第十三章酶的应用

第十四章第十四章 酶的应用酶的应用“绿色健康，绿色健康，“酶酶”力无限力无限 医药、洗涤剂、纺织、淀粉制糖、发酵、酒精、食品（包医药、洗涤剂、纺织、淀粉制糖、发酵、酒精、食品（包括果蔬汁、啤酒酿造、谷物食品、蛋白水解、和功能食品以及括果蔬汁、啤酒酿造、谷物食品、蛋白水解、和功能食品以及食用油脂）、饲料、皮革、造纸和化工等工业领域食用油脂）、饲料、皮革、造纸和化工等工业领域。酶参与生物体内所有的生命活动和生命过程酶参与生物体内所有的生命活动和生命过程n执行具体的生理功能执行具体的生理功能-唾液、胃液中的消化酶，凝血酶等；唾液、胃液中的消化酶，凝血酶等；n清除有害物质清除有害物质,起保卫作用起保卫作用-过氧化物酶，朝氧化物岐化酶等；过氧化物酶，朝氧化物岐化酶等；n协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转换，传递与放大协同激素等生理活性物质在体内发挥信号转换，传递与放大作用作用,调节生理功能调节生理功能-蛋白激酶；蛋白激酶；n催化代谢反应催化代谢反应,建立各种各样代谢体系与代谢途径建立各种各样代谢体系与代谢途径-葡萄糖、葡萄糖、氨基酸、核酸代谢氨基酸、核酸代谢n酶是生物学有力的研究工具酶是生物学有力的研究工具n基因工程工具酶基因工程工具酶n基因组学基因组学n蛋白组学蛋白组学酶和工农业生产与医学实践有密切的关系酶和工农业生产与医学实践有密切的关系n工业用酶：淀粉糖业工业用酶：淀粉糖业n农业用酶：饲料农业用酶：饲料n医疗用酶：蛋白酶医疗用酶：蛋白酶 检测试剂检测试剂n抗病毒等新药物开发抗病毒等新药物开发1、酶在医药方面的应用、酶在医药方面的应用2、酶在食品方面的应用、酶在食品方面的应用3、酶在轻工、化工方面的应用、酶在轻工、化工方面的应用 4、酶在环境保护中的应用、酶在环境保护中的应用GoGoGoGo5、酶在生物技术方面的应用、酶在生物技术方面的应用Go一、酶在医药方面的应用一、酶在医药方面的应用n用酶进行用酶进行疾病的诊断疾病的诊断n用酶进行用酶进行疾病的治疗疾病的治疗n用酶制造各种用酶制造各种药物药物1、通过酶活力变化进行疾病诊断、通过酶活力变化进行疾病诊断34骨折，骨折，LDH5增高增高用酶测定物质的量的变化进行疾病诊断用酶测定物质的量的变化进行疾病诊断 酶酶测定的物质测定的物质用用 途途葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶葡萄糖葡萄糖测定血糖、尿糖，诊断糖尿病测定血糖、尿糖，诊断糖尿病葡萄糖氧化酶葡萄糖氧化酶+过氧化物酶过氧化物酶葡萄糖葡萄糖测定血糖、尿糖，诊断糖尿病测定血糖、尿糖，诊断糖尿病尿素酶尿素酶尿素尿素测定血液、尿液中尿素的量，测定血液、尿液中尿素的量，诊断肝脏、肾脏病变诊断肝脏、肾脏病变谷氨酰胺酶谷氨酰胺酶谷氨酰胺谷氨酰胺测定脑脊液中谷氨酰胺的量，测定脑脊液中谷氨酰胺的量，诊断肝昏迷、肝硬化诊断肝昏迷、肝硬化胆固醇氧化酶胆固醇氧化酶胆固醇胆固醇测定胆固醇含量，诊断高血脂等测定胆固醇含量，诊断高血脂等DNA聚合酶聚合酶基因基因通过基因扩增，基因测序，通过基因扩增，基因测序，诊断基因变异、检测癌基因诊断基因变异、检测癌基因当人们患上某些疾病时，由于组织、细胞受到损伤或者代谢异常而引当人们患上某些疾病时，由于组织、细胞受到损伤或者代谢异常而引起体内的某些物质的量或存在部位发生变化。通过测定体液中某些物质的变化，起体内的某些物质的量或存在部位发生变化。通过测定体液中某些物质的变化，可以快速、准确的诊断疾病。由于酶具有专一性强、催化效率高等特点，所以可以快速、准确的诊断疾病。