酶工程的应用及其发展

1、酶工程的应用及其发展摘要：酶是细胞赖以生存的基础。细胞新陈代谢包括的所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。酶活力可受多种因素的调节控制，从而使生物体能适应外界条件的变化，维持生命活动。没有酶的参与，新陈代谢只能以极其缓慢的速度进行，生命活动就根本无法维持，所以，在现代社会的先进科技当中，酶及酶工程占据着无可比拟的重要角色。无论是在科学方面，还是日常生活方面，都占有举足轻重的地位。关键词：生物技术，酶工程，酶活性1 酶及酶工程的简介酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科

2、学技术。它包括酶制剂的制备，酶的固定化，酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。酶是一种在生物体内具有新陈代谢摧化剂作用的蛋白质，酶工程就是利用酶摧化的作用。是指利用酶或者微生物胞，动植物细胞，细胞器等，借助酶所具有推动功能，通过工程学的手段向人类提供产品或向社会提供服务的一门科学技术。酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。2 酶的发现11773年，意大利科学家斯帕兰扎尼（17291799）设计了一个巧妙的实验：将肉块放入小巧的金属笼中，然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出，发现肉块消失了。于是，他推断胃液中一定含有消化肉

3、块的物质。但是什么，他不清楚。1836年，德国科学家施旺（18101882）从胃液中提取出了消化蛋白质的物质。解开胃的消化之谜。1926年，美国科学家萨姆钠（18871955）从刀豆种子中提取出脲酶的结晶，并通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质。20世纪30年代，科学家们相继提取出多种酶的蛋白质结晶，并指出酶是一类具有生物催化作用的蛋白质。20世纪80年代，美国科学家切赫（1947）和奥特曼（1939）发现少数RNA也具有生物催化作用。3 酶的特性及机理23.1 酶与无机催化剂比较：3.1.1相同点改变化学反应速率，本身几乎不被消耗；只催化已存在的化学反应；加快化学反应速率，缩短达到平衡时间，但不

4、改变平衡点；降低活化能，使化学反应速率加快。都会出现中毒现象。3.1.2不同点高效性：酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快；专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽；多样性：酶的种类很多，大约有4000多种；温和性：是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的。活性可调节性：包括抑制剂和激活剂调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等。一般来说，动物体内的酶最适温度在35到40摄氏度之间，植物体内的酶最适温度在40-50摄氏度之间；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有得酶最适温度可高达70摄氏度。酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条

5、不紊地进行，使物质代谢与正常的生理机能互相适应若因遗传缺陷造成某个酶缺损，或其它原因造成酶的活性减弱，均可导致该酶催化的反应异常，使物质代谢紊乱，甚至发生疾病。因此酶与医学的关系十分密切。3.2 酶的活力酶活力单位：酶活力单位的量度。1961年国际酶学会议规定：1个酶活力单位是指在特定条件（25摄氏度，其它为最适条件）下，在1min内能转化1mol 底物的酶量，或是转化底物中1mol的有关基团的酶量。比活：每分钟每毫克酶蛋白在25摄氏度下转化的底物的微摩尔数。比活是酶纯度的测量。活化能：将1mol反应底物中所有分子由基态转化为过度态所需要的能量。活性部位：酶中含有底物结合部位和参与催化底物转化

6、为产物的氨基酸残基部分。活性部位通常位于蛋白质的结构域或亚基之间的裂隙或是蛋白质表面的凹陷部位，通常都是由在三维空间上靠得很进的一些氨基酸残基组成。3.3 酶活调节竞争性抑制作用：通过增加底物浓度可以逆转的一种酶抑制类型。竞争性抑制剂通常与正常的底物或配体竞争同一个蛋白质的结合部位。这种抑制使 Km 增大而max不变。非竞争性抑制作用：抑制剂不仅与游离酶结合，也可以与酶-底物复合物结合的一种酶促反应抑制作用。这种抑制使Km不变而max变小。反竞争性抑制作用：抑制剂只与酶-底物复合物结合而不与游离的酶结合的一种酶促反应抑制作用。这种抑制使Km和max都变小但max/Km不变。很大一类复杂的蛋白质

