第11章-生物催化

第11章-生物催化第一页，共175页。第11章

生物催化第一页第二页，共175页。本章内容生物催化的定义生物催化的基本性质生物催化的筛选以及改造人工酶1234生物催化的应用5第二页第三页，共175页。概述生物催化世界各大生物技术公司竞相追逐的和研发的热点，高效、专一、条件温和、环境友好，实现绿色化学。第三页第四页，共175页。国家中长期科技发展规划和863计划均增列了生物催化和生物转化专题;中石化、中石油、中粮集团等国有大企业集团受到吸引，纷纷投资开发生物能源、生物材料与生物质化学品的工业技术。第四页第五页，共175页。酶的发现

1773年，意大利科学家斯帕兰扎尼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块的物质。第五页第六页，共175页。第六页第七页，共175页。酶在生产和生活中应用酿酒工业中使用的酵母菌，就是通过有关的微生物产生的，酶的作用将淀粉等通过水解、氧化等过程，最后转化为酒精；淀粉葡萄糖酒精

第七页第八页，共175页。第八页第九页，共175页。Enzymesareusedinboththealcoholandstarch-processingindustriestohydrolyze(breakdown)largestarchmoleculesintosimplesugars.Thydrolysisofstarchtosimplesugarsisaccomplishedbyusingatwo-step,enzyme-catalyzedprocesscalled

liquefactionandsaccharification.

第九页第十页，共175页。洗衣粉中加入酶，可以使洗衣粉效率提高，使原来不易除去的汗渍等很容易除去洗衣业常用的酶有四种:脂肪酶/蛋白酶/淀粉酶和纤维素酶.第十页第十一页，共175页。11.2

生物催化的定义

利用酶或者细胞等具有生物活性的物质催化化学反应的技术学科，这种反应过程又称为生物转化。

常用的有机体主要是微生物，其本质是利用微生物细胞内的酶进行催化。

第十一页第十二页，共175页。生物催化生物学工程学化学有机化学生物化学生物无机化学分子生物学蛋白质化学化工催化反应工程第十二页第十三页，共175页。11.3酶催化的基本性质11.3.1

酶催化动力学原理酶在催化过程中通过变化构象，降低反应的能垒，催化反应进行。第十三页第十四页，共175页。酶反应动力学模型E+SESE+PE游离酶浓度S底物浓度

P产物k2k1k-1第十四页第十五页，共175页。米氏方程通过Km和Vmax调整生物催化工艺第十五页第十六页，共175页。11.3.2催化机理锁钥学说（Fisher，1894）：酶的活性中心结构与底物的结构须非常吻合，如同锁和钥匙一样,紧密结合成中间络合物。第十六页第十七页，共175页。底物S酶E酶-底物复合物ES锁钥学说第十七页第十八页，共175页。第十八页第十九页，共175页。EnzymeCatalysts第十九页第二十页，共175页。诱导契合学说（Koshland，1958）：

酶活性中心的结构有一定的柔性,当底物与酶分子结合时,诱导酶蛋白的构象发生有利于与底物结合的变化,使反应所需的催化基团和结合基团正确地排列和定向,转入有效的作用位置,这样才能使酶与底物完全吻合,结合成中间产物。第二十页第二十一页，共175页。SEE-S复合物abcabcES诱导契合学说第二十一页第二十二页，共175页。11.3.3酶催化的性能指标选择性酶活性稳定性区域选择性化学选择性立体选择性第二十二页第二十三页，共175页。影响酶促反应速度的因素－－酶促反应动力学酶促反应动力学：研究酶促反应速度及其影响因素的科学。

酶浓度[E]底物浓度[S]反应温度pH值激活剂抑制剂第二十三页第二十四页，共175页。(1)酶浓度对酶反应的影响

在底物足够过量而其它条件固定的情况下，并且反应系统中不含有抑制酶活性的物质及其他不利于酶发挥作用的因素时，酶促反应的速度和酶浓度成正比。第二十四页第二十五页，共175页。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[S]VVmax(2)底物浓度对反应速率的影响第二十五页第二十六页，共175页。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[S]VVmax第二十六页第二十七页，共175页。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[S]VVmax第二十七页第二十八页，共175页。（3）pH对酶作用的影响2.最适pH

