生物技术概论之酶工程

生物工程中的酶工程技术使用方法引言：生物工程是一门将生物学、化学、工程学等理论与技术相结合的学科，它与现代产业和生活密切相关，并在许多领域发挥了重要作用。

酶工程技术作为生物工程的核心之一，广泛应用于医药、食品、化工、能源等领域。

本文将介绍生物工程中酶工程技术的使用方法。

一、选取合适的酶在生物工程中，根据实际需要选择合适的酶对目标产物进行催化反应是至关重要的。

酶是一种生物催化剂，具有高效、选择性和环境友好等特点。

因此，在进行酶工程之前，需要调研目标产物及其催化反应的特点，以确定最适合的酶。

例如，对于酶可承载的底物种类、反应温度和酸碱度等因素进行综合考虑，选择适合的酶。

二、酶工程基因的选择与改造酶工程技术的应用离不开基因工程的手段。

通过DNA重组技术、启动子的选择、基因调控元件的设计等手段，可以将理想的酶基因导入到宿主生物中。

这需要将目标基因与宿主生物的基因组进行兼容，并确保其在宿主生物中的表达量和稳定性。

同时，对于目标酶本身的改造也是酶工程技术的重要步骤。

借助于分子生物学技术，可以对目标酶进行特定的突变，以改变其活性、稳定性或底物特异性。

例如，酶突变可以通过有针对性地改变酶的氨基酸序列，从而提高其活性或选择性。

三、酶工程系统的优化酶工程技术的应用通常需要建立一个完整的酶工程系统。

这个系统包括酶的产生（发酵）、分离纯化和催化反应等步骤。

在建立酶工程系统时，有几个关键环节需要进行优化。

首先，酶的产生通常利用大规模发酵技术。

要实现高效的产酶，需要确定优化发酵条件，包括培养基成分、温度、pH值、搅拌速度等。

此外，还需考虑基因表达的调控，如改变启动子和编码序列等，以提高目标酶基因的表达水平。

其次，分离纯化是酶工程中的关键步骤之一。

传统的分离纯化技术包括层析、电泳和过滤等方法。

近年来，随着膜分离技术和亲和层析技术的进步，分离纯化的效率得以提高。

选择合适的分离纯化方法可以实现高纯度的酶产物。

最后，催化反应是酶工程中的核心步骤。

1、酶的催化作用特点：具有专一性，催化效率高和反应条件温和等显著特点。

2、酶研究的两个方向：理论研究方向和应用研究方向。

理论研究方向：酶的理化性质、催化性质、催化机制等。

应用研究：促进了酶工程的形成。

3、酶工程的定义：利用酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器，借助于酶的催化作用，通过工程学手段生产产品或提供社会服务的科学体系。

4、酶工程的应用范围：①对生物资源中天然酶的开发和生产②自然酶的分离纯化与鉴定技术③酶的固定化技术④酶反应器的研制与应用⑤与其它生物技术领域的交叉与渗透。

5、酶工程的组成：①酶的发酵生产②酶的分离纯化③酶分子修饰④酶和细胞固定化⑤酶反应器和酶的应用等方面。

6、酶工程的主要任务：通过预先设计，经过人工操作控制而获得大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其最大的催化功能。

8、酶的分类：第1类，氧化还原酶；第2类，转移酶；第3类，水解酶；第4类，裂合酶；第5类，异构酶；第6类，合成酶；第7类，核酸类酶。

9、酶的作用机制：酶的催化机理可能与几种因素有关：酶与底物结合时，两者构象的改变使它们互相契合，底物分子适当地向酶分子活性中心靠近，并且趋向于酶的催化部位，使活性中心这一局部地区额底物浓度大大增高，并使底物分子发生扭曲，易于断裂。

在另一些情况中，可能还有一些其他的因素使酶反应速度稍有一些提高，如酶与底物形成有一定稳定度的过渡态中间物——共价的ES中间物，这种ES中间物又可迅速地分解成产物，又如酶活性中心的质子供体和质子受体对底物分子进行了广义的酸碱催化等。

10、酶的催化能力：酶仅能改变化学反应的速度，并不不能改变化学反应的平衡点。

酶本身在反应前后也不发生变化例如肽键遇水自发地进行水解的反应极为缓慢，当有蛋白酶存在时，这个反应则进行得十分迅速，可降低反应的活化能。

在一个化学反应体系中，反应开始时，反应物(S)分子的平均能量水平较低为“初态”，在反应的任何一瞬间反应物中都有一部分分子具有了比初态更高一些的能量，高出的这一部分能量称为活化能，使这些分子进入“过渡态”，这时就能形成或打破一些化学键，形成新的物质——产物（P）。

