生物技术概论之酶工程

第八讲 生物技术概论生物技术概论 之酶工程之酶工程第二节第二节 酶工程酶工程 酶（ENZYME）是一种生物催化剂，酶的功能特异与生物的生命活动密切相关，如执行具体生理活动，参与外来物质的转化与解毒，协同激素发挥效应、催化代谢反应等等，没有酶，就没有生物体的一切生命活动。 古代人类就开始利用酶，如酿酒、制酱。在近代开始逐渐工业化生产酶，1894年日本利用米曲霉生产淀粉酶用于促进消化。1914年法国生产出细菌-淀粉酶用于纺织工业50年代，日本第一个用深层液体发酵法生产-淀粉酶开创了现代酶制剂工业。酶工程已成为一门新兴学科酶工程已成为一门新兴学科( (一）酶的概述一）酶的概述1 1、酶的化学本质、酶的化学本质 一般情况下，酶的化学本质是蛋白质，是具有特殊催化功能的蛋一般情况下，酶的化学本质是蛋白质，是具有特殊催化功能的蛋白质白质 酶一般不能通过半透膜，酶是两性电解质，酶能够被蛋白酶水解，失活条件与蛋白质相同，结构分析与蛋白质相同。 组成： 单成分酶的组成成分只有酶蛋白，而全酶含有酶蛋白和辅助因子，两者必须结合组成复合物才能有催化活性辅助因子有的是金属离子；有的是有机小分子，其中与酶蛋白结合紧密的称为辅基，与酶蛋白可分开的称为辅酶但是，20世纪80年代发现了核酶，其本身属于一种核酶，其本身属于一种RNARNA，并非蛋白质并非蛋白质，但也能特异性地催化某个反应。 辅辅酶酶酶酶蛋蛋白白双双成成分分酶酶（全全酶酶）单单成成分分酶酶例如：许多脱氢酶需要NADNAD或NADP为辅酶（烟酰胺核苷酸）CHOCH3NADH2NAD乙醇脱氢酶CH2OHCH3NAD（P）.氧化型NAD（P）H.还原型NCHOCH2OHOH3CPOHOHO（PLP）2 2、酶的结构与催化功能酶的结构与催化功能1.酶的催化功能是由酶蛋白的分子结构，特别是由酶的特殊的空间构象决定的。酶的活性部位：酶的活性部位（活性中心）是酶蛋白分子中直接与底物结合，进行催化反应的部位，是由相关酶对底物结合和催化的氨基酸残基在空间上组成一个与酶显示活性直接相关的区域。 酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空间构象时才酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空间构象时才能存在并发挥其催化功能。能存在并发挥其催化功能。酶的其它部分分为酶的其它部分分为： A. 有些去除一段肽链，酶活性不受影响 B. 有些对维持酶的空间构象、保护酶的活性部位、保护 酶的催化能力方面非常重要。3.3.酶的催化特性酶的催化特性酶是一种催化剂，可以加快反应速度但不改变平衡点酶是一种催化剂，可以加快反应速度但不改变平衡点具有以下催化特性：具有以下催化特性： （1）酶的催化反应条件温和。一般在常压和较低的温度下即可发生酶催化反应。（2）酶的催化效率高。酶比一般化学催化剂要高得多。 Fe作催化剂，0时1克分子铁10-5mol H2O2 /秒 H2O2酶作催化剂，0时1克分子酶105 H2O2 /秒，高1010倍（3）酶的催化具有专一性。 2H2O22H2O + O2酶的专一性酶的专一性（1 1）结构专一性）结构专一性相对专一性相对专一性：一种酶能催化一类具有相同化学键或基团 的物质进行某种类型的反应 脂类 脂肪酸 醇 RCORO+H2O脂肪酶RCOOH+ROH 绝对专一性绝对专一性 一种酶只能催化一种化合物进行一种反应 几乎不催化尿素以外的任何物质发生水解CNH2H2NO+H2O脲 酶CO2 + 2NH3（2 2）立体异构专一性立体异构专一性旋光异构专一性：旋光异构专一性： 当底物中含有不对称碳原子时，酶只能作用于异构体的一种，而对另一种则全无作用。 L-乳酸CHCOOHCH3OH乳酸脱氢酶CCH3COOHO 几何异构专一性几何异构专一性反丁烯二酸延胡索酸酶L-苹果酸 酶的专一性在实践中很有意义。在科研和酶的专一性在实践中很有意义。在科研和生产中得到广泛的应用。生产中得到广泛的应用。 利用这一特性，可以从原料得到单一的产物，防止副产物生成。如：某些药物只有某一种构型才有生理作用，而有机合成的药物只能是消旋产物，利用酶进行不对称合成 4 4、酶作用专一性机制的假说、酶作用专一性机制的假说 锁钥学说：酶与底物在表锁钥学说：酶与底物在表面结构的特定部位其形状是互面结构的特定部位其形状是互补的，一定的酶只能与一定的补的，一定的酶只能与一定的底物结合。底物结合。