第五章有机溶剂中的酶催化作用

酶工程思考题汇总第一章P251．何谓酶工程?试述其主要内容和任务.酶的生产，改性与应用的技术过程称为酶工程。

主要内容：微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固定化，酶非水相催化，酶定向进化，酶反应器和酶的应用等。

主要任务：经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。

2．酶有哪些显著的催化特性？专一性强（绝对专一性——钥匙学说、相对专一性——诱导契合学说）、催化效率高、作用条件温和3．简述影响酶催化作用的主要因素.底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素第二章P635．酶的生物合成有哪几种模式？生长偶联型（同步合成型、中期合成型）、部分生长偶联型（延续合成型）非生长偶联型（滞后合成型）7．提高酶产量的措施主要有哪些？a.添加诱导物（酶的作用底物、酶的催化反应物、作用底物的类似物）b.控制阻遏物的浓度c.添加表面活性剂d.添加产酶促进剂11．固定化微生物原生质体发酵产酶有何特点？1.提高产酶率2.可以反复使用或连续使用较长时间3.基因工程菌的质粒稳定，不易丢失4.发酵稳定性好5.缩短发酵周期，提高设备利用率6.产品容易分离纯化7.适用于胞外酶等细胞产物的生产第三章P843．植物细胞培养产酶有何特点？1.提高产率2.缩短周期3.易于管理，减轻劳动强度4.提高产品质量5.其他4．简述植物细胞培养产酶的工艺过程。

外植体细胞的获取细胞培养分离纯化产物6．动物细胞培养过程中要注意控制哪些工艺条件？1.培养基的组成成分2.培养基的配制3.温度的控制4.ph的控制5.渗透压的控制6.溶解氧的控制第四章P1351．细胞破碎的方法主要有哪些？各有何特点？机械破碎法：通过机械运动产生的剪切力，使组织、细胞破碎（捣碎法，研磨法，匀浆法）物理破碎法：通过物理因素的作用（温度差破碎法，压力差破碎法，超声波破碎法）化学破碎法：通过化学试剂对细胞膜的作用（添加有机溶剂，添加表面活性剂）酶促破碎法：通过细胞本身的酶系或外加酶制剂的催化作用，使细胞外层结构受到破坏（自溶法，外加酶制剂法）2．试述酶提取的主要方法。

第五章第1节降低化学反应活化能的酶一、酶的作用和本质一、教材分析新陈代谢是生物体进行一切生命活动的基础，而新陈代谢的进行又离不开酶的催化作用，因此，了解酶的作用和本质，为理解细胞中复杂的生命活动的顺利进行奠定了基础。

本节内容还与选修模块的相关内容有着内在联系。

例如，选修模块中有关酶的应用等，都是以“酶与代谢”部分的相关内容为基础的。

此外，学生通过有关酶的的探究性学习活动获得的技能，对进一步学习生物技术实践等知识起到保证作用。

二、教学目标1. 知识目标（1）、说明酶在细胞代谢中的作用、本质。

（2）、阐述细胞代谢的概念2. 能力目标（1）、通过自主学习，培养学生推理、比较、分析、归纳总结的能力。

（2）、通过有关的实验和探究，学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验。

（3）、在有关实验、资料分析、思考与讨论、探究等的问题讨论中，提高运用语言表达的能力以及分享信息的能力。

3. 情感态度与价值观目标（1）、通过阅读分析“关于酶本质的探索”的资料，认同科学是在不断的观察、实验、探索和争论中前进的，。

认同科学家不仅要继承前人的科研成果，而且要善于吸收不同意见中的合理成分，还要具有质疑、创新和勇于实践的科学精神和态度。

（2）、通过小组间的讨论、合作与交流，培养学生的合作互助精神。

（3）、通过让学生了解酶的发现过程，使学生体会实验在生物学研究中的作用和地位；通过讨论酶在生产、生活中的应用，使学生认识到生物科学技术与社会生产、生活的关系。

三、教学重点和难点1、教学重点：酶的作用、本质2、教学难点：酶降低化学反应活化能的原理四、学情分析学生通过初三、高一阶段化学的学习，对于纯化学反应已比较熟悉，但是对于细胞内部的化学反应及生物催化剂──酶的认识有限。

