生物技術(shù)概論之酶工程

1、 生物技術(shù)概論生物技術(shù)概論 之酶工程之酶工程 第二節(jié)第二節(jié) 酶工程酶工程 酶（ENZYME）是一種生物催化劑，酶的功能特異與生物的生命活動(dòng)密切相關(guān)，如執(zhí)行具體生理活動(dòng)，參與外來物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與解毒，協(xié)同激素發(fā)揮效應(yīng)、催化代謝反應(yīng)等等，沒有酶，就沒有生物體的一切生命活動(dòng)。 古代人類就開始利用酶，如釀酒、制醬。在近代開始逐漸工業(yè)化生產(chǎn)酶，1894年日本利用米曲霉生產(chǎn)淀粉酶用于促進(jìn)消化。1914年法國生產(chǎn)出細(xì)菌-淀粉酶用于紡織工業(yè)50年代，日本第一個(gè)用深層液體發(fā)酵法生產(chǎn)-淀粉酶開創(chuàng)了現(xiàn)代酶制劑工業(yè)。酶工程已成為一門新興學(xué)科酶工程已成為一門新興學(xué)科( (一）酶的概述一）酶的概述1 1、酶的化學(xué)本質(zhì)、酶的化

2、學(xué)本質(zhì) 一般情況下，酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，是具有特殊催化功能的蛋一般情況下，酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，是具有特殊催化功能的蛋白質(zhì)白質(zhì) 酶一般不能通過半透膜，酶是兩性電解質(zhì)，酶能夠被蛋白酶水解，失活條件與蛋白質(zhì)相同，結(jié)構(gòu)分析與蛋白質(zhì)相同。 組成： 單成分酶的組成成分只有酶蛋白，而全酶含有酶蛋白和輔助因子，兩者必須結(jié)合組成復(fù)合物才能有催化活性輔助因子有的是金屬離子；有的是有機(jī)小分子，其中與酶蛋白結(jié)合緊密的稱為輔基，與酶蛋白可分開的稱為輔酶但是，20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)了核酶，其本身屬于一種核酶，其本身屬于一種RNARNA，并非蛋白質(zhì)并非蛋白質(zhì)，但也能特異性地催化某個(gè)反應(yīng)。 輔輔酶酶酶酶蛋蛋白白雙雙成成分分

3、酶酶（全全酶酶）單單成成分分酶酶例如：許多脫氫酶需要NADNAD或NADP為輔酶（煙酰胺核苷酸）CHOCH3NADH2NAD乙醇脫氫酶CH2OHCH3NAD（P）.氧化型NAD（P）H.還原型NCHOCH2OHOH3CPOHOHO（PLP）2 2、酶的結(jié)構(gòu)與催化功能酶的結(jié)構(gòu)與催化功能1.酶的催化功能是由酶蛋白的分子結(jié)構(gòu)，特別是由酶的特殊的空間構(gòu)象決定的。酶的活性部位：酶的活性部位（活性中心）是酶蛋白分子中直接與底物結(jié)合，進(jìn)行催化反應(yīng)的部位，是由相關(guān)酶對(duì)底物結(jié)合和催化的氨基酸殘基在空間上組成一個(gè)與酶顯示活性直接相關(guān)的區(qū)域。 酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空間構(gòu)象時(shí)才酶的活性部位只有在酶蛋白保

4、持一定的空間構(gòu)象時(shí)才能存在并發(fā)揮其催化功能。能存在并發(fā)揮其催化功能。酶的其它部分分為酶的其它部分分為： A. 有些去除一段肽鏈，酶活性不受影響 B. 有些對(duì)維持酶的空間構(gòu)象、保護(hù)酶的活性部位、保護(hù) 酶的催化能力方面非常重要。3.3.酶的催化特性酶的催化特性酶是一種催化劑，可以加快反應(yīng)速度但不改變平衡點(diǎn)酶是一種催化劑，可以加快反應(yīng)速度但不改變平衡點(diǎn)具有以下催化特性：具有以下催化特性： （1）酶的催化反應(yīng)條件溫和。一般在常壓和較低的溫度下即可發(fā)生酶催化反應(yīng)。（2）酶的催化效率高。酶比一般化學(xué)催化劑要高得多。 Fe作催化劑，0時(shí)1克分子鐵10-5mol H2O2 /秒 H2O2酶作催化劑，0時(shí)1克分