1.pH稳定性－－酶表现最大活力的pH值。在一定的pH范围内酶是稳定的。第二十八页第二十九页，共175页。一些酶的最适pH值

酶最适pH胃蛋白酶1.8过氧化氢酶7.6胰蛋白酶7.7延胡索酸酶7.8核糖核酸酶7.8精氨酸酶9.8酶的最适pH只在一定条件下才有意义

酶的最适pH不是固定的常数,其数值受酶的纯度、底物种类和浓度、缓冲液种类和浓度等影响第二十九页第三十页，共175页。pH影响酶活力的原因：

1.环境过酸、过碱可使酶的空间结构破坏，引起酶构象的改变，酶变性失活；

2.pH改变能影响酶分子活性部位上有关基团的解离，从而影响与底物的结合或催化；

3.pH影响底物有关基团的解离。第三十页第三十一页，共175页。（4）温度对酶作用的影响两种不同影响：

1.温度升高，反应速度加快；

2.温度升高，热变性速度加快。Tv最适温度第三十一页第三十二页，共175页。

酶的最适温度:在一定条件下，酶表现最大活力时的温度。

酶的最适温度不是一个固定的常数，其数值受底物种类、作用时间等因素影响而改变。第三十二页第三十三页，共175页。（5）激活剂对酶作用的影响激活剂：能提高酶活力的物质。如Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。激活剂无机离子大多为金属离子:如K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Zn2+,Fe2+等少数为阴离子:如Cl-,Br-,I-,CN-,PO43-等小分子有机物：如Vc,Cys,GSH,胆汁酸盐等生物大分子：如蛋白激酶，激活酶原的蛋白酶等第三十三页第三十四页，共175页。（6）抑制剂对酶作用的影响

抑制剂：使酶的必需基团或活性部位中的基团的化学性质改变而降低酶活力甚至使酶丧失活性的物质。

由抑制剂所引起的酶活力降低或丧失称为抑制作用（inhibition）。凡可使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用称为失活作用（inactivation）。第三十四页第三十五页，共175页。11.3.4酶活力的测定与酶的制备一、酶活力的测定酶的活力：酶加速其所催化的化学反应速度的能力。

酶促反应速度越大，酶的活力就越强；反之，反应速度越小，酶的活力就越弱第三十五页第三十六页，共175页。酶反应速度的测量(1)测量单位时间内底物的消耗量。(2)测量单位时间内产物的生成量。产物生成量时间第三十六页第三十七页，共175页。测定酶活力时必须要注意：

（1）测定的反应速度必须是反应初速度。否则，不可能得到准确结果；（2）酶反应速度受环境条件的影响。在测定酶活力时，要维持在一套固定条件下进行

第三十七页第三十八页，共175页。２.酶活力单位—表示酶量多少的单位

在一定条件下（温度保持在30℃，其他条件如pH和底物浓度等，均应采用最适条件）

一分钟内能转化1μmol底物的酶量称为一个酶单位（U）。

第三十八页第三十九页，共175页。３、酶的比活力比活力（比活性）每mg蛋白质中所含的活力单位数。酶的比活力即表示酶的含量（纯度），是表示酶制剂纯度的一个指标。如在酶的提纯过程中，随着酶逐步被纯化，其比活力也在逐步增加。第三十九页第四十页，共175页。二、酶的制备不同使用目的，要求酶制剂的纯度高低不同，如科学研究常需要高度纯化甚至制成结晶。

酶绝大多数是蛋白质，故一般常用的酶的分离纯化方法，也就是常用来分离纯化蛋白质的方法。

特别需要注意：酶具有催化活性，在整个提纯过程中，要防止强酸、强碱、高温和剧烈搅拌等，以避免酶活力的损失。第四十页第四十一页，共175页。酶的分离纯化步骤1.选材：选用酶含量高的材料工业上大多采用微生物发酵的方法来获得大量酶制剂。优点：不受气候、地理条件的限制，动、植物体内的酶大多可从微生物体内找到，微生物繁殖快，产酶量也丰富。还可以通过选育菌种来提高酶的产量和用廉价原料大量生产。第四十一页第四十二页，共175页。生物体所产生的酶有胞内酶和胞外酶之分，所以在处理方法上有所不同。如果是胞内酶则需要先用捣碎、砂磨、冻融或自溶等方法将细胞破坏，然后再用适当的盐溶液或缓冲液把酶提取出来——抽提如果是胞外酶，则无需破坏细胞的手续，而直接用体液如唾液、胃液、乳汁或微生物的发酵液进行纯化2.破碎细胞：机械破壁，化学破壁，酶破壁，冻融破壁等第四十二页第四十三页，共175页。3.抽提:用适当的盐溶液或缓冲液把酶提取出来4.分离及纯化一些常用的分离纯化酶的方法：（1）盐析法最常用的盐是硫酸铵、氯化钠和硫酸钠等（2）有机溶剂沉淀法

