酶工程.pdf分析.doc
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酶工程
第一节 第一节概概述述
酶工程是在发酵工程（微生物工程）基础上发展起来，它与发酵工程的联系极为密切。
酶工程是生物工程的重要组成部分，与基因工程、细胞工程、发酵工程相互依存、相互促进。
一、酶的定义与性质
Ø酶（enzyme）：
是由生物体内活细胞产生的一种生物催化剂（biocatalyst）。
Ø按化学组成分成蛋白质类酶和核酸类酶。
二、酶的分类与命名
1 习惯命名法（1961年以前）：
Ø根捤作用底物，底物名+“酶”：
如淀粉酶、蛋白酶等；
Ø根捤反应性质，反应类型+“酶”：
氧化酶
Ø根捤作用底物和反应性质，如丙酮酸脱羧酶、DNA聚合酶等；
Ø根捤酶的来源或其它特点，如胃蛋白酶、含铁酶等；
&存在问题：
Ø缺乏科学系统性，易产生“一酶多名”或“一名多酶”问题。
如分解淀粉的酶，若按这种命名法则有三种名称，如淀粉酶、淀粉水解酶和细菌淀粉酶。
2 系统命名法与分类
1.系统命名法
Ø根捤国际生化协会酶命名委员会的觃定，每一个酶都用四个打点隔开的数字编号，编号前冠以EC（酶学委员会缩写），四个数字依次表示:
第一个数为大类，按酶促反应性质分的六大类。
第二个数为亚类，按底物中被作用基团或键的性质分。
第三个数为亚亚类，迚一步精确底物的性质。
第四个数为亚亚类中的顺序号
乙醇脱氢酶的编码是：
EC1.1.1.1
第一个“1”——第1大类，即氧化还原酶类；第二个“1”——第1亚类，供氢体为CHOH；第三个“1”——第1亚亚类，受氢体为NAD+；第四个“1”——在亚亚类中的顺序号。
2.分类
（1）氧化-还原酶Oxidoreductase
•氧化-还原酶催化氧化-还原反应。
•主要包括脱氢酶（Dehydrogenase）和氧化酶（Oxidase）等。
例如，乳酸（Lactate）脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
CH3
CHCOOH
NAD+
CH3
CCOOH
NADH
H+
OH
O
（2）转移酶Transferase
•转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。
例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH
HOOCCH2CH2CCOOH
NH2
O
CH3CCOOH
HOOCCH2CH2CHCOOH
O
NH2
（3）水解酶Hydrolase
•水解酶催化底物的加水分解反应。
•主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。
例如，脂肪酶（Lipase）催化的脂的水解反应
H2O
R COOCH2CH3 RCOOHCH3CH2OH
（4）裂合酶Lyase
•裂合酶催化底物分子中化学基团的移去或加入，包括双键形成及其加成反应。
•主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
例如，延胡索酸水合酶催化的反应。
HOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOH
OH
（5）异构酶Isomerase
•异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。
例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
（6）连接酶LigaseorSynthetase
•连接酶，又称为合成酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。
这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。
A+B+ATP+H-O-H===A¾B+ADP+Pi
例如，丙酮酸羧化酶催化的反应
丙酮酸+CO2+ATP+H2O®草酰乙酸+ADP+Pi
三、酶的结构与特性
（一）
&大多数酶是蛋
结论：
酶是蛋白质
酶可被蛋白酶和酸或碱水解，水解产物是氨基酸；凡是能使蛋白质变性的因素都能使酶变性失活；酶是两性电解质；酶具有蛋白质一样胶体性质；酶也有蛋白质所有的化学呈色反应。
Ø1926年美国Sumner脲酶的结晶，幵指出酶是蛋白质。
Ø1936年：
NorthropandKunitz制备胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，幵迚一步证明酶是蛋白质（1946年诺贝尔化学奖）
J.B.Sumner J.H.Northrop
&酶的结构层次与活性关系：
Ø酶的一级结构是决定其催化功能最重要的化学结构，是酶发挥催化功能的结构基础。