由于酶具有专一性强、催化效率高等特点，所以可以用酶测定体液中某些物质的变化，进而诊断疾病。可以用酶测定体液中某些物质的变化，进而诊断疾病。PKU苯丙酮尿症苯丙酮尿症脑发育受阻，严重脑脑发育受阻，严重脑力呆滞，智商力呆滞，智商050苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病苯丙氨酸代谢途径关系到三种遗传病2、酶在疾病治疗方面的应用、酶在疾病治疗方面的应用酶酶 名名来来 源源用用 途途淀粉酶淀粉酶胰脏、麦芽、微生物胰脏、麦芽、微生物治疗消化不良，食欲不振治疗消化不良，食欲不振蛋白酶蛋白酶胰脏、胃、植物、微生物胰脏、胃、植物、微生物治疗消化不良，食欲不振，消炎，消肿，除去坏死组织，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，降低血压促进创伤愈合，降低血压脂肪酶脂肪酶胰脏、微生物胰脏、微生物治疗消化不良，食欲不振治疗消化不良，食欲不振纤维素酶纤维素酶霉菌霉菌治疗消化不良，食欲不振治疗消化不良，食欲不振溶菌酶溶菌酶蛋清、细菌蛋清、细菌治疗各种细菌性和病毒性疾病治疗各种细菌性和病毒性疾病尿激酶尿激酶人尿人尿治疗心肌梗塞，结膜下出血，黄斑部出血治疗心肌梗塞，结膜下出血，黄斑部出血链激酶链激酶链球菌链球菌治疗血栓性静脉炎，咳痰，血肿，下出血，骨折治疗血栓性静脉炎，咳痰，血肿，下出血，骨折青霉素酶青霉素酶蜡状芽孢杆菌蜡状芽孢杆菌治疗青霉素引起的变态反应治疗青霉素引起的变态反应L-L-天冬酰胺酶天冬酰胺酶大肠杆菌大肠杆菌治疗白血病治疗白血病超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶微生物，植物，动物微生物，植物，动物预防辐射损伤，治疗红斑狼疮，皮肌炎，结肠炎预防辐射损伤，治疗红斑狼疮，皮肌炎，结肠炎凝血酶凝血酶动物，蛇，细菌，酵母等动物，蛇，细菌，酵母等治疗各种出血病治疗各种出血病胶原酶胶原酶细菌细菌分解胶原，消炎，化脓，脱痂，治疗溃疡分解胶原，消炎，化脓，脱痂，治疗溃疡右旋糖酐酶右旋糖酐酶微生物微生物预防龋齿预防龋齿 溶菌酶溶菌酶 1、杀菌机理、杀菌机理 由吞噬细胞合成并分泌的一种小分子粘性蛋白，属由吞噬细胞合成并分泌的一种小分子粘性蛋白，属乙酰多糖乙酰多糖酶酶。存在于唾液、乳汁、泪液和鼻及气管等分泌物中。存在于唾液、乳汁、泪液和鼻及气管等分泌物中。作用于细菌细胞壁的作用于细菌细胞壁的粘肽层粘肽层，粘肽是细菌的细胞壁主要成分。，粘肽是细菌的细胞壁主要成分。溶菌酶能切断粘肽结构中的溶菌酶能切断粘肽结构中的 N-乙酰葡萄糖胺和乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之乙酰胞壁酸之间的间的-1,4 糖苷键糖苷键，破坏粘肽支架破坏粘肽支架，使细胞壁破坏，内容物逸出，使细胞壁破坏，内容物逸出而使细菌溶解。而使细菌溶解。2、作用对象：溶解革兰氏阳性菌、作用对象：溶解革兰氏阳性菌栓溶酶类与心血管疾病栓溶酶类与心血管疾病凝凝血血酶酶 美国医学家美国医学家WF安德森等人对腺苷脱安德森等人对腺苷脱氨酶缺乏症（氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的基因治疗，缺乏症）的基因治疗，是世界上第一个基因治疗成功的范例。是世界上第一个基因治疗成功的范例。