1、第八講 生物技術概論生物技術概論 之酶工程之酶工程王麗娟生物與制藥工程學院第二節第二節 酶工程酶工程 酶（enzyme）是一種生物催化劑，酶的功能特異與生物的生命活動密切相關，如執行具體生理活動，參與外來物質的轉化與解毒，協同激素發揮效應、催化代謝反應等等，沒有酶，就沒有生物體的一切生命活動。 古代人類就開始利用酶，如釀酒、制醬。在近代開始逐漸工業化生產酶，1894年日本利用米曲霉生產淀粉酶用于促進消化。1914年法國生產出細菌-淀粉酶用于紡織工業50年代，日本第一個用深層液體發酵法生產-淀粉酶開創了現代酶制劑工業。酶工程已成為一門新興學科酶工程已成為一門新興學科( (一）酶的概述一）酶的概述

2、1 1、酶的化學本質、酶的化學本質 一般情況下，酶的化學本質是蛋白質，是具有特殊催化功能的蛋一般情況下，酶的化學本質是蛋白質，是具有特殊催化功能的蛋白質白質 酶一般不能通過半透膜，酶是兩性電解質，酶能夠被蛋白酶水解，失活條件與蛋白質相同，結構分析與蛋白質相同。 組成： 單成分酶的組成成分只有酶蛋白，而全酶含有酶蛋白和輔助因子，兩者必須結合組成復合物才能有催化活性輔助因子有的是金屬離子；有的是有機小分子，其中與酶蛋白結合緊密的稱為輔基，與酶蛋白可分開的稱為輔酶但是，20世紀80年代發現了核酶，其本身屬于一種核酶，其本身屬于一種rnarna，并非蛋白質，并非蛋白質，但也能特異性地催化某個反應。 輔

3、輔酶酶酶酶蛋蛋白白雙雙成成分分酶酶（全全酶酶）單單成成分分酶酶例如：許多脫氫酶需要nadnad或nadp為輔酶（煙酰胺核苷酸）choch3nadh2nad乙醇脫氫酶ch2ohch3nad（p）.氧化型nad（p）h.還原型nchoch2ohoh3cpohoho（plp）2 2、酶的結構與催化功能、酶的結構與催化功能1.酶的催化功能是由酶蛋白的分子結構，特別是由酶的特殊的空間構象決定的。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與底物結合，進行催化反應的部位，是由相關酶對底物結合和催化的氨基酸殘基在空間上組成一個與酶顯示活性直接相關的區域。 酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空間構

4、象時才酶的活性部位只有在酶蛋白保持一定的空間構象時才能存在并發揮其催化功能。能存在并發揮其催化功能。酶的其它部分分為酶的其它部分分為： a. 有些去除一段肽鏈，酶活性不受影響 b. 有些對維持酶的空間構象、保護酶的活性部位、保護 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種催化劑，可以加快反應速度但不改變平衡點酶是一種催化劑，可以加快反應速度但不改變平衡點具有以下催化特性：具有以下催化特性： （1）酶的催化反應條件溫和。一般在常壓和較低的溫度下即可發生酶催化反應。（2）酶的催化效率高。酶比一般化學催化劑要高得多。 fe作催化劑，0時1克分子鐵10-5mol h2o2 /秒

5、 h2o2酶作催化劑，0時1克分子酶105 h2o2 /秒，高1010倍（3）酶的催化具有專一性。 2h2o22h2o + o2酶的專一性酶的專一性（1 1）結構專一性）結構專一性相對專一性相對專一性：一種酶能催化一類具有相同化學鍵或基團 的物質進行某種類型的反應 脂類 脂肪酸 醇 rcoro+h2o脂肪酶rcooh+roh 絕對專一性絕對專一性 一種酶只能催化一種化合物進行一種反應 幾乎不催化尿素以外的任何物質發生水解cnh2h2no+h2o脲 酶co2 + 2nh3（2 2）立體異構專一性）立體異構專一性旋光異構專一性：旋光異構專一性： 當底物中含有不對稱碳原子時，酶只能作用于異構體的一種

6、，而對另一種則全無作用。 l-乳酸chcoohch3oh乳酸脫氫酶cch3cooho 幾何異構專一性幾何異構專一性反丁烯二酸延胡索酸酶l-蘋果酸 酶的專一性在實踐中很有意義。在科研和酶的專一性在實踐中很有意義。在科研和生產中得到廣泛的應用。生產中得到廣泛的應用。 利用這一特性，可以從原料得到單一的產物，防止副產物生成。如：某些藥物只有某一種構型才有生理作用，而有機合成的藥物只能是消旋產物，利用酶進行不對稱合成 4 4、酶作用專一性機制的假說、酶作用專一性機制的假說 鎖鑰學說：酶與底物在表鎖鑰學說：酶與底物在表面結構的特定部位其形狀是互面結構的特定部位其形狀是互補的，一定的酶只能與一定的補的，一

