结合了非蛋白组分（辅助因子）后，才表现出酶的活性酶蛋白（apoenzyme）脱辅基蛋白（apoprotein）全酶（holoenzyme）辅助因子(cofactor) 、辅基(prosthetic group)、辅酶(coenzyme),酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名P酶的其他分类法 按酶分子结构特点分类单体酶（monomeric enzyme）一般由一条肽链组成，如溶菌酶、胰蛋白酶、木瓜蛋白酶等有的单体酶由多条肽链组成，链间由二硫键相连构成一个共价整体，如胰凝乳蛋
37、白酶的3条肽链通过链间二硫键连接寡聚酶（oligomeric enzyme）由两个或两个以上相同或不同的亚基组成亚基间以次级键缔合。如乳酸脱氢酶、丙酮酸激酶等多酶体系（multienzyme system）由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成，主要指结构化的多酶复合体，如丙酮酸脱氢酶系、脂肪酸合成酶复合体等,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名核酸类酶（R酶）的分类与命名特殊的RNA，催化RNA、DNA、多肽甚至多糖和其他生物分子剪切或剪接反应剪切（R酶） 水解（P酶）剪接（R酶） 转移（P酶）催化类型：剪切酶、剪接酶、多功能酶结构特点：锤头型、发夹型、含I型IVS（间隔序列）的R酶、含II型
38、IVS的R酶底物：分子内催化、分子间催化,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名R酶的分类与命名 p10,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名分子内催化R酶（in cis ribozyme）自我剪切酶（self-cleavage ribozyme）在一定条件下催化自身RNA进行剪切反应，生成两段RNA片段自我剪接酶（self-splicing ribozyme）含I型IVS的R酶：催化 rRNA 前体的自我剪接，需Mg2+和鸟苷（或5-鸟苷酸）参与含II型IVS的R酶：催化 mRNA 前体的自我剪接，需Mg2+参与,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名分子间催化R酶（in tr
39、ans ribozyme）RNA剪切酶（RNA cleavage ribozyme，1983年）催化对象：特定的非自身RNA分子，水解磷酸酯键许多原核生物的核糖核酸酶P中的 RNA（RNase P-RNA）能催化tRNA前体剪切生成成熟的 tRNADNA剪切酶（DNA cleavage ribozyme，1990年）催化对象：特定的DNA分子，水解磷酸酯键多糖剪接酶（polysaccharide splicing ribozyme）多肽剪切酶（peptide cleavage ribozyme，1992年）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的分类与命名分子间催化R酶（in trans riboz
40、yme）氨基酸酯剪切酶 (aminoacid ester cleavage ribozyme, 1992年)多功能酶（multifunction ribozyme，1986年）例如，多功能酶 L-19 IVS 催化的反应：,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的活力测定酶活力酶活力是指在一定条件下，酶所催化反应的初速度，它是定量表征酶催化能力的指标表示方法 底物S或产物P的变化率在一定的条件下，控制一定的反应时间，测定底物S或产物P的浓度的变化，来计算酶活力在外界条件相同的情况下，反应速率越大，表示酶活力越高,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的活力测定酶活力测定的一般过程 均相反应根据待测酶的特征，选
41、择合适的底物，并配制溶液底物必须是容易检测且干扰较少的物质确定合适的反应条件温度、pH值、添加辅因子等将酶液与底物溶液迅速、均匀地混合，并开始计时反应一段时间后，迅速取出适量反应液，中止反应，测定底物减少量或产物增加量中止：迅速煮沸灭活、加酶变性剂、过酸过碱等测定：化学分析法、光谱测定法、气体测定法等，要求快、准、简,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的活力测定酶活力单位酶活力的国际单位（IU）特定条件下（最适温度、pH），每1min 催化1mol 底物转化为产物的酶量定义为1个酶活力单位酶活力单位 kat特定条件下，每1s 催化1mol 底物转化为产物的酶量定义为1kat1kat = 6107
42、IU酶的比活力 纯度指标1mg 蛋白质或RNA所具有的酶活力单位数,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的活力测定酶的转换数与催化周期酶的转换数 Kcat酶催化效率的指标，指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数一般用每mol的酶活力单位数 IU 来表示（min-1）酶的催化周期酶进行一次催化所需的时间转换数的倒数（ms或s）,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的活力测定固定化酶活力测定 非均相酶反应（*结合“酶固定化”章节的内容来讲）振荡测定法酶柱法测定：类似于层析柱连续法测定：连续测定仪与固定化酶反应器连接固定化酶的比活力测定酶结合效率、酶活回收率测定相对酶活力测定,酶 和 酶 工 程 概 论,酶的生
43、产方法提取分离法最早采用的方法，目前仍在采用，更多的是作为生物合成法的下游过程生物合成法 第二章、第三章微生物发酵动物、植物细胞培养法化学合成法蛋白质的化学全合成（蛋白合成仪）人工酶,酶 和 酶 工 程 概 论,酶工程发展概况酶工程的应用范围对自然界生物资源中的天然酶进行开发和生产自然酶的分离纯化及鉴定技术酶分子的改性酶和细胞的固定化技术酶反应器的研制和应用与其他生物技术领域的交叉和渗透,酶 和 酶 工 程 概 论,酶工程发展概况酶工程开始于人类有意识地去生产酶和酶制剂，并进行工业应用1894年，利用米曲霉制备高峰淀粉酶，并用作消化剂，开创了酶生产和应用的先例1908年，胰酶 皮革的软化190
44、8年，细菌淀粉酶 纺织品褪浆1911年，木瓜蛋白酶 啤酒的澄清,酶 和 酶 工 程 概 论,酶工程发展概况酶生产方法的突破加速了酶工程的发展从天然生物提取 生物发酵生产 质的飞跃1949年，微生物液体深层发酵生产细菌-淀粉酶1960年，操纵子学说 酶生物合成的调控 揭示酶合成机制1980s，动植物细胞培养技术 扩展了酶的来源,酶 和 酶 工 程 概 论,酶工程发展概况酶的改性和固定化技术是酶工程发展的里程碑最早的固定化酶 1916年，发现吸附在骨碳上的蔗糖酶仍显示催化活力 物理法1953年，部分酶用重氮化聚氨基苯乙烯树脂共价结合 化学法1969年，固定化酶的工业应用 氨基酰化酶拆分DL-氨基酸
45、生产L-氨基酸1971年，第一届国际酶工程学术会议1973年，以E. coli 为载体固定天冬氨酸酶生产L-天冬氨酸1978年，固定化细胞生产-淀粉酶1980s中期，开发了固定化原生质体技术,酶 和 酶 工 程 概 论,酶工程发展概况酶的改性和固定化技术是酶工程发展的里程碑1980s，修饰酶诞生，酶分子修饰技术快速发展1984年，有机介质中酶催化反应成功 对传统观念的挑战1980s中期，蛋白质工程的诞生为酶的修饰提供了有力的手段1980s之后，分子生物学和基因工程技术广泛应用于酶工程 酶的定向进化1980s之后，仿生学应用于酶工程 人工酶,酶 和 酶 工 程 概 论,推荐文献阅读1-酶工程发展进展2-酶工程研究和酶工程产业的新进展 I,酶 工 程Enzyme Engineering,第 一 课酶 和 酶 工 程 概 论,The End,
