第一章讲义酶学与酶工程

（二）国际系统命名
➢ 基本原则：明确标明酶的底物及催化反应的性质（底物为 水时可略去不写）。
➢ 举例：
谷丙转氨酶的系统名 称 ： 丙 氨 酸 :- 酮 戊 二酸 氨基转移酶
丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶
（三）国际系统分类法及编号（EC编号）
（1）按反应性质分六大类，用1、2、3、4、5、 6表示：氧、转、水、裂、异、合；
1、 酸碱催化
➢ 酶分子的一些功能基团起瞬时质子供体或质子受体的作用。 分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。
➢ 狭义的酸碱催化剂即是H+与OH-
广义的酸碱是指能供给质子(H+)与接受质子的物质。可作为 广义酸碱的功能基团：氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基。
➢影响酸碱催化反应速度的两个因素：
⑴酸或碱的强度。组氨酸咪唑基的解离常数 为6，在pH6附近（中性溶液）有一半以质 子供体（酸）形式存在，另一半以质子受 体（碱）形式存在。
当然酶工程的研究不是孤立的,而是与各个 学科相互关联、相互渗透、相互促进的。
(3)酶工程的内容
酶工程主要指酶制剂在工业上的大规模应用 及其相应的研究，由以下部分组成: ① 酶的生产； ② 酶的分离纯化； ③ 酶的固定化； ④ 酶分子的改造和修饰 ⑤ 酶抑制剂的研究 ⑥ 生物反应器。
化学酶工程和生物酶工程
萨姆纳,J.B. 美国生物化学家 1946年诺贝尔化学奖
1958年，Koshland提出了“诱导契合”理 论，以解释酶的催化理论和专一性。
1965年Phillips首次用X射线晶体衍射技术 阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。
80年代初Cech和Altman分别发现了核酶 (ribozyme), 开辟了酶学研究的新领域, 1989年共同获得诺贝尔化学奖。
我国酶制剂工业诞生于1965年。现有100多 家生产厂，最大的是无锡酶制剂厂。万吨以 上企业有10家。品种有20多种，应用在食品、 饲料、制革、洗涤剂、纺织、酿造、造纸、 医药等许多行业。
使用的酶制剂类型:
一类是水解酶类
淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、 果胶酶、乳糖酶等,占有市场销售额的 75%以上。
➢ 1：氧化还原酶 2：转移酶 ➢ 4：裂合酶 5：异构酶
3：水解酶 6：合成酶 (连接酶)
（2）根据底物中被作用的基团或键的特点， 将每一大类分为若干个亚类，编号用1、 2、3等；
（3）每个亚类又可分为若干个亚一亚类， 用编号1、2、3表示。
➢ 酶的编号由4个数字组成，中间以“·”隔开。 第一个数字表示大类，第二个数字表示亚类， 第三个表示亚-亚类，第四个数字表示在亚-亚 类中的编号。
(1) 酶有其原来的形状,不一定一开始就是底物的 模板。
(2) 底物能诱导酶蛋白分子形状发生一定的变化。 (3) 酶分子发生变化后就能与底物互补楔合。 (4) 在酶反应过程中,活性中心构象的变化是可逆
的
诱导契合学说认为:
酶的活性部位在结构上是柔性的而非刚性的 也就是说不固定的,即具可逆性和弹性。
（二）酶的作用机制
1917年,法国人用枯草杆菌产生的淀粉酶作纺织工业 上的退浆剂。
1949年,日本采用深层培养法生产α-淀粉酶获得成 功,使酶制剂生产应用进入工业化阶段。
1959年, 葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡萄糖新工艺 研究成功, 大大地促进了酶在工业上应用的前景。
1953年，德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树 脂重氮化，然后将淀粉酶等与这种载体结 合，制成了固定化淀粉酶。
⑵给出质子或结合质子的速度。其中，咪唑 基给出质子和结合质子的速度十分迅速， 是酶的催化反应中最有效、最活泼的一个 功能基团。
2、共价催化
➢ 酶的某些亲核基团，能迅速与底物形成共价中 间复合物，降低反应的活化能，使反应加速。
➢ 酶亲核基团：Ser-OH，Cys-SH，His-咪唑基 等 底物亲电中心：磷酰基（-P=O），酰基（C=O），糖基（Glc-C-）
（一）酶的化学本质
酶除了少数有催化活性的RNA分子外, 几乎所有的酶都是蛋白质。具有蛋白质 典型性质。同时具有自身的特性。
（二） 酶的化学组成
➢ 单纯酶类(simple enzyme)：仅由蛋白质组成，不含其 它物质，如脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核 酸酶等。
➢ 缀合酶类（conjugated enzyme)：全酶=脱辅酶+辅因 子，二者存在酶才有催化作用；如超氧化物歧化酶 （Cu2＋、Zn2＋）、乳酸脱氢酶（NAD+）
酶结合底物分子,形成酶-底物复合物。 酶活性部位的活性残基与底物分子结合, 转变为过渡态,然后生成产物,释放到溶液 中。游离的酶与另一分子底物结合后,开 始它的又一次循环。
