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1、第七章第七章 酶工程基本原理酶工程基本原理第一节第一节 酶工程概述酶工程概述第二节第二节 酶工程基本技术及应用实例酶工程基本技术及应用实例第一节第一节 酶工程概述酶工程概述一、酶工程一、酶工程二、酶的分类及命名二、酶的分类及命名三、酶的特点与活性三、酶的特点与活性四、酶的生产方法四、酶的生产方法The engineering of enzyme says allThe engineering of enzyme says allC COHOHO OH HNHNHC CNHNHO O-H-H2 2O O一、酶工程一、酶工程1.1.什么是酶什么是酶 酶（酶（enzymeenzyme）是生物体内活细
2、胞所产生的一种具有特殊催化功能的一）是生物体内活细胞所产生的一种具有特殊催化功能的一类蛋白质类蛋白质(少数为少数为RNA)RNA)或其复合体，是生物催化剂。或其复合体，是生物催化剂。例如：例如：由胰腺分泌的胰蛋白酶（由胰腺分泌的胰蛋白酶（肽链内切酶），它能把多肽链中赖氨肽链内切酶），它能把多肽链中赖氨酸和精氨酸残基中的羧基侧切断。酸和精氨酸残基中的羧基侧切断。NHNH(CH(CH2 2)4 4CHCHCOOHCOOH NHNH2 2(CH(CH2 2)4 4CHCHC CO OOHOHO ON NH HNHNHHNHNO ON NH HNHNH精氨酸残基精氨酸残基赖氨酸残基赖氨酸残基2.2.酶
3、促进反应酶促进反应 酶促进反应是指酶的催化反应，是反应物（又称为底物）在酶的催化酶促进反应是指酶的催化反应，是反应物（又称为底物）在酶的催化作用下所进行的反应。作用下所进行的反应。例如：例如：葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化下氧化成葡萄糖酸。葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化下氧化成葡萄糖酸。葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶CHCH2 2OHOH(CHOH)(CHOH)4 4CHOCHOCOOHCOOH(CHOH)(CHOH)4 4CHOCHO+O+O2 2+H+H2 2O O底物底物(substrate)(substrate)3.3.酶工程酶工程 酶工程就是通过酶或微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生酶工程
4、就是通过酶或微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的特殊生物催化功能，借助工程手段将相应物反应装置中，利用酶所具有的特殊生物催化功能，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工程技术科学。它包括酶制剂的原料转化成有用物质并应用于社会生活的工程技术科学。它包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程是的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程是现代生物工程的重要组成部分。现代生物工程的重要组成部分。二、酶的分类与命名二、酶的分类与命名 国际生物化学联合会酶学委员会（国际生物化学联合会酶学委员会（enzy
5、me commission enzyme commission，ECEC）根据酶）根据酶所催化的反应类型，将酶分为所催化的反应类型，将酶分为 6 6大类。即：大类。即：1.1.酶的分类酶的分类氧化还原酶类（氧化还原酶类（oxido-reductasesoxido-reductases）转移酶类（转移酶类（transferasestransferases）水解酶类（水解酶类（hydrolaseshydrolases）裂解酶类（裂解酶类（lyaseslyases）异构酶类（异构酶类（isomerasesisomerases）合成酶类（合成酶类（synthetasessynthetases）氧化还原
