5 酶工程 山东师范大学 PPT课件

酶与其他技术的结合
总结词
酶工程与其他技术的结合，如纳米技术、生物信息技术等，将为酶工程的发展带来新的 机遇和挑战。
详细描述
随着科技的不断发展，酶工程与其他技术的结合已经成为一种趋势。例如，将酶与纳米 技术结合，可以制备出具有优异性能的纳米酶；将酶与生物信息技术结合，可以实现酶 促反应的实时监测和数据分析。这些新的技术手段将为酶工程的发展带来更多的可能性。
代谢调控
总结词
酶在生物体内发挥着重要的代谢调控作用，通过影响代谢途径中关键酶的活性来 调节物质代谢和能量代谢。
详细描述
酶可以调控代谢途径的起始、分支和终止，从而调节生物体的能量转换、生长发 育和应激反应等生理过程。酶的合成和降解也受到严格调控，以维持机体代谢的 平衡。
免疫调节
总结词
酶在免疫调节中发挥重要作用，参与免疫细胞的激活、增殖 和分化，以及免疫分子和免疫应答的调节。
03 酶的应用
生物工程领域
生物制药
酶在生物制药过程中用于合成药物、生产抗生素、疫苗等生物制品。
生物能源
酶可用于生物燃料的发酵生产，如乙醇、丁醇等，提高能源利用效率。
生物环保
酶可用于降解污染物，如废水处理、有机废弃物资源化利用等。
医学领域
01
02
03
诊断试剂
酶作为生物催化剂，可用 于医学诊断试剂的生产， 如酶联免疫试剂盒等。
食品添加剂
酶可用于生产食品添加剂， 如甜味剂、防腐剂等，满 足消费者对食品多样化的 需求。
04
酶的未来发展
酶的改造与优化
总结词
通过基因工程技术对酶进行改造和优化，提高酶的活性、稳定性和特异性，以满足不同工业和生物技 术的需求。
详细描述

添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
降低杂质含量：通过优化分离纯化 技术，降低杂质含量，提高酶的纯 度
提高酶的稳定性：通过优化分离纯 化技术，提高酶的稳定性，延长酶 的保存时间
酶的生产与制备技 术
酶的生产方式
微生物发酵法：通过微生 物发酵产生酶
植物提取法：从植物中提 取酶
动物提取法：从动物中提 取酶
化学合成法：通过化学合 成产生酶
基因工程法：通过基因工 程产生酶
酶固定化技术：将酶固定 在载体上，提高酶的稳定 性和活性
酶的固定化技术
固定化酶的定义：将酶固定在载体上，使其保持活性并可重复使用的技 术 固定化酶的优点：提高酶的稳定性、可重复使用、降低成本
固定化酶的种类：吸附法、交联法、共价结合法等
添加标题
温度：酶的活性随温 度升高而增加，但超 过一定温度会失活
添加标题
pH值：酶的活性随 pH值变化而变化， 通常存在最适pH值
添加标题
离子强度：高离子强 度可能影响酶的活性， 导致酶失活
添加标题
酶浓度：酶的活性随 酶浓度增加而增加， 但超过一定浓度后不 再增加
添加标题
底物浓度：底物浓度 对酶的活性有影响， 通常存在最适底物浓 度
生物能源：用于生物燃料、 生物发电等领域
生物材料：用于生物材料合 成、生物材料改性等领域
酶的分类与性质
酶的分类
按照酶的来源分类： 动物酶、植物酶、 微生物酶
按照酶的催化反应 类型分类：氧化还 原酶、水解酶、转 移酶、裂解酶、异 构酶、连接酶
按照酶的活性中心 分类：金属酶、非 金属酶
按照酶的催化反应 机制分类：单酶、 多酶、复合酶
酶在食品加工中 的应用：酶在食 品加工中主要用 于提高食品品质 和营养价值，如 酶在食品发酵、 食品加工、食品 保鲜等方面的应 用。

转移酶类
催化基团转移反应， 如转氨酶、磷酸酶 等。
合成酶类
催化特定化合物的 合成，如谷氨酰胺 合成酶等。
酶的特性
高效性
酶的催化效率比非酶促反应高 出很多，能显著缩短反应时间
。
专一性
一种酶通常只能催化一种或一 类化学反应。
不稳定性
在高温、强酸、强碱等极端条 件下，酶的活性会受到破坏。
活性可调节性
通过调节酶的浓度、反应条件 等，可以控制酶促反应的速度
。
酶的活性与稳定性
温度对酶活性的影响
大多数酶在低温下活性降低，而在适宜温度 下活性最高，温度过高会使酶失活。
抑制剂对酶活性的影响
有些物质可以抑制酶的活性，从而减缓或阻 止酶促反应的进行。
pH对酶活性的影响
大多数酶在一定的pH范围内活性最高，超 出这个范围酶的活性会降低或失活。
激活剂对酶活性的影响
有些物质可以增强酶的活性，从而加快酶促 反应的速度。
04
酶的应用
酶在医药领域的应用
药物生产
酶可用于合成药物，如抗 生素、抗癌药物等，具有 高效、环保的特点。
诊断试剂
酶作为生物催化剂，可用 于制备诊断试剂，如酶联 免疫试剂盒等，用于疾病 检测。
生物治疗
酶可用于基因治疗、细胞 治疗等领域，通过调控基 因表达或促进细胞生长来 治疗疾病。
酶在食品工业中的应用
THANKS
感谢观看
酶工程面临的挑战与解决方案
酶的稳定性问题
针对酶稳定性差的问题，可以通过蛋白质工程手段对酶进行改造，提高其热稳定性和化学稳定性 。
酶的生产成本问题
通过基因工程技术，实现酶的高效表达和大规模生产，降低生产成本。同时，探索新型的酶生产 方式，如利用微生物发酵或植物细胞培养等。

