酶學(xué)及酶工程1章

酶學(xué)及酶工程EnzymologyandEnzymeEngineering田維熙教授中國科學(xué)院研究生院介紹教師田維熙，中國科學(xué)院研究生院生物系教授，博士生導(dǎo)師，生物系副主任。中國科學(xué)院研究生院78級研究生，生物化學(xué)專業(yè)，師從鄒承魯院士，主攻酶學(xué)。80年代在美國做4年訪問學(xué)者及博士后研究。從事脂肪酸合酶的作用機(jī)理，結(jié)構(gòu)與功能，活性控制，抑制劑及其應(yīng)用，酶動力學(xué)等研究和酶學(xué)教學(xué)工作。曾獲國家自然科學(xué)二等獎及中科院自然科學(xué)一等獎。已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物及學(xué)術(shù)會議發(fā)表約50篇研究論文。辦公室：大樓915；Tel:88256353實(shí)驗(yàn)室：大樓919，921；Tel:88256346Email:tianweixi@助教李兵輝，田維熙教授的博士生?，F(xiàn)進(jìn)行脂肪酸合酶抑制劑及其應(yīng)用和酶動力學(xué)的研究工作。已在國際SCI收錄的學(xué)術(shù)刊物發(fā)表研究論文2篇；在全國性學(xué)術(shù)會議發(fā)表研究論文1篇，投送1篇。實(shí)驗(yàn)室：大樓921；Tel:88256346Email:libinghui@第一章緒論歷史回顧和課程介紹酶學(xué)的回顧：古代最早酶的利用：食品加工，面包，酒，醋及奶酪等利用微生物來源的酶：發(fā)酵。釀酒：BC2100古巴比倫Hammurabi典籍記載；中國商代“酒池肉林”，釀酒業(yè)已很發(fā)達(dá)，BC1300前；古羅馬，希臘，埃及，印度等都有相關(guān)記載。釀醋出現(xiàn)的時間幾乎和釀酒同步，用于制作和儲存食品，還用于醫(yī)藥目的。利用植物和動物來源的酶：奶酪制作：古意大利記載，使用無花果樹的汁和牛胃膜（含凝乳酶）。酶學(xué)的回顧：近代近代酶學(xué)始自十八世紀(jì)，最早的研究報道是法國科學(xué)家Réaumur研究了一種叫buzzard的鳥的胃液對肉塊的消化，確定是一種化學(xué)變化而非物理變化過程（如溶解），而這個化學(xué)變化是很“溫和”的條件下實(shí)現(xiàn)的。Spallazani進(jìn)一步闡明不僅鳥的胃液，其它動物和人的胃液也有類似的作用，這個作用還和溫度、胃液加量有關(guān)，且在體外是不穩(wěn)定的，活性會逐漸喪失。人們開始了解生物體內(nèi)存在一系列具有催化活性的物質(zhì)。酶學(xué)的回顧：近代十九世紀(jì)末，科學(xué)家開始探索純的催化活性物質(zhì)。1897年Bertrand由3種樹汁液中部分純化了漆酶。Kühne研究了酵母提取物，并首次使用了enzyme這個詞（來源于拉丁文enzymos，意指和面包發(fā)酵過程有關(guān)）。酶的催化專一性的特點(diǎn)被科學(xué)家關(guān)注，“鎖和鑰匙”模型設(shè)想在此時被提出。1903年，VictorHenri首次對酶動力學(xué)過程做了描述。至1913年Michaclis和Menten進(jìn)一步推進(jìn)了Henri的工作，導(dǎo)出了米氏公式，奠定了酶動力學(xué)的最早的基礎(chǔ)。MaudMenten:oneofthefirstwomendoctorsinCanadain1911酶學(xué)的回顧：近代二十世紀(jì)酶學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展。前半期，過渡態(tài)理論解釋了酶催化的物理化學(xué)機(jī)理（Linus

Pauling，1948）。50－60年代Koshland提出了誘導(dǎo)契合模型，此時有關(guān)酶活性調(diào)節(jié)的理論也被提出。1965年Monod，Wyman和Changeux提出了別構(gòu)理論。與此同時，Clealand發(fā)展了多底物多產(chǎn)物的酶動力學(xué)原理和公式。酶學(xué)的回顧：近代隨著X光晶體衍射，多維NMR技術(shù)的發(fā)展，很多酶的空間結(jié)構(gòu)被揭示。1926年JamesSumner發(fā)表了尿酶結(jié)晶。這是第一次報道酶的結(jié)晶，也為用X光衍射技術(shù)探測酶的空間結(jié)構(gòu)打開了大門。此后，20年內(nèi)就有130個以上的酶被結(jié)晶。1957年Kendrew第一次用X光衍射方法解析了肌紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)。至今用X光衍射和NMR研究酶的空間結(jié)構(gòu)已是常見的方法。