工业制氨的化学反应是在高温高压并且催化剂作用下进行的，细胞内部却是常温常压的温和状态，而细胞代谢包括一系列的化学反应，这些化学反应的进行应该有生物催化剂──酶的参与，才能使其高效有序的进行，由此从学生熟悉的知识引入对酶相关知识的学习。

有机介质中的酶催化名词解释
有机介质中的酶催化是指酶在有机介质中催化生物化学反应的过程。

有机介质是指由有机化合物构成的溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮等。

酶是一种特殊的蛋白质，能够加速化学反应的速率并降低反应所需的能量。

在有机介质中，酶的活性和稳定性与在水中不同，因此需要对酶的反应条件进行调整。

有机介质中的酶催化具有以下优点：
1. 扩大了酶反应的适用范围，使得一些水溶性的酶可以应用于有机反应中。

2. 由于有机介质具有较小的极性，因此可避免水分子的竞争，使得酶催化反应的效率更高。

3. 有机介质中的酶催化可以降低反应温度和反应时间，提高反应产物的纯度。

但是，有机介质中的酶催化也存在一些限制和挑战，如：
1. 有机介质的溶解度和毒性可能会影响酶的活性和稳定性，因此需要进行优化和评估。

2. 酶的选择和修饰需要考虑有机介质的特性和反应条件，以提高催化效率和选
择性。

综上所述，有机介质中的酶催化是一种有潜力的生物催化技术，可以扩大酶催化反应的适用范围和提高反应效率，但仍需要进一步研究和优化。

“酶的作用和本质”教学设计1 教材分析“酶的作用和本质”是人教版高中《生物》必修一第五章第一节“降低化学反应活化能的酶”中的第一课时，酶作为生物催化剂，细胞内部的物质转换和能量转换都离不开它。

另外，这部分内容与选修模块的相关内容有着内在联系，例如，选修1中有关酶的应用、微生物发酵、蛋白质的提取和分离、生物净化原理和方法等，都是以“酶与代谢”的相关内容为基础的。

所以，只有真正理解了酶的作用和本质，才能更好地理解后续章节“细胞呼吸”和“光合作用的原理和应用”中涉及到的一系列酶促反应，也才能为选修部分的学习打下良好的基础。

2 教学问题诊断在教材中，“酶的本质”的科学探究历程中，大段的文字有时让学生缺乏学习兴趣，因此，将这一部分内容编排成一则短剧，调动学生的积极性，就能起到很好的效果。

“酶的作用”是通过“比较过氧化氢在不同条件下分解”的探究实验来论证的，在学生亲自动手实验的过程中，对变量的控制和对照的设置往往顾此失彼。

但是，只要教师能够恰当的“诱”（如：事先制作好实验过程和现象记录的表格，清晰明了，就不容易出错了。

），学生积极地“思”，就能够运用所学知识和已有的实验技能，通过合作、交流等达到预期的学习目标。

3 教法特点及预期效果分析本节课采用“自主合作、探究”的教学方法和建构教学法，让学生小组合作学习完成实验，经历与科学家研究相似的再发现过程，充分感知知识的形成过程，内化知识，形成能力、情感和价值观。

4 教学目标4.1知识目标说明酶在细胞代谢中的作用、本质。

4.2能力目标学会实验探究基本方法；学会分析、设置实验自变量；观察和检测因变量以及对照设置方法等。

4.3情感态度与价值观目标通过回顾科学家对酶本质的探索历程，认同科学是在不断地观察、实验、探索和争论中前进的。

5 教学重点与难点5.1教学重点1. 酶在细胞代谢中的作用、本质。

（酶作为生物催化剂，细胞内部的物质转换和能量转换都离不开酶的催化作用，因此引导学生掌握酶的作用和本质，理解酶在代谢中的作用就显得非常重要）2. 控制变量的科学方法。