5、子酶105 H2O2 /秒，高1010倍（3）酶的催化具有專一性。 2H2O22H2O + O2酶的專一性酶的專一性（1 1）結(jié)構(gòu)專一性）結(jié)構(gòu)專一性相對(duì)專一性相對(duì)專一性：一種酶能催化一類具有相同化學(xué)鍵或基團(tuán) 的物質(zhì)進(jìn)行某種類型的反應(yīng) 脂類 脂肪酸 醇 RCORO+H2O脂肪酶RCOOH+ROH 絕對(duì)專一性絕對(duì)專一性 一種酶只能催化一種化合物進(jìn)行一種反應(yīng) 幾乎不催化尿素以外的任何物質(zhì)發(fā)生水解CNH2H2NO+H2O脲 酶CO2 + 2NH3（2 2）立體異構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性旋光異構(gòu)專一性：旋光異構(gòu)專一性： 當(dāng)?shù)孜镏泻胁粚?duì)稱碳原子時(shí)，酶只能作用于異構(gòu)體的一種，而對(duì)另一種則全無作用。 L-乳酸

6、CHCOOHCH3OH乳酸脫氫酶CCH3COOHO 幾何異構(gòu)專一性幾何異構(gòu)專一性反丁烯二酸延胡索酸酶L-蘋果酸 酶的專一性在實(shí)踐中很有意義。在科研和酶的專一性在實(shí)踐中很有意義。在科研和生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。 利用這一特性，可以從原料得到單一的產(chǎn)物，防止副產(chǎn)物生成。如：某些藥物只有某一種構(gòu)型才有生理作用，而有機(jī)合成的藥物只能是消旋產(chǎn)物，利用酶進(jìn)行不對(duì)稱合成 4 4、酶作用專一性機(jī)制的假說、酶作用專一性機(jī)制的假說 鎖鑰學(xué)說：酶與底物在表鎖鑰學(xué)說：酶與底物在表面結(jié)構(gòu)的特定部位其形狀是互面結(jié)構(gòu)的特定部位其形狀是互補(bǔ)的，一定的酶只能與一定的補(bǔ)的，一定的酶只能與一定的底物結(jié)合。底物結(jié)

7、合。誘導(dǎo)契合學(xué)說：誘導(dǎo)契合學(xué)說：酶的活性部位在結(jié)構(gòu)上是柔性的，當(dāng)?shù)孜锱c酶的這個(gè)部位接觸時(shí)，可使酶蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，這樣就使反應(yīng)所需基團(tuán)正確排列、定向，從而易與底物結(jié)合反應(yīng)。5 5、酶的命名、分類、酶的命名、分類1、由于酶的化學(xué)結(jié)構(gòu)已弄清楚的為數(shù)不多，不能按化學(xué)結(jié)構(gòu)命名。目前有習(xí)慣命名法和系統(tǒng)命名法。A. 習(xí)慣命名法：主要根據(jù)酶作用的底物和催化反應(yīng)類型來命名。如：葡萄糖氧化酶；乙酰膽堿酶表示水解乙酰膽堿（水解酶可省水解兩字）；B. 系統(tǒng)命名法：1961年，國際酶學(xué)會(huì)提出了一個(gè)命名原則1、氧化還原酶、氧化還原酶 AH2+B A+BH2、轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶 AX+B A+BX3、水解酶水解酶 AB+H2O

