大三下學(xué)姐生物技術(shù)第三章

1、 第三章 酶學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí) 3.1 酶的概念3.2 酶的化學(xué)本質(zhì)與組成3.3 酶的催化特性3.4 酶的活性3.5 影響酶作用效果的因素3.6 酶的分類和命名3.7 工業(yè)用酶制劑的來源3.8 酶的分離與提純3.9 酶的應(yīng)用3.10 酶制劑酶的發(fā)現(xiàn)1773年，意大利科學(xué)家斯帕蘭扎尼從實(shí)驗(yàn)中推斷胃液中含有消化食物的物質(zhì)。但是什么，當(dāng)時(shí)不清楚 1836年，德國(guó)科學(xué)家施旺（T.Schwann）從胃液中提取出了消化蛋白質(zhì)的物質(zhì)。解開胃的消化之謎 1926年，美國(guó)科學(xué)家薩姆鈉（J.B.Sumner）從刀豆種子中提取出脲酶的結(jié)晶，并通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)脲酶是一種蛋白質(zhì) 20世紀(jì)80年代，美國(guó)科學(xué)家切赫和奧特曼進(jìn)一步

2、發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化作用 3.1 酶(Enzymes)的概念 定義：酶是生物細(xì)胞產(chǎn)生的、具有催化能力的生物催化劑 酶是生物體內(nèi)進(jìn)行新陳代謝不可缺少的受多種因素調(diào)節(jié)控制的具有催化能力的生物催化劑生物學(xué)意義：能在體內(nèi)十分溫和的條件下高效率地起催化作用，并通過自我調(diào)節(jié)使生物體內(nèi)各種物質(zhì)處于不斷的有序的代謝之中。 有關(guān)概念 酶促反應(yīng) ：酶作為催化劑催化進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng) 底物（S）：酶所作用和催化的化合物 產(chǎn)物（P）：反應(yīng)經(jīng)酶催化后生成的化合物表示方法S P E 酶與底物結(jié)合的模型 :(1)“鎖鑰”模型 整個(gè)酶分子的天然構(gòu)象是具有剛性結(jié)構(gòu)的，酶表面具有特定的形狀。酶與底物的結(jié)合如同一把鑰匙對(duì)一把鎖

3、一樣。(2)“誘導(dǎo)契合”模型 酶表面并沒有一種與底物互補(bǔ)的固定形狀，而只是由于底物的誘導(dǎo)才形成了互補(bǔ)形狀。3.2 酶的化學(xué)本質(zhì)與組成酶的化學(xué)本質(zhì)： 絕大多數(shù)酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)；少數(shù)酶是RNA或其復(fù)合體 單純酶 結(jié)合酶 = 酶蛋白 + 輔助因子 （全酶）決定催化反應(yīng)的特異性（選擇E催化的S） 決定催化反應(yīng)的類型（遞電子、氫或一些基團(tuán)） 只含蛋白質(zhì)，不含其它物質(zhì)，其催化活性僅由蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定 全酶才有催化活性，如果兩者分開則酶活力消失 輔助因子輔酶：與酶蛋白結(jié)合得比較松的小分子有機(jī)物輔基：與酶蛋白結(jié)合得緊密的小分子有機(jī)物金屬激活劑：金屬離子作為輔助因子酶酶的組成： 3.3 酶的催化作用1、酶的

4、催化機(jī)理酶的作用：E與S暫時(shí)結(jié)合形成酶-底物復(fù)合物（ES）ES再反應(yīng)產(chǎn)生P，同時(shí)釋放EE可與另外的S分子結(jié)合，再重復(fù)這個(gè)循環(huán)。 S + EESE + PES的活化狀態(tài)（過渡態(tài)）比無催化劑的該化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)物活化分子含有的能量低得多（1）酶具有一般催化劑的特性：只能進(jìn)行熱力學(xué)上允許進(jìn)行的反應(yīng)可以縮短化學(xué)反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間，而不改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)通過降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度（酶催化作用的實(shí)質(zhì)）2、酶的催化特性（2）酶與一般催化劑不同的特性：高效性專一性多樣性溫和性活性可調(diào)節(jié)性易變性3.4 酶的活性定義：是指酶分子中直接與底物結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物 的部位 1、酶的活性部位專一性催化作用酶的活性部位