6、酶类氧化还原酶类 氧化还原酶类用于催化氧化还原反应。生物体内的氧化还原反应多以氧化还原酶类用于催化氧化还原反应。生物体内的氧化还原反应多以脱氢、加氢的方式进行。脱氢为氧化，加氢为还原。氧化还原酶类是生物脱氢、加氢的方式进行。脱氢为氧化，加氢为还原。氧化还原酶类是生物获取能量的一种重要酶。获取能量的一种重要酶。例如：例如：葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化下氧化成葡萄糖酸。葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化下氧化成葡萄糖酸。葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶CHCH2 2OHOH(CHOH)(CHOH)4 4CHOCHOCOOHCOOH(CHOH)(CHOH)4 4CHOCHO+O+O2 2+H+H2 2O O 又如：又
7、如：细胞内乙醇在乙醇脱氢酶的催化下转化为乙醛，使乙醇脱氢酶细胞内乙醇在乙醇脱氢酶的催化下转化为乙醛，使乙醇脱氢酶的辅酶的辅酶NADNAD还原为还原为NDAHNDAH2 2。CHCH3 3CHCH2 2OHOH乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶CHCH3 3C CH HO ONAD NADHNAD NADH2 2转移酶类转移酶类 转移酶类用于催化功能基团的转移反应。转移酶类是生物代谢及能转移酶类用于催化功能基团的转移反应。转移酶类是生物代谢及能量转移的一种重要酶。量转移的一种重要酶。例如：例如：氨基酸的代谢。氨基酸的代谢。谷丙转氨酶谷丙转氨酶COOHCOOH(CH(CH2 2)2 2HCNHHCNH2 2+C
8、 CO O +CHOCHO己糖激酶己糖激酶ATP ADPATP ADP 又如：又如：葡萄糖在己糖激酶的催化下，被活化为葡萄糖在己糖激酶的催化下，被活化为6-6-磷酸葡萄糖，使底物磷酸葡萄糖，使底物分子上的高能磷酸基团转移到分子上的高能磷酸基团转移到 ADP ADP 分子上。分子上。COOHCOOHCHCH3 3COOHCOOH谷氨酸谷氨酸丙酮酸丙酮酸COOHCOOH(CH(CH2 2)2 2HCNHHCNH2 2C CO OCOOHCOOHCHCH3 3COOHCOOH-酮戊二酮戊二酸酸丙氨酸丙氨酸CHCH2 2OHOH+CO+CO2 2(CHOH)(CHOH)4 4CHOCHOCHCH2 2
9、O OP P(CHOH)(CHOH)4 4水解酶类水解酶类 水解酶类用于催化底物发生水解反应，水解酶在生物体内担负降解的水解酶类用于催化底物发生水解反应，水解酶在生物体内担负降解的作用。水解酶类是当前应用最广泛的一种重要酶。作用。水解酶类是当前应用最广泛的一种重要酶。例如：例如：淀粉的水解淀粉的水解水解水解 又如：又如：蛋白质在蛋白酶的催化下水解蛋白质在蛋白酶的催化下水解淀粉酶淀粉酶(C(C6 6H H1010O O5 5)n n+nH+nH2 2O O淀粉淀粉nCnC6 6H H1212O O6 6葡萄糖葡萄糖蛋白质蛋白质 多肽多肽 氨基酸氨基酸蛋白酶蛋白酶蛋白酶蛋白酶水解水解裂解酶类裂解酶
10、类 裂解酶类用于催化底物发生非水解性、非氧化性分解反应。这类反应裂解酶类用于催化底物发生非水解性、非氧化性分解反应。这类反应在生物体代谢中起着重要作用，其特点是通过反应分离出在生物体代谢中起着重要作用，其特点是通过反应分离出 H H2 2O O、NHNH3 3、COCO2 2 及醛等小分子，使底物留下双键；或反过来催化底物的双键加成反应。及醛等小分子，使底物留下双键；或反过来催化底物的双键加成反应。天冬氨酸酶天冬氨酸酶例如：例如：天冬氨酸的裂解天冬氨酸的裂解HOOC-CHHOOC-CHNHNH2 2HOOC-CHHOOC-CH2 2HOOC-CHHOOC-CHHOOC-CHHOOC-CH+NH
11、+NH3 3 又如，溶菌酶是一种能裂解致病菌中黏多糖的碱性酶。主要通过破坏又如，溶菌酶是一种能裂解致病菌中黏多糖的碱性酶。主要通过破坏细胞壁中的细胞壁中的N-N-乙酰胞壁酸和乙酰胞壁酸和N-N-乙酰氨基葡糖之间的乙酰氨基葡糖之间的-1,4-1,4糖苷键，使细胞糖苷键，使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌溶解。溶解。6 6磷酸葡萄糖异构酶磷酸葡萄糖异构酶异构酶类异构酶类 异构酶类用于催化底物发生异构反应，包括旋光（或立体）异构、顺异构酶类用于催化底物发生异构反应，包括旋光（或立体）异构、顺反异构、分
12、子内氧化还原及分子内转移等。反异构、分子内氧化还原及分子内转移等。例如：例如：葡萄糖异构反应生成果糖葡萄糖异构反应生成果糖O OOHOHOHOHOHOHHOHOCHCH2 2OHOHO OOHOHOHOHOHOHHOHOCHCH2 2OHOH葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶CHOCHOH HC COHOHHOHOC CH HH HC COHOHH HC COHOHCHCH2 2OPOOPO3 32-2-CHOCHOC CO OHOHOC CH HH HC COHOHH HC COHOHCHCH2 2OPOOPO3 32-2-合成酶类合成酶类 合成酶又称为连接酶合成酶又称为连接酶(ligases)(li
