《酶工程第一章绪论》PPT课件

编著，科学出版社，2009
课 程 简 介
教材和教学参考书
教学参考书
《酶工程》（第二版），罗贵民主
Enzyme Engineering
编，化学工业出版社，2008
《现代酶学》（第二版），袁勤生
主编，华东理工大学出版社，2001
《酶学原理与酶工程》，周晓云主
编，中国轻工业出版社，2007
专一性：一定条件下，一种酶只能催化一种或一类结构相似的底
物进行某种类型反应的特性。
绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一种反应。 相对专一性：一种酶催化一类结构相似的底物进行某种相同类型
的反应。
Enzyme Engineering
绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一种反应
构型专一性
—— 酶作用动力学说的提出
（亨利）—— 中间产物学说
ES
k2
1902年，Henri

E+S
k1 k-1
E+P
底物转化成产物之前，必须先与酶形成复合物
1913年，Michaelis（米彻利斯）和Menten
（曼吞）根据上述学说，推导出酶促反应动力 学方程 —— 米氏方程

V=
K m + S
考核方式
期末笔试（闭卷）
课 程 简 介
课程主要内容

Enzyme Engineering
酶和酶工程概论（第一章） 酶的生产
微生物发酵产酶（第二章）
动植物细胞培养产酶（第三章） 酶的提取与分离纯化（第四章）

酶的改性
酶分子修饰（第五章）
酶、细胞、原生质体固定化（第六章） 酶非水相催化（第七章） 酶定向进化（第八章）

主要由RNA或DNA组成，称为 核酸酶（R酶）。
精品医学
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1.2 关于酶工程Enzyme Engineering
酶工程是生物工程的主要内容之一。
是随着酶学研究的迅速发展特别是酶的应用 推广使酶学和工程学相互渗透，结合而发展 成的一门新的科学技术，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交 叉学科。
非蛋白酶
印记酶(imprinting enzyme)
核酶(ribozyme, RNAzyme)
脱氧核酶(detoxribozyme, DNAzyme)
精品医学
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1.4 酶与酶工程的研究趋势
从发展方向分析，今后十年酶与酶工程 领域的研究热门有以下几方面：
酶结构与功能的研究 生物催化过程的研究 改造酶的催化特性及新酶设计 应用酶工程
是酶工程在分子水平上的体现。 分子酶学工程包括在分子水平认识酶的基础
上改进、模拟酶和全新设计酶。 分子酶学工程的内涵是以天然酶的结构与功
能为基础，以酶分子工程为核心，研究工程 酶的理论、策略和方法，研究工程酶的催化 效率和机制，开发酶的新功能、新性质，发 现和创造经济实用的新型生物催化剂。
精品医学
分子酶学工程的出现表明人们已经按照
自己的意图来改进、模拟和设计新酶并
且正在有效地把工程酶应用于经济建设
和科学技术研究中去。
精品医学
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分子酶学工程的基本策略和方法
分子酶学工程研究主要涉及三个相互关系的 内容：
❖ 一是发展构建工程酶的理论、策略和方法； ❖ 二是在考察和研究生物多样性的基础上发现
30
分子酶学工程的概念
分子酶学工程可以看做是蛋白质工程 （包括分子进化）和酶工程相融合所产 生的一门科学技术。

酶工程第一章绪论
第一节 酶的基本概念与发展历史
酶的存在及作用的认识： 1833年：发现淀粉酶 19世纪中叶：糖发酵产酒与活酵母有关 1878年：给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个
字来自希腊文，其意思是“在酵母中”。 1897年，德国巴克纳Buchner兄弟发现不含细胞的
酵母提取液也能使糖发酵，说明发酵与细胞的活 动无关，从而说明了发酵是酶作用的化学本质， 为此Buchner获得了1907年诺贝尔化学奖。
体异构专一性。如：蔗糖酶、麦芽糖酶。 立体异构专一性： 当作用的底物含有不对称碳原子时，酶只能作用
于异构体的一种。如：乳酸脱氢酶。 核酸类酶也具有绝对专一性。
酶工程第一章绪论
1、绝对专一性
酶工程第一章绪论
2、相对专一性
相对专一性概念： 一种酶能够催化一类结构相似物质进行某种相同
类型的反应。 （1）基团专一性 要求底物含有某一相同的基团。
命名。 两类酶的命名差别： 蛋白类酶只能催化其他分子进行反应，而核酸类
酶既可以催化酶分子本身也可以催化其他分子进 行反应。
酶工程第一章绪论
第四节 酶的分类与命名 注意：顺序
蛋白类酶的种类：
不要搞错！
氧化还原酶类 Oxidoreductases
转移酶类
Transgerases
水解酶类
Hydrolases
五、抑制剂的影响 可逆抑制剂 不可逆抑制剂
竞争性抑制剂 非竞争性抑制剂 反竞争性抑制剂
六、激活剂的影响 激活剂：金属离子、无机负离子、蛋白酶等。
酶工程第一章绪论
第四节 酶的分类与命名
按照分子中起催化作用的主要组分的不同，酶可 以分为蛋白类酶（P酶）和核酸类酶（R酶）。
命名总原则： 根据酶作用的底物和催化反应的类型进行分类和

