分子酶工程的研究进展(1)

-----------------------------------Docin Choose -----------------------------------豆 丁 推 荐↓精 品 文 档The Best Literature----------------------------------The Best LiteratureＢＩＯＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＢＵＬＬＥＴＩＮ·综述与专论·２００７年第２期收稿日期：２００６－１０－２５作者简介：王楠（１９８１－），女，硕士，研究方向：食品科学与食品生物技术经过自然界上亿年的发展进化，蛋白质逐渐形成了今天的多种多样的形态。

这些蛋白质适应其自身所处的环境并发挥各自的作用。

其中酶是一种具有催化活性的特殊蛋白质，它在自然界和人类生产、生活中发挥着重大作用。

虽然目前酶的种类很多，但仍无法满足人们的需要，人们想尽办法寻找符合要求的酶。

这主要有两种途径，第一是传统的从环境中分离纯化新酶，但酶的发展进化与其所处环境是密切相关的，有时工业环境与自然环境差别很大，酶极少能进化出适应工业环境的特殊性质，这是就产生了第二个途径，即对现有酶的人工改造。

人工改造的方法有很多，理想的方法是直接将酶分子中某些关键部位的氨基酸进行调整，使其产生理想的宏观性质，但是就目前酶分子结构及催化作用机理研究的程度用于上述理想的改造还是有很大困难的，这个矛盾促使产生了酶分子体外定向进化。

随着人们对自然进化过程认识的不断加深以及分子生物学的迅猛发展，人们已经能够在实验室模拟自然进化机制，在短期内创造出新的酶类。

酶分子体外定向进化是近年来发展起来的一种酶分子改造的新策略，它是根据达尔文进化论，在试管中模拟进化机制，在人工创造的条件下筛选出进化酶类，它可以将自然界需上亿年才能完成的进化缩短至几个月，由于筛选的条件是人为设计的，因此，产生自然界不需要而人类需要的酶也就成为可能。

