酶工程基本原理课件

酶工程主要参考书:

1酶工程，郭

勇

2酶工程，罗贵主编，化学工业出版社；46酶在食品加工中的应用，[E]李雁群译，中国轻工业出版社；

CH1绪论CH1.1酶的基本概念1酶是蛋白质

2酶具有催化活性3酶催化反应具有专一性和高效性CH1.2酶工程及其主要研究内容CH1.3酶的历史沿革CH1.1酶的基本概念

1酶是蛋白质

酶的化学本质是蛋白质，这一点是被生物化学所证明了的，研究酶的化学本质，可用研究蛋白质的方法进行研究；一般情况下，一个结构完整的酶包括蛋白质和非蛋白质两部分，蛋白质部分称为辅基酶蛋白，非蛋白质部分称为辅助因子，辅基酶蛋白和辅助因子构成一个全酶。辅助因子的化学本质因不同的酶而不同，它可以是小分子量的有机化合物，也可以是无机矿物质离子。2酶具有催化活性

酶是一种生物催化剂，在催化活性上与无机催化剂类似，酶在催化反应时，其本身不发生化学改变，只是催化反应的进行，此外，酶在催化反应时，仅改变反应述度，并不改变反应的平衡。酶催化反应的动力学机理是降低反应的活化能。酶与一般催化剂的共性1.用量少，催化效率高2.不改变化学反应的平衡点3.可降低反应的活化能3酶催化反应具有专一性和高效性

酶作为生物催化剂，其催化反应的专一性远远超过无机催化剂，根据酶的专一化程度，可分为绝对专一性和相对专一性。绝对专一性是指一种酶只能催化一种底物进行一种反应，底物的分子结构、空间构型及构象的不同都表现出专一性。酶与一般催化剂的区别—酶的特性

1.高效性2.专一性结构专一性（相对专一性/绝对专一性）（特异性）立体异构专一性(几何异构/旋光异构)3.不稳定性（要求温和的反应条件）4.可调控性例如：乳酸脱氢酶(LactatedehydrogenaseEC1.1.1.27)催化丙酮酸生成L-乳酸而D－乳酸脱氢酶(EC1.1.1.28)却只能催化催化丙酮酸生成D-乳酸

CH乳酸脱氢酶CHC=OH－C－OHCOOHNADHNAD+COOHCHD—乳酸脱氢酶CHC=OHO－C－HCOOHNADHNAD+COOH

相对专一性是指一种能够催化一类结构相似的物质进行相同类型的反应，主要是对某一化学键的专一性。

例如：胰蛋白酶(TrypsinEC3.4.31.4)催化含有赖氨酸或精氨酸羰基的肽键的水解反应，凡是具有含赖氨酸或精氨酸羰基酰胺键的底物都能被此酶催化水解。CH1.3酶的历史沿革

1酶学研究简史[1]酶的发现:尽管我国早在4000多年前就朴素地应用了酶,但真正对酶的认识还是1833年Payen和Person首先从酒精发酵物中提取到一种活性物质,发现能够促进淀粉分解(发现了淀粉酶);[2]酶(Enzyme)的提出:继Payen和Person之后,德国的Kuhne进一步深入研究了酶,并提出Enzyme这个名词;enzyme是希腊文,原意是指“在酵母中”我们翻译成酶,日本译成酵素.[3]酶学(Enzymology)奠基:在Kuhne之后,Buchner兄弟从事了从破碎酵母细胞提取酶的研究,获得了能转化糖产生乙醇的粗酶.此后便开始了从酶的提取、酶的性质、酶催化反应等开始了酶的研究。形成了初步的新兴学科。在酶催化理论方面：[1]1894年，E.Fisher提出酶与底物作用的锁钥学说[2]1913年，MichaelisMenton提出了快速平衡学说，建立了AN酶促反应模型，推导出了酶促反应动力学方程——米氏方程。[3]1925年，Briggs和Handane，建立了恒态学说，并对米氏方程的修正。[4]1958年，Koshland提出了诱导契合学说在酶蛋白化学的研究方面[1]1926年，Sumner首次获得了脲酶结晶，证实了酶的化学本质是蛋白质——21年后获得了诺贝尔奖。[2]1963年搞清了牛胰核糖核酸酶A的一级结构；[3]1965年报道了鸡卵清溶菌酶的三维结构；[4]1969年首次利用单一氨基酸人工合成核糖核酸酶获得成功[5]1982年Cech小组发现了rRNA具有催化功能，第一次动摇了酶是蛋白质的概念。（Ribozyme）

