酶工程教学大纲
课程名称：酶工程 英文名称：Enzyme Engineering
学分：2分 学时：34学时
教学对象：生命科学和生物技术专业学生
先修课程： 生物化学、微生物学、生物分离工程
教学目的：
通过学习本课程，使学生了解酶工程定义、研究内容及酶工程发展、掌握酶工程的基本原理、酶的生物合成与发酵生产、酶的分离与纯化、酶与细胞的固定化技术、酶的分子修饰、酶的非水相酶催化、酶工程的最新进展、酶反应器以及酶的应用，根据需要通过人工操作，掌握酶的生产与应用的技术过程。
教学要求：
通过课堂授课教学、结合专题内容评述。使学生对酶的的生产与应用一定的了解，并为以后的研究应用打下基础。
教学内容：
第一章 绪论
1.1 酶工程是生物技术的重要组成部分
1.2 酶工程内容
1.3 酶和酶工程的进展
基本要求：掌握酶催化作用的特点、酶活力的测定方法和酶的分类命名方法；
重点：酶的生产方法
第二章 酶学基础
2.1 酶的分类、组成和结构特点
2.2 酶催化的作用机理
2.3 酶促反应动力学
2.4 酶活力及其测定
基本要求：进一步深入学习酶的分类、组成和结构特点、酶催化的作用机理和酶促反应动力学，掌握酶活力及其测定方法。
重点：酶活力及其测定方法。
第三章 酶的生物合成与发酵生产
3.1 酶发酵生产用微生物菌种
3.2 酶发酵工艺条件及控制
3.3 提高酶产量方法
3.4 酶发酵动力学
3.5 动植物细胞培养产酶
基本要求：掌握酶生物合成的基本理论、微生物和固定化微生物发酵产酶的工艺流程
重点：微生物发酵产酶的发酵条件控制和产酶动力学
难点：酶生物合成的调节机制
第四章 酶的分离与纯化
4.1 酶的分离纯化策略
4.2 酶液的制备与粗分离
4.3 酶的分离纯化方法
4.4 酶纯度的检验
基本要求：掌握酶分离提取的种类与方法
重点：层析和电泳方法在酶分离提取中的应用
难点：不同分离提取方法的选择
1 酶的化学修饰基本原理及修饰酶的性质特点
【摘要】 酶是高效生物催化剂，在工业、医学、科研等领域有着非常广泛的应用，尤其在工业生产中创造出巨大的经济效益。但由于酶是蛋白质，稳定性差且在生物体内具有较大的免疫原性，因而严重制约了其应用。对酶分子进行化学修饰是提高其稳定性的方法并且能够降低在生物体内的免疫原性，能够扩大其应用范围，极大地改善酶本质的不足。简要介绍酶的化学修饰基本原理及修饰酶的性质特点。
1 酶的化学修饰的基本原理
酶分子的化学修饰就是在分子水平上对酶进行改造，包括对酶分子主链结构的改变和对其侧链基团的改变。前者是分子生物学层次上的修饰，即在己知酶的结构与功能盖系的基础上，有目的地改变酶的某个活性基团或氨基酸残基，从而使酶产生新的性状，又称理性分子设计，理性分子设计主要应用于改造酶的底物特异性．催化特性以及热稳定性,Shaffer等通过将天冬氨酸转氨酶的Val39、Lys41、Thr47、Ash69、Thrl09和Ash297突变为酪氨酸转氨酶所对应的Lcu、Tyr、Ile、Leu、Set和Ser，修饰酶对Phe的活性增加3个数量级，而对Asp的活件没有影响，然而，由于酶的结构、功能和作用机制没自完全了解，而且仅仅把氨基酸序列的同源性作为氨基酸取代的标准，加上氨基酸取代后有可能导致没构想的改变，所以，并非所有理性分子设计都能取得预期效果，这就严重制约了理性分子设计的应用。
1. 1功能基团的修饰
酶分子可离解的基团如氨基(NH2)、羧基(～COOH)、羟基（OH)、巯基(sH)、咪锉基等都可用来修饰。脱氨基作用可改善酶的稳定性，消除酶分子表面的氨基酸的电荷，酰化反应，可改变侧链羟基性质。这些修饰反应，可稳定酶分子有利的催化活性现象，提高抗变性的能力。
1.2用表面活性剂对酶进行化学修饰
除糖基修饰外，也有人用表面活性剂对酶进行化学修饰。表面活性剂的亲水部分与酶连在一起，而亲油部分伸向有机溶剂，从而提高了酶在有机溶剂中的溶 2 解度和分散度。Ken，chiMogi和Milsatoshi Nakajima发现表面活性剂HLB值和脂肪酸功能团部都显著影响酶的活性和产物的量。在有机溶剂中表面活性剂的疏水基团数目越多时对酶的修饰效果越好
1 第四章 酶工程制药
教学目的
掌握：酶工程的概念
熟悉：固定化酶、固定化菌体的定义和特点
教学重点
固定化酶
计划学时：4