酶學(xué)的回顧：近代1957年，另一個重要進(jìn)展：Sanger報道了胰島素的氨基酸系列，這是第一次闡明一個蛋白質(zhì)的氨基酸全系列。1963年第一個酶的氨基酸系列被報道（核糖核酸酶）。從此，酶的結(jié)構(gòu)與功能和它的氨基酸系列全面掛鉤。一級結(jié)構(gòu)決定三級結(jié)構(gòu)，進(jìn)而決定其功能，這正是生物學(xué)中心法則得以成立的基礎(chǔ)。

酶學(xué)今日現(xiàn)代酶學(xué)已成為現(xiàn)代生物學(xué)的重要組成部分。酶學(xué)和生物學(xué)的其它部分正在互相滲透日益融合。對酶學(xué)的研究使我們?nèi)找媪私馍谋举|(zhì)和奧妙。通過對酶活性的調(diào)控和改造已在人類健康，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，環(huán)境保護(hù)等方面取得眾多應(yīng)用成果。酶抑制劑可能作為重大疾病的藥物（發(fā)表于1992）本課程的目的和要求教學(xué)大綱：本課程為生物學(xué)、藥學(xué)、農(nóng)學(xué)各學(xué)科中和酶學(xué)相關(guān)的各專業(yè)博士、碩士研究生的專業(yè)課。本課程主要內(nèi)容包括酶的性質(zhì)與制備、結(jié)構(gòu)與功能、酶動力學(xué)、酶的功能基團(tuán)及抑制劑，酶工程等內(nèi)容。在課程中注意對新進(jìn)展的介紹和典型實(shí)例及研究方法的介紹。通過本課程學(xué)習(xí)要求學(xué)生掌握酶學(xué)及酶工程的主要理論、概念、研究方法，了解相關(guān)的新進(jìn)展，為進(jìn)行與酶或酶工程有關(guān)的科研和論文工作打好基礎(chǔ)。

基本概念要清楚，基礎(chǔ)理論要理解，主要公式要會用，研究方法要掌握。課程內(nèi)容教學(xué)大綱：第一章緒論第二章酶的性質(zhì)及制備酶的性質(zhì)，催化反應(yīng)，酶的提取，分離提純。第三章酶的結(jié)構(gòu)與功能酶的化學(xué)結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)，溶液構(gòu)象，去折疊與重折疊，別構(gòu)酶及代謝調(diào)控，典型酶分析。第四章酶學(xué)研究進(jìn)展課程內(nèi)容第五章酶動力學(xué)單分子和多分子酶動力學(xué)，抑制動力學(xué)，pH影響的動力學(xué)，鄒氏理論—酶動力學(xué)的新進(jìn)展。第六章酶的功能基團(tuán)及抑制劑功能基團(tuán)及其作用，功能基團(tuán)的修飾，酶抑制劑及應(yīng)用實(shí)例，親和標(biāo)記及其判定，必需基團(tuán)數(shù)目測定。第七章酶工程概述，模擬酶。以酶學(xué)為主，酶工程的內(nèi)容為概述及融入其它章節(jié)內(nèi)容中。酶工程簡介酶工程(enzymeengineering)是生物工程的主要內(nèi)容之一。

研究（以應(yīng)用為目的）：是在一定生物反應(yīng)裝置中利用酶的催化性質(zhì)，將相應(yīng)原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)的技術(shù)。

應(yīng)用（工業(yè)規(guī)模）：①酶的產(chǎn)生；②酶的分離純化；③酶的固定化；④酶生物反應(yīng)器。

酶工程的發(fā)展歷史

50年代，由微生物發(fā)酵液中分離出一些酶，制成酶制劑。

60年代后，由于固定化酶、固定化細(xì)胞崛起，使酶制劑的應(yīng)用技術(shù)面貌一新。

70年代后期以來，由于微生物學(xué)、遺傳工程及細(xì)胞工程的發(fā)展為酶工程進(jìn)一步向縱深發(fā)展帶來勃勃生機(jī)。

酶生物反應(yīng)器：提高催化效率、簡化工藝，從而增加經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合固定化技術(shù)．業(yè)已發(fā)展成酶電極、酶膜反應(yīng)器、免疫傳感器及多酶反應(yīng)器等新技術(shù)。這在化學(xué)分析、臨床診斷與工業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)測方面成為很有價值的應(yīng)用技術(shù)。

制約因素（自然酶工業(yè)應(yīng)用）大多數(shù)酶脫離其生理環(huán)境后極不穩(wěn)定，而酶在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中的條件往往與其生理環(huán)境相去甚遠(yuǎn)；酶的分離純化工藝復(fù)雜；酶制劑成本較高。