乙醇、丙酮等能与水互溶的有机溶剂，在不同的浓度下能沉淀不同的蛋白质，因此可用来纯化酶。此法分辨能力高，提纯效果好。但高浓度的有机溶剂常引起酶活力的丧失,同时整个操作过程都应该严格控制在低温进行第四十三页第四十四页，共175页。判断分离提纯方法的好坏，一般用两个指标来衡量:

一是总活力的回收——得率（回收率）二是比活力提高的倍数总活力的回收是表示提纯过程中酶的损失情况；比活力提高的倍数则表示提纯方法的有效程度。5.保存：低温干燥保存第四十四页第四十五页，共175页。

11.3.5酶的应用工业上酶应用的优点：酶的催化效率高，专一性强，不发生副反应。酶作用条件温和。酶及其反应产物大多无毒性。第四十五页第四十六页，共175页。固定化酶

把水溶性酶经物理（吸附法与包埋法）或化学方法（共价偶联法与交联法）处理后，使酶与惰性载体结合或将酶包埋起来成为一种不溶于水的状态。第四十六页第四十七页，共175页。（一）为什么要固定化酶（二）酶固定化的优缺点（三）酶的固定化方法

第四十七页第四十八页，共175页。（一）为什么要固定化酶传统酶缺点传统酶催化反应几乎都在水溶液中进行，只能一次性使用，难以回收酶与产物混合，增加产物分离和纯化难度溶液中酶的稳定性差，容易变形和失活。

而将酶固定化能够克服这些缺点相对于酶直接加入至溶液中，通常将固定化酶的制备过程称为酶的固定化。该项技术于20世纪60年代发展起来的，1971年第一届国际酶工程会议正式建议采用固定化酶的名称。第四十八页第四十九页，共175页。（二）酶固定化的优缺点1、酶固定化的优点：

可以重复使用，在大多数情况下，稳定性明显提高催化后，酶与底物容易分开，产物易于分离纯化，质量提高反应条件易于控制，可实现反应的连续化和自动控制酶的利用效率高了，单位酶量催化的底物浓度增加，而酶量减少更适合于多酶催化反应第四十九页第五十页，共175页。2、固定化酶的缺点存在着酶失活现象，尤其是共价法固定消耗固定化材料，增加成本酶被固定到载体后将增加底物和产物的传质阻力

考虑固定化酶的优缺点，在工业采用固定化还是液态。第五十页第五十一页，共175页。吸附法：使酶被吸附于惰性固体的表面，或吸附于离子交换剂上。包埋法：使酶包埋在凝胶的格子中或聚合物半透膜小胶囊中。偶联法：使酶通过共价键连接于适当的不溶于水的载体上。交联法：使酶分子依靠双功能基团试剂交联聚合成“网状”结构。（三）酶的固定化方法第五十一页第五十二页，共175页。

(四)固定化对酶稳定性的影响

大多数酶在固定化以后，有较高的稳定性和较长的有效寿命。其原因是：固定化增加了酶结构的牢固性程度；阻挡了不利因素对酶的侵袭；限制了酶分子的相互作用。第五十二页第五十三页，共175页。1、增加热稳定性2、增强对变剂性、抑制剂的抵抗能力3、固定化减轻蛋白酶的破坏作用4、半衰期延长

固定化对酶稳定性的影响第五十三页第五十四页，共175页。酶在医学上的应用---

(1)酶与疾病的发生

酶缺乏或异常引起的疾病酶疾病苯丙氨酸羟化酶苯丙酮酸尿症6-磷酸葡萄糖脱氢酶蚕豆病酪氨酸酶白化病细胞色素氧化酶氰化物中毒胆碱酯酶有机磷中毒第五十四页第五十五页，共175页。（2）酶与疾病的诊断——血清酶活性测定

酶主要临床应用谷丙转氨酶肝实质疾患谷草转氨酶心肌梗塞、肝实质疾患乳酸脱氢酶心肌疾患、肝实质疾患碱性磷酸酶骨病、肝胆疾患胰蛋白酶(原)胰腺疾病肌酸激酶心肌梗塞、肌肉疾患醛缩酶肌肉疾病第五十五页第五十六页，共175页。（3）酶与疾病的治疗