和 酶
1876年
酶--源于希腊语，意为"在酵母中"
工 程
1883年
食物中蛋白质的测定
概 1894年
加酶食品的第一次商业化生产
述
1894-1913年 科学家建立“钥匙-锁理论”
1908-1913年 在皮革软化过程中酶取代粪便
1914年
第一次生产出浓缩洗衣皂
1926年
科学家发现酶是蛋白质
.
19
1941-1943年 生产胰岛素和胰蛋白酶的新方法
来源
用途
胰脏、麦芽、微生物 胰脏、胃、植物、微生物
胰脏、微生物 霉菌 蛋清、细菌 人尿 链球菌 蜡状芽孢杆菌 大肠杆菌 微生物，植物，动物 动物，蛇，细菌，酵母等 细菌 微生物 细菌 蚯蚓 胰脏 胰脏 牛肾
治疗消化不良，食欲不振
治疗消化不良，食欲不振，消炎，消肿，除去坏死 组织，促进创伤愈合，降低血压
成不足，出现皮肤“白化病”。
.
5
酶催化的生物化学反应，称为酶促反应 （ Enzymatic reaction ）
在酶的催化下发生化学变化的物质，称 为底物（ substrate ）
.
7
（二）酶在生命体内的重要性
第 一
1、催化生物代谢过程中的各种生化反应，
节 酶
以维持正常的生命活动。
和 酶
2、核酸合成、复制要靠酶；出了差错，要
溶血栓
治疗动脉硬化，降血脂
抗感染，祛痰，治肝癌 治疗痛风
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天冬酰胺酶→治疗白血病
L-门冬酰胺
L
天冬酰胺酶 水解
L-门冬氨酸+NH3
• 天冬酰胺酶能将血清中的门冬酰胺水解，而门冬酰胺 是细胞合成蛋白质及增殖生长所必需的氨基酸；

酶工程的研究内容
酶的性质和功能研究酶的催化机制研究 酶的工程化改造研究 酶的工业应用研究
酶工程的应用领域
生物医药：用于药物合成、基因工程、 生物制药等领域
食品工业：用于食品加工、食品添加剂、 食品保鲜等领域
生物能源：用于生物燃料、生物发电等 领域
环境保护：用于污水处理、废物处理、 环境监测等领域
环境保护：固定化酶在 环境保护领域也有应用， 如酶催化污水处理、酶 催化土壤修复等。
生物传感器：固定化酶 在生物传感器领域也有 应用，如酶催化生物传 感器、酶催化生物检测 等。
酶反应器和酶传 感器
酶反应器的类型和特点
固定床反应 器：结构简 单，操作方 便，但传质 效果较差
流化床反应 器：传质效 果好，但设 备复杂，操 作难度大
酶反应器和酶传感器的设计和优化
酶反应器设计：考虑酶的活性、稳 定性、反应条件等因素
优化方法：通过实验和数据分析， 优化酶反应器和酶传感器的性能
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
酶传感器设计：选择合适的酶、传 感器材料和信号处理方法
应用领域：生物制药、环境监测、 食品加工等领域
酶工程的未来发 展与挑战
添加标题
按照酶的催化机制分 类：共价催化酶、非 共价催化酶
添加标题
按照酶的底物特异性 分类：单底物酶、双 底物酶、多底物酶
添加标题
按照酶的催化反应类 型分类：氧化还原酶、 转移酶、水解酶、裂 解酶等
酶的性质
酶是一种生物 催化剂，能够 加速生物化学
反应的速度
酶具有高度的 特异性，只能 催化特定的化
学反应
食品工业领 域：酶在食 品加工、食 品保鲜、食 品添加剂等 方面的应用

