酶工程課件：緒論

酶工程EnzymeEngineering

參考書目：

1

王鏡巖朱圣庚徐長(zhǎng)法.生物化學(xué)（上、下冊(cè)）.北京:高等教育出版社，2002.2

郭勇.酶工程.北京:科學(xué)出版社,2004.3

羅貴民主編.酶工程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.4

陳石根,周潤(rùn)琦編著.酶學(xué).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2001.5袁勤生主編.現(xiàn)代酶學(xué).上海:華東理工大學(xué)出版社,2001.6張樹政,孟廣震,何忠效主編.酶學(xué)研究技術(shù)

(上冊(cè)).北京:科學(xué)出版社,1987.生物技術(shù)的四大支柱第一章緒論生物技術(shù)的基本內(nèi)容（幾大領(lǐng)域）基因工程：用“剪刀+糨糊”創(chuàng)造新物種的工程。細(xì)胞工程：微觀水平的嫁接技術(shù)。酶工程：讓工廠高效、安靜、美麗如畫的工程。發(fā)酵工程：把微生物或細(xì)胞造就成無數(shù)微型工廠，將神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的橋梁。

第一節(jié)酶工程簡(jiǎn)介

一、酶與酶工程發(fā)展簡(jiǎn)史（一）酶學(xué)研究簡(jiǎn)史

1.不自覺的應(yīng)用：釀酒、造醬、制飴、治病

釀酒:

中國(guó)4200年前的夏禹時(shí)代已開始釀酒古時(shí)釀酒用的酒母稱——

趜or酶古代酶——媒相通經(jīng)過趜作媒介可釀酒酶——催化反應(yīng)的媒介物質(zhì)

造醬:豆類蛋白質(zhì)在霉菌蛋白酶作用下水解

制飴:

利用麥曲含有的淀粉酶將淀粉降解為麥芽糖

治病:

春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期用曲治療消化不良2.酶學(xué)的產(chǎn)生:

西方17世紀(jì)才開始有酶的記載，知道酶的存在是與消化現(xiàn)象和發(fā)酵現(xiàn)象聯(lián)系在一起的。（1）消化1777年，意大利物理學(xué)家Spallanzani

的山鷹實(shí)驗(yàn)。1822年，美國(guó)外科醫(yī)生Beaumont證明食物在胃里是經(jīng)過化學(xué)作用被消化的。19世紀(jì)30年代，德國(guó)科學(xué)家施旺獲得胃蛋白酶。（2）發(fā)酵1684年，比利時(shí)醫(yī)生Helment提出

ferment—引起釀酒過程中物質(zhì)變化的因素（酵素）。1833年，法國(guó)化學(xué)家Payen和Person

用酒精處理麥芽抽提液，得到淀粉酶（diastase）。1878年，德國(guó)科學(xué)家K?hne提出

enzyme—從活生物體中分離得到的酶，意思是“在酵母中”（希臘文），但沒有獲得有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。小插曲

19世紀(jì)，Pasteur和Liebig學(xué)術(shù)長(zhǎng)期爭(zhēng)論:

1857年，法國(guó)化學(xué)家和微生物學(xué)家Pasteur著名的雁頸瓶試驗(yàn)證明了酒精發(fā)酵是酵母細(xì)胞活動(dòng)的結(jié)果。但它錯(cuò)誤地用這個(gè)觀點(diǎn)用來解釋發(fā)酵中酵母的作用問題，認(rèn)為沒有生物則沒有發(fā)酵。德國(guó)化學(xué)家Liebig認(rèn)為發(fā)酵是由化學(xué)物質(zhì)引起的。此爭(zhēng)議由德國(guó)學(xué)者Buchner兄弟于1896年才得以解決。Buchner兄弟的試驗(yàn)：用細(xì)砂研磨酵母細(xì)胞，然后壓取汁液，這種汁液不含活細(xì)胞，但仍能使糖發(fā)酵生成酒精和二氧化碳，從而證明了發(fā)酵與細(xì)胞的活動(dòng)無關(guān)（即發(fā)酵過程不需要完整的酵母細(xì)胞），結(jié)束了Pasteur和Liebig

將近60年的論戰(zhàn)。一般認(rèn)為，酶學(xué)的研究始于Buchner兄弟的發(fā)現(xiàn)。

酶——活細(xì)胞產(chǎn)生的，能在細(xì)胞內(nèi)外起作用的（催化）生理活性物質(zhì)。enzyme—organicchemicalsubstance(acatalyst)formedinlivingcells,abletocausechangesinothersubstancewithoutbeingchangeditself.