7、物质，在促进可逆反应(如水解和氧化)方面起着像催化剂一样的作用。在许多工业过程中是有用的(如发酵、皮革鞣制及干酪生产)酶是一种有机的胶状物质，由蛋白质组成，对于生物的化学变化起催化作用，发酵就是靠它的作用。4 几种特殊酶的介绍4.1 同工酶同工酶的概念：即同工酶是一类催化相同的化学反应，但酶蛋白的分子结构、理化性质和免疫原性各不相同的一类酶。它们存在于生物的同一种族或同一个体的不同组织，甚至在同一组织、同一细胞的不同细胞器中。至今已知的同工酶已不下几十种，如己糖激酶，乳酸脱氢酶等，其中以乳酸脱氢酶研究得最为清楚3。人和脊柱动物组织中，有五种分子形式，它们催化下列相同的化学反应：五种同工酶均由四

8、个亚基组成。LDH 的亚基有骨骼肌型(M 型)和心肌型(H 型)之分，两型亚基的氨基酸组成不同，由两种亚基以不同比例组成的四聚体，存在五种 LDH 形式M、H 亚基的氨基酸组成不同，这是由基因不同所决定。五种LDH中的M、亚基比例各异，决定了它们理化性质的差别通常用电冰法可把五种LDH分开，LDH1向正极泳动速度最快，而LDH5 泳动最慢，其它几种介于两者之间，依次为LDH2、LDH3和LDH4，不同组织中各种LDH所含的量不同，心肌中以LDHl及LDH2的量较多，而骨骼肌及肝中 LDH5和LDH4为主。不同组织中LDH同工酶谱的差异与组织利用乳酸的生理过程有关LDH1和LDH2对乳酸的亲和力

9、大，使乳酸脱氢氧化成丙酮酸，有利于心肌从乳酸氧化中取得能量。LDH5和LDH4丙酮酸的亲和力大，有使丙酮酸还原为乳酸的作用，这与肌肉在无氧酵解中取得能量的生理过程相适应在组织病变时这些同工酶释放入血，由于同工酶在组织器官中分布差异，因此血清同工酶谱就有了变化。故临床常用血清同工酶谱分析来诊断疾病。4.2 别构酶别构酶往往是具有四级结构的多亚基的寡聚酶，酶分子中除有催化作用的活性中心也称催化位点外；还有别构位点。者是结合别构剂的位置，当它与别构剂结合时，酶的分子构象就会发生轻微变化，影响到催化位点对底物的亲和力和催化效率。若别构剂结合使酶与底物亲和力或催化效率增高的称为别构激活剂，反之使酶底物的

10、r亲和力或催化效率降低的称为别构抑制剂。酶活性受别构剂调节的作用称为别构调节作用。构酶的催化位点与别构位点可共处一个亚基的不同部位，但更多的是分别处于不同亚基上。后一种情况下具催化位点的亚基称催化亚基，而具别构位点的称调节亚基。多数别构酶处于代谢途径的开端，而别构酶的别构剂往往是一些生理性小分子及该酶作用的底物或该代谢途径的中间产物或终产物。故别构酶的催化活性受细胞内底物浓度、代谢中间物或终产物浓度的调节。终产物抑制该途径中的别构酶称反馈抑制。明一旦细胞内终产物增多，它作为别构抑制剂抑制处于代谢途径起始的酶，及时调整该代谢途径的速度，以适应细胞生理机能的需要。别构酶在细胞物质代谢上的调节中发挥