酶工程技术的研究及其在医药领域的应用一、本文概述随着生物技术的飞速发展，酶工程技术作为其中的重要组成部分，已经在医药领域展现出广阔的应用前景。

酶，作为生物体内的一类特殊蛋白质，具有高效、专一和温和的催化特性，因此被广泛用于医药、化工、食品等多个领域。

本文旨在探讨酶工程技术的最新研究进展，并重点分析其在医药领域的应用现状和发展趋势。

本文将对酶工程技术的基本原理和方法进行简要介绍，包括酶的来源、分离纯化、固定化以及酶反应器的设计等。

在此基础上，文章将重点论述酶工程技术在医药领域的多个应用方面，如药物合成、药物转化、药物分析和疾病诊断等。

通过具体案例和数据分析，展示酶工程技术在提高药物生产效率、降低药物成本、改善药物质量和提高疾病诊疗准确性等方面的积极作用。

本文还将对酶工程技术在医药领域面临的挑战和未来发展方向进行深入探讨。

随着生物技术的不断进步，酶工程技术的研究和应用将更加深入和广泛。

例如，新型酶的发现与改造、酶固定化技术的创新、酶反应器的优化以及酶工程技术在基因治疗和细胞治疗等新兴领域的应用等，都将成为未来研究的热点和方向。

酶工程技术在医药领域的应用已经取得了显著成果，并展现出广阔的发展前景。

本文将从多个角度全面分析酶工程技术在医药领域的应用现状和发展趋势，以期为相关领域的研究和实践提供有益的参考和借鉴。

二、酶工程技术的基础理论酶工程技术，作为一门应用生物技术的分支，其基础理论主要涵盖酶学基本原理、酶反应动力学、酶分子设计和改造以及酶固定化技术等方面。

酶学基本原理是酶工程技术的基石。

酶是生物体内具有催化功能的蛋白质，具有高度专一性和高效性。

酶通过降低反应的活化能来加速生物化学反应，使得原本难以进行的反应在温和条件下也能迅速进行。

了解酶的结构、催化机制以及影响因素，对于酶工程技术的应用至关重要。

酶反应动力学是研究酶催化反应速率与反应物浓度关系的科学。

通过对酶反应动力学的研究，可以了解酶催化反应的速度控制步骤、反应速率常数以及反应机制等，为酶工程技术的优化提供理论依据。

2001年6月韶关学院学报(自然科学版)J un.2001第22卷　第6期Journal of Shaoguan University(Natural Science)Vol.22　No.6酶工程的研究进展简述郑　成(广州大学生物与化工学院,广东广州,510091)摘要:简述了酶工程的最新研究进展,其中包括人工合成酶和模拟酶,核酸酶与抗体酶,非水系酶,以及极端环境微生物和不可培养微生物的新酶种等.关键词:酶;酶工程;进展中图分类号:Q55　文献标识码:A 文章编号:1007-5348(2001)06-0039-06酶工程是研究酶的生产和应用的一门新兴学科,它的应用范围已遍及工业、农业、医药卫生行业、环保、能源开发和生命科学等各个方面.作为工业应用来说,主要目的就是利用酶的催化作用,在较为温和的条件下,如低温、低压等,就可高效地将反应物转化为产物.但目前工业上直接利用酶制剂时还存在一些缺点,如稳定性差、使用效率低,不能在有机溶剂中使用,寿命不长等,造成了使用酶的成本升高.世界上围绕着解决这些问题开展了大量的研究.本文通过查阅大量资料,对酶工程的研究发展进行简述.1　人工合成酶和模拟酶[1～2]人工合成酶在结构上具有两个特殊部位,一个是底物结合位点,一个是催化位点.业已发现,构建底物结合位点比较容易,而构建催化位点比较困难.2个位点可以分开设计.但是已经发现,如果人工合成酶有一个反应过渡态的结合位点,则该位点常常会同时具有结合位点和催化位点的功能.人工合成酶通常也遵循Michaelis2Menten方程.例如.高分子聚合物聚-4-乙烯基吡啶-烷化物,具有糜蛋白酶的功能,含辅基或不含辅基的高分子聚合物,具有氧化还原酶、参与光合作用的酶和各种水解酶等功能.在模拟酶方面,固氮酶的模拟最令人瞩目.人们从天然固氮酶由铁蛋白和铁钼蛋白2种成分组成得到启发,提出了多种固氮酶模型.如过渡金属(铁、钴、镍等)的氮络合物,过渡金属(钒、钛等)的氮化物,石墨络合物,过渡金属的氨基酸络合物等.此外,利用铜、铁、钴等金属络合物,可以模拟过氧化氢酶等.近来,国际上已发展起一种分子压印(molecular i m pri nti ng)技术,又称为生物压印(bioi m pri nti ng)技术.该技术可以借助模板在高分子物质上形成特异的识别位点和催化位点.目前,此项技术已经获得广泛的应用.例如,模拟酶可以用于催化反应,分子压印的聚合物可用作生物传感器的识别单元等.2　核酸酶和抗体酶[3～5]近年来,人们发现除去蛋白质具有酶的催化功能以外,RNA和DAN也具用催化功能.1982年Cech发现四膜虫的26SrNAD的前体,在没有蛋白质存在的情况下,能够进收稿日期:2000-12-05作者简介:郑成(1955-),广东遂溪人,广州大学轻化系教授,博士生,主要从事酶生物工程与化学工程方面的研究与教学工作.行内含子的自我剪接,形成成熟的rRNA ,证明RNA 分子具有催化功能,并将其称为核酸酶(ridozyme ,有人译为核酶).1995年Cuenoud 又发现某些DNA 分子也具有催化功能.这就改变了只有蛋白质才具有催化功能的传统观念,也为先有核酸,后有蛋白质提供了进化的证据.进一步的研究发现核酸酶的一种多功能的生物催化剂,不仅可以作用于RNA 和DNA ,而且还可以作用于多糖、氨基酸酯等底物.核酸酶还可以同时具用信使编码功能和催化功能,实现遗传信息的复制、转录和翻译,是生命化过程中最简单、最经济、最原始的、催化核酸自身复制和加工的方式.核酸酶具有核酸序列的高度特异性.这种特异性使核酸酶具有很大的应用价值.只要知道某种核酸酶的核苷酸序列,就可以设计合成催化其自我切割和断裂的核酸组成.根据这些基因组的全部序列,就可设计并合成出防治有这些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核酸酶,如能够防治流感、肝炎、艾滋病和烟草花叶病等.核酸酶也可以用来治疗某些遗传病和癌病.核酸酶还可以用作研究核酸图谱和基因表达的工具.一般说来,人工合成的模拟酶与天然酶的催化效率相差较大,而且,反应类型大都为水解反应.人们从酶与底物过渡态中间物紧密结合是酶催化过程中的关键一步得到启发,联想到抗原引起生物内抗体的合成,以及抗原和抗体紧密结合,进而考虑利用抗原抗体相互作用的原理来模拟酶的催化作用.