酶工程-01-酶和酶工程概论

酶工程EnzymeEngineering赵珺华侨大学化工学院生物工程与技术系Cell:15960398427E-mail:[e-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EnzymeEngineering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，2009EnzymeEngineering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《酶学原理与酶工程》，周晓云主编，中国轻工业出版社，2007EnzymeEngineering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）EnzymeEngineering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）EnzymeEngineering酶工程EnzymeEngineering第一课酶和酶工程概论EnzymeEngineering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EnzymeEngineering酶和酶工程概论酶工程（enzymeengineering）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EnzymeEngineering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EnzymeEngineering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EnzymeEngineering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EnzymeEngineering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Réaumurbuzzard（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EnzymeEngineering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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diastaseEnzymeEngineering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，Kühne“Enzyme”的诞生：En（在）+Zyme（酵母），表示酶在酵母中1898年，Duelaux提出引用diastase的后三个字母“ase”作为酶命名的词根EnzymeEngineering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，TakamineJoichi（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EnzymeEngineering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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maxmS=+SVVKE+SESE+Pk1k-1k2EnzymeEngineering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，EmilFisher——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EnzymeEngineering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（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H2NNH2OH2OUrease2NH3CO2+EnzymeEngineering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EnzymeEngineering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，DanielE.Koshland——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DanielE.KoshlandEnzymeEngineering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26SrRNA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rRNA1983年，Atman和Pace等人发现核糖核酸酶P中的RNA组分M1RNA具有核糖核酸酶的催化活性，单独催化tRNA前体切除部分核苷酸而成为成熟的tRNAThomasCechEnzymeEngineering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TetrahymenarRNA内含子的二级和三级结构EnzymeEngineering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EnzymeEngineering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EnzymeEngineering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，如酯酶基团专一性——作用于相同基团的一类底物，如胰蛋白酶EnzymeEngineering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EnzymeEngineering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EnzymeEnzymeEnzymeEngineering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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EnzymeEnzymeSubstratedonotmatchthebindingsiteSubstratecanmatchthebindingsiteEnzymeEngineering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EnzymeEnzyme++SubstrateProduct-1Product-2TransitionstateconformationEnzymeEngineering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EnzymeEngineering酶和酶工程概论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107～1013倍例如：H2O2的分解反应Fe3+催化，效率为6×10-4m