13、gases)，常用于催化使两个底物连接成一个，常用于催化使两个底物连接成一个分子。此类反应在生物体内关联着许多重要生命物质（如：蛋白质、脂分子。此类反应在生物体内关联着许多重要生命物质（如：蛋白质、脂肪）的合成。肪）的合成。例如：例如：丙酮酸羧化酶利用丙酮酸羧化酶利用 ATP ATP 分解释放的能量催化丙酮酸与分解释放的能量催化丙酮酸与 CO CO2 2 合合成草酰乙酸成草酰乙酸COOHCOOH丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶C CO OCHCH3 3+CO+CO2 2ATP ADPATP ADPCHCH2 2-COOH-COOHCOOHCOOHC CO O2.2.酶的命名酶的命名 酶的命名方法有系统
14、命名法和习惯命名法两种。系统命名法是根据酶的命名方法有系统命名法和习惯命名法两种。系统命名法是根据国际生物化学联合会酶学委员会的命名规则进行的命名；习惯命名法常国际生物化学联合会酶学委员会的命名规则进行的命名；习惯命名法常根据底物名称和反应类型进行命名。根据底物名称和反应类型进行命名。系统命名系统命名 国际酶学委员会规定，酶的名称包括两部分。即：国际酶学委员会规定，酶的名称包括两部分。即：酶的系统名称酶的系统名称 分类编号（分类编号（4 4个数字）个数字）酶的系统名称应包括底物名称、反应类型；若有两种底物，将其名酶的系统名称应包括底物名称、反应类型；若有两种底物，将其名称列出，并用称列出，并用
15、“：”隔开；若底物之一为水，则可略去。隔开；若底物之一为水，则可略去。分类编号为：分类编号为：EC*.*.*.*EC*.*.*.*（4 4个数字）个数字）EC EC 为国际酶学委员会的英文缩写，前三个数字分别表示酶所属的为国际酶学委员会的英文缩写，前三个数字分别表示酶所属的大类、亚类、亚亚类，第大类、亚类、亚亚类，第4 4个数字表示该酶在亚亚类中占有的位置。个数字表示该酶在亚亚类中占有的位置。这样，根据这这样，根据这4 4个数字就可以确定具体的酶。个数字就可以确定具体的酶。例如：催化下述反应的乳酸脱氢酶例如：催化下述反应的乳酸脱氢酶系统名称系统名称 L-L-乳酸：乳酸：NADNAD氧化还原酶氧
16、化还原酶分类编号分类编号 EC1.1.1.27 EC1.1.1.27+NAD +NADH+NAD +NADH2 2乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶O OOHOHOHOHO OO OOHOHL-L-乳酸乳酸 丙酮酸丙酮酸习惯命名习惯命名 习惯命名通常也是根据底物名称及反应类型进行命名，但没有系统习惯命名通常也是根据底物名称及反应类型进行命名，但没有系统命名法严格、详细。命名法严格、详细。例如，上述催化例如，上述催化 L-L-乳酸脱氢的酶乳酸脱氢的酶乳酸脱氢酶。乳酸脱氢酶。三、酶的特点与活性三、酶的特点与活性1.1.酶的催化特点酶的催化特点 酶作为一种特殊的催化剂，除了与一般催化酶作为一种特殊的催化剂，除了与
17、一般催化剂共同具有：剂共同具有：“反应前后其量化学性质不发生改反应前后其量化学性质不发生改变变”、“改变反应速度改变反应速度”、“不改变化学反应平不改变化学反应平衡点衡点”外，还具有如下几个方面的特点。外，还具有如下几个方面的特点。酶的催化效率非常高，是其它无机（或有机）催化剂的酶的催化效率非常高，是其它无机（或有机）催化剂的10106 6-10-1013 13 倍。倍。例如：双氧水的催化分解反应例如：双氧水的催化分解反应催化效率高催化效率高2H2H2 2O O2 2 2H 2H2 2O+OO+O2 2催化剂催化剂用用 Fe Fe2+2+做催化剂做催化剂 催化效率为：催化效率为：610610-
18、4-4 mol/(mols)mol/(mols)用过氧化氢酶催化用过氧化氢酶催化 催化效率为：催化效率为：6106106 6 mol/(mols)mol/(mols)问题：问题：什么是催化剂？什么是催化剂？高度的专一性高度的专一性 酶的专一性是指酶对其作用的底物有严格的选择性，一种酶只能催化酶的专一性是指酶对其作用的底物有严格的选择性，一种酶只能催化某一类，甚至某一种物质起化学变化。某一类，甚至某一种物质起化学变化。根据酶的专一性情况，我们可将其分为三类。即：根据酶的专一性情况，我们可将其分为三类。即：H H2 2N-CO-NHN-CO-NH2 2+H+H2 2O 2NHO 2NH3 3+CO