第一章酶学概论1.酶：具有生物催化功能的生物大分子。

2.酶工程：酶的生产、改性与应用的技术过程。

3.酶活力(enzyme activity)：指在一定条件下，酶所催化的反应初速度。

4.酶活力单位(IU)：在特定条件下(温度可采用25℃，pH值等条件均采用最适条件），每1min催化1µmol的底物转化为产物的酶量定义为一个酶活力单位，这个单位称为国际单位（IU）5.酶转换数Kp：又称为摩尔催化活性，是指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数。

即每摩尔酶每分钟催化底物转化为产物的摩尔数，是酶催化效率的一个指标。

6.酶的催化周期：转换数的倒数，即催化周期是指酶进行一次催化所需的时间，单位为毫秒（ms）或微秒（µs）。

7.酶结合效率：又称为酶的固定化效率，是指酶与载体结合的百分率。

酶结合效率的计算一般由固定化的总活力减去未结合的酶活力所得到的差值，再除以用于固定化的总酶活力而得到。

8.酶活力回收率：指固定化酶的总活力与用于固定化的总酶活力的百分率。

9.相对酶活力：具有相同酶蛋白（或酶RNA）量的固定化酶活力与游离酶活力的比值。

10.核酸酶(ribozyme):具有催化活性的RNA。

抗体酶(Abzyme):具有催化活力的抗体。

11.组成型酶：有的酶在细胞中的量比较恒定，环境因素对这些酶的合成速度影响不大，如DNA/RNA聚合酶。

12.适应型酶/调节性酶：有的酶在细胞内的含量变化很大，其合成速度明显受到环境因素的影响，如β-半乳糖苷酶13.模拟酶：又称人工合成酶或酶模型，是指根据酶的作用原理，用人工合成的具有活性中心和催化作用的非蛋白质结构的化合物。

14.酶催化作用的特点：1.酶催化作用的专一性强(相对/绝对专一性) 2.酶催化作用的效率高3.酶催化作用的条件温和 4.酶活性受到调节和控制15.影响酶催化作用的因素：1.底物浓度的影响2.酶浓度的影响3.产物浓度的影响4.温度的影响5.pH值的影响6.抑制剂的影响7.激活剂的影响16.酶生物合成的调节：1、分解代谢物阻遏作用2、酶生物合成的诱导作用3、酶生物合成的反馈阻遏作用17. 从如下实验方法和结果分析酶生物合成的调节作用。

