酶工程电子教案第一章绪论1、酶的基本概念酶的概念：具有生物催化功能的生物大分子，按照其化学组成，可以分为蛋白类酶（P酶）和核酸类酶（R酶）两大类别。

酶工程：酶的生产与应用的技术过程。

酶工程的主要内容包括：微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固定化、酶的非水相催化、酶反应器和酶的应用等。

2、酶的发展史19世纪以前：4000 多年前的夏禹时代就已经掌握了酿酒技术。

3000多年前的周朝，就会制造饴糖、食酱等食品。

2500多年前的春秋战国时期，就懂得用麴来治疗消化不良等疾病。

19 世纪30年以来：1833年，佩恩（Payen）和帕索兹（Persoz）从麦芽的水抽提物中用酒精沉淀得到淀粉酶（Diastase）。

19 世纪中叶，巴斯德( Pasteur)认为在活酵母细胞内有一种可以将糖发酵生成酒精的物质。

1878年昆尼（Kunne）首次将酵母中进行酒精发酵的物质称为酶（Enzyme ），这个词来自希腊文，其意思是“在酵母中”。

1896年，巴克纳（Buchner）兄弟发现酵母的无细胞抽提液也能将糖发酵成酒精。

1902年，亨利（Henri）根据蔗糖酶催化蔗糖水解的实验结果，提出中间产物学说。

k1k2E ＋S ======== ES ========E ＋PK－11913年，米彻利斯（Michaelis ）和曼吞（menten ）米氏方程：V m [S]v ==K m + [S]“酶是生物体产生的具有生物催化功能的物质”。

但是尚未搞清楚究竟是哪一类物质？1920年，德国化学家威尔斯塔特（Willstater）将过氧化物酶纯化12 000倍。

1926年，萨姆纳（Sumner）首次从刀豆提取液中分离纯化得到脲酶结晶，并证明它具有蛋白质的性质。

1960年，雅各（Jacob）和莫诺德（Monod）提出操纵子学说，阐明了酶生物合成的基本调节机制。

1982年，切克（Thomas Cech）等人发现四膜虫（Tetrahynena）细胞的26 S rRNA前体具有自我剪接功能（Self-splicing）。

并将这种具有催化活性的RNA 称为ribozyme。

1983年，阿尔特曼（Sidney Altman）等人发现核糖核酸酶P（RNase P）的RNA部分M1 RNA 具有核糖核酸酶P 的催化活性。

由此引出“酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白质或RNA）”的新概念。

3、酶催化作用的特点3.1酶催化作用的专一性强酶的专一性是指在一定的条件下，一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型反应的特性。

酶的专一性按其严格程度的不同，可以分为绝对专一性和相对专一性两大类。

3.1.1绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一种反应，这种高度的专一性称为绝对专一性。

例如，乳酸脱氢酶[ EC 1.1.1.27 ] 催化丙酮酸进行加氢反应生成L－乳酸：CH3CH3| 乳酸脱氢酶|C＝O =============== H－C－OH| |COOH NADH NAD COOH丙酮酸L－乳酸核酸类酶也同样具有绝对专一性：四膜虫26 S rRNA前体等催化自我剪接反应的R酶，只能催化其本身RNA分子进行反应，而对于其它分子一概不作用。

3.1.2相对专一性:一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应，这种专一性称为相对专一性。

相对专一性又可分为键专一性和基团专一性。

键专一性的酶能够作用于具有相同化学键的一类底物。

如，酯酶可催化所有含酯键的酯类物质水解生成醇和酸：O|| 酯酶R－C－O－R’＋H2O =========== R-COOH ＋R’-OH（酯）（水）（酸）（醇）基团专一性的酶则要求底物含有某一相同的基团。

如胰蛋白酶[EC 3.4.31.4 ] 选择性地水解含有赖氨酰-或精氨酰-的羰基的肽键。

再如核酸类酶M1 RNA（核糖核酸酶P 的RNA部分），催化tRNA前体5’-末端的成熟。

要求底物核糖核酸的3’-端部分是一个tRNA，而对其5’-端部分的核苷酸链的顺序和长度没有要求，催化反应的产物为一个成熟的tRNA分子和一个低聚核苷酸。

3.2酶催化作用的效率高酶催化的转换数（每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数）一般为103 min-1左右。

酶催化和非酶催化反应所需的活化能有显著差别。

如图1-1 所示。

从图中可以看到，酶催化反应比非酶催化反应所需的活活化能要低得多。

化能酶催化反应图1-1 酶与非酶催化所需的活化能3.3酶催化作用的条件温和酶的催化作用一般都在常温、常压、pH近乎中性的条件下进行。

原因：一是由于酶催化作用所需的活化能较低，二是由于酶是具有生物催化功能的生物大分子。

在高温、高压、在过高或过低pH等极端条件下，大多数酶会变性失活而失去其催化功能。

4.影响酶催化作用的因素酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。

4.1底物浓度的影响底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。

在其他条件不变的情况下，酶催化反应速度与底物浓度的关系如图1-2所示。

从图中可以看到， 在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度与底物浓度成正比，反应速度随着底物浓度的增加而加快。

底物浓度成正比，而是逐步趋向平衡。

v著名的米氏方程:V m S 0V = [S]K m + S图1-2 底物浓度与酶催化反应速度的关系 式中，V 为反应速度S 为底物浓度Vm 为最大反应速度Km 为米氏常数，为酶催化反应速度等于最大反应速度一般时的底物浓度。