5、所占含量較少，但決定酶的活力。2、酶活力（1）酶活力 定義：是指酶催化某一化學(xué)反應(yīng)的能力。 表示：用在一定條件下所催化的某一化學(xué)反應(yīng)的速度來表示。（2）酶活力單位 國(guó)際單位IU 1IU = 在酶反應(yīng)最適宜條件下，每分鐘催化1mol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量3、酶原（Zymogen）酶原不具催化活性的酶的前體酶原的激活：激活的本質(zhì)去除抑制性的肽段，經(jīng)變構(gòu)形成或暴露酶的活性中心 舉例：消化酶、凝血酶、纖溶酶生理意義：保護(hù)酶的分泌器官、細(xì)胞本身不受蛋白酶的水解破環(huán)保證酶在其特定的部位與環(huán)境發(fā)揮其催化作用 酶原還可以視為酶的貯存形式 激活劑酶原（無活性） 酶（有活性）3.5 影響酶作用效果的因素底物、溫

6、度、pH值、酶的激活劑或抑制劑、酶的濃度（1）底物 底物濃度的改變，對(duì)酶反應(yīng)速度的影響比較復(fù)雜：當(dāng)?shù)孜餄舛容^低時(shí)（底物濃度從0逐漸增高），反應(yīng)速度與底物濃度的關(guān)系呈正比關(guān)系；隨著底物濃度的增加，反應(yīng)速度趨緩；如果再繼續(xù)加大底物濃度，反應(yīng)速度卻不再上升，趨向一個(gè)極限。（此時(shí)酶的活性中心被底物飽和） SvVmax（2）pH 1.最適pH 表現(xiàn)出酶最大活力的pH值2.pH穩(wěn)定性在一定的pH范圍內(nèi)酶是穩(wěn)定的pH對(duì)酶作用的影響機(jī)制：1.環(huán)境過酸、過堿使酶變性失活；2.影響酶活性基團(tuán)的解離；3.影響底物的解離。pHv最適pH動(dòng)物酶多在pH=6.5-8.0之間；植物及微生物多在pH=4.5-6.5之間。 （

7、3）溫度 兩種不同影響：1.溫度升高，反應(yīng)速度加快； 原因是分子熱運(yùn)動(dòng)2.溫度升高，反應(yīng)速度降低； 原因是熱變性Tv最適溫度注：（1）酶的活性隨溫度下降而降低，但低溫一般不使酶破壞； （2）酶的最適溫度不是酶的特征性常數(shù)，它與反應(yīng)進(jìn)行的時(shí) 間有關(guān)。（4）酶的激活劑或抑制劑 激活劑凡能夠提高酶活性的小分子物質(zhì)無機(jī)離子（Mg2+，Mn2+，Zn+，Ca2+，Na+，K+， Cl-）有機(jī)離子（Vc，EDTA，GSH等）抑制劑凡能夠降低或抑制酶活性的物質(zhì)有機(jī)磷化合物，有機(jī)汞化合物，重金屬、烷化劑、氰化物、CO、青霉素等（5）酶的濃度 當(dāng)?shù)孜餄舛冗h(yuǎn)大于酶濃度時(shí)，則酶促反應(yīng)速度與酶的濃度變化成正比。（即酶

8、濃度越大，反應(yīng)速度越快） 1、酶的分類3.6 酶的分類與命名 1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)（Enzyme Committee, EC）根據(jù)酶所催化的反應(yīng)類型和機(jī)理，把酶分成6大類：氧化還原酶：催化底物的氧化或還原轉(zhuǎn)移酶：催化化合物中某些基團(tuán)的轉(zhuǎn)移水解酶：催化水解反應(yīng)裂解酶：催化一種化合物分裂為兩種化合物，或由兩 種化合物合成一種化合物 異構(gòu)酶：催化底物分子內(nèi)部的重排反應(yīng)合成酶：催化有ATP參加的合成反應(yīng)例：乳酸脫氫酶 EC 1. 1. 1. 27第1大類，氧化還原酶第1亞類，氧化基團(tuán)CHOH第1亞亞類，H受體為NAD+該酶在亞亞類中的流水編號(hào)編號(hào) EC：n1.n2.n3.n4 EC 國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)

9、 n1 據(jù)反應(yīng)性質(zhì)分六大類 n1=16 n2 n1下再分亞類 n2=1i n3 n2下再分亞亞類 n3=1i n4 在亞亞類中的排行 n4=1i2、酶的命名系統(tǒng)名：底物名稱：底物名稱反應(yīng)類型酶乳酸 + NAD+丙酮酸 + NADH + H+乳酸：NAD+氧化還原酶慣用名：只取一個(gè)較重要底物名稱和反應(yīng)類型，有的加來源乳酸：NAD+氧化還原酶乳酸脫氫酶對(duì)于催化水解反應(yīng)的酶一般在酶的名稱上省去反應(yīng)類型：蛋白質(zhì)水解酶（胰、胃、木瓜）蛋白酶3.7 工業(yè)用酶制劑的來源 1、工業(yè)用酶制劑的數(shù)量及主要種類 工業(yè)上常用的酶只有數(shù)十種，而目前大量生產(chǎn)的僅有十余種。 蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶是目前工業(yè)應(yīng)用的3大主要酶

