蛋白质与酶工程复习资料.docx

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蛋白质与酶工程复习资料

酶工程复习提纲

第1章绪论

1.酶及酶工程的概念。

酶：

是生物体内一类具有催化活性和特殊空间构象的生物大分子物质。

酶工程：

利用酶的催化作用，在一定的生物反应器中，将相应的原料转化成所需产品的一门工程技术。

（名词解释）

2.了解酶学的发展历史，尤其是一些关键事件。

1833年，Payen和Persoz发现了淀粉酶。

1878年，Kuhne首次将酵母中进行乙醇发酵的物质称为酶。

给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个词来自希腊文，其意思“在酵母中”。

1902年，Henri提出中间产物学说。

1913年，MichaelisandMenton推导出酶催化反应的基本动力学方程，米氏方程：

V=VmS/（Km+S）。

1926年，Summer分离纯化得到脲酶结晶。

人们开始接受“酶是具有生物催化功能的蛋白质”。

CechandAltman于1982和1983年发现具有催化活性的RNA即核酸类酶，1989年获诺贝尔化学奖。

现已鉴定出5000多种酶，上千种酶已得到结晶，而且每年都有新酶被发现。

3.了解酶在医药、食品、轻工业方面的应用。

医药：

（1）用酶进行疾病的诊断：

通过酶活力变化进行疾病诊断，谷丙转氨酶/谷草转氨酶用于诊断肝病、心肌梗塞等，酶活力升高；葡萄糖氧化酶用于测定血糖含量，诊断糖尿病。

（2）用酶进行疾病的治疗：

来源于蛋清、细菌的溶菌酶用于治疗各种细菌性和病毒性疾病；来源于动物、蛇、细菌、酵母等的凝血酶用于治疗各种出血病；来源于蚯蚓、尿液、微生物的纤溶酶用于溶血栓。

（3）用酶制造各种药物：

来源于微生物的青霉素酰化酶用于制造半合成青霉素和头孢菌素；来源于动物、植物、微生物的蛋白酶用于生产L-氨基酸。

食品：

生产低聚果糖，原料为蔗糖，所需酶为果糖基转移酶、蔗糖酶α（黑曲霉、担子菌）；生产低聚异麦芽糖，原料为淀粉，所需酶为α-淀粉酶、β-淀粉酶、真菌α-淀粉酶（米曲霉）、α-葡萄糖苷酶（黑曲霉）、普鲁兰酶、糖化型α-淀粉酶（枯草杆菌）。

轻工业：

用酶进行原料处理；用酶生产各种轻工、化工产品；用酶增强产品的使用效果。

第2章酶学基础

1.酶的化学本质酶与其他无机或者有机催化剂相比较，具有哪些催化特性

化学本质：

生物催化剂。

催化特性：

（1）高效率：

比非催化高10^8—10^20倍；比非酶催化高10^7—10^13倍，酶催化反应的效率之所以高，是由于酶催化反应可以使反应所需要的活化能显著降低。

（2）高度专一性：

相对专一性、绝对专一性。

相对专一性：

键专一性：

作用于具有相同化学键的一类底物；基团专一性：

酶的作用底物含有某一相同的基因。

绝对专一性：

一种酶只能催化一种底物进行一种反应。

（3）反应条件温和：

一般在常温、常压、pH值近乎中性的条件下进行。

（4）酶催化是可调控的。

2.解释酶作用专一性机制的学说有哪些其核心内容（填空）

锁钥假说：

整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。

酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样。

诱导契合假说：

酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补性状。

当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心构象发生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象。

