第十章酶学和酶工程研究今后的方向 进展热点问题
二、酶在环境治理方面的应用研究 当前，环境污染己经成为制约人类社会发展的重要因
素．我国每年排出大量废水(416亿吨)废气和烟尘(2000万 吨)，以及固体废弃物(1000亿吨)，污染规模达到相当严 重的地步．美国也有大量土地、淡水和海水区域被污染。 据估计，仅治理被污染的土地一项，就耗资巨大。
1995年Cuenoud又发现某些DNA分子也具有催化功 能，改变了只有蛋白质才能有催化功能的传统观念， 也为先有核酸，后有蛋白质，提供了进化的证据。
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进一步研究发现核酸酶是一种多功能的生物催化剂， 不仅可以作用于RNA和DNA，而且还可以作用于多糖、氨 基酸酯等底物。核酸酶还可以同时具有信使编码功能和 催化功能，实现遗传信息的复制转录和翻译，是生命进 化中最简单．最经济最原始的、催化核酸自身复制、加 工的方式。
不过，如果通过多代遗传将突变积累起来，也可以 较好地拓展酶的功能。
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近来，Arndd利用所谓“定向酶进化”技术，在试管中 模拟达尔文进化论的关键过程。先进行无序突变和重 组，继而进行筛选，再通过多代遗传，可以大大改进 和拓展酶的功能。
近来国际上又提出酶蛋白全新设计的概念。
在“模拟酶”方面，固氮酶的模拟最令人瞩目。人 们从天然固氮酶由铁蛋白和铁钼蛋白两种成分组成得到 启发，提出了多种固氮酶模型。
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如过渡金属(铁、钴、镍等)的氮络合物，过渡金属(钒、 钛等）的氮化物，石墨络合物，过渡金属的氨基酸络合 物等;此外，利用铜、铁、钴等金属的络合物，可以模拟 过氧化氢酶等．
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当然，基因的表达并非是无序进行的，而是有内在 的规律。不同的基因有其各自不同的表达模式．这正 是基因调控的结果。基因组研究的根本目的是揭示整 个生命活动的规律。
人类基因组全序列的测定完成后，只是解决了人类 全部基因DNA序列问题(即遗传信息库问题)，
今后人们必须进一步了解这些基因的功能，以及这 些基因如何发挥其功能。因此功能基因组的研究在今 后的研究中就非常重要。
抗体酶的催化效率远比模拟酶高;同时，从原 理上讲，只要能找到合适的过渡态类似物，几乎可 为任何化学反应提供全新的蛋白质催化剂-抗体酶。
目前抗体酶催化的反应， 除水解反应外， 催化合成反应， 交换反应， 闭环反应， 异构化反应、 氧化还原反应等。
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此外，与模拟酶相比，抗体酶表现出一定程 度的底物专一性和立体专一性。业已证明，抗体酶 可以在体内执行催化功能。抗体梅的应用前景非常 诱人。 抗体酶已经用于酶作用机理的研究，
原先人们常用的化学方法和物理方法，己经很难达到 完全清除污染物的目的。
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微生物在环境治理方面发挥了十分巨大的作用，最 常用、最成熟的活性污泥废水处理技术，就是依靠了微 生物的作用、同样，各种微生物酶能够分解糖类、脂肪、 蛋白质，纤维素、木质素;环烃、芳香烃、有机磷农药、 氰化物、某些人工合成的聚合物等，正成为环境保护领 域研究的一个热点课题．
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六.功能酶学进展 从1990年开始的、被称为生物学的“阿波罗登月计
划”的人类基因组计划，是整个生物学领域人力、物力 和财投入最大的一项巨大工程。其任务是完成人体23对 染色体、约10万个基因、30亿对碱基的DNA的全序列测 定，原来计划2005年完成。有美国、日本、中国等国家 合作，已经于2000年6月26日公布了人类基因组的基本 框架。预计，将在2002年全部完成。
基因工程的飞速发展，我们可以通过研究能够获得自 然界原先并不存在的、具有全新结构和功能的蛋白质．同 样，这一项新技术也可以用于组建自然界原先并不存在的、 结构和功能全新酶蛋白。
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在确定设计目标后，先根据一定规则产生初始序列，
经过结构预测和构建模型，对序列进行初步的修改，
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四. 核酸酶 抗体酶 近年来，人们发现去除蛋白质的RNA和DNA也具有催
化功能，1982年Cech发现四膜虫的26SrRNA的前体，在 没有蛋白质存在的情况下，能够进行内含子的自我剪 接，形成成熟的rRNA，证明RNA分子具有催化功能，并 将其称为核酸酶,也有人称为核酶)。
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三、人工合成酶和模拟酶
酶的高度催化活性以及酶在工业上应用带来巨大经 济效益，促使人们研究人工合成的酶型催化剂．
通常，人们将人工合成时具有类似酶活性的聚物称 之为人工合成酶。
人工合成酶在结构上必具有两个特殊部位，即一个 是底物结合位点，一是催化位点。
已经发现，构建底物结合位点比较容易，而构建催 化位点比较困难．两个位点可以分设计。
手性药物的合成和拆分， 抗癌药物的制备．