但蛋白质化学研究与其催化原理及其酶蛋白功能研究始终是互相促进、相互渗透的。CH1.3酶的历史沿革

2酶工程的发展历程[1]酶工程研究的奠基：以工业化酶制剂生产为主要内容的酶工程雏形阶段（50年代）；[2]酶固定化技术和细胞固定化技术研究始于60年代；[3]70年代基因工程崛起，将酶工程技术研究引向深入并赋予了新的内涵；[4]1971年第一次国际酶工程会议的召开，标志了酶工程学科和完善的技术体系的形成；[5]80年代实现了克隆酶的突破；（Wager将青霉素酰化酶基因克隆到Ecoli菌株质粒上，获得了高效表达）[6]80年代形成了酶固定化技术、细胞固定化技术研究等酶工程的研究热点，并广泛产业化应用.开始了转基因技术和酶化学修饰技术；[7]90年代形成了以遗传工程为先导的酶工程技术分支——生物酶工程（包括酶基因克隆表达和基因修饰）CH1.1酶的结构和功能CH1.2酶催化反应的动力学CH1.3酶的分类和命名CH1.4酶活力概念及活力测定

CH2酶学基本原理CH2.1酶的结构和功能(

2.酶催化专一性基本学说)2.1锁钥学说(lockandkeytheory)

1894年，E.Fisher提出酶与底物作用的锁钥学说，以解释酶与底物之间的专一性问题，其基本含义是：酶与底物分子或底物分子的一部分之间，在结构上有严格的互补对应关系，当底物与酶结合时就象钥匙和锁那样契合对应。

２.2诱导契合学说(induced-fithypothesis)

1958年，Koshland提出了诱导契合学说，其主要内涵是：当酶与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子的诱导，其构象发生有利于与底物分子结合或催化的变化，酶与底物在此基础上互补契合，以发挥酶的催化功能。

锁钥学说

诱导契合学说胰凝乳蛋白酶：口袋较大，主要由疏水氨基酸残基围成，开口较大（由两个Gly组成），因此需要底物有一个疏水基团（芳香环Phe、Tyr、Trp及大的非极性侧链）定位。裂解芳香族氨基酸羧基侧的肽键胰蛋白酶：

口袋较大，底部有Asp，利于Lys.、Arg结合，裂解碱性氨基酸残基羧基侧的肽键弹性蛋白酶：

口袋较浅，开口较小（由Val，Thr组成）只能让Ala等小分进入，裂解小的中性氨基酸残基羧基侧的肽键酶催化机理实例—胰凝乳蛋白酶★丝氨酸蛋白酶家族具有类似的Ser

-His-Asp催化三联体（电荷中继网）。

电荷中继网：Ser195—His57—Asp102氢键体系。通过电荷中继网进行酸碱催化及共价催化。没有底物时，Ser195—His57—Asp102形成一个氢键体系，His57是去质子化状态，Asp102的COO-通过氢键定位并固定His57。结合底物时：His57从Ser195接受一个质子，增加了Ser195羟基氧原子对底物的亲核攻击性，Asp102的COO-稳定过度态中His57的正电荷形式。酶催化机理实例—胰凝乳蛋白酶

1.胰凝乳蛋白酶结构酶催化机理实例—胰凝乳蛋白酶2.胰凝乳蛋白酶的电荷接力网四.酶催化机理实例—胰凝乳蛋白酶

2.胰凝乳蛋白酶的催化过程A.酶与底物结合，形成米氏复合物（ES）B.形成四联体过度态中间物酶催化机理实例—胰凝乳蛋白酶

E.形成包括水分子的四联体过度中间物F.羰基产物形成，酶游离CH2.2酶催化反应的动力学（１.酶催化反应的初述度）酶催化反应模型

SPd[s]d[p]V=───=───dtdt酶促反应进行时间/min产物生成量/微摩PK2.1Michaelis-Menten迅述平衡学说及Henri-Michaelis-Mentwen方程

单底物酶促反应模型:

k1kpE+S────ES────E+P-k1

迅述平衡学说对上述反应模型有两点假定：①酶与底物结合形成酶底物复合物的述度很快。②整个反应述度取决于酶底物复合物释放出游离酶和形成产物的反应述度。

CH2.2酶催化反应的动力学（2.底物浓度对反应述度的影响）CH2.2酶催化反应的动力学4恒态学说及对米氏方程的修正

事实上迅述平衡学说对很多反应不太适宜，为此，1925年，Briggs和Handane对米氏方程进行了修正，提出了恒态学说。其基本内涵是：在初述度测定过程中，底物浓度随反应时间而降低，产物相应增高；而中间复合物ES可在相当一段时间内保持浓度的恒定状态。Briggs和Handane对米氏方程的修正，保留了迅述平衡学说的前两点假设，因此，反应模型仍为：

k1kpE+S────ES────E+P-k1

底物的消耗述度为K1[E][S]，底物的消耗用于ES的形成，ES已经形成，就会按-K1[ES]的述度解离成E+S，同时ES按Kp[ES]的述度形成E+P。v=Kp[ES]............................................…...........(1)[E0]=[E]+[ES].........................................,..........(2)v/[E0]=Kp[ES]/{[E]+[ES]}...............….............(3)v/Vm=[ES]/{[E]+[ES]}.....................….............(4)