酶工程的应用及其发展趋势
酶工程是利用生物技术方法对酶进行改造和优化，以满足工业生产的需求。

它在各个领域都有广泛的应用，包括医药、食品、化学等。

以下是几个酶工程的应用及其发展趋势：
1. 医药领域：酶被广泛应用于药物合成和制药过程中。

例如，通过酶工程可以改进药物合成的效率和产量，减少副产物的生成，提高纯度和质量。

此外，酶还可以用于制造生物药物，包括蛋白质药物、抗体药物等。

未来的发展趋势是开发更多的酶药物，并提高制药过程的效率和环保性。

2. 食品工业：酶在食品工业中有广泛的应用，包括面包、啤酒、酸奶等食品的制作过程中。

通过酶工程可以改善食品的质地、口感和保鲜性。

此外，酶还可以用于食品添加剂的开发，用于改善食品的营养价值和功能性。

未来的发展趋势是开发更多的专用酶用于食品加工，提高食品的品质和安全性。

3. 环境保护：酶工程在环境保护领域有重要的应用。

例如，酶可以用于处理工业废水和污染物，降解有机废弃物和重金属污染物。

此外，酶还可以用于制备生物柴油和生物降解塑料等可再生能源和环保材料。

未来的发展趋势是开发更多具有高效降解性和低成本的酶用于环境治理和再生资源的利用。

4. 新型酶的发现和优化：酶工程的发展趋势是发现和利用新型酶及其应用。

随着生物技术的不断发展，越来越多的新酶被发现和鉴定，可以应用于各种工业过
程。

此外，通过基因工程和代谢工程的方法，可以对酶进行定向进化和改造，提高其催化活性、稳定性和特异性。

未来的发展趋势是开发更多的新型酶和创新技术，提高工业生产的效率和可持续性。

生物工程中的酶工程技术在药品合成中的应用酶工程技术是生物工程领域中的一项重要技术，广泛应用于药品合成领域。

通过运用酶工程技术，可以改变酶的特性以及底物范围，从而提高药品合成的效率和选择性。

本文将介绍酶工程技术在药品合成中的应用，并探讨其优势和挑战。

酶工程技术的应用领域之一是在药品合成过程中合成活性成分。

许多药物的生产过程涉及到复杂的化学反应，往往需要使用昂贵的试剂和催化剂。

然而，这些催化剂通常具有有害或不稳定的性质，容易产生副产品或对环境造成污染。

相比之下，酶作为生物催化剂可以在温和的条件下催化合成反应，具有高效、绿色、选择性好等优点。

通过酶工程技术，研究人员可以改变酶的催化活性和底物特异性，使其适应特定的药品合成反应。

另一个酶工程技术在药品合成中的应用是合成药物前体。

许多药物在体内需要经过生物转化才能发挥药理作用。

通过酶工程技术，可以设计和优化合成药物前体的酶催化转化过程，提高产物的纯度和产量。

例如，某些药物前体需要经过酶的选择性氧化或还原反应，而这些反应通常是难以通过传统合成方法实现的。

通过酶工程技术，研究人员可以挖掘和改造天然存在的酶，使其具有更高的转化效率和选择性，从而加速药物的合成过程。

此外，酶工程技术还可以用于药物合成中的催化剂回收。

在传统的化学合成过程中，常常需要大量的催化剂来促进反应，但这些催化剂往往不能循环使用，会增加废物排放和成本。

通过酶工程技术，可以将催化剂固定在载体上，并与底物分离，以便将酶与产物分离和回收。

这种酶固定的催化系统具有很高的稳定性和重复使用性，可以有效降低废物排放和药品生产成本。

酶工程技术在药品合成中的应用不仅提高了药物合成的效率和选择性，还减少了对环境的负面影响。

然而，酶工程技术还面临一些挑战。

首先，酶催化反应的速度通常较慢，反应时间较长，这对于大规模工业生产来说是一个问题。

其次，酶的稳定性和耐受性通常较低，容易受到高温、酸碱催化剂和底物的影响。

此外，酶的产量也是一个限制因素，需要通过基因工程技术来提高酶的表达和产量。

酶工程名词解释酶工程名词解释酶：生物体内进行新陈代谢不可缺少的受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂。

酶工程：是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学。

从应用目的出发研究酶，在一定的生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。

单体酶（monomeric enzyme）：由一条多肽链组成，如溶菌酶；由多条肽链组成，肽链间二硫键相连构成一整体。

寡聚酶（oligomeric enzyme）：由两个或两个以上的亚基组成的酶。

多酶复合体（multienzyme complex）：由几种酶非共价键彼此嵌合而成。

催化转换数：每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数。

酶活力(酶活性)：指酶催化一定化学反应的能力。

酶活力的大小：一定条件下所催化的某一化学反应的反应速度，酶反应速度：单位时间内底物的减少量或产物的增加量。

酶的活力单位（U，activity unit）：酶活力的大小及酶含量的多少。

酶单位：在一定条件下，一定时间内将一定量的底物转化为产物所需要的酶量。

这样酶的含量可以用每克酶制剂或每毫升酶制剂含有多少酶单位来表示（U/g或U/ml）。

Katal（Kat）单位：一个katal单位是指在最适反应条件下，1秒钟催化1moL底物转化为产物所需要的酶量。

酶的比活力（specific activity）：代表酶的纯度，比活力用每mg蛋白质所含有的酶活力单位数表示。

对同一种酶比活力愈大，纯度愈高。

酶的转换数：以一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数来表示酶的催化效率。

酶动力学：是研究酶促反应的速度以及影响此速度的各种因素的科学。

抑制剂:任何分子直接作用于酶使他的催化速度降低即称为~。

不可逆抑制作用：抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活性丧失，不能用透析，超滤或凝胶过滤等物理方法去除抑制剂而使酶复活。

可逆抑制作用：抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活性的降低或丧失，能用物理的方法除去抑制剂而使酶复活。