19、+CO2 2脲酶脲酶绝对专一性绝对专一性 一种酶只能催化一种底物使其发生特定的化学反应。例如，脲酶只能一种酶只能催化一种底物使其发生特定的化学反应。例如，脲酶只能催化尿素水解。催化尿素水解。相对专一性相对专一性 一种酶只对具有相同化学键或基团的底物都能进行某种类型的催化反一种酶只对具有相同化学键或基团的底物都能进行某种类型的催化反应。例如，酯酶催化酯键的水解。应。例如，酯酶催化酯键的水解。立体专一性立体专一性 一种酶只对具有某种立体化学结构的底物进行某种类型的催化反应。一种酶只对具有某种立体化学结构的底物进行某种类型的催化反应。例如，例如，L-L-乳酸脱氢酶只能催化乳酸脱氢酶只能催化L-L-乳
20、酸氧化，对乳酸氧化，对 D-D-乳酸不起作用。乳酸不起作用。要求反应条件温和要求反应条件温和 酶是由生物体产生，本身又是蛋白质。因此，酶的催化反应一般只酶是由生物体产生，本身又是蛋白质。因此，酶的催化反应一般只能在常温、常压和接近中性的能在常温、常压和接近中性的 pH pH 条件下进行。条件下进行。一般来说，动物体内的酶最适温度在一般来说，动物体内的酶最适温度在3535到到4040摄氏度之间，植物体内摄氏度之间，植物体内的酶最适温度在的酶最适温度在 40-50 40-50；动物体内的酶最适；动物体内的酶最适 pH pH 大多在大多在 6.5-8.0 6.5-8.0 之之间，但也有例外，如胃蛋白
21、酶的最适间，但也有例外，如胃蛋白酶的最适 pH pH 为为1.51.5，植物体内的酶最适，植物体内的酶最适 pH pH大多在大多在4.5-6.54.5-6.5之间。之间。这一特性对以酶为催化剂的工业生产，可有效地实现节能，减耗的这一特性对以酶为催化剂的工业生产，可有效地实现节能，减耗的目的。目的。活性调节机制复杂活性调节机制复杂 酶的活性在生物体内受到多方面因素的调节与控制。生物体内酶与酶的活性在生物体内受到多方面因素的调节与控制。生物体内酶与酶之间、酶与其它蛋白质之间存在着若干相互作用，机体通过调节酶的酶之间、酶与其它蛋白质之间存在着若干相互作用，机体通过调节酶的活性和量，控制代谢速度，以满
22、足生命的各种需要。活性和量，控制代谢速度，以满足生命的各种需要。2.2.酶的催化活性酶的催化活性 蛋白质按其组成可分为单纯蛋白质和结合蛋白质两大类。单纯蛋白质完蛋白质按其组成可分为单纯蛋白质和结合蛋白质两大类。单纯蛋白质完全水解后，得到的最终产物是氨基酸；结合蛋白质是由单纯蛋白质和非蛋白全水解后，得到的最终产物是氨基酸；结合蛋白质是由单纯蛋白质和非蛋白质组成，非蛋白质部分称之为辅基。质组成，非蛋白质部分称之为辅基。例如：核蛋白（含核酸）、糖蛋白（含多糖）、脂蛋白（含脂类）、磷例如：核蛋白（含核酸）、糖蛋白（含多糖）、脂蛋白（含脂类）、磷蛋白（含磷酸）、金属蛋白（含金属）等。蛋白（含磷酸）、金属
23、蛋白（含金属）等。酶同样也可分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶是由单纯蛋白质组成的酶同样也可分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶是由单纯蛋白质组成的酶，其催化活性仅由其酶蛋白部分决定；而结合酶酶，其催化活性仅由其酶蛋白部分决定；而结合酶是由单纯蛋白质和非蛋白是由单纯蛋白质和非蛋白质组成，质组成，其催化活性除酶蛋白部分外，还需要金属离子或其它小分子有机化其催化活性除酶蛋白部分外，还需要金属离子或其它小分子有机化合物作为酶的辅助因子。合物作为酶的辅助因子。酶的组成酶的组成全酶全酶 酶蛋白酶蛋白 辅助因子辅助因子（结合酶）（结合酶）（辅酶、辅基、金属离子）（辅酶、辅基、金属离子）在全酶中，酶蛋白和辅助因子
24、分别单独存在时，均无催化活力，只有在全酶中，酶蛋白和辅助因子分别单独存在时，均无催化活力，只有当两者结合成全酶时，才能表现出催化活力。酶的辅助因子包括辅酶和辅当两者结合成全酶时，才能表现出催化活力。酶的辅助因子包括辅酶和辅基。基。辅酶辅酶 辅酶是一类可以将化学基团从一个酶转移到另一个酶上的辅酶是一类可以将化学基团从一个酶转移到另一个酶上的“有机小分有机小分子子”，与酶蛋白的结合较为松散，与酶蛋白的结合较为松散，可用透析法将辅酶透析出来可用透析法将辅酶透析出来。例如：维生素例如：维生素B B1 1、维生素、维生素B B2 2等。等。H H3 3C CN NN NNHNH2 2N NS SCHCH