替代治疗：消化不良--胃酶、胰酶抗菌治疗：清创--糜蛋白酶、胰蛋白酶对症治疗：预防血栓形成--尿激酶、链激酶抗癌治疗：氨甲喋呤—还原酶

第五十六页第五十七页，共175页。11.4生物催化剂的筛选以及改造生物催化剂的来源一、从微生物体系内筛选并提取生产，是目前使用最广泛的获得手段；二、通过DNA重组技术或蛋白质工程方法获得。第五十七页第五十八页，共175页。11.4.1生物催化剂的筛选空气、土壤、水强酸、强碱、高温、高压微生物生存的环境多样第五十八页第五十九页，共175页。产酶微生物的发现筛选分离第五十九页第六十页，共175页。微生物和酶的筛选办法（1）从自然界发现产酶微生物第六十页第六十一页，共175页。筛选步骤采集

富集

复筛分离

粗筛第六十一页第六十二页，共175页。

选择合适的培养基获得人工环境下的优势菌株筛选第六十二页第六十三页，共175页。分离菌株的筛选过程发酵平板筛选组合条件复筛第六十三页第六十四页，共175页。（2）优良菌株选育

自然选育诱变选育第六十四页第六十五页，共175页。自然选育根据微生物自身的突变达到选育的过程，缺点是效率较为低下。第六十五页第六十六页，共175页。诱变选育通过人为改变生长环境的方法促使微生物发生基因突变或染色体畸变，达到菌种选育。第六十六页第六十七页，共175页。诱变生长条件筛选高产菌株抗性代谢温度第六十七页第六十八页，共175页。筛选方式营养缺陷型突变株筛选抗反馈阻遏和反馈抑制突变菌株筛选组成型突变菌株筛选抗性突变菌株筛选第六十八页第六十九页，共175页。营养缺陷型突变株筛选

指微生物不能在无机盐类和碳源组成的合成培养基中增殖，必须补充一种或一种以上的营养物质才能生长。

研究中重要的选择标记和育种的重要手段，在发酵工业上有广泛用途。

第六十九页第七十页，共175页。第七十页第七十一页，共175页。影印法第七十一页第七十二页，共175页。第七十二页第七十三页，共175页。反馈抑制：一种负反馈机制，其中酶促反应的末端产物可抑制在此产物合成过程中起作用的酶。第七十三页第七十四页，共175页。

反馈阻遏：主要在合成代谢途径中，终产物或其衍生物对该途径上一个或多个酶形成的抑制作用。特点：转录水平的调节，产生效应慢。

第七十四页第七十五页，共175页。组成型突变constitutivemutation与酶的合成有关的调节基因的一种突变。即原来酶的合成量受调节基因调节的诱导酶或阻遏酶，由于调节基因发生变异，酶的合成变为组成型（不管生长条件如何，酶的合成量总是恒定的）的一种现象。第七十五页第七十六页，共175页。

从基因组中推测基因编码蛋白的功能，通过实验验证；对于未培养的微生物，从环境中分离提取微生物的DNA样本，酶切获得大小为20-40kb的DNA片段，回收片段，构建基因文库。（3）微生物基因组DNA中筛选酶第七十六页第七十七页，共175页。假单胞菌A1501推测基因编码蛋白第七十七页第七十八页，共175页。元基因组

生境中全部微小生物遗传物质的总和，它包含了可培养的和未可培养的微生物的基因。目前主要指环境样品中的细菌和真菌的基因组总和。1212第七十八页第七十九页，共175页。11.4.2蛋白质工程方法传统方法-------改造催化过程适应催化剂现代方法-------对生物催化剂进行改造第七十九页第八十页，共175页。蛋白质工程的概念

指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学，计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识通过对基因的人工定向改造等手段，对蛋白质进行修饰，改造和拼接以生产出能满足人类需要的新型蛋白质的技术。第八十页第八十一页，共175页。

1983年，美国生物学家额尔默首先提出了“蛋白质工程”的概念。第八十一页第八十二页，共175页。根据需要，合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系；从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功能的全新蛋白质。

（2）蛋白质工程研究的主要内容第八十二页第八十三页，共175页。1、基因工程产物基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。第八十三页第八十四页，共175页。实例1：干扰素的保存天然的干扰素在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在—70℃的条件下，可以保存半年。2、蛋白质工程实例：第八十四页第八十五页，共175页。实例2：生产单体速效胰岛素