生物技术中的酶工程技术
酶工程技术是生物技术中的重要分支，它应用于生产、制造、
医疗等各个领域。

酶工程技术的应用范围非常广泛，我们可以从
一些具体的例子来看看酶工程技术在生物技术领域中的应用。

一、酶工程技术在食品工业中的应用
以酶为催化剂的酶法、酶解法和反应器法，已经在食品工业中
得到广泛应用。

酶工程技术可以改善产品的品质和口感，增强产
品的有营养成分和风味品质，还可以降低产品生产成本和环境污染。

例如酶解大豆蛋白制造酱油，酵母菌转化作用生产高泡性蛋糕，酶解工艺制造上等啤酒等等。

二、酶工程技术在制药工业中的应用
酶工程技术可以用于生产制药原料、活性成分、重组蛋白质、
生物组织、生物制剂等等。

酶工程技术在制药工业中的应用领域
极其广泛，例如，酶提取法可以用于生产青霉素，利用了微生物细胞的药物代谢和酶活性，被称为“抗菌药王”。

此外，酶工程技术还可以用于作为药品治疗疾病，如利用过氧化氢酶清除氧自由基，以抵御心脏病和癌症等疾病的发生。

三、酶工程技术在能源、环境保护工业中的应用
酶工程技术可以用于生物质能源、化石燃料生产；环境保护领域主要包括酶工程技术的生物降解、生物还原、生态修复和水污染的处理。

例如，酶工程技术可以加速生物质的生物转化为能源，在低温条件下可以提高水解速率和降解效率。

酶的重组技术和基因工程技术可以制造新型酶和改良酶，以提高他们的催化效率和特异性活性，从而降低生产成本和保护环境。

最后，总结下酶工程技术的应用前景：随着人们对于环境、绿色治理需求的日益提高，以及对“生物经济”的认知带来的旺盛需
求推动，酶工程技术才会在日后得到广泛应用和发展，助推生物技术的进步。

名词解释：酶（enzyme)是生物体活细胞产生的、具有催化反应功能的蛋白质。

酶工程：是一项利用酶、含酶细胞器或细胞（微生物、植物、动物）作为生物催化剂来完成重要化学反应，并将相应底物转化成有用物质的应用型生物高新技术。

酶活力：是指酶催化一定化学反应的能力，其大小可用在一定条件下酶催化某一化学反应的反应速度来表示。

（单位时间底物减少或产物增加）一个酶单位（active unit, U，I.U）为在确定的最适反应条件下，每分钟催化1 mol(微摩尔）底物变化所需要的酶量。

（国际酶委员会规定）同工酶：同工酶（isozyme，isoenzyme）广义是指生物体内催化相同反应而分子结构不同的酶。

按照国际生化联合会（IUB）所属生化命名委员会的建议，则只把其中因编码基因不同而产生的多种分子结构的酶称为同工酶。

异构酶：异构酶亦称异构化酶,是催化生成异构体反应的酶之总称，催化一种同分异构体转变为另一种同分异构体的酶米氏方程米氏常数Km反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度酶的定位突变（site-directed mutagenesis）是根据酶的结构、功能和作用机制的信息，在基因水平上精确改变酶分子中的氨基酸残基，对酶的性质和其催化特性进行改造，产生符合特定需要的酶。

人为地创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制，在体外对基因进行随机突变，从一个或多个已经存在的亲本酶（天然的或者人为获得的）出发，经过基因的突变和重组，构建一个人工突变酶库，通过一定的筛选或选择方法最终获得预先期望的具有某些特性的进化酶的分子进化技术称为体外定向进化。

定向进化＝随机突变＋选择融合酶：主要指将两个或多个酶分子组合在一起的融合蛋白氧化还原酶 Oxidoreductase转移酶 Transferase水解酶 hydrolase 裂合酶 Lyase异构酶Isomerase合成酶 Ligase or Synthetase在特定条件下（温度可采用25℃或其它选用的温度，pH等条件均采用最适条件），每1 min 催化1 μmol 的底物转化为产物的酶量定义为1 个酶活力单位。

现代生物技术概论作业名词解释：1.酶工程:是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学。

从应用目的出发研究酶，在一定的生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。

2. 分批发酵:是指在一个密闭系统内投入有限数量的营养物质后，接入少量的微生物菌种进行培养，使微生物生长繁殖，在特定的条件下只完成一个生长周期的微生物培养方法。

3. 细胞工程:是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，按人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。

4. 单克隆抗体:将产生抗体的淋巴细胞与肿瘤细胞融合所形成的称为单克隆抗体。

5.细胞融合:细胞融合（cell fusion）又称细胞杂交（cell hybridization），是指两个或两个以上的细胞融合形成一个细胞的过程6.原代培养:是指直接从有机体获得的组织或将其分散成细胞后开始的培养。

7.核移植：利用显微操作技术将细胞核与细胞质分离，然后再将不同来源的核与质重组，形成杂种细胞。

8. 生物技术：生物技术（biotechnology），也称生物工程(bioengineering)，是指人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，利用生物体或其体系或他们的衍生物来制造人类所需要的各种产品或达到某种目的的一门新兴的综合性的学科。

9.PCR：聚合酶链式反应（polymerase chain reaction, PCR），也称为DNA扩增，PCR技术的原理并不复杂，实质为体内DNA复制的体外模拟。