11、重要作用。故别构酶又称调节酶。4.3 修饰酶体内有些酶需在其它酶作用下，对酶分子结构进行修饰后才具催化活性，这类酶称为修饰酶。其中以共价修饰为多见，如酶蛋白的丝氨酸，苏氨酸残基的功能基团-OH 可被磷酸化，这时伴有共价键的修饰变化生成，故称共价修饰。由于这种修饰导致酶活力改变称为酶的共价修饰调节。体内最常见的共价修饰是酶的磷酸化与去磷酸化，此外还有酶的乙酰化与去乙酰化、尿苷酸化与去尿苷酸化、甲基化与去甲基化。由于共价修饰反应迅速，具有级联式放大效应所以亦是体内调节物质代谢的重要方式。如催化糖原分解第一步反应的糖原磷酸化酶存在有活性和无活性两种形式，有活性的称为磷酸化酶a，无活性的称为磷酸化酶b

12、，这两种形式的互变就是通过酶分子的磷酸化与去磷酸化的过程5。4.4 多酶复合体与多酶体系体内有些酶彼此聚合在一起，组成一个物理的结合体，此结合体称为多酶复合体。若把多酶复合体解体，则各酶的催化活性消失。参与组成多酶复合体的酶有多有少，如催化丙酮酸氧化脱羧反应的丙酮酸脱氢酶多酶复合体由三种酶组成，而在线粒体中催化脂肪酸-氧化的多酶复合体由四种酶组成。多酶复合体第一个酶催化反应的产物成为第二个酶作用的底物，如此连续进行，直至终产物生成。多酶复合体由于有物理结合，在空间构象上有利于这种流水作业的快速进行，是生物体提高酶催化效率的一种有效措施。体内物质代谢的各条途径往往有许多酶共同参与，依次完成反应过

13、程，这些酶不同于多酶复合体，在结构上无彼此关联。故称为多种酶靠非共价键相互嵌合催化连续反应的体系，称为多酶复合体（multienzyme complex）。如参与糖酵解的11个酶均存在于胞液，组成一个多酶体系。4.5 多功能酶近年来发现有些酶分子存在多种催化活性， 例如大肠杆菌DNA 聚合酶I是一条分子质量为109kDa的多肽链，具有催化DNA链的合成、3-5核酸外切酶和5-3核酸外切酶的活性，用蛋白水解酶轻度水解得两个肽段，一个含5-3核酸外切酶活性，另一个含另两种酶的活性，表明大肠杆菌 DNA聚合酶分子中含多个活性中心。哺乳动的脂肪酸合成酶由两条多肽链组成，每一条多肽链均含脂肪酸合成所需的

14、七种酶的催化活性。这种酶分子中存在多种催化活性部位的酶称为多功能酶或串联酶。多功能酶在分子结构上比多酶复合体更具有优越性，因为相关的化学反应在一个酶分子上进行，比多酶复合体更有效，这也是生物进化的结果。5 影响酶活力的因素米契里斯6和门坦根据中间产物学说推导出酶促反应速度方程式，即米-门公式。由米门公式可知：酶促反应速度受酶浓度和底物浓度的影响，也受温度、pH、激活剂和抑制剂的影响。5.1 酶浓度对酶促反应速度的影响从米门公式和酶浓度与酶促反应速度的关系图解可以看出：酶促反应速度与酶分子的浓度成正比。当底物分子浓度足够时，酶分子越多，底物转化的速度越快。但事实上，当酶浓度很高时，并不保持这种关

15、系，曲线逐渐趋向平缓。根据分析，这可能是高浓度的底物夹带夹带有许多的抑制剂所致。5.2 底物浓度对酶促反应速度的影响在生化反应中，若酶的浓度为定值，底物的起始浓度较低时，酶促反应速度与底物浓度成正比，即随底物浓度的增加而增加。当所有的酶与底物结合生成中间产物后，即使在增加底物浓度，中间产物浓度也不会增加，酶促反应速度也不增加。还可以得出，在底物浓度相同条件下，酶促反应速度与酶的初始浓度成正比。酶的初始浓度大，其酶促反应速度就大。在实际测定中，即使酶浓度足够高，随底物浓度的升高，酶促反应速度并没有因此增加，甚至受到抑制。其原因是：高浓度底物降低了水的有效浓度，降低了分子扩散性，从而降低了酶促反应