如果把胰岛素B链由B28脯氨酸-B29赖氨酸改为B28赖氨酸-B29脯氨酸就可以避免胰岛素分子形成聚合体以保证其效能的及时发挥。原因：胰岛素注射到人体后会堆积在皮下，要经过较长时间才能进入血液，而且进入到血液中的胰岛素又会不断地被分解。第八十五页第八十六页，共175页。第八十六页第八十七页，共175页。实例3:工业用酶许多工业用酶是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。第八十七页第八十八页，共175页。蛋白质工程的基本途径预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）第八十八页第八十九页，共175页。对蛋白质的改造：改造蛋白质大改：设计并制造出自然界不存在的蛋白质中改：替换一个肽段或一个特定的结构域小改：改造活性部位的一个或几个氨基酸残基第八十九页第九十页，共175页。酶工程与蛋白质工程有什么区别？

酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。

第九十页第九十一页，共175页。

酶制剂生产酶工程酶制剂应用第九十一页第九十二页，共175页。

通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。第九十二页第九十三页，共175页。（3）蛋白质工程的方法

理性化设计定向进化第九十三页第九十四页，共175页。

包括活性设计、专一性设计、框架（构象）设计等。

目前对蛋白质的结构与功能之间的关系认识不系统，仅是对天然蛋白质的修饰。如：异常血红蛋白的氨基酸取代、去羧基端胰岛素等。

1）蛋白质理性化设计第九十四页第九十五页，共175页。

最终目标一个或多个核苷酸发生目标性的转变，培养获得不同于野生型的蛋白质

第九十五页第九十六页，共175页。不同动物胰岛素在A链中的差异羧基端A链B链A链第九十六页第九十七页，共175页。定点突变步骤蛋白质纯化确定氨基酸序列

重组表达蛋白结晶分析结构，确定催化位点DNA突变，克隆表达检验蛋白的理化性质得到基因第九十七页第九十八页，共175页。调节基因启动基因结构基因终止基因连接酶完整基因DNA第九十八页第九十九页，共175页。

目前用此法已合成人血细胞干扰素、胰岛素、生长激素释放抑制激素等基因。

第九十九页第一百页，共175页。2）蛋白质定向进化生物催化中定向进化的步骤：DNA文库中筛选含目标蛋白亲本的DNA序列，通过突变或重组方法产生蛋白序列DNA序列连接到表达载体上，转化细菌并表达；筛选性质改进的酶；将所得序列扩增，重复诱变、筛选、扩增的循环得到具有特定性蛋白质第一百页第一百零一页，共175页。11.5人工酶

人工酶是用人工合成的具有催化活性的多肽或蛋白质。

1977年Dhar人工合成的Glu—Phe—Ala—Glu—Glu—Ala—Ser—Phe八肽，具有溶菌酶的活性。其活性为天然溶菌酶的50%.第一百零一页第一百零二页，共175页。人工酶分类

催化抗体蛋白质催化类似物酶模型第一百零二页第一百零三页，共175页。11.5.1催化抗体（抗体酶）

一种新型人工酶制剂，具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋予了酶的属性。利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研究的成果，将抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的产物。第一百零三页第一百零四页，共175页。免疫球蛋白的结构与功能

免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)具有抗体活性或化学结构上与抗体相似的球蛋白，是一类重要的免疫效应分子。

第一百零四页第一百零五页，共175页。IgG与抗原形成

的交联晶格抗原IgG第一百零五页第一百零六页，共175页。（1）抗体酶的催化特征1、与天然酶相比抗体酶的特点能催化一些天然酶不能催化的反应有更强的专一性和稳定性2、抗体酶和非催化性抗体作用的比较更高的反应特异性反应的可逆性反应过程第一百零六页第一百零七页，共175页。（2）抗体酶的催化作用机理

抗体酶催化的三种重要反应机制水解作用机制基团转移连续反应机制

第一百零七页第一百零八页，共175页。

1、抗体酶在帮助戒毒方面的应用

Landry等用可卡因水解的过渡态类似物-磷酸单酯为半抗原，产生的单克隆抗体能催化可卡因的分解，水解后的可卡因片断失去可卡因刺激功能。（3）抗体酶的应用用人工抗体酶的被动免疫阻断可卡因上瘾第一百零八页第一百零九页，共175页。