当双链DNA变性为单链后，DNA聚合酶以单链DNA为模板，并利用反应混合物的四种dNTPs，以与模板互补的核苷酸为引物，合成新生的DNA互补链。

10.cDNA文库：某种生物基因组转录的全部mRNA经反转录产生的各种cNDA片段分别与克隆载体重组，贮存在一种受体菌克隆子群体之中，这样的群体称为cDNA文库。

一、绪论1、生物催化：利用酶或有机体（细胞或细胞器）等）作为催化剂实现化学转化（通常是加快）的过程。

2、生物催化与发酵：1、发酵：用活细胞，将原材料转化成更复杂的目标产物。

2、前体发酵：发酵过程中添加前体物质，并有活细胞将其转化为目标产物。

3、生物转化：用酶或静息细胞经过一系列步骤，将前体转化成目标产物。

4、生物（酶）催化：提取酶或部分纯化的酶，将底物转化成目标产物。

3、酶工程：应用目的出发研究酶，在一定的生物反应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。

是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的边缘科学。

4、酶工程研究内容：（一）酶的生产（二）化学酶工程（三）生物酶工程（四）酶反应器（五）酶反应介质（六）酶的应用5、酶反应器：活塞流反应器全混流反应器流化床反应器固定床反应器膜反应器二、酶学概述6、酶的分类：（一）按酶催化反应的类型分类1、氧化还原酶2、转移酶3、水解酶4、裂合酶5、异构酶6、连接酶（合成酶）1．氧化还原酶: 催化氧化-还原反应，转移氢或加氧。

主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)、过氧化氢酶、氧合酶、细胞色素氧化酶。

例如，乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应2、转移酶: 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。

参与生物物质的代谢.(例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。

) 3、水解酶:水解酶催化底物的加水分解反应（或逆反应）。

主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。

例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应。

4、裂解酶：裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。

5、异构酶：此类酶为生物代谢需要对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋、差向异构、顺反异构等，分为差相异构酶、消旋酶、顺反异构酶等。

6、连接酶（合成酶）：能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。

生物工程的酶工程酶工程是生物工程领域中的一个分支，它涉及到利用酶在生物体内或外的产生、提取、纯化和改性等过程，以实现对酶的研究、开发和应用。

酶是一类特殊的蛋白质，具有催化作用，能够加速化学反应的速率，同时具有高效、选择性和可控性等特点，因此在医药、食品、化工等领域具有广泛的应用前景。

第一部分：酶的特性及应用1. 酶的特性酶是由生物体合成的蛋白质，具有特异性、高效性和可逆性等特点。

酶可以加速生物体内的化学反应，降低反应的活化能，提高反应速率。

酶还可以在温和的条件下催化反应，具有较好的选择性，可以实现对具体底物的特异性催化。

2. 酶在医药领域的应用酶在医药领域具有广泛的应用，包括制药、诊断和治疗等方面。

例如，酶可以用于生产制剂，合成抗生素和药物原料。

酶还可以作为诊断试剂，用于检测特定疾病的标志物。

此外，酶还可以用于生物催化，催化特定底物转化成特定产物，用于治疗疾病。

3. 酶在食品领域的应用酶在食品领域也有广泛的应用。

酶可以用于食品加工，例如面包中的酵母发酵和奶酪中的乳酸菌发酵。

酶还可以用于食品改良，例如果汁澄清、酒精酿造和乳制品生产等。

此外，酶还可以用于食品保鲜，延长食品的保质期。

第二部分：酶工程的研究与开发1. 酶工程的研究内容酶工程的研究主要包括酶的筛选、酶的改造和酶的表达等方面。

通过筛选具有良好催化性能和稳定性的酶，可以用于特定反应的催化。

通过酶的改造，可以提高酶的催化效率、耐温性和耐酸碱性等性质。

通过酶的表达，可以将酶产生的菌株进行工业化生产。

2. 酶工程的开发应用酶工程的开发应用主要涉及到生产酶制剂、生产酶催化反应和生物催化合成等方面。

通过工程菌株的发酵和酶的提取纯化等工艺，可以大规模生产酶制剂，并应用于医药、食品和化工等领域。

酶催化反应可以用于制备特定化合物，例如生产饲料中的氨基酸和食品中的添加剂等。

生物催化合成可以利用酶催化合成具有特定功能的化合物，例如合成抗癌药物和氨基酸等。

第三部分：酶工程的挑战与前景1. 挑战酶工程面临的挑战主要包括酶的稳定性、催化效率和特异性方面的改进。