人们设想以一些底物过渡态中间物的类似物作为半抗原,诱导合成与其构象互补的相应的抗体,试图得到能够催化上述物质进行活性反应的酶.1986年这种努力在实验室里获得了成功,为人工合成酶和模拟酶,开创了一条崭新的途径.人们将这种具有催化活性的抗体称为抗体酶(abz yme )又称催化抗体(catalytic antibody ).抗体酶在本质上是免疫球蛋白,人们在其易变区赋予了酶的催化活性.抗体是目前已知的最大的多样性体系,原始抗体大家族有1×108个结合部位,体细胞变异学可以增加1×104个结合部位.抗体有极高的亲和力,解离常数为10-4～10-14mol/L ,其与抗原结合的结合部位与酶的结合部位相似,但无催化活性.制备抗体酶的方法主要有诱导法、拷贝法、插入法、化学修饰法和基因工程法.抗体酶的催化效率远比模拟酶高.同时,从原理上讲,只要能找到合适的过渡态类似物,几科可以为任何化学反应提供全新的蛋白质催化剂———抗体酶.目前抗体酶催化的反应、闭环反应,还能催化合成反应、交换反应、闭环反应、异构化反应、氧化还原反应等.此外,与模拟酶相比,抗体酶已经用于酶作用机理的研究,手性药物的合成和拆分,抗癌药物的制备.目前人们正致力于进一步提高抗体酶的催化效率,期望在深入了解酶的作用机理,以及抗体和酶的结构和功能的基础上,能够真正按照人们的意愿,构建出具有特定催化活性和专一性的、催化效率高的、能满足各种用途需要的抗体酶.3　非水系酶[6～7]酶反应通常在水为介质的系统中进行.但是,酶反应也能在非水系统内进行.1984年以来,美国麻省理工学院以Zaks 和K libanov 教授为首的研究小组,一直从事非水系统内酶反应的研究,取得了引人注目的成果,并由此产生了一个全新的分支学科———非水酶学.他们发现这类反应具有如下特点:(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,有可能在非水系统中进行;・04・韶关学院学报(自然科学版)2001年(3)与水中相比,非水系统内酶的稳定性比较高;(4)从非水系统内回收反应产物比水中容易;(5)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.实验结果证明,在几乎没有水的系统内,仍可进行各种酶反应.例如,在含有013mol/L 丁酸和013mol/L 庚醇的已烷中,可以进行脂及酶催化的酯化反应,2h 后酯化率达90%以上.如果在水中进行酯化反应,酯化率为011%以下.此外,在非水系统内,还能进行酶催化的酰胺水解、酰基交换、硫酸根交换和肟水解等反应.众所周知,酶不能改变反应的平衡常数(K eq ).但是,利用水-有机溶剂两相系统,可以引起实践上很有用的“表现”K eq 很大的改变.前已述及,在非水系统内酶的稳定性提高.水溶性更高、亲水性更强的酶的稳定性,似乎取决于微环境内存在水的薄层,大约几个水分子厚.水的数量非常微小.每个酶分子需要50～500个水分子.酶也可以在几乎完全无水的状态下起催化作用.在这样微小的、不含游离氢离子的环境中的p H ,是无法直接测量和控制的.然而,酶有一种“记忆”功能.当酶从水溶液中向有机溶剂中转移时,似乎能够“记住”,即保留住它最后所处环境中的p H ,以及在该p H 的功能.如果酶结合的水被除去,或被易于与水混溶的有机溶剂稀释,则酶一般会失去活性.但是,在不发生失活的条件下,只要有极微量的水以及与之有关的水的活度的降低,会大大降低酶热失活的速度.这一现象可以用于绝大多数酶.例如,猪胰脏脂肪酶在含有0102%水的三丁酸甘油酯内,100℃时的半衰期为12h ;当水分为018%时,凌晨衰期下降到12min.而在100%的水中,酶将立即失活.此外,在水-有机溶剂两相系统内,水的冰点下降,这样,就可以在非常低的温度下,使用对热特别不稳定的酶.降低水的活度可以使酶分子更具有刚性,这就可能影响到酶的K m 和V max .在极端情况下,可能引起酶的催化功能的改变.以往,人们都是从酶的最适p H 的水溶液中回收酶.然后,将其研磨成粉末.再分散在合适的有机溶剂中,制成酶的悬浮液,以便在水-有机溶剂两相系统中进行酶的催化反应.近来K libanov 为首的研究组又探索出一种新方法,可以使酶溶解而不是悬浮在有机溶剂中.而且,找到很多能够溶解酶有机溶剂,并阐明了导致有机溶剂中较高蛋白质浓度的规律.由此,可以进一步研究溶解在有机溶剂中的天然酶的结构和催化特性.因而,必将大大拓宽酶在非水系统中的应用范围.近来,核磁共振、x -射线衍射和傅立叶变换红外光谱的研究表明,在非水相中,酶分子结构中α-螺旋含量减少,β-折叠含量增加,二级结构的有序性增加,因而,提高了酶的稳定性.目前,非水系统中酶的催化作用已广泛地用于药物、生物大分子、肽类、手性化合物化学中间体和非天然产物等有机合成,引起人们的极大的关注.4　极端环境微生物和不可培养微生物的新酶种[8～9]自然界蕴藏着巨大的微生物资源.据测算,1g 土壤中含有1×108个微生物.美国华盛顿大学的James Staley 教授说过:“未知的微生物世界或许是地球上最大的未开发的自然资源,能够利用这个微生物资源的国家,势必会取得技术上的优势.”自Kuhne 从希腊语借用“酶”(“en -zyme ”)一词以来,随着研究工作的深入,酶的种类在不断增加.迄今为止,还不知道自然界究竟有多少种酶.同样,也不清楚,每个细胞内究竟有多少种酶.有人估计,大肠杆菌(Escherichia coli )细胞中有3000种蛋白质,而真核细胞・14・第6期郑　成:酶工程的研究进展简述中有50000种蛋白质.这些蛋白质中的大多数是酶.如果估计可靠,酶的种类将达到几万种.近来,人们从生产实践的需要出发,非常重视开发新的酶种.迄今为止,人们对极端环境微生物(ex2t remophiles)和不可培养微生物(uncult urable m icroorganisms)的研究还很不够.这2个资源宝库值得人们好好开发.人们首先注意从极端环境条件下生长的微生物内筛选新的酶种.其中主要研究嗜热微生物(thermophiles)、嗜冷微生物(psy2chrophiles)、嗜盐微生物(halophiles)、嗜酸微生物(aci dophiles)、嗜碱微生物(alkalophiles)、嗜压微生物(barophiles)等.