诱导契合学说：诱导契合学说：酶的活性部位在结构上是柔性的，当底物与酶的这个部位接触时，可使酶蛋白发生构象变化，这样就使反应所需基团正确排列、定向，从而易与底物结合反应。5 5、酶的命名、分类、酶的命名、分类1、由于酶的化学结构已弄清楚的为数不多，不能按化学结构命名。目前有习惯命名法和系统命名法。A. 习惯命名法：主要根据酶作用的底物和催化反应类型来命名。如：葡萄糖氧化酶；乙酰胆碱酶表示水解乙酰胆碱（水解酶可省水解两字）；B. 系统命名法：1961年，国际酶学会提出了一个命名原则1、氧化还原酶、氧化还原酶 AH2+B A+BH2、转移酶转移酶 AX+B A+BX3、水解酶水解酶 AB+H2O AH+BOH4、裂合酶裂合酶 AB A+B5、异构酶异构酶 L-型型 D-型型6、连接（合成）酶、连接（合成）酶 A+B AB 裂解酶催化一个化合物分解成几个化合物或其逆过程，如脱羧酶催化分子中的C-C键裂解，脱水酶催化C-O键裂，产物为H2O；脱氨酶催化C-N键裂解。 合成酶一般是指在ATP参加的合成反应，这类酶关系着许多重要生命物质的合成，如蛋白质、核酸等。（三）（三） 酶工程的应用酶工程的应用酶在食品工业中的应用1.淀粉加工工业 用于水解淀粉，生产功能性低聚糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖浆，年产1000万t，大多数低聚糖由酶水解或酶转移生产。2.蛋白质加工工业在蛋白酶作用下生产多肽、氨基酸、蛋白水解物如生产玉米蛋白多肽、肽系调味品、肉类加工改善品质、增加面制品弹力3.乳品工业乳糖酶，降解乳糖为半乳糖，增加可消化性凝乳酶，制造奶酪，溶菌酶用于婴儿奶粉消毒。4.酿酒工业填加糖化酶，降解淀粉，缩短酿造时间，提高出酒率。中性蛋白酶可分解麦芽汁中的蛋白质，提高氨基酸含量，促进酵母发酵木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶等可用于啤酒澄清，延长保质期5.果蔬加工工业常用的有果胶酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶和阿拉伯糖酶6.面粉烘烤工业改善面粉质量、改善面团性质、改变颜色、漂白面粉二.酶在饲料工业中的应用 利于饲料的吸收、消除抗营养因子、补充内源酶不足、提高饲料利用率、增加产量、减少污染。目前我国饲料用酶产量超过13500吨，添加饲料超过1350万吨。农业部批准的酶有12种。1.复合酶制剂 2种或几种酶制剂混合而成，提高饲料的利用价值2.植酸酶 能使得饲料中的有机磷得到有效利用。三.酶在轻工业中的应用1.用于制造洗涤剂碱性蛋白酶、碱性脂肪酶、碱性纤维素酶、氧化酶2.在造纸工业中的应用木聚糖酶用于漂白，纤维素酶脱墨、降解纤维素3.在纺织工业中的应用淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶、过氧化氢酶用于织物退浆、织物防缩、脱胶、柔软、漂白4.在皮革工业中的应用蛋白酶用于皮革的脱毛软化5.在日化工业中的应用延缓衰老、杀菌、染发6.在油脂工业中的应用油脂水解、酯交换、提取油脂、制皂四.酶在化学工业中的应用1. 酶在有机酸合成中的应用 酶法合成L-酒石酸， L-苹果酸，长链二羧酸， L-乳酸，专一光学活性2. 酶在氨基酸生产中的应用 酶可用于D、L-氨基酸的光学拆分，合成氨基酸进行化学-酶法生产，如L-天冬氨酸、 L-苯丙氨酸、 L-赖氨酸。3.生产基础化工原料 酶法生产丙烯酰胺、丁二酸4.酶法合成聚合物 可生物降解材料，生物膜五.酶在医药工业中的应用1. 酶在半合成抗生素工业中的应用 利用酰化酶进行半合成中间体2. 药用酶 促进消化酶类、消炎酶类、抗肿瘤酶类、治疗心血管疾病、电子传递。3.诊断用酶与酶盒 快速准确，自动化程度高4.手性药物六.酶在科学研究中的应用在分子生物学与基因工程中有重要作用。1.限制性内切酶能识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列并将其切断。2.DNA聚合酶可用于DNA标记、 DNA 序列分析、 DNA 某些片段的扩增。3.反转录酶可以RNA分子为摸板合成出一条DNA链，可用于体外cDNA的合成，建立cDNA文库。4.核酸酶作用于RNA分子，分解RNA 。5.其它酶细胞壁裂解、蛋白质水解等课后作业1、酶的催化特性是什么？2、根据酶催化反应的类别，酶可分为哪几类？