谢德尔，谢德尔，19993、酶在药物制造方面的应用、酶在药物制造方面的应用 酶酶主要来源主要来源用途用途青霉素酰化酶青霉素酰化酶微生物微生物制造半合成青霉素和头孢菌素制造半合成青霉素和头孢菌素11-羟化酶羟化酶霉菌霉菌制造氢化可的松制造氢化可的松L-酪氨酸转氨酶酪氨酸转氨酶细菌细菌制造多巴（制造多巴（L-二羟苯丙氨酸）二羟苯丙氨酸）-酪氨酸酶酪氨酸酶植物植物制造多巴制造多巴-甘露糖苷酶甘露糖苷酶链霉菌链霉菌制造高效链霉素制造高效链霉素核苷磷酸化酶核苷磷酸化酶微生物微生物生产阿拉伯糖腺嘌呤核苷（阿糖腺苷）生产阿拉伯糖腺嘌呤核苷（阿糖腺苷）酰基氨基酸水解酶酰基氨基酸水解酶微生物微生物生产生产L-氨基酸氨基酸5-磷酸二酯酶磷酸二酯酶桔青霉等微生物桔青霉等微生物生产各种核苷酸生产各种核苷酸多核苷酸磷酸化酶多核苷酸磷酸化酶微生物微生物生产聚肌胞，聚肌苷酸生产聚肌胞，聚肌苷酸无色杆菌蛋白酶无色杆菌蛋白酶细菌细菌由猪胰岛素（由猪胰岛素（Ala-30）转变为人胰岛素）转变为人胰岛素（Thr-30）核糖核酸酶核糖核酸酶微生物微生物生产核苷酸生产核苷酸蛋白酶蛋白酶动物、植物、微生物动物、植物、微生物生产生产L-氨基酸氨基酸青霉素酰化酶与抗生素改造青霉素酰化酶与抗生素改造u由于天然青霉素存在有抗菌谱窄、不耐胃酸口服无效及不耐酶易被水解等缺点，因此，通过改变天然青霉素G的侧链可获得耐酸、耐酶、广谱、抗铜绿假单胞菌及主要作用于G-菌等等一系列不同品种的半合成青霉素；但半合成青霉素的抗菌活性均不及天然青霉素G。微生物半合成青霉素微生物、动植物及人体治疗抑郁症治疗抑郁症淀粉酶类与淀粉糖业淀粉酶类与淀粉糖业二、酶在食品方面的应用二、酶在食品方面的应用淀粉液化液淀粉酶糖化酶糖化液喷雾干燥氢化还原结晶异构酶粉状葡萄糖山梨醇结晶葡萄糖果葡糖浆果糖42%葡萄糖55%低聚糖分离混合高果糖浆果糖浆果糖80-90%果糖55%葡萄糖39%低聚糖果汁生产与果胶酶果汁生产与果胶酶乳制品与凝乳酶乳制品与凝乳酶三、酶在轻工、化工方面的应用三、酶在轻工、化工方面的应用 n用酶进行原料处理用酶进行原料处理n用酶生产各种轻工、化工产品用酶生产各种轻工、化工产品n用酶增强产品的使用效果用酶增强产品的使用效果 用酶进行原料处理用酶进行原料处理生物抛光是一种用生物抛光是一种用纤维素酶纤维素酶改善纤改善纤维素纤维制品表面的整理工艺，以维素纤维制品表面的整理工艺，以达到持久的抗起毛起球并增加织物达到持久的抗起毛起球并增加织物的光洁度和柔软度。的光洁度和柔软度。乙酰乙酰-DL Ala L Ala+乙酸乙酸乙酰乙酰-D AlaAminoacylase 氨氨 基基 酰酰 化化 酶酶L-Ala,是一种低热量的甜味剂。自然界中L-阿拉伯糖很少以单糖形式存在，以杂多糖的形式存在于胶质、半纤维 素、果胶酸、细菌多糖及某些糖苷中。用酶生产各种轻工、化工产品用酶生产各种轻工、化工产品泵泵储罐反应产物离心机离心机消消旋旋反反应应器器固定化酶柱子晶体 L-AlaL-Ala A-D-AlaA-L-Ala A-D-Ala用酶生产各种轻工、化工产品用酶生产各种轻工、化工产品L-L-阿拉伯糖的作用：阿拉伯糖的作用：1、影响人体蔗糖酶的活性，屏蔽过量的蔗糖吸收，从而达到抑制 肥胖（即减肥）、降低血糖的作用；2、L-阿拉伯糖能够促进体内双歧杆菌的生长和繁殖，防治便秘有 很好的效果；3、L-阿拉伯糖有梳理人体骨骼肌的作用，缓解人体疲劳；4、L-阿拉伯糖不容易被口腔内的细菌分解，能够抑制口腔细菌，预防龋齿加酶增强产品的使用效果加酶增强产品的使用效果植酸酶植酸酶Bio-Feed Phytase(Ronozyme P)主要用于提高植酸磷的消化率，并相应改善钙和其它矿物元素的利用率。大主要用于提高植酸磷的消化率，并相应改善钙和其它矿物元素的利用率。大大降低了动物粪便中磷的排放量，有益环保。