目前,人们已经发现能够在250～350℃条件下生长的嗜热微生物,能够在-10～0℃条件下生长的嗜碱微生物,能够在p H215条件下生长的嗜酸微生物,能够在p H11条件下生长的嗜碱微生物,能够在饱和食盐溶液(含盐32%或512mol/L)中生长的嗜盐微生物,能够在1101×105kPa 条件下生长的嗜压微生物,以及在高温(105℃)和高压(41053×107Pa)条件下生长的嗜热嗜压微生物等.这就为新酶种和酶的新功能的开发,提供了广阔的空间.其中人们对嗜热嗜压微生物的研究最多,大量专著不断涌现.耐高温的α-淀粉酶和DNA聚合酶等已获得广泛的应用.所谓不可培养微生物是指在实验室内,采用常规培养方法培养不出的微生物.而这类微生物竟约占全部微生物的99%!今天,我们完全可以绕开菌种分离、纯化的步骤,应用最新分子生物学方法,直接从这类微生物中,探索、寻找有开发价值的、新的微生物基因和新的酶种.5　酶的修饰[10～11]酶有稳定性差、活力不够理想及具有抗原性等缺点,这些不足使酶的应用受到限制,为此常需对酶进行适当再修饰加工,以改善酶的性能.酶的修饰可分为化学修饰和选择性遗传修饰两类.511　酶的化学修饰对自然酶的化学结构进行修饰以改善酶的性能的方法很多,现举例说明如下.例如,α-淀粉酶一般有Ca2+、Mg2+、Zn2+等金属离子,属于杂离子型,若通过离子置换法将其他离子都换成Ca2+,则酶的活性提高3倍,稳定性也大大增加;胰凝乳蛋白酶与水溶性大分子化合物右旋糖酐结合,酶的空间结构发生某些细微改变,使其催化活力提高4倍;抗白血病药物天冬酰的游离氨作用、酰化反应进行修饰后,该酶在血浆中的稳定性得到很大的提高.表1　酶性质随着经定点突变而改变酶修饰修饰部位原氨基酸残基→新氨基酸残基酶性质的改变酷氨酰-TRNA合成酶5151苏→丙苏→脯对底物ATP的新合力提高100倍B-内酰胺酶70～71丝.苏→苏.丝完全失活70～71苏.丝→丝.丝恢复活性二氢叶酸还原酶27天冬→天胺活性降低为正常酶的011%・24・韶关学院学报(自然科学版)2001年512　酶的选择性遗传修饰这是在弄清酶的一级结构和空间结构的基础上,设计出选择性遗传性修饰位点.上表列出了几种经定点突变后,酶性质发生改变的例子.通过基因突变技术,把酶分子修贮在DNA 中,经过基因克隆和表达,就可以通过生物合成方法不断获得具有新的特性和功能的酶.6　酶的固定化技术[12～14]固定化酶在工业、临床、分析和环境保护等方面有着广泛的应用.但是,在大多数情况下,酶固定化以后活性部分失去,甚至全部失去.一般认为,酶活性的失去是由于酶蛋白通过几种氨基酸残基在固定化载体上的附着(Attchment )造成的.这些氨基残基主要有:赖氨酸氨基和N -未端氨基,半胱氨酸的巯基,天门冬氨酸和谷氨酸的基C -未端基,酪氨酸的苯甲基以及组氨酸的咪唑基.由于酶蛋白多点附着在载体上,引起了固定化酶蛋白无序的定向和结构变形的增加.近来,国外的研究者们在探索酶蛋白的固定化技术方面,已经寻找到几条不同的途径,使酶蛋白能够以有序方式附着在载体的表面,实现酶的定向固定化而使酶活性的损失降低到最小程度.这种定向固定化技术具有以下一些优点:(1)每一个酶蛋白分子通过其一个特定的位点以可重复的方式进行固定化;(2)蛋白质的定向固定化技术有利于进一步研究蛋白质结构;(3)这种固定化技术可以借助一个与酶蛋白的酶活性无关或影响很小的氨基酸来实现.目前,文献中涉及的定向固定化方法有如下几种:(1)借助化学方法的位点专一性固定化;(2)磷蛋白的位点专一性固定化;(3)糖蛋白的位点专一性固定化;(4)抗体(免疫球蛋白)的位点专一固定化.这种有序的、定向固定技术已经用于生物芯片、生物传感器、生物反应器、临床诊断、药物设计.参考文献:[1]K Mosbach.Program of Enzyme Engineering[M ],Beijing ,1988.0-36.[2]居乃琥.生物工程进展[J ],1987,(4):17-27.[3]黎高翔.二十一世纪酶工程研讨会论集[M ],黄山,1999.13-19.[4]S J Bencovic.Ann Rev Biochem[J ],1992,61:29-54.[5]RH Symons.Ann Rev Biophs Acta[J ],1981,658(1):76-89.[6]K Martinek ,etal.Biochem Biophys Acta[J ],1981,658(1):76-89.[7]AM K libanov.Chemtech[J ],1986,16(2):354-9.[8]孟广震.二十一世纪酶工程研讨会论集,黄山,1999.26-27.[9]J W kozarich ,DHRich.Current Opinion Chem Biol[J ],1997,1:149-50.[10]J E Smith.Biotechnogy[M ],3rded ,Cambridge Univ press[M ],1996.[11]李再资.生物化学工程基础[M ],北京:化工出版社,1999.108[12]D Thomas ,AFriboulet.Program of Enzyme Engineering[M ],Beijing ,1998.0-37[13]C.Wandrey ,Program of Enzyme Engineering[M ],Beijing ,1998.[14]RD Johnson ,FE Arnold ,Biotechnol Bioeng[J ],1995,48(2):43-45,45-47・34・第6期郑　成:酶工程的研究进展简述A Brief R evie ws about R esearching Progressin Enzymatic EngineeringZHEN G Cheng(Biological and Chemical Engineering College ,Guangzhou University ,Guangzhou 510091,China )Abstract :The research progress in enzymatic engineering ,including synzymes ,enzyme mi 2mics ,ribozyme ,abzyme ,nonaqueous enzymology ,etc.was reviewed.K ey w ords :enzymatic engineering ;progress ;enzyme ・44・韶关学院学报(自然科学版)2001年。