7、定的酶只能與一定的底物結合。底物結合。誘導契合學說：誘導契合學說：酶的活性部位在結構上是柔性的，當底物與酶的這個部位接觸時，可使酶蛋白發生構象變化，這樣就使反應所需基團正確排列、定向，從而易與底物結合反應。5 5、酶的命名、分類、酶的命名、分類1、由于酶的化學結構已弄清楚的為數不多，不能按化學結構命名。目前有習慣命名法和系統命名法。a. 習慣命名法：主要根據酶作用的底物和催化反應類型來命名。如：葡萄糖氧化酶；乙酰膽堿酶表示水解乙酰膽堿（水解酶可省水解兩字）；b. 系統命名法：1961年，國際酶學會提出了一個命名原則1、氧化還原酶、氧化還原酶 ah2+b a+bh2、轉移酶、轉移酶 ax+b a

8、+bx3、水解酶、水解酶 ab+h2o ah+boh4、裂合酶、裂合酶 ab a+b5、異構酶、異構酶 l-型型 d-型型6、連接（合成）酶、連接（合成）酶 a+b ab 裂解酶催化一個化合物分解成幾個化合物或其逆過程，如脫羧酶催化分子中的c-c鍵裂解，脫水酶催化c-o鍵裂，產物為h2o；脫氨酶催化c-n鍵裂解。 合成酶一般是指在atp參加的合成反應，這類酶關系著許多重要生命物質的合成，如蛋白質、核酸等。（三）（三） 酶工程的應用酶工程的應用1酶在食品工業中的應用1.淀粉加工工業 用于水解淀粉，生產功能性低聚糖、葡萄糖、果糖、麥芽糖漿，年產1000萬t，大多數低聚糖由酶水解或酶轉移生產。2.蛋

9、白質加工工業在蛋白酶作用下生產多肽、氨基酸、蛋白水解物如生產玉米蛋白多肽、肽系調味品、肉類加工改善品質、增加面制品彈力3.乳品工業乳糖酶，降解乳糖為半乳糖，增加可消化性凝乳酶，制造奶酪，溶菌酶用于嬰兒奶粉消毒。4.釀酒工業填加糖化酶，降解淀粉，縮短釀造時間，提高出酒率。中性蛋白酶可分解麥芽汁中的蛋白質，提高氨基酸含量，促進酵母發酵木瓜蛋白酶、菠蘿蛋白酶等可用于啤酒澄清，延長保質期5.果蔬加工工業常用的有果膠酶、纖維素酶、半纖維素酶、淀粉酶和阿拉伯糖酶6.面粉烘烤工業改善面粉質量、改善面團性質、改變顏色、漂白面粉二.酶在飼料工業中的應用 利于飼料的吸收、消除抗營養因子、補充內源酶不足、提高飼料利

10、用率、增加產量、減少污染。目前我國飼料用酶產量超過13500噸，添加飼料超過1350萬噸。農業部批準的酶有12種。1.復合酶制劑 2種或幾種酶制劑混合而成，提高飼料的利用價值2.植酸酶 能使得飼料中的有機磷得到有效利用。三.酶在輕工業中的應用1.用于制造洗滌劑堿性蛋白酶、堿性脂肪酶、堿性纖維素酶、氧化酶2.在造紙工業中的應用木聚糖酶用于漂白，纖維素酶脫墨、降解纖維素3.在紡織工業中的應用淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、過氧化氫酶用于織物退漿、織物防縮、脫膠、柔軟、漂白4.在皮革工業中的應用蛋白酶用于皮革的脫毛軟化5.在日化工業中的應用延緩衰老、殺菌、染發6.在油脂工業中的應用油脂水解、酯交換、提取油

11、脂、制皂四.酶在化學工業中的應用1. 酶在有機酸合成中的應用 酶法合成l-酒石酸， l-蘋果酸，長鏈二羧酸， l-乳酸，專一光學活性2. 酶在氨基酸生產中的應用 酶可用于d、l-氨基酸的光學拆分，合成氨基酸進行化學-酶法生產，如l-天冬氨酸、 l-苯丙氨酸、 l-賴氨酸。3.生產基礎化工原料 酶法生產丙烯酰胺、丁二酸4.酶法合成聚合物 可生物降解材料，生物膜五.酶在醫藥工業中的應用1. 酶在半合成抗生素工業中的應用 利用酰化酶進行半合成中間體2. 藥用酶 促進消化酶類、消炎酶類、抗腫瘤酶類、治療心血管疾病、電子傳遞。3.診斷用酶與酶盒 快速準確，自動化程度高4.手性藥物六.酶在科學研究中的應用在分子生物學與基因工程中有重要作用。1.限制性內切酶能識別雙鏈dna分子中特定