抗体介导前药治疗技术将能水解前药释放出肿瘤细胞毒剂的酶和肿瘤专一性抗体相偶联，这样酶就会通过和肿瘤结合的抗体而存在于细胞的表面。静脉给药后，当药物扩散至肿瘤细胞的表面或附近，抗体酶就会将前药迅速水解释放出抗肿瘤药物，从而提高肿瘤细胞局部药物浓度，增强对肿瘤的杀伤力。2.肿瘤治疗第一百零九页第一百一十页，共175页。抗体介导前药治疗机理CellDeath第一百一十页第一百一十一页，共175页。11.5.2类蛋白催化剂类蛋白催化剂核酶模拟酶第一百一十一页第一百一十二页，共175页。酶容易受到多种物理、化学因素的影响而失活，所以不能用酶广泛取代工业催化剂。第一百一十二页第一百一十三页，共175页。模拟酶（modelenzyme

）用合成高分子来模拟酶的结构、特性、作用原理以及酶在生物体内的化学反应过程。

模拟酶是20世纪60年代发展起来的一个新的研究领域，是仿生高分子的一个重要的内容第一百一十三页第一百一十四页，共175页。11.5.3模型酶酶模型是包含一种或者多种酶体系特征的有机合成分子，比酶小，结构更简单，即酶模型试图在更简单的水平模拟酶的主要功能。第一百一十四页第一百一十五页，共175页。德国科学家建立了“非典”病毒的蛋白酶模型，对此模型进行的初步分析显示，一种感冒药物经改进后也许可用于治疗“非典”。通过对导致普通感冒的人体冠状病毒和猪冠状病毒上的酶的晶体结构进行分析，建立起“非典”病原体的蛋白酶模型。蛋白酶在病毒的复制过程中起着重要作用。举例第一百一十五页第一百一十六页，共175页。11.6

生物催化的应用

氧化酶还原酶脂肪酶糖苷酶水解酶已应用的酶第一百一十六页第一百一十七页，共175页。11.6.1酶作为大宗活性物质的应用衣用洗涤剂纺织品动物饲料制浆造纸等工艺中的应用第一百一十七页第一百一十八页，共175页。（1）酶在衣用洗涤剂中的应用

欧洲和日本、韩国，加酶粉已超过90%美国加酶洗涤剂超过80%中国30~40%第一百一十八页第一百一十九页，共175页。蛋白质类污渍有汗渍、血渍及肉汁、牛奶等。蛋白酶添加到洗涤剂中，可去除血迹和蛋白污渍。淀粉类的污渍（面条）和油渍等形成的污斑较难去除，因为不溶的蛋白质、油渍和淀粉使污垢强烈粘附于织物上，在洗涤剂中加入蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶则有助于去除蛋白质、油脂和淀粉类污渍及其粘黏的其它污垢。

第一百一十九页第一百二十页，共175页。（2）酶在纺织品中的应用

纤维素酶有助于除去绵织品洗涤或穿着过程中形成的微纤维，颜色增艳增白，柔软及帮助去除纤维内部的固体颗粒污垢，起到一定程度的生物柔软和生物抛光的作用。过氧化物酶漂白衣物，安全且环保。

第一百二十页第一百二十一页，共175页。（3）酶在制浆造纸等工艺中的应用制浆造纸包括2个制浆和3个漂白过程。漆酶一种含铜的多酚氧化酶，来源于白腐真菌，可降解木质素。在纸浆生物漂白、生物制浆和预处理、废纸脱墨、纸浆增湿和处理制浆废水方面等。

第一百二十一页第一百二十二页，共175页。白腐菌第一百二十二页第一百二十三页，共175页。优点白腐菌对原料的预处理，可降低后阶段制浆能耗的50%，并且纤维强度性能也得到改进。选定适宜温度，可以分解出80%的木质素，比一般化学制浆法成本降低了50%。木材的消耗量可节约1/9。能使漂白废水中的很多有毒物质最终降解成二氧化碳和水。第一百二十三页第一百二十四页，共175页。(4)动物饲料中植酸酶的应用