酶的应用及酶工程的研究进程第一部分：酶的应用酶是生物催化剂，可以加速化学反应的速率，并在温和条件下进行。

由于其高效、选择性和环境友好性等特点，酶在许多领域都有广泛的应用。

以下是一些常见的酶应用：一、食品工业：酶在食品加工中起到重要作用。

例如，淀粉酶可将淀粉分解为糖类，增加产品甜度；蛋白酶可用于肉类嫩化或乳制品凝固等。

是的，酶在食品工业中发挥着重要作用。

以下是一些常见的酶在食品加工中的应用：1.淀粉酶：淀粉酶可以将复杂的淀粉分子降解为较简单的糖类，如葡萄糖和麦芽糖。

这种转化过程被广泛应用于面包、啤酒、乳制品和果汁等产品中，以增加甜度、改善口感或促进发酵。

2.蛋白酶：蛋白质水解酶可以将肉类中较大分子量的蛋白质分解成更小的片段。

这种嫩化处理可使肉质变得更加柔软，并提高其口感和咀嚼性。

3.凝固剂：某些特定类型的微生物产生了能够凝结牛奶或豆浆等液体的特殊凝固剂（例如拉丁语"rennet"）。

这些凝固剂主要含有胰凝乳素（chymosin），它可以水解牛奶中存在的一种叫做κ- 链球菌素(k-casein) 的蛋白质，在此过程中形成凝固物。

4.果汁澄清酶：果汁中的浑浊物质可以通过果汁澄清酶来降解和去除。

这种酶能够分解果胶、纤维素等多糖类，从而使果汁更加透明和清澈。

这些是食品工业中常见的一些酶应用，它们帮助改善产品的口感、稳定性和质量，并提高生产效率。

二、制药工业：许多药物合成过程需要使用特定的酶来催化关键步骤。

此外，生产抗体、激素和维生素等也需要借助酶。

在制药工业中，酶的应用非常广泛。

以下是一些常见的酶在制药工业中的应用：1.合成酶：许多药物的生产需要使用特定的酶来催化关键步骤。

例如，通过利用氨基转移酶和脱水氢化酶等，可以合成抗生素、激素和维生素等重要药物。

2.抗体生产：单克隆抗体是治疗和诊断许多疾病所需的重要工具。

在抗体生产过程中，将目标蛋白注射到动物或人体内后，通过特定细胞分泌出相应抗体。

酶催化反应研究进展摘要：简述了酶催化优点和不足及近年来五种不同体系（有机溶剂体系、反胶束体系、低共熔体系、超临界流体体系、气相体系）中酶催化反应的概况并阐明了此反应体系的优势之处及还有那些不足。

且酶作为一种生物催化剂，已经广泛应用于各个领域中，酶工程是现代生物技术的重要组成部分，对各领域的技术性突破具有一定的影响。

随着酶工程不断地技术性突破，酶在医药工业方面、食品工业方面、轻工业、有机合成方面等都的应用越来越广泛。

作为一项新技术，它对各领域势必会有一定的推进作用。

关键词酶催化反应，反应体系，应用Title ×××××（4号Times New Roman,实词首字母大写）Abstract×××××××（小4号Times New Roman，1.5倍行距，第一个字应顶格写）Keywords1 酶催化的介绍酶是一种具有特殊三维空间构象的蛋白质,它能在生物体内催化完成许多广泛且具有特异性的反应。

随着生化技术的进展,酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段应用于有机合成。

酶有专一的、有催化活性的性质,它们在体内几乎参与了所有的转变过程,催化生物分子的转化；也催化许多体内存在的物质发生变化,使人体得以有正常的新陈代谢。

许洪高、高彦祥等人还发明了一种酶催化反应的装置。

1.1 酶催化的优点酶作为一种生物催化剂自然具备其特有的优点，如酶催化效率高, 专一性强, 可减少或避免副反应；可以利用酶通过有限的步骤实现许多化学方法难以完成的反应；反应条件温和, 可节省能源, 减少设备费用；而且酶来自生物体本身，故它是生物体可降解的无环境毒害性物质，符合将废弃物控制在最小限度, 实现原子经济的绿色化学要求。

1.2 酶催化的不足尽管酶催化反应有如此多的优点，以酶作为生物催化剂在工业生产中的应用到目前为止还不是很普遍主要有以下几个原因：在催化反应环境中存在的热、酸、碱、氧化剂、重金属离子，而酶本身是生物大分子，且许多酶是胞内酶，细胞内部环境通常比较稳定,故可能会因催化反应的环境中的因素导致酶分子失活破坏酶的稳定性；一些酶对价格通常较昂贵的辅酶有较强的依赖性；在化学反应体系中应用酶作催化剂，酶的催化活性和选择性往往并不十分理想；酶的来源及成本问题，许多工业用酶成本较高, 而且种类有限。