酶的化學(xué)本質(zhì)？這是20世紀(jì)初期酶學(xué)研究和爭(zhēng)論的中心問題。3.酶學(xué)的迅速發(fā)展（理論研究）（1）酶的化學(xué)本質(zhì)

德國(guó)化學(xué)家R.Willstatter因闡明葉綠素結(jié)構(gòu)榮獲1915年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，在酶學(xué)方面也做出過許多貢獻(xiàn)。

1920年，由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)手段落后，他認(rèn)為酶不是蛋白質(zhì)。

1926年,美國(guó)康乃爾大學(xué)的“獨(dú)臂學(xué)者”Sumner（薩姆納）博士用全能的右手，花了9年時(shí)間，從刀豆中提取出了脲酶結(jié)晶，并證明具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)。

1930年，美國(guó)的生物化學(xué)家Northrop分離得到了胃蛋白酶（pepsin）、胰蛋白酶（trypsin）、胰凝乳蛋白酶（chymotrypsin）結(jié)晶，確立了酶的化學(xué)本質(zhì)。

Sumner和Northrop榮獲1946年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。（2）酶學(xué)理論研究1890年，F(xiàn)isher——鎖鑰學(xué)說。1902年，Henri——中間產(chǎn)物學(xué)說。1913年，Michaelis和Menten——米氏學(xué)說。1958年，Koshland——誘導(dǎo)契合學(xué)說。1960年，Jacob和Monod——操縱子學(xué)說。CharacteristicsofenzymeactivesitesLockandkeymodel(鎖鑰)

1890picturebyEmilfisher.Thismodelassumedthatonlyasubstrateofthepropershapecouldfitwiththeenzyme.Induced–fitmodel(誘導(dǎo)契合)proposedbyDanielKoshlandin1958.Thismodelassumescontinuouschangesinactivesitestructureasasubstratebinds.中間產(chǎn)物學(xué)說ESPSEStepsinanenzymaticreactionEnzymeandsubstratecombinetoformaComplex.Complexgoesthroughatransitionstate---notquitesubstrateorproductAcomplexoftheenzymeandtheproductisproducedFinallytheenzymeandproductseparateAllofthesestepsareequilibria.Letsrevieweachstep.

Michaelis-Mentenequation

酶——是一類由活性細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化作用和高度專一性的特殊蛋白質(zhì)。

是否所有的酶都是蛋白質(zhì)？（3）核酶的發(fā)現(xiàn)

1982年，ThomasR.Cech等人發(fā)現(xiàn)四膜蟲細(xì)胞的26SrRNA前體具有自我剪接功能，將這種具有催化活性的天然RNA稱為核酶—Ribozyme。

1983年，Altman等人發(fā)現(xiàn)核糖核酸酶P的RNA組分具有加工tRNA前體的催化功能。而RNaseP中的蛋白組分沒有催化功能，只是起穩(wěn)定構(gòu)象的作用。

核酶的發(fā)現(xiàn)，改變了有關(guān)酶的概念，即“酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白質(zhì)或RNA）。

酶分兩大類：主要由蛋白質(zhì)組成——蛋白類酶（P酶）主要由核糖核酸組成——核酸類酶（R酶）

為此，Cech和Altman獲得1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在，“ribozyme”種類>10種。

1995年，發(fā)現(xiàn)DNA的催化活性，即脫氧核酶(deoxyribozyme或DNAzyme)。（二)酶工程研究簡(jiǎn)史（應(yīng)用研究）1894年，日本的高峰讓吉用米曲霉制備得到淀粉酶，開創(chuàng)了酶技術(shù)走向商業(yè)化的先例。1908年，德國(guó)的Rohm用動(dòng)物胰臟制得胰蛋白酶，用于皮革的軟化及洗滌。1908年，法國(guó)的Boidin制備得到細(xì)菌淀粉酶，用于紡織品的褪漿。1911年，Wallerstein從木瓜中獲得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清。