3.解释酶作用高效性的机制有哪些

（1）邻近效应与定向作用

（2）电子张力作用：

应变效应，底物分子的敏感键产生张力或变形（3）多元催化作用。

酸碱催化：

指通过向反应物提供质子或从反应物夺取质子而稳定过渡态、加速反应的一类催化机制。

共价催化：

某些酶分子能作为亲核催化剂或亲电催化剂分别放出或汲取电子而与底物分子形成不稳定的共价中间络合物，反应活化能降低而加速反应，称为共价催化。

（4）酶活性中心的低介电区：

表面效应，微环境效应。

4.什么是酶的活性中心活性中心的构成

活性中心：

是指酶分子中直接与底物结合并完成酶催化反应的结构区域，该部位化学基团集中，并构成一定空间构象。

活性中心的构成：

结合中心：

与底物结合的部位，决定酶的专一性；催化中心：

促进底物发生化学反应的部分，决定酶所催化反应的性质。

5.酶的一级结构、二级结构、三级结构和四级结构的概念，酶的四级结构与催化功能的关系

酶的一级结构：

一级结构是指构成酶蛋白的氨基酸组成的一条长肽链或多肽链。

酶的一级结构是酶的基本化学结构，是催化功能的基础。

酶的二级结构：

二级结构是指肽链骨架相邻区段借助氢键等沿轴向方向建立的规则折叠片与螺旋。

是所有的酶必须具备的空间结构，是维持酶活性部位所必需的构象。

酶的三级结构：

三级结构指在二级结构基础上肽链进一步的折叠片与盘绕成二维空间结构，多肽链中原来相距较远的序列可以集中到一个区域内。

酶的四级结构：

在三级结构基础上，由几个到十数个亚基（或单体）组成的寡聚酶或生物大分子称为酶的四级结构。

关系：

1、具有四级结构的酶，其功能可分为两类：

与催化作用有关,与代谢调节有关,酶蛋白的一级结构是酶具有催化功能的决定性部分，而高级结构为酶催化功能所必需部分

6.什么是同工酶，举例说明

指能催化相同的化学反应，但酶蛋白本身的分子结构组成及理化性质不同的一组酶。

如：

乳酸脱氢酶LDH，可装配成H4、H3M、H2M2、HM3、M4五种四聚体。

7.根据酶催化反应类型和机制不同，酶的分类填空题

（1）、氧化还原酶类：

催化氧化还原反应

（2）、转移酶类：

催化分子基团从一个分子转移到另一个分子的反应

（3）、水解酶类：

催化加水分解的反应

（4）、裂合酶类：

双键上去除或加入一个基团的反应

（5）、异构酶类：

催化分子间重排的有关反应

（6）、连接酶类：

催化将两个分子连接在一起，并由ATP提供能量的反应

8.酶活力及比活力国际酶活力单位IU如何定义的

酶活力：

在一定条件下，酶所催化的某一化学反应的速度，可用时间单位内底物的减少量或产物的增加量来表示。

比活力：

指在特定条件下，每毫克酶蛋白所具有的酶的活力单位数。

国际酶活力单位IU：

在最适的反应条件（温度25℃）下，每分钟内催化一微摩尔底物转化为产物的酶量定为一个酶活力单位，1IU=1μmol/min

第3章酶促反应动力学

1.酶促反应初速度的概念

在研究酶促反应动力学中，为准确的表示酶活力，一般都用初速度表示，即酶反应初始阶段，即底物转化量＜5%时的反应速度，也就是进程曲线的直线部分。

2.中间产物学说和过渡态理论

中间产物学说：

酶的中间产物学说是由Brown（1902）和Henri（1903）提出的。

其学说主要认为酶的高效催化效率是由于酶首先与底物结合，生成不稳定的中间产物（又称中心复合物centralcomplex）。

然后分解为反应产物而释放出酶。

在酶促反应中，酶首先和底物结合成不稳定的中间配合物（ES），然后再生成产物（P），并释放出酶。

反应式为S+E=ES→E+P，这里S代表底物，E代表酶，ES为中间产物，P为反应的产物

过渡态理论：

过渡态理论即活化络合物理论，（transition-statetheory）。

过渡态：

以量子力学对反应过程中的能量变化的研究为依据，认为从反应物到生成物之间形成了势能较高的活化络合物，活化络合物所处的状态叫过渡态。

过渡态理论是1935年由.埃文斯和M.波拉尼提出的，研究有机反应中由反应物到产物的过程中过渡态的理论。

3.米氏方程的动力学描述形式，Km,Vmax的动力学参数意义。

（3,4题合成一个大题）

V=Vmax[S]/（Km+[S]）

意义：

（1）当v=Vmax/2时，Km=[S]。

因此，Km等于酶促反应速度达最大值一半时的底物浓度，它的单位是摩尔/升。

（2）Km可以反应酶与底物亲和力的大小。

Km越小，酶与底物亲和力越大。

（3）可用于判断反应级数：

当[S]＜时，反应为一级反应；当[S]＞100Km时，v=Vmax，反应为零级反应；当＜[S]＜100Km时，为混合级反应。

（4）Km是酶的特征性常数：