酶固定化技术包括固定化载体、固定化方法、固定化酶的分离和回收等关键技术 ，这些技术的应用能够为酶工程提供高效、连续化的生产方式。
酶的分子改造技术
酶的分子改造技术是通过化学或生物 方法对酶的分子结构进行修饰和改造， 从而改变酶的催化性质和功能的技术。
酶的分子改造技术包括化学修饰、定 向进化、点突变等关键技术，这些技 术的应用能够优化酶的催化性能和稳 定性，提高酶的生产效率和降低成本。
THANKS
生物能源开发
酶工程技术可用于生物能源开发，如生物柴油、生物 酒精等。
06
酶工程的前景与挑战
酶工程的发展前景
酶工程在工业生产中的应用前景广阔，特别是在生物制药、生物燃料、环保等领域。
随着酶工程技术的不断进步，酶的产量、活性和稳定性将得到进一步提高，为工业 生产提供更高效、环保的解决方案。
酶工程在医疗领域的应用前景也十分看好，例如用于药物设计和开发、疾病诊断和 治疗等。
环保领域的应用
有毒有害物质降解
01
酶工程技术可用于降解有毒有害物质，如重金属、有机污染物
等。
废水处理
02
酶工程技术可以用于废水处理，通过酶促反应将废水中的有机
物转化为无害物质。
生物修复
03
酶工程技术可用于生物修复，通过酶促反应降解污染物，恢复
生态环境。
食品工业领域的应用
食品添加剂生产
酶工程技术在食品添加剂生产中发挥着重要作用，如生产甜味剂、 防腐剂等。
专一性
一种酶通常只能催化一种或一类化学反应，具有明显的专一性。
不稳定性
大多数酶是蛋白质，容易受温度、pH、重金属离子等环境因素的影响，表现出不稳定性。
酶的活性调节
1 2
共价修饰

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。

（2）优点
条件温和，操作简便，分离范围广，回收率高，层析柱可反复 使用，无需再生处理,可分段分离。 （3）常用的凝胶 交联葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶
三 、 酶 的 生 产 及 分 离 纯 化
3.酶分离纯化的层析技术
2）离子交换层析——电荷性质的差异 它利用离子交换剂上可解离基团对各种离子的亲 和力不同而进行分离。 （1）基本原理 蛋白质是两性电解质，不同蛋白质由于其pI不同，
V=
Km
Vmax [S] Km + [S]
— 米氏常数 Vmax — 最大反应速度

米氏方程的推导：
假设： 1）忽略ｐ的逆反应， 也即在初速度期间； 2）底物浓度远远大于 酶的浓度；
二 、 酶 作 用 原 理
3）反应处于稳态，即 中间产物生成和分解 的速度相等。
2、关于米－门方程的讨论 1）酶初速度和底物浓度的关系为一双曲线；
5、底物的浓度
三 、 酶 的 生 产 及 分 离 纯 化
（一）酶的生产
1.对酶源的要求
2.微生物作为酶的优势
3.对酶生产菌的要求 （二）酶的分离纯化 1.酶提取 2.酶分离纯化的沉淀技术 3.酶分离纯化的层析技术 4.酶分离纯化的电泳技术
三 、 酶 的 生 产 及 分 离 纯 化
（一）酶的生产
1.对酶源的要求 1）酶含量丰富 2）提取、纯化方便
（1）基本原理
空间排阻学说：PEG分子在溶液中形成网状 结构，与溶液中的蛋白质分子发生空间排挤作 用，从而使蛋白质分子凝聚而沉淀下来。 PEG沉淀蛋白质的过程遵循下列方程：
lg S f s x c
三 、 酶 的 生 产 及 分 离 纯 化
2．酶分离纯化的沉淀技术
（2）影响因素 a. 蛋白质的分子质量——大，沉降好