大降低了动物粪便中磷的排放量，有益环保。脱脱落落。软化软化。皮革脱毛与软化皮革脱毛与软化加酶洗涤剂加酶洗涤剂生丝脱胶与羊毛染生丝脱胶与羊毛染加酶增强产品的使用效果加酶增强产品的使用效果四、酶在环境保护中的应用四、酶在环境保护中的应用n环境监测环境监测n废水处理废水处理n过氧化物酶过氧化物酶n多酚氧化酶多酚氧化酶n可降解材料开发可降解材料开发石油细菌，并非将石油资源石油细菌，并非将石油资源“消灭消灭”掉，而是拥有降解石油的特掉，而是拥有降解石油的特性。性。在自然界中，很多细菌能降解轻油，但重油却不易被降解，因此在自然界中，很多细菌能降解轻油，但重油却不易被降解，因此造成长期污染。造成长期污染。石油细菌，具有一种特殊的酶，可以帮助降解重油。这是其他任石油细菌，具有一种特殊的酶，可以帮助降解重油。这是其他任何微生物和植物都不具备的特性。何微生物和植物都不具备的特性。在在45摄氏度至摄氏度至73摄氏度的条件下存活，能以原油为唯一的摄氏度的条件下存活，能以原油为唯一的“食物食物”。五、五、酶在生物技术方面的应用酶在生物技术方面的应用n除去细胞壁除去细胞壁n大分子切割大分子切割n大分子连接大分子连接 1、除去细菌细胞壁、除去细菌细胞壁 细菌的细胞壁主要成分是肽多糖。细菌的细胞壁主要成分是肽多糖。从蛋清中可以分离得到的溶菌酶。该酶专一地作用于从蛋清中可以分离得到的溶菌酶。该酶专一地作用于革兰氏阳性细菌革兰氏阳性细菌细胞壁的肽多糖分子中细胞壁的肽多糖分子中N-乙酰胞壁酸与乙酰胞壁酸与N-乙酰氨基葡萄糖之间的乙酰氨基葡萄糖之间的-1,4键。键。革兰氏阴性细菌的细胞壁除了肽多糖以外，还有一层革兰氏阴性细菌的细胞壁除了肽多糖以外，还有一层脂多糖脂多糖。需由溶菌酶和。需由溶菌酶和EDTA共同作用才能达到较好地除去共同作用才能达到较好地除去细胞壁的效果。细胞壁的效果。EDTA可作用于脂多糖。可作用于脂多糖。酶在除去细胞壁方面的应用酶在除去细胞壁方面的应用 2、除去酵母细胞壁、除去酵母细胞壁 酵母的细胞壁分为两层，酵母的细胞壁分为两层，外层由磷酸甘露糖和蛋白质外层由磷酸甘露糖和蛋白质组成，内层由组成，内层由-葡聚糖葡聚糖构成细胞壁的骨架。构成细胞壁的骨架。除去酵母细胞壁主要采用除去酵母细胞壁主要采用-1，3葡聚糖酶葡聚糖酶。该酶作用。该酶作用于细胞壁内层的于细胞壁内层的-葡聚糖分子中葡聚糖分子中-1，3 糖苷键，使作为细糖苷键，使作为细胞壁骨架的胞壁骨架的-葡聚糖水解，而使细胞壁破坏。葡聚糖水解，而使细胞壁破坏。蜗牛的消化液蜗牛的消化液中含有较多的中含有较多的-1，3-葡聚糖酶，故常用葡聚糖酶，故常用于酵母的破壁。此外，若于酵母的破壁。此外，若-葡聚糖酶与磷酸甘露糖酶及蛋葡聚糖酶与磷酸甘露糖酶及蛋白酶联合作用，则可使细胞壁的内外两层同时被破坏。白酶联合作用，则可使细胞壁的内外两层同时被破坏。酶在除去细胞壁方面的应用酶在除去细胞壁方面的应用 3、除去霉菌细胞壁、除去霉菌细胞壁 毛霉、根霉等藻菌纲霉菌毛霉、根霉等藻菌纲霉菌的细胞壁主要由几丁质的细胞壁主要由几丁质(N-乙乙酰酰-D-氨基葡萄糖以氨基葡萄糖以-1，4键结合而成键结合而成)和壳多糖和壳多糖(氨基葡萄氨基葡萄糖以糖以-1，4键结合而成键结合而成)等多种物质组成。等多种物质组成。破壁时主要采用放线菌或细菌产生的破壁时主要采用放线菌或细菌产生的壳多糖酶、几丁壳多糖酶、几丁质酶及蛋白酶等多种酶质酶及蛋白酶等多种酶的混合物。这些混合多酶制剂一般的混合物。这些混合多酶制剂一般称之为细胞壁溶解酶。称之为细胞壁溶解酶。米曲霉、黑曲霉和青霉等半知菌纲霉菌的细胞壁的主米曲霉、黑曲霉和青霉等半知菌纲霉菌的细胞壁的主要组分是几丁质和要组分是几丁质和-葡聚糖等。