8、 AH+BOH4、裂合酶裂合酶 AB A+B5、異構(gòu)酶異構(gòu)酶 L-型型 D-型型6、連接（合成）酶、連接（合成）酶 A+B AB 裂解酶催化一個(gè)化合物分解成幾個(gè)化合物或其逆過程，如脫羧酶催化分子中的C-C鍵裂解，脫水酶催化C-O鍵裂，產(chǎn)物為H2O；脫氨酶催化C-N鍵裂解。 合成酶一般是指在ATP參加的合成反應(yīng)，這類酶關(guān)系著許多重要生命物質(zhì)的合成，如蛋白質(zhì)、核酸等。（三）（三） 酶工程的應(yīng)用酶工程的應(yīng)用1酶在食品工業(yè)中的應(yīng)用1.淀粉加工工業(yè) 用于水解淀粉，生產(chǎn)功能性低聚糖、葡萄糖、果糖、麥芽糖漿，年產(chǎn)1000萬t，大多數(shù)低聚糖由酶水解或酶轉(zhuǎn)移生產(chǎn)。2.蛋白質(zhì)加工工業(yè)在蛋白酶作用下生產(chǎn)多肽、氨基酸

9、、蛋白水解物如生產(chǎn)玉米蛋白多肽、肽系調(diào)味品、肉類加工改善品質(zhì)、增加面制品彈力3.乳品工業(yè)乳糖酶，降解乳糖為半乳糖，增加可消化性凝乳酶，制造奶酪，溶菌酶用于嬰兒奶粉消毒。4.釀酒工業(yè)填加糖化酶，降解淀粉，縮短釀造時(shí)間，提高出酒率。中性蛋白酶可分解麥芽汁中的蛋白質(zhì)，提高氨基酸含量，促進(jìn)酵母發(fā)酵木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等可用于啤酒澄清，延長保質(zhì)期5.果蔬加工工業(yè)常用的有果膠酶、纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶和阿拉伯糖酶6.面粉烘烤工業(yè)改善面粉質(zhì)量、改善面團(tuán)性質(zhì)、改變顏色、漂白面粉二.酶在飼料工業(yè)中的應(yīng)用 利于飼料的吸收、消除抗?fàn)I養(yǎng)因子、補(bǔ)充內(nèi)源酶不足、提高飼料利用率、增加產(chǎn)量、減少污染。目前我國飼料用酶

10、產(chǎn)量超過13500噸，添加飼料超過1350萬噸。農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)的酶有12種。1.復(fù)合酶制劑 2種或幾種酶制劑混合而成，提高飼料的利用價(jià)值2.植酸酶 能使得飼料中的有機(jī)磷得到有效利用。三.酶在輕工業(yè)中的應(yīng)用1.用于制造洗滌劑堿性蛋白酶、堿性脂肪酶、堿性纖維素酶、氧化酶2.在造紙工業(yè)中的應(yīng)用木聚糖酶用于漂白，纖維素酶脫墨、降解纖維素3.在紡織工業(yè)中的應(yīng)用淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、過氧化氫酶用于織物退漿、織物防縮、脫膠、柔軟、漂白4.在皮革工業(yè)中的應(yīng)用蛋白酶用于皮革的脫毛軟化5.在日化工業(yè)中的應(yīng)用延緩衰老、殺菌、染發(fā)6.在油脂工業(yè)中的應(yīng)用油脂水解、酯交換、提取油脂、制皂四.酶在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用1. 酶在

11、有機(jī)酸合成中的應(yīng)用 酶法合成L-酒石酸， L-蘋果酸，長鏈二羧酸， L-乳酸，專一光學(xué)活性2. 酶在氨基酸生產(chǎn)中的應(yīng)用 酶可用于D、L-氨基酸的光學(xué)拆分，合成氨基酸進(jìn)行化學(xué)-酶法生產(chǎn)，如L-天冬氨酸、 L-苯丙氨酸、 L-賴氨酸。3.生產(chǎn)基礎(chǔ)化工原料 酶法生產(chǎn)丙烯酰胺、丁二酸4.酶法合成聚合物 可生物降解材料，生物膜五.酶在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用1. 酶在半合成抗生素工業(yè)中的應(yīng)用 利用?；高M(jìn)行半合成中間體2. 藥用酶 促進(jìn)消化酶類、消炎酶類、抗腫瘤酶類、治療心血管疾病、電子傳遞。3.診斷用酶與酶盒 快速準(zhǔn)確，自動(dòng)化程度高4.手性藥物六.酶在科學(xué)研究中的應(yīng)用在分子生物學(xué)與基因工程中有重要作用。1.限制性內(nèi)切酶能識(shí)別雙鏈DNA分子中特定的