溶剂组成对酶催化反应影响的研究酶催化是生物体内许多反应的基本过程。

酶催化反应的速率和选择性都受到很多因素的影响，其中溶剂组成是最重要的因素之一。

随着科学技术的进步，现代化合物的合成和制备，更加深入地探究溶剂组成对酶催化反应影响的研究成为了热门话题。

下面将对溶剂组成对酶催化反应的影响进行探讨。

一、溶剂组成对酶催化反应动力学的影响大多数酶催化反应都是在生物体内进行的，并且这些反应的速率和效率受到许多因素的影响。

其中最主要的因素就是溶剂组成，这直接影响了酶与底物之间的互作用和反应速率。

溶剂不仅可以影响酶的构象和稳定性，还可以调节底物与酶分子之间的亲和性，从而影响反应的速率与效率。

实验证明，溶剂组成对酶催化反应速率和选择性有着显著的影响。

二、常见的溶剂对酶催化反应的影响1.水水是最常见的溶剂之一，也是生物体内最重要的溶剂。

酶催化的反应中，水的作用是增加反应中间体的稳定性，从而促进反应的进行。

相比其他溶剂，在水中进行的反应通常是高效、高选择性的。

2.有机溶剂除了水之外，有机溶剂是广泛应用于溶剂组成研究的一类溶剂。

相较于水，有机溶剂具有较低的介电常数、较高的极性和较小的分子体积，这意味着它们具有更小的功率。

有机溶剂对酶催化反应的影响主要体现在三个方面：1）对酶蛋白质及其活性的影响；2）对底物分子的亲和性和反应效率的影响；3）对产物选择性和产率的影响。

3. 离子液体离子液体是最近才被人们广泛研究的一种有机溶剂，这种溶剂的主要特点是可调节的分子组成和物理化学特性。

离子液体不但可以稳定蛋白质构象，还可以通过改变离子液体成分调节酶催化反应的速率、选择性和产率。

三、总结与展望虽然已经证明了溶剂组成对酶催化反应的影响，但是这个领域仍然有很多待探索的问题。

例如，如何通过溶剂组合来提高反应的产率和选择性？如何在非生物体系中应用溶剂组成调节催化反应的速率和效率？这些问题都需要更系统的实验与理论研究来深入探索。

相信未来，随着化学、生物技术的不断发展与完善，在探究溶剂组成对酶催化反应影响的过程中，会发现更多有意思的现象和规律。

有机溶剂中酶催化活性研究进展摘要：酶在有机溶剂中催化作用的研究日益受到重视，其应用范围也越来越广。

本文就有机介质中酶催化的影响因素进行了探讨，并归纳出提高酶活性的一系列方法，最后简要介绍了有机溶剂中酶的应用。

关键词：有机溶剂；酶催化一直以来，人们认为“生物催化必须在水溶液中进行”、“有机溶剂是酶的变性剂、失活剂”，而1984年，Klibanov[1]提出:“只要条件合适，酶在非生物体系的有机溶剂中同样具有催化功能”的理论使酶学概念发生了革命性的改变，并由此开创了非水相生物催化（非水酶学）的新时代。

1 有机溶剂中酶催化反应的优势研究表明，有机溶剂中的酶和水溶液中的酶一样具有高度的底物选择性。

此外，还有以下一些特点[2, 3]: （1）绝大多数有机化合物在非水系统内溶解度很高；（2）根据热力学原理，一些在水中不可能进行的反应，有可能在非水系统内进行；（3）有机溶剂可促使热力学平衡向合成方向（如酯合成、肽合成等）移动，如脂肪酶在水中催化脂肪水解，而在有机溶剂中则催化酯合成；（4）在有机溶剂中，所有有水参与的副反应（如酸酐水解）将受到抑制；（5）在有机溶剂中酶的热稳定性显著提高，可通过提高温度加速催化反应进行；（6）从非水系统内回收反应产物比水中容易；（7）在非水系统内酶很容易回收和反复使用，不需要进行固定化；（8）在有机溶剂中不易发生微生物污染；（9）更为重要的是，低水环境可用于稳定具有未知催化性质的构象异构体，以及在水中寿命极短的酶反应中间体。

