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酶工程 第1章 绪论
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4.2 酶工程的发展趋势
从新生物资源中，特别是极端环境中 或宏基因组挖掘新酶 通过定向进化、理性设计、分子重排 等手段对已有酶进行改性，提高酶的 催化活性、稳定性等，或改变酶的催 化作用
酶工程 第1章 绪论
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酵素
酵素是否真有那么多神奇的功效！？ 视频链接： /us/267246343/825 47919.shtml
酶基因的异源表达
酶的改造及分子修饰 核酶、抗体酶、模拟酶及分子印迹酶的开发和应用 手性化合物的不对称合成及酶法拆分 非水相催化
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2.4 现代酶工程
a.酶的开发
• 开发工程酶 • 利用极端微生物发掘新酶 • 拓展酶反应的新介质
b. 酶和细胞的固定化
高效性：酶促反应速率比非酶促反应高 108~1020倍，比化学催化剂高106~1013倍。
高度专一性：酶对底物有严格选择性
酶易失活，需要温和的反应条件
酶的活性可以被调节和控制
酶催化常需要辅助因子
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1.3 酶催化作用的特点
二、酶的特性
酶的分布广泛，存在于所有的细胞和组织中， 相对隔离，各自发挥作用。
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酶工程 第1章 绪论
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1.3 酶催化作用的特点
一、酶与化学催化剂的共性
能降低反应活化能 只催化本来就能进行的反应，即热力学允许的 反应 能缩短反应时间，但不改变反应平衡
反应前后本身质量不变
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酶工程 第1章 绪论
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1.3 酶催化作用的特点
二、酶的特性
•新载体或无载体固定化 • 定向固定化 • 共固定化
c.新型酶反应器
• 膜式、鼓泡柱式反应器等 • 酶电极 • 生物传感器和生物芯片
现代 酶工程
d. 酶的应用
• 环境监测与治理污染物 • 手性药物研发 • 开发生物质能源
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第三节 酶的应用
3.1 酶在医药方面的应用
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Eduard Buchner 德国化学 家，由于发现无细胞发酵 1907 年获诺贝尔化学奖， 被誉为“农民出身的天才化 学家”。 发明了布氏漏斗。 1917年8月13日由于受战伤 逝于慕尼黑。
生物化学 第6章 生物氧化
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1.2 酶学研究简史
三、酶化学本质的确立
1926年，美国学者Summer从刀豆中提取得到 脲酶结晶，并证实这种结晶催化尿素水解产生 二氧化碳和氨，提出酶的本质是蛋白质。获得 1947年诺贝尔化学奖。 1930年，美国生物化学家Northrop分离得到胃 蛋白酶，胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶，证实 这些结晶是蛋白质。
第三阶段： 20世纪50年代至70年代，固定化技术的应用 1953年，固定化淀粉酶
1969年，固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸
20世纪70年代，固定化葡萄糖异构酶生产高果
糖浆，年产1000万吨
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2.3 酶工程的研究简史
第四阶段： 20 世纪 80 年代至今，酶工程发展的第三次飞跃 1969年，固定化氨基酰化酶生产L-氨基酸
酶工程
第一章 绪论
主要内容
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3 4
酶及酶学研究简史
酶工程及其发展简史 酶的应用概述 酶工程研究的技术方法和发展趋势
第一节 酶及酶学的发展历程
1.1 酶的定义
酶的定义： 由活细胞产生的，具有催化功能的生
物活性物质。
问题
酶是一种什么物质？其化学本质究竟是什
么？
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酶工程 第1章 绪论
酶在生活细胞中产生，大部分酶在细胞内发挥
催化作用，叫做胞内酶。有些酶分泌到胞外发挥
作用，称为胞外酶。
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第二节 酶工程
2.1 酶工程的定义
酶工程
将酶或植物、动物、微生物细胞在一定的生物 反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借
助相应的工程手段将原料（底物）转化成产物，
3-氰基吡啶
腈水合酶
烟酰胺
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3.3 酶在轻工、化工中的应用
三、增强产品使用效果
洗涤剂中添加碱性蛋白酶、脂肪酶、果胶酶、纤维素酶 等，能显著增强洗涤效果。 牙膏、漱口水中添加酶，可利用酶的催化效果，增强洁 齿效果，减少牙垢，预防龋齿。 饲料中添加淀粉酶、蛋白酶、纤维素酶等可增加饲料的 可消化性，促进家畜、家禽的生长。 护肤品中加酶，能提高护肤效果。