恒态学说认为:

K1[E][S]=K-1[ES]+Kp[ES]=(K-1+Kp)[ES]….(5)[ES]=K1[E][S]/(K-1+Kp)....................…............(6)

定义:(K-1+Kp)/K1=Km..................….................(7)∴[ES]=[S][E]/Km.........................................(8)

将(8)式代入(4)式得：[S][E]/Kmv/Vm=────────=[S]/(Km+[S])....(9)[E]+[S][E]/Km

Vm[S]v=────...............................................(10)Km+[S]

(10)式即为修正的单底物酶促反应动力学方程，为了纪念Michaelis-Menten创造性工作，这个方程也称为Michaelis-Menten方程，简称米氏方程。式中Vm为最大反应述度，Km为米氏常数。CH2.2酶催化反应的动力学

5Lineweaver-Burk双倒数方程及Km的测定

将米氏方程取倒数可得以下方程:

Km11/V=.+1/VmaxVmax[S]利用此方程作图即可计算出酶的Km和Vmax。在设计测定以上参数的试验时，需注意[S]的取值范围，一般应该在Km值两侧设定[S]值，经验数值是0.33-2.0Km范围为宜。斜率=Km/Vmax截距=1/Vmax截距=-1/Vmax1/[S]1/V影响酶促反应的因素二.酶浓度[E]４pH对反应述度的影响用酶活力对pH作图，便得到一条钟形曲线。

图pH对酶活力的影响pH酶活力pH对酶活力的影响主要表现在以下几个方面：①pH的改变影响酶的空间构象，从而引起酶活力的改变。②pH影响酶活性中心催化基团的解离，影响酶与底物的亲合力或催化活性。③pH影响底物的解离状态，改变底物的可给性。CH2.2酶催化反应的动力学

pH对反应述度的影响CH2.2酶催化反应的动力学

温度对反应述度的影响

５温度对酶促反应述度的影响从实验结果来看，温度对酶活力的影响，类似于pH对酶活力的影响，以酶活力对温度作图，便得到一条钟形曲线。温度酶活力

温度对酶活力的影响，主要表现在两个方面，一方面温度的改变影响着酶的稳定性，在低温条件下，主要表现为可逆行失活，随温度的恢复酶活力也得到恢复；在高温条件下，表现为不可逆行失活。另一方面，温度直接影响酶促反应的进行，根据Arrhenius方程：k=Ae-Ea/RT可以看出，述度常数k与绝对温度T成正比。影响酶促反应的因素五.激活剂对酶促反应速度的影响凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂。无机离子或简单有机化合物对酶的激活。1、

无机离子的激活作用（1）金属离子：K+、Na+、Mg2+、Zn2+、Fe2+、Ca2+（2）阴离子：cl-、Br-、PO43-（3）氢离子★不同的离子激活不同的酶。★不同离子之间有拮抗作用和可替代作用，如Na+与K+、Mg+与Ca+之间常常拮抗，但Mg+与Zn+常可替代。★激活剂的浓度要适中，过高往往有抑制作用，1~50mM2、

简单有机分子的激活作用①还原剂（如Cys、还原型谷胱甘肽）能激活某些活性中心含有—SH的酶。②金属螯合剂（EDTA）能去除酶中重金属离子，解除抑制作用。3、蛋白酶对酶原的激活

抑制剂对酶促反应速度的影响变性作用(denaturation)：抑制作用(inhibiton)：使酶活力下降或丧失但并不引起酶蛋白变性变性剂没有选择性抑制剂有不同程度的选择性研究抑制剂对酶的作用有重大的意义：（1）药物作用机理和抑制剂型药物的设计与开（2）了解生物体的代谢途径，进行人为调控或代谢控制发酵（3）通过抑制剂试验研究酶活性中心的构象及其化学功能基团，不仅可以设计药物，而且也是酶工程和化学修饰酶、酶工业的基础（二）抑制作用的类型1、不可逆的抑制作用抑制剂与酶活性中心（外）的必需基团共价结合，使酶的活性下降，无法用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活。2、可逆的抑制作用抑制剂与酶蛋白非共价键结合，可以用透折、超滤等物理方法除去抑制剂而使酶复活。（1）竞争性抑制（Competitiveinhibition）