25、2 2CHCH2 2OHOHCHCH3 3+ClCl-N NN NN NO OH H3 3C CH H3 3C CNHNHO OHOHOOHOHOHOHHOHO什么是透析？什么是透析？资料卡片资料卡片1.1.透析（透析（dialysisdialysis）所谓透析是指：利用小分子通过所谓透析是指：利用小分子通过半透膜扩散的原理，将半透膜扩散的原理，将小分子与生物大分子分小分子与生物大分子分开的一种分离纯化技术。开的一种分离纯化技术。半透膜半透膜 半透膜是一种只给某种分子或离子扩散进出的薄膜，对不同质点的通过具有一半透膜是一种只给某种分子或离子扩散进出的薄膜，对不同质点的通过具有一定的选择性的薄膜
26、定的选择性的薄膜 。2.2.半透膜（半透膜（semipermeable membranesemipermeable membrane）辅基可以是有机化合物，如糖类、脂肪和核酸，也可以是金属离子或辅基可以是有机化合物，如糖类、脂肪和核酸，也可以是金属离子或金属配位化合物。辅基与酶蛋白结合较牢固。金属配位化合物。辅基与酶蛋白结合较牢固。因为辅基是与酶蛋白以共价方式结合的金属离子或一类因为辅基是与酶蛋白以共价方式结合的金属离子或一类“较小的有机较小的有机化合物化合物”，所以用透析法不能除去。辅基在整个酶促反应过程中始终与酶，所以用透析法不能除去。辅基在整个酶促反应过程中始终与酶的特定部位结合。的特定
27、部位结合。辅基辅基 例如：铜（例如：铜（）是铜蓝）是铜蓝蛋白的辅基，血红素是血红蛋白的辅基，血红素是血红蛋白的辅基等。蛋白的辅基等。细胞色素细胞色素C C的辅基与酶蛋白的联接方式的辅基与酶蛋白的联接方式 酶属生物大分子，相对分子质量至少在酶属生物大分子，相对分子质量至少在 1 1万以上，大的可达到几百万以上，大的可达到几百万，比底物的分子质量大得多。实验证明，酶的活性并不与整个分子的万，比底物的分子质量大得多。实验证明，酶的活性并不与整个分子的各个部分有关，其活力表现只是集中在某一区域。各个部分有关，其活力表现只是集中在某一区域。例如。脲酶的相对分子质量为例如。脲酶的相对分子质量为 48 48
28、 万。但只须用万。但只须用 4 4 个个 Ag Ag+与之结与之结合，其活性则彻底散失。合，其活性则彻底散失。酶的催化活性中心酶的催化活性中心 因为组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在着各种不同的功能基因为组成酶活性中心的氨基酸残基的侧链存在着各种不同的功能基团，如：团，如：-NH-NH2 2、-COOH-COOH、-SH-SH、-OH-OH 和咪唑基等，它们来自酶分子多肽链和咪唑基等，它们来自酶分子多肽链的不同部位。的不同部位。这些基团有些与底物结合时，起结合基团的作用，有的在催化反应这些基团有些与底物结合时，起结合基团的作用，有的在催化反应中起催化基团的作用，有的既在结合中起作用，又在催化
29、中起作用。所中起催化基团的作用，有的既在结合中起作用，又在催化中起作用。所以常将活性部位的功能基团统称为必需基团。以常将活性部位的功能基团统称为必需基团。实验证明，在一定的温度实验证明，在一定的温度和和 pH pH 条件下，当底物浓度大条件下，当底物浓度大大超过酶的浓度时，酶的浓度大超过酶的浓度时，酶的浓度与反应速度呈正比关系；当与反应速度呈正比关系；当酶酶浓度很高时，曲线逐渐趋向平浓度很高时，曲线逐渐趋向平缓。缓。酶的浓度酶的浓度0 01 12 23 34 45 5V V(酶促进反应初速度酶促进反应初速度)2 24 46 68 81010EE(酶浓度酶浓度)3.3.影响酶活性的因素影响酶活性
30、的因素E+S ES E+PE+S ES E+P酶酶 底物底物 中间产物中间产物 酶酶 产物产物 酶促反应速度受酶浓度和底物浓度的影响，也受温度、酶促反应速度受酶浓度和底物浓度的影响，也受温度、pHpH、激活剂、激活剂和抑制剂的影响。和抑制剂的影响。米契里斯（米契里斯（MichaelisMichaelis）和门坦（）和门坦（MentenMenten）根据中间产物学说推导）根据中间产物学说推导出酶促反应速度方程式，即米出酶促反应速度方程式，即米-门公式。门公式。底物浓度底物浓度米门公式米门公式V=VV=VmaxmaxSSK Km m+S+S式中：式中：V V 为酶促进反应初速度；为酶促进反应初速度
31、；V Vmax max 为达到极限的最大速度；为达到极限的最大速度；SS为底物反为底物反应浓度；应浓度；K Km m 为酶特征性常数。为酶特征性常数。对于一个给定的酶催化反应，当底物对于一个给定的酶催化反应，当底物浓度浓度SS较低时，酶促进反应速度较低时，酶促进反应速度 V V 随着随着底物浓度的增大底物浓度的增大(急骤急骤)增大。增大。当底物浓度超过当底物浓度超过 1/2V 1/2Vmaxmax 后，酶促进后，酶促进反应速度增幅逐步减小；当底物浓度增大反应速度增幅逐步减小；当底物浓度增大到一定值后，酶促进反应速度不再与底物到一定值后，酶促进反应速度不再与底物浓度有关。浓度有关。SSV VV
