蛋白質(zhì)與酶工程第一章緒論.

1、蛋白質(zhì)與酶工程曹友677843智能實(shí)驗(yàn)樓N309yzcao教材酶工程原理與技術(shù)Pnnccptes and Technology of Enzyme Engineenng前期課程主要有：等。交叉課程有：等。教學(xué)安排與考核方式7總學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)（1-16周）考核方式：平時(shí)成績(jī)50% （考勤、課堂表現(xiàn)、回答問(wèn) 題、課后作業(yè)）曠課的學(xué)生平時(shí)成績(jī)計(jì)為0分。理論課考試成績(jī)50% （閉卷）Chapter 1 Introduction緒論Contents of chapter 1遇> 1、酶的定義與酶工程G。2、酶的發(fā)現(xiàn)及研究歷史3、酶的分類命名ZGq> 4、酶的化學(xué)性質(zhì)

2、與催化特性1.1酶的定義酶是生物細(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。酶真有一般催化劑的特征：1只能進(jìn)行熱力學(xué)上允許進(jìn)行1 的反應(yīng)；2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)3通過(guò)降低活化能加快化學(xué)反應(yīng)速度。酶的催化高效性通常要高出非生物催化劑催化活性的10610門倍。2比。22H2O + O2回本Mi I錄lmol過(guò)氧化氫酶 5X106molH2O2 lmol 離子鐵6X 10molH2O2酶工程(Enzyme Engineering)酶的生產(chǎn)、改性與應(yīng)用的技術(shù)過(guò)程。是酶學(xué)和 工程學(xué)相互滲透結(jié)合

3、形成的一門新的技術(shù)科學(xué), 是酶學(xué)、微生物學(xué)的基本原理與化學(xué)工程有機(jī) 結(jié)合而產(chǎn)生的邊緣科學(xué)。這門學(xué)科在研究?jī)?nèi)容、手段和目的上與基因工 程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程、發(fā)酵工程等攣生 學(xué)科是相互交融的。1.2酶的發(fā)現(xiàn)及研究歷史1人們對(duì)酶的認(rèn)識(shí)起源于生產(chǎn)與生活實(shí)踐。夏禹時(shí)代，人們掌握了釀酒技術(shù)。公元前12世紀(jì)周朝，人們釀酒，制作飴糖和醬。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期已知用麴（曲）治療消化不良的疾病酶者，酒母也酶酒西方國(guó)家19世紀(jì)對(duì)釀酒發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行了大量研 究。直到1897年，德國(guó)巴克納Buchner兄弟用 石英砂磨碎酵母細(xì)胞，制備了不含酵母細(xì)胞的 抽提液，并證明此不含細(xì)胞的酵母提取液也能 使糖發(fā)酵，說(shuō)明發(fā)酵與細(xì)胞的活動(dòng)無(wú)

4、關(guān)。從而 說(shuō)明了發(fā)酵是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，為此 Buchner 獲得了。 1894年，日本的高峰讓吉首先從米曲霉中制得 高峰淀粉酶，用作消化劑，開創(chuàng)了有目的的進(jìn)行 酶生產(chǎn)和應(yīng)用的先例。酶的應(yīng)用歷史創(chuàng) 1908年,德國(guó)的羅姆制得胰酶，用于皮革的軟化。 1908年,法國(guó)的波伊登(Boidin)制備了細(xì)菌淀粉 酶，應(yīng)用于紡織品的退漿。 1911年，美國(guó)的華勒斯坦(Wallestein)制得木瓜 蛋白酶，用于除去啤酒中的蛋白質(zhì)渾濁。此后，酶的生產(chǎn)和應(yīng)用逐步發(fā)展。然而在50年代 以前停留在從微生物，動(dòng)物或植物中提取酶，加I 以利用階段.由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力落后，生產(chǎn)工藝較繁 雜，難以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。 19