生物发酵工程与酶工程的研究进展生物发酵工程和酶工程是生物技术领域中的两个重要分支，它们在工业生产、医药研发、环境治理等方面发挥着重要作用。

本文将分析近年来这两个领域的研究进展。

一、生物发酵工程的研究进展生物发酵工程是指将微生物、细胞或其代谢产物应用于工业、农业、环保等领域的生产过程。

其主要研究内容包括发酵微生物的筛选、培养和代谢调控等方面。

近年来，生物发酵工程在产业升级、绿色化生产等方面取得了许多进展。

1. 发酵菌株的筛选和基因改造发酵菌株的选择是发酵工程成功的关键之一。

近年来，基于高通量筛选技术的发酵菌株选择方法得到了广泛应用。

同时，通过基因工程技术对微生物代谢通路进行调控，提高产物水平，同时减少废物排放，实现了绿色化生产。

例如，人工合成新酶、构建复合菌群等技术手段已经成为生物发酵工程研究的新热点。

2. 发酵条件的优化和控制发酵条件的优化和控制是提高发酵产物水平和改善发酵过程稳定性的关键措施。

近年来，基于机器学习、人工智能的优化算法得到了广泛应用。

同时，利用传感器和自动控制技术，可以实现对发酵过程的实时监测和控制，提高发酵的产出率和产品质量。

3. 应用范围的拓展生物发酵工程在食品、饮料、医药等领域的应用已经非常广泛，但这些领域的发酵产物不可避免会涉及到一些争议，如转基因食品的安全性等。

因此，近年来研究人员还在考虑如何将发酵工艺应用于化妆品、纺织品和生物燃料等领域，以拓展其应用范围。

二、酶工程的研究进展酶工程是指利用酶催化剂的特异性和高效性进行生物反应，以解决工业、医药等领域中的问题。

酶催化反应本身是非常简单高效的，近年来，研究人员通过基因工程和生物化学手段进一步提高了酶的活性、特异性和稳定性。

1. 酶催化反应的优化酶催化反应通常是以环境温和、反应速度快、副反应少等优势著称的。

近年来，研究人员通过基因工程和蛋白工程技术，对酶的催化活性和特异性进行了进一步提高。

同时，通过对酶结构的解析和模拟，也能够更好地预测反应产物的结构和性质。

一、实验目的1. 理解酶工程的基本原理和实验方法。

2. 学习酶的制备、纯化和活性测定等实验技术。

3. 掌握酶的催化特性和应用。

二、实验原理酶工程是指利用酶的催化特性，通过基因工程、蛋白质工程等手段，改造或制备具有特定功能的酶，以满足工业、医药、环保等领域的需求。

本实验通过制备、纯化和活性测定等方法，研究酶的催化特性和应用。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：酶源（如淀粉酶、蛋白酶等）、底物（如淀粉、蛋白质等）、缓冲液、指示剂等。

2. 实验仪器：离心机、电泳仪、紫外分光光度计、酶标仪等。

四、实验步骤1. 酶的制备（1）酶源培养：将酶源接种于培养基中，在适宜条件下培养，使其大量繁殖。

（2）酶提取：将培养好的酶源进行离心分离，收集上清液。

（3）酶浓缩：采用透析、超滤等方法，去除酶液中的杂质，提高酶的浓度。

2. 酶的纯化（1）离子交换层析：根据酶的等电点，选择合适的离子交换树脂，进行酶的吸附和洗脱。

（2）凝胶过滤层析：根据酶的分子量，选择合适的凝胶过滤柱，对酶进行分离和纯化。

3. 酶的活性测定（1）酶活力单位：采用紫外分光光度法测定酶的活性。

（2）酶催化反应速率：测定酶催化底物反应的速率，计算酶的活力。

4. 酶的催化特性研究（1）温度对酶活性的影响：在不同温度下测定酶的活性，研究温度对酶活性的影响。

（2）pH对酶活性的影响：在不同pH值下测定酶的活性，研究pH对酶活性的影响。

五、实验结果与分析1. 酶的制备通过酶源培养、酶提取和酶浓缩等步骤，成功制备了酶液，酶浓度达到实验要求。

2. 酶的纯化通过离子交换层析和凝胶过滤层析，成功纯化了酶，纯度达到95%以上。

3. 酶的活性测定酶活力单位为：X U/mL；酶催化反应速率为：Y mol/min。

4. 酶的催化特性研究（1）温度对酶活性的影响：在30℃时，酶活性最高，随着温度升高，酶活性逐渐降低。

（2）pH对酶活性的影响：在pH 7.0时，酶活性最高，随着pH值的变化，酶活性逐渐降低。

酶分子的改造方法及研究进展裴蓓10生物技术及应用班摘要：酶工程的研究已经发展到分子水平，在体外通过基因工程、化学、物理等手段改造酶分子结构与功能，大幅提高了酶分子的进化效率和催化效率，生产有价值的非天然酶。

本文对常见的酶分子的改造方法做了一个简单的介绍化学修饰法、生物酶工程法、定点突变法，最后结合当今的形式对酶改造的发展前景做了描述。

关键词：酶分子改造方法前景正文：1 酶分子改造的目标1.1 提高酶的稳定性1.2 提高酶的活性1.3 增强酶的选择性1.4 改变酶的表面特性2 改造酶分子的方法近年来，特别是随着蛋白质工程的(protein engineering)应用，即把分子生物学、结构生物学、计算生物化学结合起来，根据蛋白质结构与功能关系的知识，经过计算机辅助的分子设计，按照人类的需要，产生性能优良的酶分子。

就目前情况来看，现在常用的酶分子修饰方法有：2.1化学修饰法在应用过程中，有时会因酶的稳定性差、活力不够理想及具有抗原性等缺点而使其应用受到一定的限制，为此常需对酶进行适当再修饰加工，以改善酶的性能。

酶的修饰可分为化学修饰和选择性遗传修饰两类。

酶分子的化学修饰是指通过主链的剪接切割和侧链的化学修饰对酶分子进行改造,造的目的在于改变酶的一些性质，创造出天然酶不具备的某些优良性状扩大酶的应用以达到较高的经济效益。

酶分子的化学修饰常见的方法有：部分水解酶蛋白的非活性主链，利用小分于或大分子物质对活性部位或活性部位以外的侧链基团进行共价修饰，酶辅因子的置换等。

2.2生物酶工程法酶的化学修饰法并非改造酶的惟一手段。

随着人们对酶的深入研究以及氨基酸一级结构的测定、基因重组技术的应用等，可以彻底地改造、合成并且模拟酶。

这也就是生物酶工程的主要内容。

生物酶工程主要包括基因工程技术生产酶和蛋白质工程技术改造酶两方面内容。

对自然酶的化学结构进行修饰以改善酶的性能的方法很多。

例如，a一淀粉酶一般有 Ca2+，Mg等金属离子，属于杂离子型，若通过离子置换法将其他离子都换成Ca2=，则酶的活性提高3倍，稳定性也大大增加；胰凝乳蛋白酶与水溶性大分子化合物右旋糖酐结合，酶的空间结构发生某些细微改变，使其催化活力提高4倍；还有对抗白血病药物——天冬酰胺酶的游离氨基进行修饰后，该酶在血浆中的稳定性也得到很大的提高。