这一酶催化反应的基本动力学方程阐明了底物浓度与酶催化反应速度之间的定量关系。

有些酶在底物浓度过高时，反应速度反而下降，这是由于高浓度底物引起的抑制作用。

4.2酶浓度的影响在底物浓度足够高的条件下,酶催化反应速度与酶浓度成正比，如图1-3所示。

它们之间的关系可以用下式表示：V = k [E]4.3温度的影响每一种酶的催化反应都有其适宜温度范围和最适温度。

底物浓度图1-3 酶浓度与反应速度的关系 反应速度在最适温度条件下，酶的催化反应速度达到最大。

如图1-4所示。

温度图1-4 温度与反应速度的关系4.4 pH 值的影响酶的催化作用与反应液的pH 值有很大关系。

每一种酶都有其各自的适宜pH 值范围和最适pH值。

pH 值图1-5 pH 值与反应速度的关系在最适pH 值条件下，酶催化反应速度达到最大。

如图1-5所示。

pH 值影响酶的催化作用：主要是由于在不同的pH 值条件下，酶分子和底物分子中基团的解离状态发生改变，从而影响酶分子的构象以及酶与底物的结合能力和催化能力。

在极端的pH 值条件下，酶分子的空间结构发生改变，从而引起酶的变性失活。

4.5 抑制剂的影响酶的抑制剂：使酶的催化活性降低或者丧失的物质。

反应速度反应速度主要的外源抑制剂有各种无机离子，小分子有机物和蛋白质等。

例如，银(Ag+)、汞(Hg++)、铅(Pb++) 等重金属离子对许多酶均有抑制作用，抗坏血酸（Vit. C）抑制蔗糖酶的活性，胰蛋白酶抑制剂抑制胰蛋白酶的活性等等。

有些酶抑制剂是一类有重要应用价值的药物，例如，胰蛋白酶抑制剂治疗胰腺炎，胆碱酯酶抑制剂治疗血管疾病等。

抑制剂有可逆性抑制剂和不可逆抑制剂之分。

不可逆抑制剂：与酶分子结合后，抑制剂难于除去，酶活性不能恢复。

可逆性抑制剂：与酶的结合是可逆的，只要将抑制剂除去，酶活性即可恢复。

根据可逆性抑制作用的机理不同，酶的可逆性抑制作用可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制三种。

4.5.1竞争性抑制（competitive inhibition）：指抑制剂和底物竞争与酶分子结合而引起的抑制作用。

机制：竞争性抑制剂与酶作用底物的结构相似。

它与酶分子结合以后，底物分子就不能与酶分子结合，从而对酶的催化起到抑制作用。

例如，丙二酸是琥珀酸的结构类似物。

丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。

COOH|CH COOH||CH2CH2||COOH COOH(琥珀酸) （丙二酸）竞争性抑制的效果强弱与竞争性抑制剂的浓度、底物浓度以及抑制剂和底物与酶的亲和力大小有关。

随着底物浓度增加，酶的抑制作用减弱。

竞争性抑制的特点：是酶催化反应的最大反应速度Vm不变，而米氏常数Km增大。

如图1-6所示。

－1/K m1/[S]图1-6 线性竞争性抑制的Km和Vm变化4.5.2 非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）：指抑制剂与底物分别与酶分子上的不同位点结合，而引起酶活性降低的抑制作用。

机制：由于非竞争性抑制剂是与酶的活性中心以外的位点结合，所以，抑制剂的分子结构可能与底物分子的结构毫不相关。

增加底物浓度也不能使非竞争性抑制作用逆转。

非竞争性抑制的特点：最大反应速度Vm减小，而米氏常数Km不变。

如图1-7所示。

－1/K m1/ [S]图1-7 非竞争性抑制的K m和V m变化4.5.3反竞争性抑制(uncompetitive inhibition)：在底物与酶分子结合生成中间复合物后，抑制剂再与中间复合物结合而引起的抑制作用。

机制：反竞争性抑制剂不能与未结合底物的酶分子结合，只有当底物与酶分子结合以后由于底物的结合引起酶分子结构的某些变化，使抑制剂的结合部位展现出来，抑制剂才能结合并产生抑制作用。

所以亦不能通过增加底物浓度使反竞争抑制作用逆转。

反竞争性抑制的特点：最大反应速度Vm和米氏常数Km同时减小。

如图1-8所示。

1/v1/V m [I]1/K m[S]图1-8 反竞争性抑制的K m 和V m变化4.6激活剂的影响酶的激活剂或活化剂：能够增加酶的催化活性或使酶的催化活性显示出来的物质。

常见的激活剂有Ca++、Mg++、Co++、Zn++、Mn++等金属离子和Cl- 等无机负离子。

例如，氯离子（Cl-）是α-淀粉酶的激活剂，钴离子（C o+2）和镁离子（Mg+2）是葡萄糖异构酶的激活剂等。

有的酶也可以作为激活剂，通过激活剂的作用使酶分子的催化活性提高或者使酶的催化活性显示出来。

5.酶的分类与命名按其化学组成不同，酶可以分为两大类别。

主要由蛋白质组成的酶称为蛋白类酶（P酶）；而主要由核糖核酸组成的酶称为核酸类酶（R酶）。

5.1．蛋白类酶(P酶)的分类与命名国际酶学委员会（International Commission of Enzymes）根据国际酶学委员会的建议，每一种具体的酶都有其推荐名和系统命名。

5.1.1推荐名:在惯用名称的基础上，加以选择和修改而成。

酶的推荐名一般由两部分组成：第一部分为底物名称，第二部分为催化反应的类型。

后面加一个“酶”字（-ase）。

不管酶催化的反应是正反应还是逆反应，都用同一个名称。

例1，葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase），表明该酶的作用底物是葡萄糖，催化的反应类型属于氧化反应。