目前，有机溶剂中酶催化的上述优势使得非水酶学研究成为生物化学、有机化学、生物工程等多种学科交叉的研究热点。

迄今发现能在有机溶剂中发挥催化功能的酶有十几种，主要集中于脂肪酶研究，催化的反应类型包括氧化、还原、酯合成和酯交换、脱氧、酞胺化、甲基化、羟化、磷酸化、脱氨、异构化、环氧化、开环聚合、侧链切除、缩合及卤代等。

2 影响酶催化活性的因素一直以来有机相酶催化的研究非常活跃，但到目前为止仍处于实验研究阶段，离工业化应用还有一定的距离，最大的原因就是酶在有机溶剂中活性较低。

高一生物必修一第五章知识点高一生物必修一第五章(一)第五章细胞的能量供给和利用第一节降低反响活化能的酶一、细胞代谢的概念：细胞内每时每刻进行着许多化学反响，统称为细胞代谢。

特点：1、一般都需要酶的催化 2、在水环境中进行3、反响条件温和4、一般伴随着能量的释放和储存二、实验：比拟过氧化氢酶在不同条件下的分解无机催化剂：三价铁离子(生锈的铁钉)有机催化剂：过氧化氢酶(肝脏研磨液、土豆浸出液)1号试管：2ml过氧化氢溶液2号试管：2ml过氧化氢溶液水浴加热到90摄氏度3号试管：2ml过氧化氢溶液+三价铁离子4号试管：2ml过氧化氢溶液+过氧化氢酶实验结论：1、加热促使过氧化氢分解，是因为加热使过氧化氢分子得到能量，从常态转化为容易分解的活泼状态。

2、Fe3+和过氧化氢酶促使过氧化氢分解，是降低了过氧化氢分解的活化能。

3酶具有催化作用，并且催化效率要比无机催化剂Fe3+高得多活化能：分①没有酶催化的反响曲线是b②有酶催化的反响曲线是a③AC段的含义是在无机催化剂的条件下，反响所需要的活化能④BC段的含义是酶降低的活化能⑤假设将酶催化改为无机催化剂催化该反响，那么B点在纵轴上将向上移动三、控制变量法：变量、自变量(人为改变的变量)、因变量(随着自变量的变化而变化的变量)、无关变量的定义。

对照实验：除一个因素外，其余因素都保持不变的实验。

原那么：对照原那么，单一变量的原那么。

四、酶的概念：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。

1、酶的特性：专一性(脲酶分解尿素成氨和二氧化碳、蛋白质分解蛋白质)高效性(酶的催化效率高于无机催化剂)作用条件较温和(最适温度，最适pH)2、影响酶活性的条件(要求用控制变量法，自己设计实验)建议用淀粉酶探究温度对酶活性的影响，用过氧化氢酶探究PH对酶活性的影响。

探究温度对唾液淀粉酶活性的影响子从常态转变为容易发生化学反响的活泼状态所需要的能量。

注意：①不能用过氧化氢酶探究温度对酶的影响，因为过氧化氢高温分解②探究温度对酶的影响不能用斐林试剂，斐林试剂检测复原糖需要加热③斐林试剂和碘液不可检测pH，斐林试剂和酸反响，碘液和碱反响五、影响酶促反响的因素1、温度：高温使酶失活。

第五章细胞的能量供应和利用第一节降低反应活化能的酶1、细胞代谢：细胞内每时每刻进行着许多化学反应，统称为细胞代谢.2、活化能：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。

3、酶的作用：催化作用4、使化学反应加快的方法：加热：通过提高分子的能量来加快反应速度；加催化剂：通过降低化学反应的活化能来加快反应速度；同无机催化相比，酶能更显著地降低化学反应的活化能，因而催化效率更高。

5、酶的概念：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。

6、酶的特性：高效性：酶的催化效率是无机催化剂的107－1013 倍专一性：每一种酶只能催化一种或一类化学反应酶的作用条件较温和：酶在最适宜的温度和PH条件下，活性最高。