目前人们正在致力于提高抗体酶的作用效率， 期望在深入了解酶的作用机理，以及抗体和酶结构 和功能的基础上，能够真正按照人们的意愿构建出 具有特定催化活性和专一性的催化效率高的能满足 各种用途需要的抗体酶．
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五.分子酶学 研 究 分 子 结 构 和 功 能 的 关 系 ． 到 1999 年 1 月 。 在
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一、基因工程和蛋白质工程的应用 有关基因工程在酶工程领域的研究文章大量涌现。 运用基因工程技术可以有什么好处？
改善原有酶的各种性能， 1.如提高酶的产量、 2.增加酶的稳定性、 3.使酶适应低温环境、 4.提高酶在有机溶剂中的反应效率、 5.使酶在后提取工艺和应用过程中更容易操作等， 6.运用基因工程技术也可以将原来有害的;未经批准的微 生物产生的酶的基因;
核酸酶具有核苷酸序列的高度专一性．这种专一性 使核酸酶具有很大的应用价值。只要知道某种核酸的核 苷酸序列，就可以设计并合成出催化其自我切割和断裂 的核酸酶。
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我们知道，动植物病毒的基因组由核酸组成． 根据这些基因组的全部序列，就可设计并合成出 防治一些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核酸酶。 例：能够防治流感、肝炎及滋病和烟草花叶病等．
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众所周知，蛋白质的空间结构由其氨基酸的序列控 制，而其功能又与结构密切有关。据计算，300个氨基酸 可以组成10390种不同序列的蛋白质。而从生物出现以来， 自然界估计有1055种蛋白质．即绝大多数新序列和新功能 的蛋白质或酶，在许多亿年的生物进化过程中还没有出现 过或者没有研究过的酶，有待我们去开发和创造．
抗体和受体结合位点的模拟物可用于识别和检测系
统，分子压印的聚合物可用作生物传感器的识别单元。
有专家在演讲中介绍了人工合成酶在氧化还原反应 方面的进展。他将天然酶和人工合成酶置于膜反应器内， 比较了二者在连续氧化还原反应系统中的反应能力。
转换频率
空间时间产率
天然酶
高
低
人工合成酶．
低
高
在使用有机溶剂和各式各样不同的底物方面，人工合成酶 也要比天然酶优越得多．
然后进行基因表达或多肽合成，再经结构检测，确定是否与 原定目标相符。
并根据检测结果，指导进一步的设题
尽管目前对蛋白质全新设计的理论基础，即蛋白质 折叠规律的认识还不够深入，蛋白质全新设计还处 在探索阶段，但定，其应用前景非常诱人，值得深 入探索和研究
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对天然酶蛋白进行改造，已经取得很多成果。例如， 将T4溶菌酶的第51位苏氨酸转变成脯氨酸，使该酶对 ATP的亲和力增强，酶活力提高了25倍。
但定点突变技术只能对天然酶蛋白中某些氨基酸残 基进行替换，酶蛋白的高级结构基本维持不变，因此对 酶的功能的改造非常有限．
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抗体酶在本质上是免疫球蛋白，人们在其易变区 赋予了酶的催化活性。抗体是目前已知的最大的多样 性体系，但无催化活性。而抗体酶则具有较高的催化 活性。 制备抗体酶的方法 主要有诱导法、
拷贝法、 插入法、 化学修饰法 基因工程法。
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Brookhaven蛋白质资料库中己经收集到8000多个蛋白质 结构，其中酶的结构有4800个。近年来，多标记和多维 技术的发展，使得利用核磁共振检测生物高分子物质的 结构成为可能。近年来，利用NMR技术解析酶的研究迅 速发展．对某些蛋白质进行动态结构的研究，如测定肌 红蛋白。
近来，基因定点突变技术的广泛应用，使酶的结构 与功能的关系的研究，将在今后的研究中会取得突破性 的进展。
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但是已经发现，如果人工合成酶有一个反应过渡态 的结合位点，则该位点常常会同时具有结合位点和催化 位点的功能．人工合成酶通常也遵循Michaelis-Menten 方程，例如高分子聚合物聚-4-乙烯基吡啶-烷化物，具 有糜蛋白酶的功能，含辅基或不含辅基的高分子聚合物， 具有氧化还原酶、参与光合作用的酶和各种水解酶等功 能。
核酸酶也可以用来治疗某些遗传病和癌症。
核酸酶还可以用作研究核酸图谱和基因表达的工 具。一般说来，人工合成的模拟酶与天然酶的催化效 率相差较大，且反应类型大都为水解反应。
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人们从酶与底物过渡态中间物是酶催化过程中的关 键一步得到启发，结合到抗原引起生物体内抗体的合成， 以及抗原和抗体的紧密结合，设想考虑利用抗原抗体相 互作用原理来模拟酶的催化作用。人们设想以一些底物 过渡态中间物的类似物作半抗原，诱导合成与其结构互 补的相应抗体，试图得到能够催化上述物质进行活性反 应的酶。1986年这种努力在实验室里获得了成功，为人 工合成酶和模拟酶，开创了一条崭新的途径。人们将这 种具有催化活性的抗体称为抗体酶)，又称催化抗体。