10、制劑： 蛋白酶去污劑、奶制品業(yè)、皮革業(yè)等； 淀粉酶烘焙、釀造、淀粉糖化和紡織業(yè)， 脂肪酶去污劑、食品和精細(xì)化工工業(yè)等。2、動(dòng)植物來源的酶 植物和動(dòng)物來源的酶一般是食品工業(yè)的重要用酶。 植物來源的酶主要有：木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶、無花果蛋白酶、麥芽淀粉水解酶、大豆脂肪氧合酶等。 動(dòng)物來源的酶主要有：豬胰蛋白酶和胃脂肪酶等。3、微生物來源的酶 微生物是酶制劑的重要來源： 微生物繁殖速度快 細(xì)菌在合適的條件下2030min就可以繁殖一代，其生長(zhǎng)速度為農(nóng)作物的500倍，為家畜的l000倍。 微生物種類繁多，酶的品種全 如高溫酶、中溫酶和低溫酶，耐高鹽酶，耐酸、堿酶等 微生物培養(yǎng)方法簡(jiǎn)單 微生物培養(yǎng)所用

11、的原料大多為農(nóng)副產(chǎn)品，來源豐富，易于大批量生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)有效。 利用微生物可以生產(chǎn)一些極端酶 利用嗜極菌可生產(chǎn)極端酶。一些嗜極菌極端酶的應(yīng)用見下表 3.8 酶的分離與提純 工業(yè)上大多采用微生物發(fā)酵的方法來獲得大量酶制劑。酶分離純化的三個(gè)基本步驟：抽提，純化，結(jié)晶或制劑。優(yōu)點(diǎn)：不受氣候、地理?xiàng)l件的限制；動(dòng)、植物體內(nèi)的酶大多可從微生物體內(nèi)找到；微生物繁殖快，產(chǎn)酶量豐富；可以用廉價(jià)原料大量生產(chǎn)。酶的純化鑒定：聚丙烯酰胺凝膠電泳法、等電聚焦電泳法等酶的保存：1、低溫（-20以下）；2、高濃度較穩(wěn)定；3、加入穩(wěn)定劑；4、固定化；5、干燥。3.9 酶的應(yīng)用 酶已在食品加工、輕工業(yè)、醫(yī)學(xué)、分析檢測(cè)、生物工程等行

12、業(yè)得到廣泛的應(yīng)用：淀粉酶應(yīng)用于食品、發(fā)酵、紡織、制藥等工業(yè)；蛋白酶用于醫(yī)藥、制革等工業(yè)；脂肪酶用于使脂肪水解、羊毛脫脂等3.10 酶制劑 酶制劑指從生物中提取的具有酶特性的一類物質(zhì) 中國(guó)酶制劑生產(chǎn)企業(yè)有百余家，其中年銷售收入超億元的企業(yè)有家左右:山東隆大生物工程有限公司武漢新華揚(yáng)生物股份有限公司湖南鴻鷹祥生物工程股份有限公司湖南尤特爾生化有限公司青島康地恩生物科技有限公司中國(guó)酶制劑產(chǎn)業(yè)存在的問題：（1）研發(fā)投入和研發(fā)創(chuàng)新能力不足 中國(guó)酶制劑企業(yè)用于開發(fā)新產(chǎn)品、改進(jìn)生產(chǎn)工藝的資金平均不到其產(chǎn)品銷售額的4.5%，人員投入也嚴(yán)重不足。主要原因是國(guó)內(nèi)酶制劑企業(yè)相對(duì)規(guī)模較小，全行業(yè)企業(yè)每年研發(fā)投入資金總量累計(jì)不足1億元人民幣。國(guó)外酶制劑企業(yè)研發(fā)投入一般占總銷售額的10%以上。諾維信公司近年的研發(fā)投入一直維持在銷售總額的13%以上，2010年研發(fā)投入折合人民幣為16.9億元左右。研發(fā)投入的嚴(yán)重不足，導(dǎo)致中國(guó)酶制劑企業(yè)技術(shù)儲(chǔ)備薄弱，發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)。（2）生產(chǎn)工藝及設(shè)備水平相對(duì)落后 國(guó)內(nèi)酶制劑生產(chǎn)大多采用較為傳統(tǒng)的發(fā)酵、分離提取技術(shù)和制劑制備技術(shù)，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)、產(chǎn)品純度不高、產(chǎn)品質(zhì)量偏低等問題。國(guó)外酶制劑生產(chǎn)過程中，廣泛采用基因工程、蛋白質(zhì)工程、人工合成、模擬和定向進(jìn)化改造等技術(shù)。（3）酶制劑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理、應(yīng)用深度不夠 中國(guó)酶制劑仍以傳統(tǒng)酶