32、VmaxmaxK Km m V Vmaxmax反应温度反应温度 各种酶在最适温度范围内，酶活性最强，酶促反应速度最大。各种酶在最适温度范围内，酶活性最强，酶促反应速度最大。在适宜的温度范围内，温度每升高在适宜的温度范围内，温度每升高1010，酶促反应速度可以相应提，酶促反应速度可以相应提高高1 12 2倍；当超过适宜温度后，酶将发生不可逆性变，使其催化作用散倍；当超过适宜温度后，酶将发生不可逆性变，使其催化作用散失。失。例如：例如：最适温度在最适温度在6060以下的酶，当温度达到以下的酶，当温度达到60608080时，大部分时，大部分酶被破坏并发生不可逆变性；当温度接近酶被破坏并发生不可逆变性
33、；当温度接近100100时，酶的催化作用完全时，酶的催化作用完全丧失。丧失。不同生物体内酶的最适温度不同。例如：动物组织中各种酶的最适不同生物体内酶的最适温度不同。例如：动物组织中各种酶的最适温度为温度为37374040；微生物体内各种酶的最适温度为；微生物体内各种酶的最适温度为25256060。（但常有。（但常有例外，如：枯草杆菌的液化型淀粉酶的最适温度为例外，如：枯草杆菌的液化型淀粉酶的最适温度为85859494）。）。pHpH值值 酶反应介质的酶反应介质的 pH pH 值会影响酶分子，特别是活性中心上必需基团的值会影响酶分子，特别是活性中心上必需基团的解离程度和催化基团中质子供体或质子受
34、体所需的离子化状态，也可影解离程度和催化基团中质子供体或质子受体所需的离子化状态，也可影响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。响底物和辅酶的解离程度，从而影响酶与底物的结合。只有在特定的只有在特定的 pH pH 条件下，酶、底物和辅酶的解离情况，最适宜于条件下，酶、底物和辅酶的解离情况，最适宜于它们互相结合，并发生催化作用，使酶促反应速度达最大值，这种它们互相结合，并发生催化作用，使酶促反应速度达最大值，这种pHpH值值称为酶的最适称为酶的最适 pH(optimum pH)pH(optimum pH)。注意：最适注意：最适 pH pH 和和酶的最稳定酶的最稳定 pH pH 不一定不一
35、定相同，和体内环境的相同，和体内环境的pHpH也未必相同。也未必相同。抑制剂抑制剂 凡是能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质，称做酶的抑制凡是能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质，称做酶的抑制剂剂(inhibitor)(inhibitor)。使酶变性失活。使酶变性失活(称为酶的钝化称为酶的钝化)的因素（如：强酸、强的因素（如：强酸、强碱等），不属于抑制剂。碱等），不属于抑制剂。通常根据抑制剂的抑制作用，可将其分为可逆性抑制和不可逆性抑通常根据抑制剂的抑制作用，可将其分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。制两类。不可逆性抑制作用，通常是抑制剂与酶以共价键方式结合，是抑制不可逆性抑制作用，通常
36、是抑制剂与酶以共价键方式结合，是抑制剂与酶的必需基团进行不可逆结合，使酶丧失活性。剂与酶的必需基团进行不可逆结合，使酶丧失活性。【不可逆抑制剂】【不可逆抑制剂】可逆性抑制作用，通常是抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等可逆性抑制作用，通常是抑制剂与酶以非共价键结合，在用透析等物理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆物理方法除去抑制剂后，酶的活性能恢复，即抑制剂与酶的结合是可逆的。的。【可逆抑制剂】【可逆抑制剂】激活剂激活剂 凡能提高酶活性而不引起酶蛋白变性的物质，都称为激活剂（又称凡能提高酶活性而不引起酶蛋白变性的物质，都称为激活剂（又称活化剂）。活化剂）。其中大部分是离
37、子或简单的有机化合物。激活剂按分子大小可分为其中大部分是离子或简单的有机化合物。激活剂按分子大小可分为三类：三类：无机离子无机离子如：如：K K+、MgMg2+2+、CaCa2+2+、H H+、Br Br-、ClCl-等等有机分子有机分子如：谷胱甘肽、如：谷胱甘肽、EDTAEDTA等等蛋白质等生物大分子蛋白质等生物大分子如：酶原激活如：酶原激活 某些酶在细胞内合成或初分泌时没有活性，这些没有活性的酶的某些酶在细胞内合成或初分泌时没有活性，这些没有活性的酶的前身称为酶原。使酶原转变为有活性酶的作用称为酶原激活。前身称为酶原。使酶原转变为有活性酶的作用称为酶原激活。例如：消化酶的酶原（胃蛋白酶原，