16、速度。过量的底物聚集在酶分子上，生成无活性的中间产物，不能释放出酶分子，从而也会降低反应速度。5.3 温度对酶促反应速度的影响各种酶在最适温度范围内，酶活性最强，酶促反应速度最大。在适宜的温度范围内，温度每升高 10，酶促反应速度可以相应提高12倍。不同生物体内酶的最适温度不同。如，动物组织中各种酶的最适温度为3740；微生物体内各种酶的最适温度为2560，但也有例外，如黑曲糖化酶的最适温度为6264；巨大芽孢杆菌、短乳酸杆菌、产气杆菌等体内的葡萄糖异构酶的最适温度为80；枯草杆菌的液化型淀粉酶的最适温度为8594。可见，一些芽孢杆菌的酶的热稳定性较高。过高或过低的温度都会降低酶的催化效率，即

17、降低酶促反应速度7。最适温度在60以下的酶，当温度达到6080时，大部分酶被破坏，发生不可逆变性；当温度接近100时，酶的催化作用完全丧失。5.4 pH对酶促反应速度的影响酶在最适 pH 范围内表现出活性，大于或小于最适 pH，都会降低酶活性。主要表现在两个方面：改变底物分子和酶分子的带电状态，从而影响酶和底物的结合；过高或过低的 pH 都会影响酶的稳定性，进而使酶遭受不可逆破坏。5.5 激活剂对酶促反应速度的影响能激活酶的物质称为酶的激活剂。激活剂种类很多，有无机阳离子，如钠离子、钾离子、铜离子、钙离子等；无机阴离子，如氯离子、溴离子、碘离子、硫酸盐离子磷酸盐离子等；有机化合物，如维生素C、

18、半胱氨酸、还原性谷胱甘肽等。许多酶只有当某一种适当的激活剂存在时，才表现出催化活性或强化其催化活性，这称为对酶的激活作用。而有些酶被合成后呈现无活性状态，这种酶称为酶原8。它必须经过适当的激活剂激活后才具活性。5.6 抑制剂对酶促反应速度的影响能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。它可降低酶促反应速度。酶的抑制剂有重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物碱、染料、对-氯汞苯甲酸、二异丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性剂等。对酶促反应的抑制可分为竞争性抑制和非竞争性抑制。与底物结构类似的物质争先与酶的活性中心结合，从而降低酶促反应速度，这种作用称为竞争性抑制。竞争性

19、抑制是可逆性抑制，通过增加底物浓度最终可解除抑制，恢复酶的活性。与底物结构类似的物质称为竞争性抑制剂。抑制剂与酶活性中心以外的位点结合后，底物仍可与酶活性中心结合，但酶不显示活性，这种作用称为非竞争性抑制。非竞争性抑制是不可逆的，增加底物浓度并不能解除对酶活性的抑制。与酶活性中心以外的位点结合的抑制剂，称为非竞争性抑制剂。有的物质既可作为一种酶的抑制剂，又可作为另一种酶的激活剂。6酶的分类9根据酶所催化的反应性质的不同，将酶分成六大类。6.1 氧化还原酶类促进底物的氧化或还原。6.2 转移酶类促进不同物质分子间某种化学基团的交换或转移。6 .3 水解酶类促进水解反应。6.4 裂解酶类催化从底物分子双键上加基团或脱基团反应，即促进一种化合物分裂为两种化合物，或由两种化合物合成一种化合物。6.5 异构酶类促进同分异构体互相转化，即催化底物分子内部的重排反应。6.6 合成酶类促进两分子化合物互相结合，同时ATP分子（或其它三磷酸核苷）中的高能磷酸键断裂，即催化分子间缔合反应。7 酶的命名107.1 习惯命名7.1.1 根据酶所催化的底物如水解淀粉的酶称为淀粉酶，水解蛋白质的称为蛋白酶；有时还加上来源，以区别不同来源的同一类酶，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等等。7.1.2 根据酶所催化的反应类型催化底物分子水解的称为水解酶，催化还原反应的称为还原酶。