抑制剂具有与底物类似的结构，竞争酶的活性中心，并与酶形成可逆的EI复合物，阻止底物与酶结合。可以通过增加底物浓度而解除此种抑制。丙二酸、戊二酸对琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制（2）非竞争性抑制底物和抑制剂可以同时与酶结合，但是，中间的三元复合物ESI不能进一步分解为产物，因此，酶的活性降低。抑制剂与酶活性中的以外的基团结合，其结构可能与底物无关。不能通过增加底物的浓度的办法来消除非竞争性抑制作用某些重金属离子对酶的抑制属于非竞争性抑制：Cu2+、Hg2+、Pb2+（3）、

反竞争性抑制酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合。E+S→ES+I→ESI≠P常见于多底物的酶促反应中（三）可逆抑制作用与不可逆抑制作用的鉴别1、通过透析、超滤、凝胶过滤等2、通过V-E速度曲线3、通过可逆抑制剂的动力学曲线可以区分三种可逆抑制作用1、

竞争性抑制：相对活力：抑制分数：动力学方程：（Ki为EI的解离常数）★抑制程度决定于[I]、[S]、Km和Ki竞争性可逆抑制图示★Vmax不变★Km变大，而且随[I]浓度的增大而增大交于y轴竞争性抑制作用小结：（1）

Vmax不变，Km变大。（2）抑制程度决定于[I]、[S]、Km和KiA.抑制程度与[I]成正比，与[S]成反比[I]一定，增加[S]，可减少抑制程度。[S]一定，增加[I]，可增加抑制程度。B.在一定[I]和[S]下，Ki越大，抑制作用越小，Km值愈大，抑制程度愈大。2、

非竞争性抑制相对活力：抑制分数：★抑制程度决定于[I]和Ki，与底物的Km和[S]无关动力学方程：

非竞争性可逆抑制图示交于x轴★Km不变，Vmax降至Vmax/（1+[I]/Ki）非竞争性抑制小结：（1）Km不变，Vmax降至Vmax/（1+[I]/Ki）（2）抑制程度决定于[I]和Ki，与底物的Km和[S]无关：

抑制程度与[I]成正比在一定[I]下，Ki越大，抑制作用越小3、

反竞争性抑制相对活力：抑制分数：动力学方程：★抑制程度决定于Km、Ki、[S]、[I]★Km及Vmax都变小一组平行直线反竞争性抑制小结：（1）Km及Vmax都变小(2)抑制程度决定于Km、Ki、[S]、[I]抑制程度既与[I]成正比，又与[S]成正比在一定的[S]、[I]下，Ki越大，抑制程度越小；Km越大，抑制程度越小。

表小结：三种可逆抑制作用的酶促反应速度V与Km值一般每一种酶有两个名称：一个是它的习惯名称，其习惯名一般是根据它的催化底物来命名的。淀粉酶(Diastase)，蛋白(Protiase)，果胶酶(Pectinase)等。另一个是其系统名称，国际生物化学协会(InternationalUnionofBiochemistry)酶学委员会(EnzymeCommission)。于1961年该委员会正式提出了酶的系统命名方案。⑴将底物和催化的反应同时考虑，进行命名，如：α-1，4葡萄糖水解酶；⑵对于双底物的将两底物用冒号分开：如：ATP:己糖磷酸转移酶；⑶对可逆反应的，一般正反应和负反应用同一个名称，主要考虑催化的主要方向，或根据首先证明的催化反应来确定。如乳酸脱氢酶。CH2.3酶的分类和命名

1酶的命名原则CH2.3酶的分类和命名

2酶的分类原则1984年出台了一套目前为普遍接受的酶分类体系；根据酶催化反应的类型将酶分成６大类，即：

氧化还原酶..........................................（1）转移酶..................................................（2）水解酶..................................................（3）裂合酶..................................................（4）异构酶..................................................（5）合成酶..................................................（6）酶的分类编号原则是采用四码编号方法，第一码代表６大类中的哪一类，第二码代表大类中的亚类，第三码表示亚类中的小类，第四码表示小类中不同酶的排序号；四位号码之间用圆点（．）分开。例如：水解酶类3.1是作用于酯键的亚类3.1.1水解羧酸酯键3.1.2硫醇酯键...3.1.7二磷酸单酯3.2作用于糖基化合物3.2.1水解糖苷键3.3作用于醚键3.4作用于肽键CH2.4酶活力概念及活力测定

1.酶活力概念酶活力是指在一定条件下，酶所催化的反应述度。酶的活力越大，反应述度越高。我们知道，酶催化反应述度，用单位时间内底物的减少量或产物的增加量表示：

ds

dp