破壁时主要使用葡聚糖等。破壁时主要使用-1，3一一葡聚糖酶和几丁质酶的混合物。葡聚糖酶和几丁质酶的混合物。酶在除去细胞壁方面的应用酶在除去细胞壁方面的应用 4 4、植物细胞壁的破除、植物细胞壁的破除 植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶植物细胞壁主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶等组成。等组成。破除植物细胞壁主要采用破除植物细胞壁主要采用纤维素酶、半纤维素酶和果纤维素酶、半纤维素酶和果胶酶胶酶组成的混合酶。这几种酶大多数是由组成的混合酶。这几种酶大多数是由霉菌发酵霉菌发酵产生。产生。利用酶除去细胞壁，除了要根据细胞的结构特点选用利用酶除去细胞壁，除了要根据细胞的结构特点选用适宜的酶之外，还必须控制好酶作用条件和时间。此外，适宜的酶之外，还必须控制好酶作用条件和时间。此外，若用酶除去细胞壁以制备原生质体时，必须在反应系统中若用酶除去细胞壁以制备原生质体时，必须在反应系统中添加渗透压稳定剂，维持高渗状态而使制备得到的原生质添加渗透压稳定剂，维持高渗状态而使制备得到的原生质体不致破裂。体不致破裂。酶在除去细胞壁方面的应用酶在除去细胞壁方面的应用 现代基因工程的创始人现代基因工程的创始人P伯格，伯格，在在1960年以敏锐的科学预见力提出一个大年以敏锐的科学预见力提出一个大胆的设想：胆的设想：是否可以创造出一种人工方法，把外界的遗传基因引入动物体内，是否可以创造出一种人工方法，把外界的遗传基因引入动物体内，以达到改变遗传性状和治疗某些疾病的需要呢？以达到改变遗传性状和治疗某些疾病的需要呢？1972年，伯格把两种病毒的年，伯格把两种病毒的DNA用同一种用同一种限制性内切酶限制性内切酶切割后，再用切割后，再用DNA连接酶连接酶把这两种把这两种DNA分子连接起来，于是产生了一种新的重组分子连接起来，于是产生了一种新的重组DNA分子，首次分子，首次实现两种不同生物的实现两种不同生物的DNA体外连接，获得了第一批重组体外连接，获得了第一批重组DNA分子，标志着基因分子，标志着基因工程技术的诞生。伯格因此获得了工程技术的诞生。伯格因此获得了1980年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。限制性限制性酶活性酶活性缓冲液缓冲液甲基化甲基化底物性状底物性状 一些限制性核酸内切酶的来源与作用位点一些限制性核酸内切酶的来源与作用位点酶酶识别序列与作用位点识别序列与作用位点53来来 源源Alu AGCTArthrobacter luteusArthrobacter luteusAvaCPyCGPuGAnabaena vayiabilisBamH GGATCCBacillus amyloliquefaciensBgl AGATCTBacillu globigiiEco R GAATTCEscherichia coli Rye13Hae GGCCHacmophilus aegyptiusHind AAGCTTHaemophilus influenzaeHpa GTTAACHacmophilus parainfluenzaeKpn GGTACCKlebsiella pneumoniaePst CTGCAGProvidencia stuartiiSal GTCGACStreptomyces albusSma CCCGGGSerratia marcensXba TCTAGAXanthomonas badrii