酶的生物合成是一个复杂的过程，需要多种酶的参 与和调控。这些酶的作用包括提供能量、合成原料 、修饰和加工等，以确保酶的正确合成和功能。
酶的生产方式
01 02
微生物发酵
通过微生物发酵生产酶是一种常见的方法。不同微生物具有不同的代谢 途径和酶系，可以产生不同类型的酶。通过选择适当的微生物和发酵条 件，可以大规模生产酶。
酶的分离纯化
通过各种分离纯化技术手段，从生物材料中 提取和纯化酶。
酶的改造
通过基因工程技术手段对酶进行改造，以提 高酶的催化效率和稳定性。
酶的固定化
将游离酶或细胞固定在特定载体上，实现酶 的重复利用和连续化生产。
酶的生产与应用
通过生物工程技术手段实现酶的工业化生产， 并将其应用于各个领域。
酶工程的应用领域
1980年代
随着分子生物学和生物工程技术的迅速发展，酶 工程领域取得了重大突破，实现了酶的大规模生 产和应用。
02
酶的结构与功能
酶的活性中心
02
01
03
酶的活性中心是酶分子中与底物结合并催化反应的区 域，通常由少数几个氨基酸残基组成。
这些氨基酸残基在空间结构上相互接近，形成一个凹 陷的空腔，能够与底物特异结合。
酶的活性中心具有催化作用，能够降低反应的活化能 ，加速化学反应速率。
酶的专一性
酶的专一性是指酶只能催化一 种或一类化学反应的性质。
酶的专一性分为绝对专一性和 相对专一性，绝对专一性是指 酶只催化一种底物反应，相对 专一性是指酶对底物的结构有 一定选择性。
酶的专一性是由酶的活性中心 决定的，活性中心的空间结构 和化学组成决定了酶对底物的 选择性。
03
拓展酶的应用领域，将酶应用 于生物医药、食品工业、纺织 工业等领域，提高产品质量和 降低环境污染。

酶工程
第二章 酶动力学
第一节 酶促反应动力学
一、单底物动力学
k3在单底物酶促反应中，底物（S）首先与酶（E）结合，生成底物和酶的复合物 （ES），然后复合物分解，形成产物（P）并释放出酶，这个过程可表示如下：
式中酶与底物形成复合物的反应是可逆反应，正反应和逆反应的速度常数分别 为k1、k2，复合物分解为产物与酶的反应是不可逆反应，速度常数为k3。
第三节 酶的组成、分类与命名
一、酶的组成
除少数已经鉴定的具有催化活性的RNA分子外，几乎所有的酶都是蛋白质，所 以和其他蛋白质一样，酶也具有四级空间结构形式。根据酶的组成成分可以将酶分 为三类：
1.单体酶 单体酶是指仅有一个活性部位的多肽链构成的酶，其分子量在13000～35000之间。 这类酶很少，且都是水解酶，如胰蛋白酶等
第三节 酶的组成、分类与命名
六、大类酶简介如下：
1.氧化还原酶（oxido-reductases） 氧化还原酶催化氧化还原反应，其催化反应的通式为
被氧化的底物（A-）为氢或电子供体，被还原的底物（B）为氢或电子受体。系 统命名时，将供体写在前面，受体写在后面，然后再加上氧化还原酶字样，如黄嘌 呤：氧化还原酶（习惯名为黄嘌呤氧化酶）。
2H2O2======2H2O + O2 在一定条件下，1mol铁离子可催化10－5mol过氧化氢分解；相同条件下，1mol 过氧化氢酶则可催化105mol过氧化氢分解，过氧化氢酶的催化效率是铁离子的1010 倍。
第二节 酶催化作用的特点
二、专一性
酶的专一性是指在一定的条件下一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进 行某种类型反应的特性。这是酶最重要的特性之一，也是酶与其他非酶催化剂最主 要的不同之处。酶催化的高度专一性是酶在各个领域广泛应用的重要基础。不同的

工业生物技术 （生物催化）
动力学 反应工程 反应器设计
采矿
药物 食品、营养 动物饲料 植物保护 造纸和纸浆 化学品
以生物催化法合成的主要产 品
产品名称
产量
丙烯酰胺
10万吨/年
聚乳酸
1.3万吨/年
阿斯巴甜
2万吨/年
生物柴油与汽油
1000万吨/年
抗菌素中间体6－APA
0.9万吨/年
趋势判断和需求分析
开发生物催化剂：催化性能更好、更快，成本更低 开发生物催化剂工具合：催化反应更广泛，功能更多
样 改善性能: 稳定性, 活性，溶剂兼容性 开发分子模型: 新酶的快速重新设计 创造新技术: 用于新生物催化剂的开发
生物催化剂工程技术瓶颈
对生物催化剂作用机理缺乏深入的认识 对次级代谢产物代谢途径（包括途径间相互关系）缺
新兴、前沿学科往往在学科交叉中产生
生物技术的具体应用
生物技术
医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术 环境生物技术 材料生物技术
。 。 。 。
生物技术产业化的三个浪潮
医药生物技术 农业生物技术 工业生物技术
医药生物技术产业
1982年重组人胰岛素上市 至2000年已有基于48种重组蛋白的117种基因工程
乏理解 细胞工程化的方法十分有限（即代谢工程） 生产酶和辅因子的成本过高
当前生物催化的研究热点
新酶或已有酶的新功能的开发 根据已有底物开发新的酶反应 利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能 利用重组DNA技术大规模生产生物催化剂 利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系 体内或体外合成的多酶体系 克服底物和产物抑制 精细化工品或医药合成技术的放大 辅因子再生 生物催化剂的修饰
生物催化剂的固定化