（一）两种模型
1 、 锁 和 钥 匙 模 型 ( lock-and-key model) 1894年Emil Fischer
德国科学家。师从凯库勒。 他发现了苯肼，对糖类、 嘌呤类有机化合物的研究 取得了突出的成就，因而 荣获1902年的诺贝尔化学 奖。
酶分子中 促使底物发生化 学变化的部位称 为催化部位。
酶的活性中心的概念
通常将酶的结合部位和催化部位总 称为酶的活性部位或活性中心。 ✓ 结合部位决定酶的专一性， ✓ 催化部位决定酶所催化反应的性质。
➢ 酶的活性中心包括底物结合部位（决 定酶的专一性）、催化部位（直接参 与催化反应，形成产物）
酶的作用机制
认为整个酶分子的天然构象是具
有刚性结构的，酶表面具有特定的 形状。酶与底物的结合如同一把钥 匙对应一把锁一样。
2、诱导契合模型(induced-fit model) 1958年由Koshland 提出。
认为酶表面并没有一种与底物互 补的固定形状，而只是由于底物的 诱导才形成了互补形状。
随后的X衍射分析实验结果支持这一假说, 比较满 意地说明了酶的专一性。
1.有四级空间结构形式，寡聚酶必须具有 正确的四级结构才有活性。
2、具有活性的酶都是球蛋白,即被广泛折 叠、结构紧密的多肽链,其氨基酸亲水基 团在外表,而疏水基团向内。
三、酶的作用机制
（一）结合部位 Binding site
酶分子中与底物结合的部位或区域一般 称为结合部位。
（二）催化部位 catalytic site
切赫T.R.Cech（1947－） 奥尔特曼S.Altman(1939-)
1986年Schultz与Lerner等人研制成功抗体 酶(abzyme),这一研究成果对酶学研究具 有重要的理论意义和广泛的应用前景。
它集生物学、免疫学、化学于一身，采用 单克隆、多克隆、基因工程、蛋白质工 程等高新技术，开创了催化剂研究和生 产的崭新领域。
化学酶工程指自然酶、化学修饰酶、固定化 酶及化学人工酶的研究和应用
生物酶工程是酶学和以基因重组技术为主的 现代分子生物学技术相结合的产物,主要包括 3个方面:
① 用基因工程技术大量生产酶(克隆酶) ② 修饰酶基因产生遗传修饰酶(突变酶) ③ 设计新的酶基因合成自然界没有的新酶
全世界著名的酶制剂企业有： 丹麦Novozymes公司、美国杰能科国际公司 （Genencor)。
1971年，第一次国际酶工程学术会议在美国 召开，会议的主题就是固定化酶的研制和 应用。
20世纪70年代大规模开展了固定化细胞、辅 酶共固定、增殖细胞固定、动植物细胞固定等 研究。建立多种类型的酶反应器, 酶工程蓬勃 发展。 近20年来，酶分子修饰技术、酶的化学合成以 及酶的人工合成等方面的研究，也在积极地开 展中，从而使酶工程更加显示出广阔而诱人的 前景。
3、邻近效应及定向效应
邻近效应
底物的反应基团与酶的催化基团越靠近, 其反应速度越快。
定向效应
催化基团与底物的反应基团之间的正确 取位，从而提高酶催化反应速度的效应。
4、变形或张力
当特异底物与酶结合时,酶蛋白发生一定构象变 化,与底物发生诱导契合。酶使底物分子中的敏感 键发生变形或张力。
底物形变，利于形成ES复 合物。进一步转换成过渡 态结构，大大降低活化能。
乙醇脱氢酶 EC1.1.1.1 ， 第一个数字表示大类： 氧化还原酶类 第二个数字表示反应基团：醇基 第三个数字表示电子受体：NAD+ 第四个数字表示此酶底物：乙醇。
前面三个编号表明这个酶的特性：反应性质、底物性 质（键的类型）及电子或基团的受体，第四个编号用 于区分不同的底物。
二、酶的组成和结构特点
是酶学和工程学相互渗透结合、发展而成的 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技术。
（2）酶工程的历史
1894年，日本科学家首次从米曲霉中提炼出淀粉酶， 治疗消化不良，开创人类有目的地生产和应用酶 制剂的先例。
1908年,德国科学家罗门等利用胰酶 (胰蛋白酶、胰 淀粉酶和胰脂肪酶的混合物)，用于皮革的鞣制。
➢ 如乳酸脱氢酶等。
3. 多酶复合体
➢ 由几个酶靠非共价键结合而成，其中每一个 酶催化一个反应，所有反应依次进行，构成 一个代谢途径或代谢途径的一部分。
➢ 大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成：
①丙酮酸脱氢酶（E1） ②二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） ③二氢硫辛酸脱氢酶（E3）
（二）酶的结构特点
第一章酶学与酶工程
精品jin
第一节 酶工程概述
1、酶学发展历史
新陈代谢是生命活动的基础,是生命活动 最重要的特征。
约公元前21世纪夏禹时代,人们就会酿酒。 公元前12世纪周代已能制作饴糖和用豆类做 酱。
1810年Jaseph Gaylussac发现酵母可将糖转 化为酒精 。
1833年Payen和Persoz从麦芽得到淀粉酶制 剂(diastase),其意思是“分离” 。首先发 现了酶。
Boyer和walker阐明了ATP合酶(ATP synthase)合成与分解ATP的分子机制,于 1997年获得诺贝尔化学奖。