酶学技术及应用的研究进展近年来，酶学技术在生命科学领域展现出了日益重要的地位。

酶是生物催化剂，生物学中的“斤斤计较者”，其高效催化作用和高选择性的特性被广泛应用于生物化学、医学、食品工业、环境保护等领域。

本文将介绍酶学技术及其应用的研究进展，从现有的酶学技术出发，探讨其在各领域的应用情况和未来发展趋势。

一、酶学技术的概述酶学技术是一种研究酶和酶反应的技术。

酶是生态系统中的一种重要催化剂，具有在高温和潮湿的环境中高效催化作用的特点。

光合作用中产生的磷酸二酯酶可以帮助二氧化碳的光合作用，脂肪酶可以帮助消化脂肪，乳糖酶能够催化乳糖的降解，三磷酸甘油酸可以促进细胞呼吸过程等等。

酶学技术是一种用于研究酶的功能、结构和调节机制的学科，主要包括酶的纯化、结构分析、催化功能研究等一系列技术。

酶学技术的主要研究手段包括：（1）酶的纯化分离酶的纯化最初是从细胞中分离出一种酶。

但是在酶纯化的过程中，白蛋白或胰岛素等大分子复合物都会被随着酶分离而清除。

酶分离的方法主要是离子交换层析及氨基酸手性柱层析，这种方法可以将酶的分离度提高到98%以上。

（2）酶催化机制分析酶学技术主要是研究酶的催化机制。

酶催化机制的研究主要包括大量酶反应、调控、催化反应中能量的转化以及活性中心上的基团和反应结构的丰富化等。

（3）酶的活性和稳定性表征酶的活性和稳定性是酶学技术中的重要内容，主要通过测定酶催化速度、酶的底物特异性以及血清酶谱等参数来评价酶的活性和稳定性。

二、酶学技术的应用酶学技术在医学、工业生产、食品加工、环境保护等领域均有广泛应用。

（1）医学领域医学领域是酶学技术应用的重要领域之一。

酶学技术可被应用于诊断、预防和治疗疾病等方面。

例如，ACE抑制剂是一种有效的降压药物，能够有效降低高血压和心力衰竭症状；转化酶抑制剂是一种有效的抗高血压药物，主要用于治疗高血压，心血管疾病，糖尿病等疾病；ATP酶是一种被认为可以用于诊断心肌梗死的生物标志物。

酶工程实验报告一一、实验目的本次酶工程实验的主要目的是通过实际操作，深入了解酶的性质、作用机制以及酶的分离纯化和活性测定方法。

同时，培养我们的实验操作技能、观察分析能力和科学思维方法，为今后从事相关领域的研究和工作打下坚实的基础。

二、实验原理酶是一种具有生物催化功能的蛋白质或 RNA 分子。

它们能够在温和的条件下高效地催化各种化学反应，具有高度的特异性和催化效率。

本实验中所涉及的酶主要是蛋白酶和淀粉酶。

蛋白酶能够水解蛋白质中的肽键，将蛋白质分解为小分子肽和氨基酸。

其活性可以通过测定水解产物的生成量或底物的消耗量来进行评估。

淀粉酶能够水解淀粉分子中的α-1,4 糖苷键，将淀粉分解为麦芽糖和葡萄糖等小分子物质。

其活性通常通过测定淀粉的水解程度来确定，常用的方法是碘量法。

酶的分离纯化是基于酶与杂质在物理化学性质上的差异，如溶解度、分子大小、电荷性质等，采用一系列的分离技术，如沉淀、层析、电泳等，逐步去除杂质，获得高纯度的酶。

三、实验材料与设备1、实验材料蛋白酶提取液淀粉酶提取液酪蛋白淀粉溶液福林酚试剂碘液其他化学试剂2、实验设备离心机分光光度计恒温水浴锅移液器电泳仪层析柱四、实验步骤制备酪蛋白底物溶液：称取一定量的酪蛋白，用氢氧化钠溶液溶解，调节 pH 至适宜值，定容备用。

设定反应体系：在试管中依次加入适量的蛋白酶提取液、酪蛋白底物溶液和缓冲液，混合均匀，置于恒温水浴锅中反应一定时间。

终止反应：反应结束后，加入三氯乙酸溶液终止反应。

测定吸光度：离心去除沉淀，取上清液，加入福林酚试剂显色，在分光光度计上测定吸光度。

计算蛋白酶活性：根据标准曲线计算出反应生成的酪氨酸量，从而计算出蛋白酶的活性。

2、淀粉酶活性的测定制备淀粉溶液：称取一定量的淀粉，用缓冲液溶解，加热糊化，冷却后定容备用。

设定反应体系：在试管中依次加入适量的淀粉酶提取液、淀粉溶液和缓冲液，混合均匀，置于恒温水浴锅中反应一定时间。

终止反应：反应结束后，加入碘液终止反应。

酶工程的进展与应用酶是一种天然存在于生物体内的蛋白质，具有催化能力。

随着现代生物学、化学等学科的快速发展，对酶的研究越来越深入和广泛。

酶工程作为一门新兴交叉学科，研究酶催化过程中的动力学、热力学、机制、结构和功能等关键问题，为开发基于酶催化反应的高效工业过程和新型生物药物提供了理论基础和实践基础。