在一定条件下，某种酶的Km值是恒定的，因而可以通过测定不同酶（特别是一组同工酶）的Km值，来判断是否为不同的酶。

（5）Km可用来判断酶的最适底物：

当酶有几种不同的底物存在时，通过测定酶在不同底物存在时的Km值，Km值最小者，即为该酶的最适底物。

（6）可用来确定酶活性测定时所需的底物浓度：

当[S]=10Km时，v=91%Vmax，认为此时为最合适的测定酶活性所需的底物浓度。

4.如何测定Km,VmaxLineweaver-Burk双倒数作图法的动力学表述形式。

5.酶激活剂的概念激活剂的种类

酶的激活剂：

凡能提高酶的活性，加速酶促反应进行的物质都称为激活剂或活化剂。

种类（按分子大小分类）：

（1）无机离子：

无机阳离子——金属离子（如钠离子、钾离子、镁离子等）；无机阴离子（如氯离子、溴离子等）；氢离子。

（2）中等大小的有机分子：

某些还原剂，如半胱氨酸、巯基乙醇、抗坏血酸，作用机制是使酶中的二硫键还原成巯基，从而提高酶活性或与底物、酶或ES复合；EDTA（乙二胺四乙酸），作用机制是金属螯合剂，解除重金属离子对酶的抑制作用。

（3）具有蛋白质性质的大分子物质（如酶原激活）。

第4章酶反应器

1.酶反应器的定义

用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。

2.按结构区分，常见的酶反应器类型、定义及其特点（类型有哪些以及填充式反应器的定义）大题

定义

特点

搅拌罐式反应器：

又称为批量反应器、间歇式搅拌罐。

由容器、搅拌器及保温装置组成，底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出，反应完成之后，酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应的一类反应器。

反应比较完全，反应条件比较容易调节控制

填充床式反应器：

将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）

密度大，可以提高酶催化反应的速度。

在工业生产中普遍使用。

流化床式反应器：

将底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床，使固定化酶颗粒始终处于流化状态，使反应液的混合程度介于全混型和平推流型之间。

即可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时亦可用于需要供气体或排放气体（即固、液、气三相反应）的酶反应器称为流化床式反应器

混合均匀，传质和传热效果好，温度和PH值的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应

鼓泡式反应器：

是利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提

供反应底物和混合两种作用的一类反应器。

也是一种无搅拌装置的反应器。

结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高，适合于有气体参与的反应。

膜反应器：

是一种将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器，可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。

清洗比较困难

喷射式反应器

通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶的一类反应器称为喷射式反应器。

通入高压喷射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应适用于某些耐高温酶的反应

3.选择和使用酶反应器时，要考虑哪些因素

（1）所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。

（2）能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。

（3）应具有良好的传质和混合性能。

传质是指底物和产物在反应介质中的传递。

传质阻力是反应器速度限制的主要因素。

（4）应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。

第5章酶的生产

1.酶的生产方法有哪些，各自特点如何

提取分离法：

采用各种提取、分离纯化技术从动物、植物的组织、器官、细胞或微生物细胞中将酶提取出来，再进行分离纯化的过程。

特点：

优点是设备简单、操作方便；缺点是易受影响、工艺路线复杂。

生物合成