酶工程学-第1周绪论

开学啦!Kepler-452bFindinganotherEarth,notfoundKepler-452b有生命吗？WHATISLIFE?•ERWINSCHRODINGER•Firstpublished1944•Whatislife?ThePhysicalAspectoftheLivingCell.•BasedonlecturesdeliveredundertheauspicesoftheDublinInstituteforAdvancedStudiesatTrinityCollege,Dublin,inFebruary1943.TothememoryofMyParents1887—1961埃尔温.薛定谔生物学家关于生命是什么的回答：CellsignalpathwayTheSevenYearItch酶主宰了内脏和细胞的所有功能，没有酶就没有生命！酶学研究七获诺贝尔奖：1907年诺贝尔化学奖：Buchner（德），发现无细胞发酵现象1929年诺贝尔化学家：Harden（英），发酵机理的研究1946年诺贝尔化学奖：Willstatter（德），揭示了酶是蛋白质1975年诺贝尔医学或生理学奖：Dulbecco、Temin和Baltimore（美），逆转录酶的发现1978年诺贝尔医学或生理学奖：Arber（瑞士）、Smith（美）和Arber（美），限制性内切酶的发现和应用1989年诺贝尔化学奖：Altman和Cech（美），打破了酶是蛋白质的传统观念1997年诺贝尔化学奖：Boyer（美）和Walker（英），揭示了ATP合成酶的作用机制酶工程学EnzymeEngineering酶工程：酶的生产与应用技术过程。主要任务是经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶充分发挥其催化功能。学习内容绪论(第一章)酶的生产酶的改性酶的应用酶生物合成的基本理论(第二章)酶的生物合成法(第三章)酶的提取与分离纯化(第四章)酶改性的基本理论(第五章)酶分子修饰(第六章)酶固定化(第七章)酶的非水相催化(第八章)酶应用的基本理论(第九章)酶反应器的应用(第十章)酶的应用领域(第十一章)参考书（一）教材：《酶工程》，郭勇主编，高等教育出版社，第一版，2005年。（二）参考资料：国家面向21世纪课程教材，《生物化学》上、下册,王镜岩等主编，高等教育出版社，第三版。第一章绪论第一节酶的基本概念酶,enzyme源于希腊语：ενζυμον德语：Enzym原意:inyeast在酵母中的东西生命体内催化化学反应的物质按照起催化作用的主要成分分类：蛋白类酶(proteozyme,P酶)核酸类酶(ribozyme,R酶)1713年：Reaumur发现消化过程的化学变化1783年：Spallamzan发现鸟的胃液能消化肉1814年：Kirchhoff发现稀酸对淀粉的加水分解作用【麦芽抽提液加入淀粉后能生成麦芽糖,即麦芽抽提液中必定有能水解淀粉的水溶性物质→ferment(酵素)】1826年：Mitscherlich提倡水溶性酵素为“unorganizedferment”1830年：Kuhlne开始使用Enzyme这一术语一、酶学研究史1833年：Payen&Persoz从麦芽抽提液得到了ferment,称diastase【溶于水、稀酸,但不溶于高浓度酒精,即现在的amylase】1835年：Berzelius提出ferment起的是催化作用1857年：Pasteur认为发酵分几个阶段进行,每一步都有特定的酶参与,但酶只在活体细胞中才能起作用1894年：Bertrand发现了水解酶以外的酶1897年：Buchner兄弟以没有酵母的酒精发酵证明了酶可以离开细胞起作用1910年：Halden&Young发现酶是蛋白质与耐热性低分子量化合物(cofactor)的复合物,提出蛋白质只是担体1913年：米氏方程建立1926年：Sumner得到了Urease的结晶【12年后,Northrop结晶化了Pepsin,Trypsin等蛋白酶】结晶中测定不到cofactor1929年：Warburg发现呼吸链诸酶中的血红素【1935-1936年维生素与辅酶的关系的解明】1929年：Sabbarow发现ATP【1939-1940年F.Lipmann解明高能磷酸化合物的生理意义】1959年：SutherlandcAMP的发现----→酶与激素的关系1970年：Restrictionenzyme的发现-----→基因工程1982年：ThomasR.Cech和SidneyAltman在研究RNA分子剪切机理时发现RNA分子也有催化能力1.