本文将从酶工程的定义、发展历程、新技术、应用领域等方面进行阐述。

一、酶工程的定义和发展历程酶工程，也称生物反应器工程，是一门应用生物工程学、微生物学、化学、物理等学科知识的交叉学科，其主要研究内容为酶催化过程中相关的知识和技术。

可以简单地理解为，通过对酶催化反应过程的研究和优化，提高产量、降低成本、提高效率。

酶工程的发展历程非常漫长，始于20世纪初期。

当时，科学家们开始研究酶的特性以及催化效率的提高。

随着研究的深入，酶的特性逐渐被了解。

其中尤其是化学工业中单面性立体感应体系应用，从而引起了人们的注意。

之后，酶活化和创制出的酶催化剂在医学、医药、食品、化妆品等领域发挥了重要的作用。

20世纪50年代，酶定向进化技术的出现开创了一个新的篇章，广泛应用于医学、商业化、洗涤剂和制酶糖等领域。

随着计算机技术的进步，人们可以更好地理解和模拟酶反应机理，从而实现从理论探讨到实际应用的更好结合。

二、酶工程的新技术酶工程受益于现代化学、生物技术、计算机技术和其他相关科学和技术的发展，进一步推动了酶催化反应的研究和应用。

下面罗列一些目前应用较广、热门的酶工程新技术。

1.定向进化技术定向进化技术是一种利用现代分子遗传学、蛋白工程和高通量筛选技术相结合的方法，利用自然演化过程中的方法，使酶获得特定催化性能。

定向进化技术在代谢工程、药物开发、生产单糖和酯化反应等领域得到了广泛应用。

2.高斯过渡态理论高斯过渡态理论是一种基于分子力学和量子力学的方法，可以精确地描述酶催化过程中的中间态、过渡态、基质转换等重要反应过程，为酶催化反应的机理研究提供了有力支持。

酶工程的研究进展黎海彬,郭宝江(华南师范大学生命科学学院,广东广州510631)摘要:酶工程是现代生物技术的重要组成部分,它作为一项高新技术将为工业的发展起重要推动作用。

介绍了自然酶的开发、酶的化学和遗传修饰、酶的固定化、人工合成酶、酶基因的克隆和表达、酶的遗传设计等方面的理论和技术研究的最新进展。

关键词:酶工程;人工合成酶;酶基因的克隆和表达;固定化;遗传修饰中图分类号:Q814　文献标识码:A 文章编号:0253-4320(2006)S1-0040-04Advance in research on enzyme engineeringLI Hai 2bin ,G UO Bao 2jiang(C ollege of Life Science ,S outh China N ormal University ,G uangzhou 510631,China )Abstract :Enzyme engineering is an important part of m odern bio 2technology ,it will give an impetus to the industries as a new hi 2technology.The new advance in enzyme engineering research such as development of natural enzymes ,chemical and genetic m odification of enzymes ,imm obilization of enzymes ,synzymes ,cloning and expression of enzyme genes and genetic design of enzymes are introduced.K ey w ords :enzyme engineering ;synzymes ;cloning and expression of enzyme genes ;imm obilization ;genetic m odification　收稿日期:2006-03-30;修回日期:2006-06-03　作者简介:黎海彬(1964-),男,博士后,副教授,主要从事生物工程及生物物质分离纯化的研究,013005152637,haibinli2000@s 。

LUOYANG NORMAL UNIVERSITY 2010年酶工程学年论文分子酶工程研究进展院（系）名称生命科学系专业名称生物科学学生姓名李艳艳学号101314022指导教师程彦伟完成时间2013年12月分子酶工程研究进展李艳艳（生命科学系生物科学专业学号：101314022）摘要：酶工程的研究已经发展到分子水平，通过基因操作，已实现了许多酶的克隆和表达定点突变成为研究酶结构与功能的常规手段，并被广泛用于改善酶的性能。

体外分子进化方法则大幅提高了酶分子的进化效率，并有可能发展新功能酶。

融合蛋白技术的发展使构建新型多功能融合酶成为可能。

这里对分子酶工程学的研究与发展情况进行了综述。

关键词：分子酶工程；基因克隆；改造；定向进化；融合；人工模拟酶，由于其特异和高效的催化作用，在生命活动中扮演重要的角色。

其中，尤其是源于微生物的酶。

很早就被广泛开发服务于人类的各种需求，如酿造、酶法转化、疾病诊断与治疗、药物生产、环境污染物去除，等等。

然而，天然酶常常十分昂贵，且大多数酶由于非常“娇嫩”而难以实际应用。

近年来，结构生物学和基因操作技术的发展使得科学家能够对酶分子进行有效地改造，甚至开始为“目的”而设计，从而导致了分子酶工程学的发展。

概括地说，分子酶工程学就是采用基因工程和蛋白质工程的方法和技术，研究酶基因的克隆和表达、酶蛋白的结构与功能的关系以及对酶进行再设计和定向加工，以发展性能更加优良的酶或新功能酶。

当前的研究热点可以概括为3个方面：一是利用基因工程技术大量生产酶制剂；二是通过基因定点突变和体外分子定向进化对天然酶蛋白进行改造；三是通过基因和基因片段的融合构建双功能融合酶。

1 酶的基因克隆与异源表达天然酶在生物体中含量一般较低，难以提取和大量制备。

限制了它的推广应用。

重组DNA技术的建立，使人们可以较容易地克隆各种各样天然的酶基因，并将其在微生物系统中高效表达，从而在很大程度上摆脱对天然酶源的依赖。