7、影响酶促反应的因素（1）酶浓度对酶促反应的影响：酶促反应的速率与酶浓度成正比，如图1 所示。

图一图二图1 图2（2）底物浓度对酶促反应的影响：刚开始反应速度随底物浓度增加而加快,之后再增加底物浓度，反应速率也几乎不变，如图2所示。

（3）pH值对酶促反应影响：刚开始反应速度随着pH值升高而加快，达到最大值后反应速度随着pH值升高而下降。

反应速率最大时的pH值称为这种酶的最适pH 值。

如图3所示。

图三图四图3 图4（4）温度对酶促反应的影响：刚开始反应速率随温度的升高而加快；但当温度高到一定限度时，反应速率随着温度的升高而下降，最终，酶因高温使空间结构遭到破坏失去活性，失去了催化能力。

如图4所示。

8、实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解比较过氧化氢酶在不同条件下的分解（1）实验分析：1号与2号比较自变量为水浴加热，1号与3号、4号比较自变量为3号加入三氯化铁、4号加入肝脏研磨液(即催化剂种类)（2）实验结论：酶具有催化作用，并且催化效率要比无机催化剂Fe3+高得多（3）控制变量：自变量（实验中人为控制改变的变量）因变量（随自变量而变化的变量）、无关变量（除自变量外，实验过程中还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响）。

有机溶剂中脂肪酶催化酯交换反应的研究脂肪酶在有机溶剂中催化酯交换反应(PECE)是一个丰富的课题，可以应用在制药，食品，日化产品，化工以及材料科学等诸多领域。

此类反应有独特的优势，如：简洁的反应条件，绿色性，高效率以及催化反应等。

以脂肪酶为催化剂用于有机溶剂中PECE反应的研究，对于扩大应用范围，有利于实现节能减排的目的，被作为绿色化学的重要研究方向。

脂肪酶的特性及功能脂肪酶是一类可以分解脂肪或酯的酶。

它们结构复杂，组成由蛋白，素及维生素等多种有机物组成，并能进行酶的特性的反应。

脂肪酶分解脂肪，利用它们产生的能量进行水解反应，释放出活性物质，如呋喃醇，脂肪盐酸以及酯化反应产物，达到将脂肪水解分解成脂肪酸及醇的目的。

脂肪酶在有机溶剂中催化酯交换反应开展脂肪酶在有机溶剂中催化酯交换反应，有助于提高反应效率和反应工艺特性。

首先，脂肪酶能够有效地促进混合物中芳香醚和脂肪酰基酯的混合，从而形成新的有机酯。

其次，脂肪酶可以有效地催化混合物中脂肪酰基酯的水解，并能快速达到反应平衡。

最后，脂肪酶的存在有助于混合物的易分甘油的分解，避免因太多长链脂肪酰基酯造成的反应抑制，使反应可以快速进行。

反应机理及条件脂肪酶在有机溶剂中催化PECE反应的机理主要是通过脂肪酶形成酯过氧化物，再通过水解反应或酯酶-催化的反应，将原酯分解成脂肪酸和新的有机酯。

脂肪酶在有机溶剂中催化的PECE反应的关键反应参数包括pH值，反应温度，脂肪酶的活性和抑制剂的添加。

实验结果与分析实验中，脂肪酶在有机溶剂中催化PECE反应能够达到较高的收率，其反应比例在pH值，反应温度，脂肪酶的活性及抑制剂的添加等反应参数的改变下可达到明显变化。

在实验中，随着反应时间的延长，反应收率也随之提高，表明脂肪酶能有效地催化PECE反应，且可以达到较高的反应效率。

结论脂肪酶在有机溶剂中被证明能够有效地催化PECE反应，及达到较高的反应收率，且具有绿色化学特性。

此外，此类反应也可以在能源消耗，材料收率以及碳排放等方面节约能源，实现减排，以及达到绿色制造的目的。

药　物　生　物　技　术Pharmaceutical Biotechnology　2002,9(6):374～377酶在有机溶剂中的生物催化性能及其固定化技术Ξ刘建国1,程克棣1,欧阳藩2(1.中国医学科学院、中国协和医科大学药物研究所,北京100050;2.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室,北京100080)摘　要　在有机相中,酶具有与其在水相中相同的晶体结构,能够正确折叠和恢复活性,其活性严重依赖于干燥前水相的pH值,并受有机溶剂中水含量的影响。