5、49年,用液體深層培養(yǎng)法進(jìn)行細(xì)菌淀粉酶的發(fā)酵| 生產(chǎn)，揭開了近代酶工業(yè)的序幕。 50年代以后，隨著生化工程的發(fā)展，大多數(shù)酶制劑的 生產(chǎn)已轉(zhuǎn)向微生物流體深層發(fā)酵的方法。酶的應(yīng)用 越來(lái)越廣泛。 50年代：開始了酶固定化研究。1953年德國(guó)科學(xué)家 首先將聚氨基苯乙烯樹脂與淀粉酶，胃蛋白酶，竣肽 酶和核糖核酸酶等結(jié)合，制成了固定化酶。 60年代，是迅速發(fā)展的時(shí)期。1969年,日本的千煙一郎首次在工業(yè)上應(yīng)用固定化氨基?；?酶從DL-氨基酸生產(chǎn)L-氨基酸。出現(xiàn)了 “”這個(gè)名詞來(lái)代表有效利用酶的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。 1971年第一屆國(guó)際酶工程學(xué)術(shù)會(huì)議在美國(guó)召開，當(dāng)時(shí)的主題即是固定化酶，進(jìn)一步開展了對(duì)微生物細(xì)胞固定

6、化的研究。 1973年，千煙一郎首次利用固定化的大腸桿菌 細(xì)胞生產(chǎn)L-天冬氨酸。 1978年，日本的鈴木等固定化細(xì)胞生產(chǎn)- 淀粉酶研究成功所以說(shuō),70年代是固定化細(xì) 胞技術(shù)取得進(jìn)展的時(shí)期.80年代，固定化細(xì)胞己能用于生產(chǎn)胞外酶，因 此,80年代又發(fā)展了固定化原生質(zhì)體技術(shù)，排 除了細(xì)胞壁這一障礙。在酶的固定化技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，酶分子修飾技 術(shù)也取得了進(jìn)展。 60年代，用小分子化合物修飾酶分子側(cè)鏈基 團(tuán)，使酶性質(zhì)發(fā)生改變； 70年代，修飾劑的選用、修飾方法上又有了新 的發(fā)展。此外，對(duì)抗體酶，人工酶，模擬酶等方面，以及 酶的應(yīng)用技術(shù)研究，在近20年均取得了較大 進(jìn)展，使酶工程不斷向廣度和深度發(fā)展，顯示

7、 出廣闊而誘人的前景。回本*11錄1.3酶的分類與命名1961年國(guó)際酶學(xué)委員會(huì)(Enzyme Commiltee, 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：International Classification of Enzymes*No.ClassType of reaction catalyzed1OxidoreductasesTransfer of electrons (hydride ions or H atoms)2TransferasesGroup-transfer reactions3HydrolasesHydrolysis reactions gnsfer of

8、 functional groups to water)4LyasesAddition of groups tc double bonds, or formation of double bonds by removal of groups5IsomerasesTransfer of groups within molecules to yield isomeric forms6LigasesFormation of CC. CS. C一0, and CN bonds by condensation reactions coupled to ATP cleavageenzymes cataly

9、ze the transfer of electrons, atoms. or furctional groups. They are therefore classified given code numbers. and assigned names according to the type of transfer reaction the group donor, and the group acceptor.酶的分類與命名廠蛋白類酶(proteozyme) 酶enzyme-核酸類酶(ribozyme)白我剪切酶(self-cleavage ribozyme)'分于內(nèi)催化R酶(

10、in cis ribozyme)分子間催化R酶(in trans ribozyme)C RNA剪切酶DNA剪切酶多肽剪切酶名糖剪接騎(RNA cleavage ribozyme)(DNA cleavage ribozyme)(peptide cleavage ribozyme)(polysaccharide splicing ribozyme)白我剪接酶(selfsplicing ribozyme)氨基酸酯剪切酶(aminoacid ester cleavage ribozyme)J 多功能酶(multfunction ribozyme)r 氧化還原酶(oxidoreductase)轉(zhuǎn)移酶(t