酶工程制药是生物制药的主要技术之一，主要包括药用酶的生产和酶法制药两方面的技术。
药用酶是指可用于预防和治疗疾病的酶。
酶法制药是指利用酶的催化作用而制造出具有药用功效物质的技术过程。主要包括酶的催化反应、酶的固定化、酶的非水相催化等。
第一节 概述
酶是生物催化剂。
所有生物体在一定条件下都可以合成多种多样的酶。生物体内的各种生化反应，几乎都是在酶的催化作用下进行的，所以酶对于生物体的新陈代谢是至关重要的。
一、酶的催化特性
酶是生物催化剂，具有催化剂的共同性质，即可以加快化学反应的速度，但不改变反应的平衡点。
1 酶的专一性强
2 酶的催化效率高
3 酶的作用条件温和
二、影响酶催化作用的主要因素
(一) 底物浓度对酶催化反应的影响
酶催化反应的底物即酶所作用的物质。根据参与反应的底物数量的不同，可分为单底物反应和多底物反应。
单底物反应只有一种底物发生变化。水解酶催化的水解反应有水参与，但由于水的量很大，可视为其浓度是恒定不变的，也属于单底物反应。
多底物反应是有两个或多个底物参与的反应。其底物浓度对反应速度的影响较为复杂，根据底物与酶的结合顺序，可分别用有序机制(Ordered bi bi mechanism)、随机机制(Random bi bi mechanism)和乒乓机制(Ping—pang bi bi mechanism)解释。
1 单底物反应中底物浓度对酶促反应速度的影响
从图4—1可以看到，在底物浓度较低的情况下，反应速度与底物浓度成正比。
当底物达到一定浓度时，反应速度的上升不再与底物浓度的增加成正比，而逐步达到一个极限值(最大反应速度Vm)。
1902年，Henri根据图4—1的结果，提出中间产物学说。
2 1913年，Michaelis和Menten提出快速平衡(Rapid equilibrium)理论，运用数学方法推导出米氏方程。其推导过程基于下列三点假设：
1. 酶
1.1酶的基本概念
酶的化学本质是蛋白质，这一点是被生物化学所证明了的，研究酶的化学本质，可用研究蛋白质的方法进行研究。一般情况下，一个结构完整的酶包括蛋白质和非蛋白质两部分，蛋白质部分称为辅基酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子，辅基酶蛋白和辅助因子构成一个全酶。辅助因子的化学本质因不同的酶而不同，它可以是小分子量的有机化合物，也可以是无机矿物质离子。
酶是一种生物催化剂，在催化活性上与无机催化剂类似，酶在催化反应时，其本身不发生化学改变，只是催化反应的进行，此外，酶在催化反应时，仅改变反应速度，并不改变反应的平衡。酶催化反应的动力学机理是降低反应的活化能。
酶作为生物催化剂，其催化反应的专一性远远超过无机催化剂，根据酶的专一化程度，可分为绝对专一性和相对专一性。
绝对专一性：是指一种酶只能催化一种底物进行一种反应，底物的分子结构、空间构型及构象的不同都表现出专一性。
相对专一性：是指一种能够催化一类结构相似的物质进行相同类型的反应，主要是对某一化学键的专一性。
例如，胰蛋白酶(Trypsin EC 3.4.31.4)催化含有赖氨酸或精氨酸羰基的肽键的水解反应，凡是具有含赖氨酸或精氨酸羰基酰胺键的底物都能被此酶催化水解。
1.2酶的结构和功能
构成酶活性中心的氨基酸在一级结构上，呈分散状态，这些氨基酸是通过酶蛋白的二、三、四级结构使得其在空间上彼此集中，构成一个特定的与酶活性表达有关区域，这个特定区域即酶的活性中心(active center)，换句话说，酶的活性中心是酶分子上的与底物结合并催化反应的特定基团或特定区域。酶活性中心包括两部分，其一是底物结合部位，其二是催化部位。必需基团参与构成酶的活性中心和维持酶的特定构象。必需基团是指酶分子中某些基团若经化学修饰后（氧化、烷化、酰化、还原等）使其结构改变，则酶分子丧失活性。活性部位的基团都是必需基团，必需基团包括活性中心基团和其外的对维持酶活性空间构象所必需的一些基团。 例如，溶菌酶由129个氨基酸构成，而构成活性中心的氨基酸有：Glu35，Asp52，Try62，Asp101(Gly101)。溶菌酶的内部几乎全部是非极性的(nonpolar) 。疏水的相互作用在溶菌酶的折叠构象中起重要作用。在溶菌酶分子的表面，有一个比较深的裂缝，其大小恰好能容纳多糖底物的6个单糖，这是溶菌酶的活性部位。