植酸酶目前已成为饲料工业酶制剂中的第一大酶种，2005年植酸酶的全球市场值已超过了1亿美元。

其规模化制备及应用需要解决的主要问题是：

酶的热稳定性有待提高酶的发酵水平需要进一步提高产品剂型工艺需要优化第一百二十四页第一百二十五页，共175页。应用前景及经济效益依照我国2005年配合饲料总产8000万吨计算，植酸酶需求量0.8万吨；直接经济效益超过2亿元人民币。预计到2010~2020年,我国配合饲料的需求量将分别达到1.5~1.7亿吨，植酸酶带来的综合经济效益将达到27~30亿元/年第一百二十五页第一百二十六页，共175页。200520102020

植酸酶经济效益

01530亿元第一百二十六页第一百二十七页，共175页。

植酸酶

能水解植酸(肌醇六磷酸)生成肌醇和磷酸盐，可提高饲料的利用率；食品工业中可改善人对铁和锌的吸收

缺点：

热稳定性差，易失活

枯草芽孢杆菌植酸酶PhyC第一百二十七页第一百二十八页，共175页。植酸酶的用途

增强动物对食物中磷的利用率；降低动物粪便中磷的含量，降低环境污染；促进动物对钙的吸收，增加体内血色素的浓度，增强动物体对氨基酸的吸收。第一百二十八页第一百二十九页，共175页。酵母生产植酸酶

PhyC44kDa116664535kDa

123456第一百二十九页第一百三十页，共175页。pH性质更为优越的突变体第一百三十页第一百三十一页，共175页。抗高浓度胃蛋白酶的突变体

0100200300400500600pH2.0pH2.3pH2.8pH3.8pH4.6pH5.5释放无机磷

P(mg/kg)A.nigerY-1Y-4MU-5E.coli各种来源的植酸酶在不同pH人工胃液中降解豆粕植酸磷的情况第一百三十一页第一百三十二页，共175页。

植酸酶制剂工艺研究

四种新工艺：以喷雾干燥为主的粉剂生产工艺；以制粒，抛丸，干燥为主的颗粒生产工艺；以包衣为主的包衣生产工艺；以微滤，防腐，防沉为主的液体酶生产工艺。第一百三十二页第一百三十三页，共175页。包衣工艺改善植酸酶耐热性薄层防潮技术，微丸隔热技术和蛋白稳定技术形成耐热稳定包衣型产品。第一百三十三页第一百三十四页，共175页。包衣工艺改善植酸酶耐热性不同品牌产品制粒后在饲料中的酶活残留对比第一百三十四页第一百三十五页，共175页。11.6.2酶作为催化剂的应用（1）酶作为基础化工催化剂氰水合酶水解丙烯腈制备丙烯酰胺（聚合物单体）。

丙烯腈是一种无色的有辛辣气味液体，属大众基本有机化工产品，是三大合成材料——合成纤维、合成橡胶、塑料的基本且重要的原料，在有机合成工业和人民经济生活中用途广泛。第一百三十五页第一百三十六页，共175页。

氰水解酶2-甲基戊二氰1,5-二甲基-2-哌啶酮顺式二醇前列腺素CNCNCOONH4CN氰水解酶双加氧酶酶第一百三十六页第一百三十七页，共175页。（2）酶作为精细化工催化剂用于含手性分子的合成中，包括对映异构纯氨基、羟基酸、醇、胺类的合成。COOH酰化酶ONHRCOOHRNH2ONHCOOHR+D/L酰化氨基酸L-氨基酸D-酰化氨基酸

第一百三十七页第一百三十八页，共175页。酶催化动力学拆分e.g.环氧化物水解环氧水解酶+OOHOHO第一百三十八页第一百三十九页，共175页。

α-淀粉酶:水解淀粉，在啤酒和面包制作上，产物是麦芽糖、葡萄糖。葡萄糖淀粉酶：将玉米转化为葡萄糖和果糖，生产高果糖浆。蛋白酶：切断肽链，嫩肉粉用于肉的软化。（3）酶作为食品工业催化剂第一百三十九页第一百四十页，共175页。高果糖浆葡萄糖在葡萄糖异构酶的催化作用下，就形成了果糖。高果糖浆的甜度可作为甜味剂的重要指标之一。高果糖浆被广泛用作饮料、果冻、糖果、冰激凌和调味食品的甜味剂，亦可代替蜂蜜用于制药工业，或用于化工上生产甘露醇等。第一百四十页第一百四十一页，共175页。