11、ransferase)蛋白類酶水解酶(hydrolase) 裂合酶(lyase) 異構(gòu)酶(isomerase)合成酶(synthesase)或連接酶(ligase)蛋白類酶的分類與命名Each enzyme is now classified and named according to lhe type of chemical reaction it catalyzes So an enzyme is assigned a four-number classification and a two-part name called a systematic name. In addition

12、recommended name is suggested by IUB for everyday useE.C. X.X.X.X系統(tǒng)編號(hào)乳酸脫氫酶EC 1.1.1.27酶的命名有兩種方法:包括所有底物的名稱和反應(yīng)類型。丙酮酸+ NADH + H+乳酸+ NAD+:只取一個(gè)較重要的底物名稱和反應(yīng)類型。乳酸：NAD+氧化還原酶對(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。(1)氧化還原酶 Oxidoreductase氧化-還原酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶 (Oxidase)。如乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。：H3CHCOOH +

13、 NAD* CHjCCOOH + NADH + HOHOah2+b=a+bh2(2) 轉(zhuǎn)移酶 Transferase轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基 團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。例如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。:H3CHCOOH + HOOCCH2CH7CCOOHI11NH7Och3ccooh + HOOCCH2CH2CHCOOHonh2AB+C=A+BC裂合酶Lyase裂合酶是催化一個(gè)化合物裂解成為兩個(gè)較小 的化合物及其逆反應(yīng)的一類酶。主要包括醛縮酶.水化酶及脫氨酶等。例如，延胡索酸水合酶催化的反應(yīng)。HOOCCH=CHCOOH + H2O = HOOCCH2CHCOOH

14、OHAB=A+B異構(gòu)酶Isomerase異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分 子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過(guò)程。例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。A=BI (6) IJgaerSyrithetase合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N 以及C-S鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解 反應(yīng)相互偶聯(lián)。 A + B + ATP =A 一 B + ADP +Pi例如，丙酮酸竣化酶催化的反應(yīng)。丙酮酸+ CO2 草酰乙酸核酸類酶（R酶）的分類:自1982年以來(lái)，被發(fā)現(xiàn)的核酸類酶越來(lái)越多，對(duì)它的 研究越來(lái)越廣泛和深入。但是根據(jù)酶催化反應(yīng)的類型，可以將R酶分為剪切酶，剪 接酶，和多功能酶

15、等三類。根據(jù)R酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，可分為錘頭型R酶，發(fā)夾型 R酶，含I型IVS的R酶，含II型IVS的R酶等。根據(jù)酶催化的底物是其本身RNA分子還是其它分子， 可以將R酶分為分子內(nèi)催化（in cis,也稱為自我催 化）和分子間催化（in trans）兩類。1.4酶的化學(xué)性質(zhì)與催化特性（-）酶的化學(xué)本質(zhì)1926年J.B.Sumner首次從刀豆制備出騾酶結(jié)晶，證明其為 蛋白質(zhì)，并提出酶的本質(zhì)就是蛋白質(zhì)的觀點(diǎn)。1982年T.Cech發(fā)現(xiàn)了第1個(gè)有催化活性的天然RNA ribozyme （核酶），以后Altman和Pace等又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了真 正的RNA催化劑。核酶的發(fā)現(xiàn)不僅表明酶不一定都是蛋白質(zhì)，還促進(jìn)了

16、有 關(guān)生命起源、生物進(jìn)化等問(wèn)題的進(jìn)一步探討。（二）酶的組成（全酶）=酶蛋白+輔因子與酶蛋白結(jié)合得比較松的小分子有機(jī)物。輔因子與酶蛋白結(jié)合得緊密的小分子有機(jī)物O金屬激活劑金屬離子作為輔助因子。酶的催化專一性主要決定于酶蛋白部分。輔因子通常是作為電子、原子或某些化學(xué)基團(tuán)的載體。(三)單體酶、寡聚酶和多酶復(fù)合物(四)活性部位和必需基團(tuán)必需基團(tuán)匸維持酶的空間經(jīng)1.單體酶(monomeric enzyme)：僅有一條具有活性部付的：: 多肽鏈，全部參與水解反應(yīng)。活性部位:這些基團(tuán)若經(jīng)化學(xué) 性喪失。:酶分子中直接與底;直接有關(guān)的部位。0000 +i丙酮酸脫氫酶系(E. coli):丙酮酸脫氫酶(EJ、 硫