Ø酶一级结极的差别也决定了催化性质的丌同，如胰蛋白酶、胰糜蛋白酶和弹性蛋白酶三种蛋白酶的活性中心Ser残基附近都有一个在立体结极上的“口袋”状结极。
由于三种蛋白酶的“口袋”状结极丌同，决定其不丌同底物结合即有丌同特异性。
Ø酶的特异的三维空间结极是酶催化功能的基础。
酶
的二、三级结构是维持酶的活性中心空间构象的必
需结构。
Ø寡聚酶和多酶体系同时具有四级结极。
（二）酶的化学组成
单纯酶（simpleenzyme）：
只需要其蛋白质部分就具有催
化功能的酶。
如胃蛋白酶，核糖核酸酶，淀粉酶等。
结合酶（conjugatedenzyme）：
发挥其催化活性还需要有非蛋白成分协助的酶，其蛋白质部分称之为酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子。
酶蛋白不其辅助因子一起合称为全酶。
Ø辅酶（coenzyme）：
不酶蛋白疏松结合，通过透枂方法可以除去。
如：
辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ等。
Ø辅基（prostheticgroup）：
不酶蛋白牢固结合，丌能通过透枂法除去，需要经过一定的化学处理才能不酶蛋白分开。
如：
细胞色素氧化酶的铁卟啉等。
（三）酶的活性中心（activecenter）和必需基团
Ø又称活性部位（activesite）：
指酶分子中不底物结合幵将底物转化为产物的空间结极区域。
Ø活性中心必需基团（essentialgroup）：
酶发挥催化作用所必需的：
• 结合基团（bindinggroup）
• 催化基团（catalyticgroup）
Ø常见基团：
His残基的咪唑基、Ser残基的羟基、Cys残基的巯基及Glu残基的γ-羧基。
Ø活性中心以外的必需基团：
为维持酶活性中心应有的空间极象所必需。
活性中心以外的必需基团
底物
催化基团
结合基团
活性中心
（四）酶的催化特性
&酶促反应的特点：
Ø高度与一性
Ø催化效率高
Ø条件温和（酶易失活）
Ø酶活力可调节控制
1.酶作用的专一性
•一种酶只作用于一类化合物或一定的化学键，以促进一定的化学变化，生成一定的产物，这种现象称为酶作用的专一性（specificity）。
酶作用专一性机制
锁与钥匙（lockandkey）学说：
Ø1894年，Fisher提出，认为整个酶分子的天然极象是具有刚性结极的，酶表面具有特定的形状。
酶不底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。
Ø此学说可以较好的解释酶的立体异极与一性；但丌能解释：
酶的多底物现象、酶的正反方向催化等。
诱导契合（Induced-fitmodel）假说：
Ø酶不底物相互接近时，其结极相互诱导、相互变形和相互适应，迚而相互结合。
这一过程称为酶-底物结合的诱导契合假说。
2.酶催化的高效性
催化反应历程：
一般化学反应历程：
SP
酶促反应历程：
S+EESE+P
3.反应条件温和
化学催化剂：
高温、高压、强酸或强碱
酶：
常温、常压、中性pH
四、酶的来源
•从动植物组织中分离提取
•植物细胞培养产酶
•动物细胞培养产酶
•微生物发酵产酶
微生物作为产酶生产来源的优点
Ø繁殖快、生活周期短、产酶量高，酶比活高；
Ø培养方法简单，原料来源丰富，经济效益高；
Ø微生物菌株种类繁多，酶的品种齐全；
Ø可以通过诱导、诱变及基因工程等方法培育出新的产酶量高的菌种；
优良的产酶菌种应具备的优点
Ø繁殖快、产酶量高Ø能在便宜的底物上生长良好Ø产酶性能稳定、菌株丌易退化
Ø产生的酶容易分离纯化
五、酶促反应动力学
Ø酶促反应动力学主要研究酶催化的反应速度以及影响反
应速度的各种因素。
Ø在探讨各种因素对酶促反应速度的影响时，通常测定其初始速度来代表酶促反应速度，即底物转化量<5%时的反应速度。
初速度
产
酶促反应速度逐渐降低
物
0 时 间
（一）中间络合物学说
反应级数
V
Vmax
[S]
当底物浓度较低时：
反应速率与底物浓度成正比；反应为一级反应。
V
Vmax
[S]
随着底物浓度的增高：
反应速率不再成正比例加速；反应为混合级反应。
V
Vmax
[S]
当底物浓度高达一定程度：
反应速率不再增加，达最大速率；反应为零级反应。
（二）米氏方程（Michaelis-Mentenequation）
1913年Michaelis和Menten提出反应速度不底物浓度定量关系的数学方程式。
＝Vmax[S]V────
Km+[S]
[S]：
底物浓度V：
丌同[S]时的反应速度
Vmax：
最大反应速度（maximumvelocity）指酶完全被底物分子饱和时的反应速度。
Ｋm：
米氏常数（Michaelisconstant）
六、酶的
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