果聚糖化妆品食品纺织业代替脂肪生物学功能…….保湿医学药学抗癌抗炎症益生素降胆固醇甜味剂表面修复剂增稠剂抗炎抵抗逆境龋齿叶斑病果聚糖的应用及生物学功能第一百四十一页第一百四十二页，共175页。人体摄入果聚糖后不增加血糖水平，而且能降低血清胆固醇和甘油三酯含量，是糖尿病、高血压患者和减肥用的良好食品和甜味剂。果聚糖具有抗肿瘤和免疫调节作用。人类消化道没有能降解果聚糖的酶，因此在食品工业中果聚糖可以作为低热量食品添加剂，高聚果糖也可以代替脂肪，用于制备营养食品。第一百四十二页第一百四十三页，共175页。果聚糖保湿作用

其保湿效果等同于化妆品中常用的透明质酸；果聚糖还可以促进细胞分裂，抗外界对皮肤刺激引起的炎症反应，这些都表明果聚糖在药用及化妆品方面具有的潜在应用价值。第一百四十三页第一百四十四页，共175页。果聚糖蔗糖酶又称果糖基转移酶，具有蔗糖水解活性和果糖基转移酶活性，水解蔗糖生成β-果聚糖。第一百四十四页第一百四十五页，共175页。细菌果聚糖蔗糖酶：

G+细菌果聚糖蔗糖酶合成大分子量的果聚糖

G-细菌果聚糖蔗糖酶合成小分子量的果聚糖

生长和培养条件：高温合成小分子量果聚糖，低温合成大分子量果聚糖。

制备方法：固定化重组酶或重组菌合成较小分子量的果聚糖，天然酶合成大分子量的果聚糖。影响细菌果聚糖聚合度的主要因素第一百四十五页第一百四十六页，共175页。（4）酶用于催化农作物保护化学品的合成

除草剂生产中，利用单加氧酶和还原酶将苯氧基丙酸转化为4-羟基苯氧基丙酸。+O2加氧酶、还原酶第一百四十六页第一百四十七页，共175页。（5）生物催化在制药中的应用生物催化在制药中的应用能大规模生产，降低成本，减少污染。可用于抗感染药物、抗胆固醇药物、抗艾滋病药物及高血压治疗药物的合成制备。内酰胺水解酶和青霉素酰化酶的应用p197第一百四十七页第一百四十八页，共175页。11.6.3非传统介质中生物催化介质H2O有机溶剂

很多亲水性溶剂不是很好的酶促介质，如甲醇；疏水性的有机介质也可作为合适的酶促介质，如环己烷；第一百四十八页第一百四十九页，共175页。有机介质的优势（1）有机介质可增强反应物溶解度，加快反应速率；（2）改变化学反应平衡，调节反应结果；（3）有机介质中催化产物易于分离提纯，如蒸馏；（4）有机介质可以提高酶的稳定性；（5）有机介质可以改变酶的选择性，包括化学选择性、区域选择性、对映选择性及底物专一性。第一百四十九页第一百五十页，共175页。工业中有机介质中酶使用的注意事项酶制备过程需要在合适的pH条件下冻干保证其活性；对酶保持其活性的水量进行研究；通过实验提高酶在有机溶剂中的选择性。第一百五十页第一百五十一页，共175页。11.6.4生物质转化与能源开发中的应用生物质能源

主要指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。

特点：可再生性，低污染性，分布广泛，储量丰富。第一百五十一页第一百五十二页，共175页。第一百五十二页第一百五十三页，共175页。聚羟基脂肪酸脂（PHA,PHB）

近20多年迅速发展起来的生物高分子材料，很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料。

第一百五十三页第一百五十四页，共175页。第一百五十四页第一百五十五页，共175页。

生物催化的方法获得，微生物可以利用废弃物为原料催化合成PHA聚合物。第一百五十五页第一百五十六页，共175页。特点生物相容性能；生物可降解性，可作为生物医用材料和生物可降解包装材料,其分解产物可全部为生物利用，对环境无任何污染；塑料的热加工性能,其熔融温度为175～180℃，是一种可完全分解的热塑性塑料。

；具有良好的气体阻隔性，使其可能应用在较长时间的鲜品保鲜上。

第一百五十六页第一百五十七页，共175页。聚-β-羟丁酸的应用前景作为一种天然高分子聚合物，具有生物相容性、生物可降解性、无刺激性、无免疫原性和组织相容性等特殊性能，在组织工程、药物缓释控释系统、骨科以及医用手术缝合线领域获得成功的应用。

第一百五十七页第一百五十八页，共1