38、胰蛋白酶原，胰凝乳蛋白酶例如：消化酶的酶原（胃蛋白酶原，胰蛋白酶原，胰凝乳蛋白酶原），它可以贮存在其合成部位而没有引起细胞或组织自我消化（水原），它可以贮存在其合成部位而没有引起细胞或组织自我消化（水解）的危险，待细胞需要时再被激活。解）的危险，待细胞需要时再被激活。酶原激活酶原激活四、酶的生产方法四、酶的生产方法 酶的生产是指经过预先设计，通过人工控制而获得所需的酶的生产过酶的生产是指经过预先设计，通过人工控制而获得所需的酶的生产过程。程。常用的酶的生产方法有提取法、发酵法和化学合成法。常用的酶的生产方法有提取法、发酵法和化学合成法。1.1.提取法提取法 提取法是通过物理化学方法，直接从动植
39、物组织中将酶提取，是最早提取法是通过物理化学方法，直接从动植物组织中将酶提取，是最早采用并且一直沿用至今的一种方法。采用并且一直沿用至今的一种方法。提取法操作简便，但受资源控制，这就使提取法的广泛应用受到了限提取法操作简便，但受资源控制，这就使提取法的广泛应用受到了限制。但在动植物或微生物资源丰富的地区，提取法仍然具有应用价值。制。但在动植物或微生物资源丰富的地区，提取法仍然具有应用价值。例如：例如：在屠宰厂，可从家畜胰脏中提取胰酶；在水果加工厂，可从菠在屠宰厂，可从家畜胰脏中提取胰酶；在水果加工厂，可从菠萝皮中提取菠萝蛋白酶。萝皮中提取菠萝蛋白酶。问题：问题：提取法生产酶的基本工序有哪些？提
40、取法生产酶的基本工序有哪些？资料卡片资料卡片胰酶提取工艺流程胰酶提取工艺流程冻胰脏冻胰脏(材料材料)破碎破碎匀浆匀浆活化活化5-10 24-36h5-10 24-36h活化胰浆活化胰浆材料预处理材料预处理分分离离提提取取提取提取粗滤粗滤pH5-6 10-20pH5-6 10-2025%C25%C2 2H H5 5OHOH胰乳胰乳沉淀物沉淀物沉淀沉淀离心分离离心分离95%C95%C2 2H H5 5OHOH0-50-5脱脂脱脂上清液上清液乙醚乙醚干燥干燥产品产品(胰酶原粉胰酶原粉)浓缩纯化浓缩纯化资料卡片资料卡片菠萝蛋白酶提取工艺流程菠萝蛋白酶提取工艺流程菠萝皮菠萝皮(材料材料)压榨压榨汁液汁液
41、浓缩纯化浓缩纯化材料预处理材料预处理吸附物吸附物吸附吸附吸附剂吸附剂上清液上清液提取分离提取分离洗脱、压滤洗脱、压滤盐析盐析洗脱液洗脱液硫酸铵硫酸铵离心分离离心分离溶解溶解沉淀物沉淀物粗酶粗酶水水pH 7-7.5pH 7-7.5过滤过滤滤液滤液沉淀沉淀盐酸盐酸pH 4.0pH 4.0离心分离离心分离沉淀物沉淀物冷冻干燥冷冻干燥精制产品精制产品(菠萝蛋白酶菠萝蛋白酶)2.2.化学合成法化学合成法 化学合成法是运用各种仪器设备，通过化学反应进行人工合成而获得化学合成法是运用各种仪器设备，通过化学反应进行人工合成而获得所需的酶的生产过程。所需的酶的生产过程。自自19691969年，美国科学家首次采用
42、化学合成的方法获得了含有年，美国科学家首次采用化学合成的方法获得了含有124124个氨个氨基酸的核糖核酸酶后，化学合成法初步成为一种生产酶的技术。基酸的核糖核酸酶后，化学合成法初步成为一种生产酶的技术。化学合成法要求技术条件和经济条件高，化学合成法要求技术条件和经济条件高，并且只能合成那些已知化学并且只能合成那些已知化学结构的酶。所以，化学合成法目前仍然停留在实验室内合成的阶段结构的酶。所以，化学合成法目前仍然停留在实验室内合成的阶段。但是，随着人们对酶生物合成、结构及其生物催化机理的进一步深入但是，随着人们对酶生物合成、结构及其生物催化机理的进一步深入了解，随着科学技术的不断进步，化学合成法
43、同样将是酶工程制药的一个了解，随着科学技术的不断进步，化学合成法同样将是酶工程制药的一个重要组成部分。重要组成部分。酶作为生物催化剂普遍存在与动物、植物、微生物生物体中。最早人酶作为生物催化剂普遍存在与动物、植物、微生物生物体中。最早人们多从动物脏器、腺体及植物果实、种子中提取酶。们多从动物脏器、腺体及植物果实、种子中提取酶。自自1919世纪末，日本人用曲霉通过固体培养生产世纪末，日本人用曲霉通过固体培养生产“他卡他卡”淀粉酶用作消淀粉酶用作消化剂开始，利用微生物进行工业化生产酶就逐步发展起来。化剂开始，利用微生物进行工业化生产酶就逐步发展起来。20 20世纪世纪2020年代，德国人用枯草杆菌