一、通过酶活力进行疾病的诊断
酶 谷丙转氨酶 γ-谷氨酰转肽酶 醛缩酶 端粒酶 疾病与酶活力的变化 肝病、心肌梗塞等，酶活力提高 肝癌，酶活力升高 急性传染性肝炎，心肌梗塞，血清中酶活力提高 癌细胞中有端粒酶活性
山梨醇脱氢酶
磷酸葡糖变位酶
急性肝炎，活力显著提高
肝炎、癌症，活力提高
α-羟基丁酸脱氢酶 心肌梗塞、心肌炎，活力提高
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1.2 酶学研究简史
一、不自觉的应用阶段
早在 4000 多年前的夏禹时代，人们已经掌握酿 酒技术
约3000年前，古人利用麦曲和淀粉制造饴糖
公元前12世纪，出现了制酱技术
我国人民早在春秋战国时期就已经用曲治疗消
化不良。
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酶工程 第1章 绪论
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1.2 酶学研究简史
二、对消化和发酵现象的观察、研究 消化
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3.4 酶在能源方面的应用
制备燃料乙醇。 制备生物柴油。 制备生物燃料电池。 酶法制备氢气。
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3.5 酶在生物技术操作中的应用
除去细胞壁所用到的溶菌酶。 基因工程操作中用到的限制性内
切酶、DNA连接酶、DNA聚合酶、逆
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3.3 酶在轻工、化工中的应用
一、用酶进行原料处理
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3.3 酶在轻工、化工中的应用
二、酶催化生产轻工、化工产品
如利用腈水合酶生产聚丙烯酰胺
丙烯腈 + H2O
腈水合酶
聚丙烯酰胺
再如腈水解酶催化3-氰基吡啶水合，生成烟酰胺
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1.2 酶学研究简史
四、酶学理论研究
1890年，Fisher——锁钥学说 1902年，Henry——中间产物学说 1913年，Michaelis 和 Menten——米氏学说 1958年，Koshland——诱导契合学说
1960年，Jacob 和 Monod——操纵子学说
法国著名科学家雷默，认为消化是胃液作用的 化学过程，而不仅仅是物理过程。 1783年，Spallanzani 通过对山鹰消化的研究，
证明胃液中存在一些特殊活性成分发挥了消化
作用。
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1.2 酶学研究简史
发酵
1684年，比利时医生Helment提出，酵素是引起 酿酒过程中物质变化的因素。
2、生物酶工程（高级酶工程）
酶学与现代分子生物学相结合的产物
酶工程 第1章 绪论
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生物酶工程示意图
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2.3 酶工程的研究简史
第一阶段： 19世纪末20世纪初，天然酶的初步商业化
1894年，日本的高峰让吉用米曲霉制得淀粉酶，开创 了酶技术商业化的先例。 1908年，德国的Rohm用动物胰脏制得胰蛋白酶用于皮 革的软化和洗涤。 1908 年，法国的 Boidin 制备了细菌淀粉酶，用于纺织 品的退浆 1911 年， Wallerstein 从木瓜中获得了木瓜蛋白酶，用 于啤酒的澄清。
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酶工程 第1章 绪论
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3.1 酶在医药方面的应用
二、用酶测定物质量的变化诊断疾病
酶 测定物质 用途
测定血糖、尿糖，诊断糖尿病 测定血液，尿液中尿素的含量， 诊断肝脏、肾脏病变 测定脑髓也中谷氨酰胺的含量， 诊断肝硬化 葡萄糖氧化酶 葡萄糖 尿素酶 谷氨酰胺酶 尿素 谷氨酰胺
胆固醇氧化酶 胆固醇
DNA聚合酶 基因
测定胆固醇含量，诊断高血脂
通过基因扩增，基因测序，检验 癌基因
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酶工程 第1章 绪论
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3.1 酶在医药方面的应用
三、酶在疾病治疗方面的应用
酶 淀粉酶 尿激酶 L-天冬酰胺酶 凝血酶 用途 治疗食欲不振，消化不良 治疗心肌梗塞，结膜下出血，黄斑出血 治疗白血病 治疗各种出血病
右旋糖苷酶
溶纤酶 弹性蛋白酶
预防龋齿
溶血栓 治疗动脉硬化，降血脂
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酶工程 第1章 绪论
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3.1 酶在医药方面的应用
四、酶在药物制造方面的应用
酶 青霉素酰化酶 α-甘露糖苷酶 核苷磷酸化酶 酰基氨基酸水解酶 用途 制造半合成青霉素和头孢菌素 制造高效链霉素 生产阿拉伯糖腺嘌呤核苷 生产L-氨基酸
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三、酶化学本质的确立
1982年，Thomas Cech 等人四膜虫细胞的26S rRNA前体具有自我剪接功能，并将这种具有 催化活性的天然RNA称为核酶-Ribozyme。 核酶的发现突破了对酶认识上的局限，酶的化学 本质为蛋白质或核酸 酶分为两大类 蛋白酶（P酶）：由蛋白质构成 核算酶（R酶）：由核糖核酸构成