01
02
03
04
低温保存
将酶保存在低温条件下，如冰 箱或冰柜中，以降低酶的活性
损失。
添加稳定剂
在酶溶液中添加稳定剂，如糖 、甘油等，以增加酶的稳定性
。
真空干燥
将酶进行真空干燥处理，制成 干粉或结晶，以便长期保存。
调节pH值
通过调节酶溶液的pH值，可 以稳定酶的构象，降低酶的失
活速率。
实验操作中的安全防护措施
速率，从而计算酶活性。
荧光法
利用荧光物质作为底物，经酶 催化后产生荧光，通过测量荧 光强度变化来检测酶活性。
化学发光法
利用化学发光物质作为底物， 经酶催化后产生发光，通过测 量发光强度变化来检测酶活性 。
放射性同位素标记法
利用放射性同位素标记的底物 ，经酶催化后测量放射性强度
变化来检测酶活性。
酶的保存方法
回收率评估
计算分离纯化过程中酶的回收率，评估实验效率 和经济性。
活性评估
通过测定酶的活性，比较分离纯化前后的变化， 评估分离纯化的效果。
稳定性评估
比较分离纯化前后的酶在不同条件下的稳定性， 评估分离纯化的效果。
03
酶的活性检测与保存
酶活性检测的方法
比色法
通过酶催化特定底物反应产生 有色产物，通过比色测定反应
确保实验操作场所的清 洁和卫生，避免污染。
在操作过程中要轻柔， 避免剧烈搅拌或晃动， 以免酶失活。
注意控制实验温度和 pH值等参数，确保酶 的稳定性和活性。
在分离纯化过程中，要 密切关注实验进程，及 时处理通过电泳、质谱等技术手段检测酶的纯度，确保 达到实验要求。
佩戴防护眼镜和实验服
在进行实验操作时，务必佩戴防护眼 镜和实验服，以防止试剂溅出伤人和 避免污染衣物。

第6页/共38页
⑶水解酶类 水解酶类用于催化底物发生水解反应，水解酶在生物体内担负降解的作用。水
解酶类是当前应用最广泛的一种重要酶。
例如：淀粉的水解 (C6H10O5)n + nH2O 淀粉
淀粉酶 nC6H12O6 葡萄糖
又如：蛋白质在蛋白酶的催化下水解
蛋白质
蛋白酶 多肽
水解
蛋白酶 氨基酸
水解
第7页/共38页
后，得到的最终产物是氨基酸；结合蛋白质是由单纯蛋白质和非蛋白质组成，非蛋 白质部分称之为辅基。
例如：核蛋白（含核酸）、糖蛋白（含多糖）、脂蛋白（含脂类）、磷蛋白 （含磷酸）、金属蛋白（含金属）等。
酶同样也可分为单纯酶和结合酶两大类。单纯酶是由单纯蛋白质组成的酶，其 催化活性仅由其酶蛋白部分决定；而结合酶是由单纯蛋白质和非蛋白质组成，其催 化活性除酶蛋白部分外，还需要金属离子或其它小分子有机化合物作为酶的辅助因 子。
氢的方式进行。脱氢为氧化，加氢为还原。氧化还原酶类是生物获取能量的一种重 要酶。
例如：葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化下氧化成葡萄糖酸。
CH2OH │ (CHOH)4 │
CHO
葡萄糖氧化酶 + O2
COOH
│ (CHOH)4 │
CHO
+ H2O
又如：细胞内乙醇在乙醇脱氢酶的催化下转化为乙醛，使乙醇脱氢酶的辅酶
酶蛋白的结合较为松散，可用透析法将辅酶透析出来 。 例如：维生素B1、维生素B2等。
H3C
N
N
NH2 S
N
+
Cl-
CH2CH2OH CH3
H3C
N
O
NH
H3C
N
N
O

2、分类
化学酶工程
生物酶工程
精品医学4ຫໍສະໝຸດ 固定化酶的概念、优点与实现方法
1、概念
固定化酶（immobilized enzyme）指借助物理和 化学方法将酶束缚在一定的空间内并仍具有催化活性的 酶制剂。
2、优点
➢ 提高酶的稳定性
➢ 提高酶的使用效率，降低成本
➢ 使酶的机械强度增加，可进行装柱或分批反应，使反应 连续化、自动化，适合与现代化规模的大工业生产。
精品医学
8
第三节 固定化技术的研究进展
1、提高酶的稳定性
➢ 多点共价结合固定化 ➢ 设计酶的微环境 ➢ 新材料、新技术的应用
2、提高酶的活力
➢ 诱导酶成活性构象 ➢ 增加载体的载酶能力 ➢ 无载体固定化
3、控制酶的提纯和回收过程
精品医学
9
3、控制酶的提纯和回收过程
➢ 酶的固定化纯化 ➢ 磁性材料
精品医学
10
精品医学
11
➢ 极易产生分离，简化了产品的纯化工艺。
精品医学
5
3、固定化方法
➢ 吸附法 ➢ 包埋法 ➢ 共价结合法 ➢ 交联法
精品医学
6
第二节 酶工程的应用
1、在医药中的应用
⑴ 用固定化L-氨基酰化酶生产L-氨基酸。 ⑵ 用固定化细胞以反丁烯二酸为原料生产L-苹果酸，实现
了我国L-苹果酸的工业化生产。
2、在食品中的应用
酶工程技术
薛亚男
精品医学
1
目录
第一节 酶的固定化 第二节 酶工程的应用 第三节 固定化技术的研究进展
精品医学
2
第一节 酶的固定化
一 酶工程简介 二 固定化的概念、优点与实现方法
精品医学