44、生产年代，德国人用枯草杆菌生产淀粉酶，用于棉布退浆技淀粉酶，用于棉布退浆技术，使微生物酶的工业化生产奠定了基础。术，使微生物酶的工业化生产奠定了基础。20 20世纪世纪4040年代，日本人用深层发酵法年代，日本人用深层发酵法生产生产淀粉酶，可视为微生物淀粉酶，可视为微生物生产酶的大规模工业化的开始。生产酶的大规模工业化的开始。目前，工业上应用的酶，大多采用微生物发酵法生产。目前，工业上应用的酶，大多采用微生物发酵法生产。3.3.发酵法发酵法问题：问题：发酵法生产酶的基本工序有哪些？发酵法生产酶的基本工序有哪些？资料卡片资料卡片一、真菌一、真菌淀粉酶淀粉酶的提取工艺流程的提取工艺流程菌株诱变菌株
45、诱变选育选育米曲霉米曲霉21972197种子扩大种子扩大培养培养菌种菌种发酵发酵发酵液发酵液发酵的上游工程发酵的上游工程发酵的中游工程发酵的中游工程（材料）（材料）过滤过滤浸提压滤浸提压滤稀酶液稀酶液超滤超滤浓缩液浓缩液乙醇沉析乙醇沉析沉析液沉析液过滤过滤滤液滤液热处理热处理70709090喷雾干燥喷雾干燥产品产品(真菌真菌淀粉酶淀粉酶)酶泥酶泥沉淀物沉淀物滤渣滤渣预预处处理理提取分离提取分离浓缩纯化浓缩纯化资料卡片资料卡片二、二、淀粉酶淀粉酶 淀粉酶是水解淀粉、糖原酶类的总称，属糖苷酶类。根据水解淀粉的方式不淀粉酶是水解淀粉、糖原酶类的总称，属糖苷酶类。根据水解淀粉的方式不同，淀粉酶可分为同
46、，淀粉酶可分为淀粉酶、淀粉酶、淀粉酶、糖化酶及异淀粉酶淀粉酶、糖化酶及异淀粉酶4 4类。类。1.1.淀粉酶淀粉酶 淀粉酶是一种内切酶，从淀粉分子淀粉酶是一种内切酶，从淀粉分子内部随机切割内部随机切割1 1，4 4糖苷键，使淀粉降解糖苷键，使淀粉降解成小分子糊精、麦芽糖。成小分子糊精、麦芽糖。淀粉酶是由枯草杆菌、米曲霉等制淀粉酶是由枯草杆菌、米曲霉等制成，主要用于淀粉糊化（如葡萄糖、酒精生成，主要用于淀粉糊化（如葡萄糖、酒精生产）和织物退浆等。产）和织物退浆等。OHOHH HCHCH2 2OHOHO OOHOHH HOHOHH HHOHOH HOHOHH HCHCH2 2OHOHO OOHOHH
47、 HOHOHH HOHOHH H1 12 23 34 45 56 6H HCHCH2 2OHOHO OOHOHH HOHOHH HH HH HO OH HCHCH2 2OHOHO OOHOHH HOHOHH HOOOO1 1，4 4糖苷键糖苷键资料卡片资料卡片还原性末端还原性末端 淀粉酶是一种外切酶，其作用方式是从淀粉酶是一种外切酶，其作用方式是从淀粉的非还原性末端顺次切下麦芽糖单位，遇到淀粉的非还原性末端顺次切下麦芽糖单位，遇到1 1，6 6糖苷键的分支点停止。糖苷键的分支点停止。因此，当因此，当淀粉酶在水解支链淀粉时，直淀粉酶在水解支链淀粉时，直链部分生成麦芽糖，分支点附近及内侧因不能分链
48、部分生成麦芽糖，分支点附近及内侧因不能分解而残留下来。其水解产物为麦芽糖及大分子解而残留下来。其水解产物为麦芽糖及大分子极限糊精。极限糊精。淀粉酶可从大麦、小麦、大豆等高等植淀粉酶可从大麦、小麦、大豆等高等植物中提取，也可利用蜡状芽孢杆菌等微生物通过物中提取，也可利用蜡状芽孢杆菌等微生物通过发酵制取。发酵制取。淀粉酶主要用于麦芽糖、啤酒等工业生淀粉酶主要用于麦芽糖、啤酒等工业生产。产。2.2.淀粉酶淀粉酶R R核心糊精核心糊精作用点作用点葡萄糖基葡萄糖基资料卡片资料卡片3.3.糖化酶糖化酶 糖化酶又称为葡萄糖淀粉酶，是一种专一性糖化酶又称为葡萄糖淀粉酶，是一种专一性较低，既能切开较低，既能切开
49、1 1，4 4糖苷键，又可缓慢切开糖苷键，又可缓慢切开1 1，6 6糖苷键的外切酶。它能将淀粉的非还原糖苷键的外切酶。它能将淀粉的非还原性末端逐个葡萄糖单位水解下来。性末端逐个葡萄糖单位水解下来。葡萄糖淀粉酶可由曲霉、根霉制取，主要用葡萄糖淀粉酶可由曲霉、根霉制取，主要用于酿酒、制糖等工业。于酿酒、制糖等工业。R R葡萄糖基葡萄糖基作用点作用点资料卡片资料卡片 异淀粉酶又称为脱支酶，是一种专一异淀粉酶又称为脱支酶，是一种专一性很强的、能够切开支链淀粉和糖原等分性很强的、能够切开支链淀粉和糖原等分支点的支点的1 1，6 6糖苷键，从而剪下整个糖苷键，从而剪下整个侧支，形成长短不一的支链淀粉。侧支
50、，形成长短不一的支链淀粉。将异淀粉酶与其它淀粉酶配合使用可将异淀粉酶与其它淀粉酶配合使用可使淀粉完全糖化。使淀粉完全糖化。例如：用例如：用淀粉酶生产麦芽糖，加淀粉酶生产麦芽糖，加入异淀粉酶，可使麦芽糖产率由入异淀粉酶，可使麦芽糖产率由7070提高提高到到9595。4.4.异淀粉酶异淀粉酶R R作用点作用点H HH HCHCH2 2O OOHOHH HOHOHH HOOOOH HCHCH2 2OHOHO OOHOHH HOHOHH HH HO OOO1 1，6 6糖苷键糖苷键问题思考与讨论问题思考与讨论7 71 1 什么是酶？酶的催化特点主要有哪些？什么是酶？酶的催化特点主要有哪些？7 72 2