17、辛酰轉(zhuǎn)乙酰酶(E)和二氫硫辛酰脫氫酶(EQ。2寡聚酶(oligomeric enzyme)：由兒個(gè)或多個(gè)亞基組成，亞 基牢固地聯(lián)在一起，單個(gè)亞基沒(méi)有催化活性。亞基之間以非 共價(jià)鍵結(jié)合。3多酶復(fù)合物(multienzyme system)：幾個(gè)酶鑲嵌而成的復(fù)合 物。這些酶催化將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的一系列順序反應(yīng)。（五）酶作用的專一性廠相對(duì)專一性（族（基團(tuán)）專一性） 酶作用的專一性I絕對(duì)專一性相對(duì)專一性：可作用于一類或一些結(jié)構(gòu)很相似的底物。絕對(duì)專一性：只能作用于某一底物。（六）酶促反應(yīng)具有極高的效率酶的催化效率通常比非催化反應(yīng)高1081020倍,比一般催化劑高1071013倍。2H2O22H2O +

18、O2（六）酶促反應(yīng)具有極高的效率lmol過(guò)氧化氫酶 5 X 106molH2O2lmol 離子鐵6X104molH2O2（七）影響酶催化的各種因素酶的催化作用受到 、 、 、 、 等諸多因素的影響。在 酶的應(yīng)用過(guò)程中，必須控制好各種環(huán)境條件，以充分 發(fā)揮酶的催化功能。（六）酶促反應(yīng)具有極高的效率（六）酶促反應(yīng)具有極高的效率2酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響>當(dāng)S > >E,酶可被 底物飽和的情況下，反 應(yīng)速度與酶濃度成正比。當(dāng)S»E時(shí)，Vmax=k3E 酶濃度對(duì)反應(yīng)速度的影響A關(guān)系式為：v = K3 E3、溫度對(duì)反應(yīng)速度的影響雙重影響溫度升高，酶促反應(yīng)速度 升高；由于酶的本質(zhì)

19、是蛋白質(zhì)， 溫度升高，可引起酶的變性，從 而反應(yīng)速度降低。最適溫度(optimum temperature):1.0010 20 30 40 50 60溫度9溫度對(duì)淀粉酶活性的影響*低溫的應(yīng)用酶促反應(yīng)速度最快時(shí)的 環(huán)境溫度。pH對(duì)酶作用的影響機(jī)制：1 環(huán)境過(guò)酸、過(guò)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。5、抑制劑的影響4酶的抑制劑(inhibitor)凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白 變性 的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。區(qū)別于酶的變性抑制劑對(duì)酶有一定選擇性引起變性的因素對(duì)酶沒(méi)有選擇性6、激活劑對(duì)反應(yīng)速度的影響：> 激活劑（activator）使酶由無(wú)活性變?yōu)橛谢钚曰蚴姑富钚栽黾?的物質(zhì)。必需激活劑（essential activator）非必需激活劑（nonGSsent:ial activator）（八）酶活性測(cè)定和酶活性單位:酶的活性是指酶催化化學(xué)反應(yīng)的能力，其衡量 的標(biāo)準(zhǔn)是酶促反應(yīng)速度。酶促反應(yīng)速度可在適宜的反應(yīng)條件下，用單位時(shí) 間內(nèi)底物的消耗或產(chǎn)物的生成量來(lái)表示。酶的活性單位是衡量酶活力大小的尺度，它反 映在規(guī)定條件下，酶促反應(yīng)在單位時(shí)間（S、 min或h）內(nèi)生成一定量（mg、|xg、（imol等）的 產(chǎn)物或消耗一定數(shù)量的底物所需的酶量。國(guó)際單位(IU)在特定的條件下，每分鐘催化l“mol底