有机介质中水分子的存在对于保持天然蛋白质的活性构象和控制蛋白质表面基团的离子化状态具有重要作用。

盐种类及有机介质对有机相中酶催化反应的对映体选择性有重要的影响。

酶经固定化后,底物在酶分子间的传质阻力减少,酶活得以增大。

固定化酶介质对固定化酶活具有较大的有影响。

文章还介绍了有机相中固定化酶的新方法。

关键词　酶;有机溶剂;生物催化;固定化中图分类号:Q55 文献标识码:A 文章编号:1005-8915(2002)06-0374-04 最近几年,无水介质中生物催化剂的问题吸引了世界各地研究工作者的注意,使这一领域的研究获得了巨大的进展。

在生物催化反应中以有机溶剂作为反应介质证明是一种非常有效的扩大生物催化实际的应用范围和效率的方法。

因为这样可以增加亲脂性底物的溶解性,使一些在水相中无法进行的反应在有机相中得以进行。

有机相中酶学研究的不断深入,大大推动了酶化学技术在药学、有机合成化学等学科中的应用和发展。

1　酶在有机溶剂中的催化性能及影响因素1.1　有机溶剂对酶结构的影响有机相中酶学的一个重要问题是酶接触的有机溶剂是如何影响酶分子的结构的。

S chm itke等[1]利用X2射线晶体图谱的方法研究了轻度交联的枯草杆菌素在无水介质中的晶体结构,结果发现,无水介质中的全酶结构及活性位点与在水、其它有机溶剂及无水乙腈中完全一致。

利用傅立叶转换红外光谱(FTIR)波谱图的研究结果与X衍射研究结果完全吻合[2]。

酶:有催化功能的生物大分子分为:蛋白酶(P酶)和核酸类酶(R酶)(主要由RNA组成)酶的特点:催化效率高、专一性强、作用条件温和酶工程主要内容：微生物细胞发酵产酶、动植物细胞培养产酶、酶的提取与分离纯化，酶分子的修饰，酶，细胞和原生质体固定化、酶的非水相催化、酶反应器和酶的应用酶的催化效率比非酶催化反应高107~1013倍酶催化作用的影响因素：底物浓度、酶浓度、温度、Ph 值、激活剂浓度、抑制剂浓度酶在60度以上易失活常见激活剂：ca、mg 、co、zn 、mn 、cl（α——淀粉酶），钴离子和镁离子是葡萄糖异构酶的激活剂酶的命名：国际酶学委员会ICE ：推荐名和系统名推荐名：底物名+催化反应类型+酶（水解酶类可省略反应类型名，只在底物后加酶字即可）系统名：作用底物+酶的作用基团+催化反应类型按酶的催化作用类型将蛋白酶分为6大类：氧化还原酶，转移酶，水解酶，裂解酶，异构酶，合成酶将R酶分为：剪切酶、剪接酶、多功能酶还可以由酶的底物是RNA分子还是其他分子，可将R酶分为分子内催化和分子间催化酶活力：是指在一定条件下，酶所催化的反应初速度。

酶催化反应速度，通常用单位时间t内底物S的减少量或产物P的增加量来表示1961年国际生物化学与分子生物学联合会规定：在特定的条件下（温度可采用25摄氏度，pH值等条件均采用最适条件），酶1min催化1umol的底物转化为产物的酶量定义为1个酶活力单位，这个单位称为国际单位（IU）。

国际上另一个常用的酶活力单位是卡特（kat），在特定条件下酶1s催化1mol底物转化为产物的酶量定义为1kat 酶的比活力，是指在特定的条件下，单位重量(mg)蛋白质或RNA所具有的酶活力单位数。

固定化酶：与水不溶性载体结合，在一定的空间范围内起催化作用的酶酶的提取：在一定条件下，用适当的溶剂处理含酶原料，使酶充分溶解到溶剂中的过程。

酶提取注意事项：1、目标酶分子的特性及其物理、化学特性，2、酶分子和杂质的主要性质差异，3、酶的使用目的和要求，4技术实施的的难易程度，5、分离成本的高低，6、是否会造成环境污染。