1949年，用微生物液體深層培養(yǎng)法進(jìn)行

－淀粉酶的發(fā)酵生產(chǎn)，揭開了近代酶工業(yè)的序幕。

1960年，法國(guó)科學(xué)家Jacob和Monod提出的操縱子學(xué)說，闡明了酶生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制，通過酶的誘導(dǎo)和解除阻遏，可顯著提高酶的產(chǎn)量。

在酶的應(yīng)用過程中，人們注意到酶的一些不足之處，如：穩(wěn)定性差，對(duì)強(qiáng)酸堿敏感，只能使用一次，分離純化困難等。解決的方法之一是固定化。

1916年，美國(guó)的Nelson和Griffin發(fā)現(xiàn)蔗糖轉(zhuǎn)化酶吸附在骨炭上仍有催化活性。

1953年，德國(guó)的Grubhofer和Schleith用交聯(lián)法制成固定化酶。

1969年，日本的酶學(xué)專家千鈿一郎首次在工業(yè)上應(yīng)用固定化氨基?；赣蒁L－氨基酸生產(chǎn)L－氨基酸。

1971年，第一屆國(guó)際酶工程會(huì)議在美國(guó)召開，會(huì)議的主題是固定化酶。二.酶工程（enzymeengineering）

由酶學(xué)與化學(xué)工程技術(shù)、基因工程技術(shù)、微生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新的技術(shù)科學(xué)。它從應(yīng)用目的出發(fā)，研究酶的產(chǎn)生、酶的制備與改造、酶反應(yīng)器以及酶的各方面應(yīng)用。分為：化學(xué)酶工程與生物酶工程?；瘜W(xué)酶工程（初級(jí)酶工程）

自然酶、化學(xué)修飾酶、固定化酶、人工酶、模擬酶的研究與利用生物酶工程（高級(jí)酶工程）

克隆酶、突變酶、抗體酶酶工程化學(xué)酶工程：又稱初級(jí)酶工程（primaryenzymeengineering）。是由酶化學(xué)與化學(xué)工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。主要研究?jī)?nèi)容：酶的制備、酶的分離純化、酶與細(xì)胞的固定化技術(shù)、酶分子修飾、酶反應(yīng)器和酶的應(yīng)用。2.生物酶工程：又稱高級(jí)酶工程（advancedenzymeengineering）。是在化學(xué)酶工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的、酶學(xué)與現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

主要研究?jī)?nèi)容：（1）用基因工程技術(shù)大量生產(chǎn)酶（克隆酶）如：尿激酶原和尿激酶上治療血栓病的有效藥物。用DNA重組技術(shù)將人尿激酶原的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)移到大腸桿菌中，可使大腸桿菌細(xì)胞生產(chǎn)人尿激酶原，從而取代從大量的人尿中提取尿激酶。（2）用蛋白質(zhì)工程技術(shù)定點(diǎn)改變酶結(jié)構(gòu)基因（突變酶）如：酪氨酰－tRNA合成酶的突變酶，其突變部位使Ala5（第5位的丙氨酸）取代了Thr51（第51位的絲氨酸），使該酶對(duì)底物ATP的親和力提高了100倍。（3）設(shè)計(jì)新的酶結(jié)構(gòu)基因，生產(chǎn)自然界從未有過的性能穩(wěn)定、活性更高的新酶。

生物酶工程示意圖酶工程包括的內(nèi)容：（1）各類酶的開發(fā)和生產(chǎn)（2）酶的分離、純化、及鑒定技術(shù)（3）酶的固定化技術(shù)（4）多酶反應(yīng)器的研制和應(yīng)用（5）酶結(jié)構(gòu)改造修飾其中固定化酶技術(shù)是酶工程的核心。實(shí)際上有了酶的固定化技術(shù)，酶在工業(yè)生產(chǎn)中的利用價(jià)值才真正得以體現(xiàn)。

酶工程原理和基本過程菌種→擴(kuò)大培養(yǎng)→發(fā)酵→發(fā)酵酶液→酶的提取→酶成品

原料→前處理→殺菌→酶反應(yīng)器←↓

反應(yīng)液→產(chǎn)品提取→產(chǎn)品酶的固定化：指酶經(jīng)物理或化學(xué)方法處理，使酶變成不易隨水流失，而又能發(fā)揮催化作用。酶反應(yīng)器：以酶為催化劑進(jìn)行反應(yīng)所需要的設(shè)備。酶的固定化

思考題：酶工程的概念、分類及其研究?jī)?nèi)容。Pay