分類化學(xué)酶工程：自然酶、化學(xué)修飾酶、固定化酶及化學(xué)人工酶的研究和應(yīng)用生物酶工程：酶學(xué)和以基因重組技術(shù)為主的現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物：①用基因工程技術(shù)大量生產(chǎn)酶(克隆酶)；②修飾酶基因產(chǎn)生遺傳修飾酶(突變酶)；③設(shè)計新的酶基因合成自然界不曾有的新酶。酶存在形式自由酶（游離酶）固定化酶：①穩(wěn)定性高；②可反復(fù)使用；③產(chǎn)物純度高，副產(chǎn)物少，從而有利提純；④生產(chǎn)可連續(xù)化、自動化；⑤設(shè)備小型化，節(jié)約能源等。固定化細(xì)胞：在實(shí)際應(yīng)用方面已大大超過固定化酶。瑞典Mosbach等提出一種利用高分子聚合物包埋各種細(xì)胞的通用的固定化方法，能固定細(xì)菌、酵母、動植物細(xì)胞及人工組建的細(xì)胞，生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物。酶分子的改造和修飾改造：改變酶蛋白一級結(jié)構(gòu)的過程，德重等將L-天冬氨酸酶的活力提高3~6倍修飾：改變酶蛋白側(cè)鏈基因的共價狀況，Davis等以聚乙二醇修飾治療白血病的特效藥L-天冬酰胺酶，使其抗原性完全解除。酶抑制劑：重要抗生素；在代謝控制、生物農(nóng)藥、生物除草劑等方面發(fā)揮特殊作用，其低毒性受到國際產(chǎn)業(yè)部門的重視。預(yù)料出現(xiàn)一批基因工程表達(dá)的酶制劑親和層析技術(shù)仍將得到廣泛應(yīng)用異體酶的抗原性將得到解決酶活性的控制方面將會有較大突破在化學(xué)合成工業(yè)中，酶法生產(chǎn)將有重大貢獻(xiàn)模擬酶、酶的人工設(shè)計合成、抗體酶、雜交酶將成為活躍的研究領(lǐng)域非水系統(tǒng)酶反應(yīng)技術(shù)(反向膠束中的酶促反應(yīng)、有機(jī)溶劑中的酶反應(yīng))仍將是研究熱點(diǎn)之一。教學(xué)內(nèi)容和方法的特點(diǎn)1.和國內(nèi)院校酶學(xué)教學(xué)相比，對酶動力學(xué)內(nèi)容有一定側(cè)重。

1）和國際接軌；

2）重點(diǎn)解決難點(diǎn)；

3）發(fā)揮教師特長。2.理論和方法并重。和一般專業(yè)基礎(chǔ)課相比更偏重于研究方法。3.有一定的課外練習(xí)。記分，占成績的30％，考試占70％（課堂開卷）。選課要求：有本科生物化學(xué)基礎(chǔ)。根據(jù)所學(xué)專業(yè)的需求和本人現(xiàn)有的專業(yè)基礎(chǔ)進(jìn)行選課?？赡苄枰ㄙM(fèi)較多時間完成課程學(xué)習(xí)，對于還不習(xí)慣和較多公式打交道的同學(xué)會有難度，但也會學(xué)到一些在科研和技術(shù)上實(shí)用的東西。不保證全部通過。不要盲目選課。2004年春季學(xué)期課程安排2月16日第一章緒論（課程介紹）。2月18日第二章酶的性質(zhì)及制備。

1節(jié)酶的性質(zhì)及活性測定2月23日2節(jié)酶的催化反應(yīng)2月25日3節(jié)酶的提取3月1日4節(jié)酶的提純3月3日4節(jié)酶的提純課程安排（續(xù)）3月8日第三章酶的結(jié)構(gòu)與功能。

1節(jié)酶的空間結(jié)構(gòu)及測定3月10日2節(jié)去折疊與重折疊研究3月15日3節(jié)酶的溶液構(gòu)象測定3月17日4節(jié)酶的催化機(jī)理3月22日5節(jié)酶的活性部位相關(guān)理論3月24日6節(jié)酶的活性調(diào)控及別構(gòu)效應(yīng)3月29日7節(jié)典型酶的結(jié)構(gòu)功能分析課程安排（續(xù)）3月31日第五章酶動力學(xué)。

1節(jié)單底物酶動力學(xué)4月5日1節(jié)（續(xù)）；

2節(jié)多底物酶動力學(xué)4月7日2節(jié)多底物酶動力學(xué)4月12日2節(jié)多底物酶動力學(xué)4月14日3節(jié)酶的抑制作用動力學(xué)4月19日3節(jié)酶的抑制作用動力學(xué)4月21日4節(jié)pH影響的酶動力學(xué)4月26日4節(jié)（續(xù)）；5節(jié)鄒氏理論4月28日5節(jié)鄒氏理論；練習(xí)講解課程安排（續(xù)）5月10日第六章酶的功能集團(tuán)及抑制劑。

1節(jié)功能集團(tuán)及其化學(xué)修飾5月12日1節(jié)功能集團(tuán)及其化學(xué)修飾5月17日2節(jié)親和標(biāo)記及其判定5月19日3節(jié)酶抑制劑及其應(yīng)用5月24日4節(jié)必需集團(tuán)數(shù)目測定；練習(xí)講解5月26日第七章酶工程概述。5月31日第四章酶學(xué)研究進(jìn)展。6月2日考試參考書及文獻(xiàn)許根俊《酶的作用原理