松散排列二、酶的聚集形式酶酶酶酶1.酶在细胞中各自以可溶单体的形式存在，彼此之间没有及结构上的联系。2.反应时酶是随机扩散的，催化效率不高特点：酶酶酶酶酶酶酶酶糖酵解途径——是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。这一过程是在细胞质中进行，不需要氧气，每一反应步骤基本都由特异的酶催化。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。糖酵解总共包括10个连续步骤，均由对应的酶催化。例：糖酵解中的酶总反应为：葡萄糖+2ATP+2ADP+2Pi+2NAD+→2丙酮酸+4ATP+2NADH+2H++2H2O2.簇式排列几种酶有机地聚集在一起，精巧地镶嵌成一定的结构，定向转移，形成多酶复合体，催化效率高。特点：例：丙酮酸脱氢酶复合体（丙酮酸脱氢酶系）——催化丙酮酸脱羧反应的多酶复合体。丙酮酸脱氢酶（24个）二氢硫辛酸转乙酰基酶（24个）二氢硫辛酸脱氢酶（12个）焦磷酸硫胺素（TPP）硫辛酸(ALA)FADNADCoAMg2+三种酶六种辅助因子CH3—CO—COO+CoA~SH+NAD→CH3—CO~CoA+CO2+NADH大肠杆菌丙酮酸脱氢酶：例：脂肪酸合成酶乙酰CoA+7丙二酸CoA+14NADPH+14H+→棕榈酸+7CO2+8CoA+14NADP++6H2O3.与生物膜结合一种结构更高的多酶复合体，酶整齐地排列在生物膜上，催化效率最高。特点：——又称电子传递链，是由一系列电子载体构成的，从NADH或FADH2向氧传递电子的系统。例：呼吸链第二节酶的分类与命名P3图1-1一、蛋白类酶（P酶）的分类与命名习惯命名法1.一般采用底物加反应类型而命名，如蛋白水解酶、乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶等。2.对水解酶类，只要底物名称即可，如蔗糖酶、胆碱酯酶、蛋白酶等。3.有时在底物名称前冠以酶的来源，如血清谷氨酸－丙酮酸转氨酶、唾液淀粉酶等系统命名法例如对催化下列反应酶的命名：ATP+D-葡萄糖→ADP+D—葡萄糖-6-磷酸该酶的正式系统命名是：酶的作用底物酶作用的基团催化反应的类型表示该酶催化从ATP中转移一个磷酸到葡萄糖分子上的反应。ATP:葡萄糖磷酸转移酶酶的作用底物酶作用的基团催化反应的类型E.C.1.1.3.4系统编号ATP:葡萄糖氧化酶蛋白类酶(P酶)的分类原则：按照酶催化作用的类型分为六大类，在每一大类酶中，又根据底物中被作用的基团或键的特点分为若干亚类，然后再把属于某一亚类、亚亚类的酶按顺序排好，这样把已知的酶分门别类地排成一个表，叫做酶表。氧化还原酶转移酶水解酶裂合酶异构酶连接酶P3图1-1二、核酸类酶（R酶）的分类与命名根据酶催化反应的类型，区分为分子内催化R-酶和分子间催化R-酶，根据作用方式将R-酶分为三类：剪切酶剪接酶多功能酶第三节酶的活力测定酶的活力：指酶催化一定化学反应的能力。酶活力单位：在特定条件下，1分钟内转化1微摩尔底物所需的酶量为一个活力单位(U)。温度规定为25℃，其他条件取反应的最适条件。酶的比活：每毫克酶蛋白所具有的酶活力。单位是u/mg。比活越高则酶越纯。（一）基本概念一、游离酶的活力测定酶的转化数与催化周期：每分子酶或每个酶活性中心在单位时间内能催化的底物分子数(TN)。相当于酶反应的速度常数Kp。也称为催化常数（Kcat）。1/Kp称为催化周期。碳酸酐酶是已知转换数最高的酶之一，高达36×106/min，催化周期为1.7微秒。（二）酶活力测定方法1.选择合适的底物2.确定反应条件：温度、pH、底物浓度、激活剂浓度3.底物和酶溶液混合启动反应4.终止反应，测定底物消耗量或产物生成量二、固定化酶的活力测定方法（一）基本概念固定化酶的比活力：每克(g)干固定化酶所具有的酶活力单位，或单位面积(cm2)的酶活力单位表示(酶膜、酶管、酶板）。酶的结合效率=加入的总酶活力-未结合的酶活力加入的总酶活力x100%酶的活力回收=固定化酶总活力用于固定化的总酶活力x100%相对酶活力：具有相同酶蛋白（或酶RNA）量的固定化酶活力与游离酶活力的比值，相对酶活力的高低表明了固定化酶应用价值的大小。二、固定化酶的活力测定方法1.震荡测定法2.酶柱测定法3.连续测定法第四节酶工程的应用•酶与某些疾病的关系•酶在疾病诊断上的应用•酶在临床治疗上的应用•酶在生产生活中的应用思考题：你身边的酶工程？