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第一章讲义酶学与酶工程


(二)国际系统命名
➢ 基本原则:明确标明酶的底物及催化反应的性质(底物为 水时可略去不写)。
➢ 举例:
谷丙转氨酶的系统名 称 : 丙 氨 酸 :- 酮 戊 二酸 氨基转移酶
丙氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶
(三)国际系统分类法及编号(EC编号)
(1)按反应性质分六大类,用1、2、3、4、5、 6表示:氧、转、水、裂、异、合;
1、 酸碱催化
➢ 酶分子的一些功能基团起瞬时质子供体或质子受体的作用。 分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。
➢ 狭义的酸碱催化剂即是H+与OH-
广义的酸碱是指能供给质子(H+)与接受质子的物质。可作为 广义酸碱的功能基团:氨基、羧基、巯基、酚羟基、咪唑基。
➢影响酸碱催化反应速度的两个因素:
⑴酸或碱的强度。组氨酸咪唑基的解离常数 为6,在pH6附近(中性溶液)有一半以质 子供体(酸)形式存在,另一半以质子受 体(碱)形式存在。
当然酶工程的研究不是孤立的,而是与各个 学科相互关联、相互渗透、相互促进的。
(3)酶工程的内容
酶工程主要指酶制剂在工业上的大规模应用 及其相应的研究,由以下部分组成: ① 酶的生产; ② 酶的分离纯化; ③ 酶的固定化; ④ 酶分子的改造和修饰 ⑤ 酶抑制剂的研究 ⑥ 生物反应器。
化学酶工程和生物酶工程
萨姆纳,J.B. 美国生物化学家 1946年诺贝尔化学奖
1958年,Koshland提出了“诱导契合”理 论,以解释酶的催化理论和专一性。
1965年Phillips首次用X射线晶体衍射技术 阐明了鸡蛋清溶菌酶的三维结构。
80年代初Cech和Altman分别发现了核酶 (ribozyme), 开辟了酶学研究的新领域, 1989年共同获得诺贝尔化学奖。
我国酶制剂工业诞生于1965年。现有100多 家生产厂,最大的是无锡酶制剂厂。万吨以 上企业有10家。品种有20多种,应用在食品、 饲料、制革、洗涤剂、纺织、酿造、造纸、 医药等许多行业。
使用的酶制剂类型:
一类是水解酶类
淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶、 果胶酶、乳糖酶等,占有市场销售额的 75%以上。
➢ 1:氧化还原酶 2:转移酶 ➢ 4:裂合酶 5:异构酶
3:水解酶 6:合成酶 (连接酶)
(2)根据底物中被作用的基团或键的特点, 将每一大类分为若干个亚类,编号用1、 2、3等;
(3)每个亚类又可分为若干个亚一亚类, 用编号1、2、3表示。
➢ 酶的编号由4个数字组成,中间以“·”隔开。 第一个数字表示大类,第二个数字表示亚类, 第三个表示亚-亚类,第四个数字表示在亚-亚 类中的编号。
(1) 酶有其原来的形状,不一定一开始就是底物的 模板。
(2) 底物能诱导酶蛋白分子形状发生一定的变化。 (3) 酶分子发生变化后就能与底物互补楔合。 (4) 在酶反应过程中,活性中心构象的变化是可逆

诱导契合学说认为:
酶的活性部位在结构上是柔性的而非刚性的 也就是说不固定的,即具可逆性和弹性。
(二)酶的作用机制
1917年,法国人用枯草杆菌产生的淀粉酶作纺织工业 上的退浆剂。
1949年,日本采用深层培养法生产α-淀粉酶获得成 功,使酶制剂生产应用进入工业化阶段。
1959年, 葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡萄糖新工艺 研究成功, 大大地促进了酶在工业上应用的前景。
1953年,德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树 脂重氮化,然后将淀粉酶等与这种载体结 合,制成了固定化淀粉酶。
⑵给出质子或结合质子的速度。其中,咪唑 基给出质子和结合质子的速度十分迅速, 是酶的催化反应中最有效、最活泼的一个 功能基团。
2、共价催化
➢ 酶的某些亲核基团,能迅速与底物形成共价中 间复合物,降低反应的活化能,使反应加速。
➢ 酶亲核基团:Ser-OH,Cys-SH,His-咪唑基 等 底物亲电中心:磷酰基(-P=O),酰基(C=O),糖基(Glc-C-)
(一)酶的化学本质
酶除了少数有催化活性的RNA分子外, 几乎所有的酶都是蛋白质。具有蛋白质 典型性质。同时具有自身的特性。
(二) 酶的化学组成
➢ 单纯酶类(simple enzyme):仅由蛋白质组成,不含其 它物质,如脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核 酸酶等。
➢ 缀合酶类(conjugated enzyme):全酶=脱辅酶+辅因 子,二者存在酶才有催化作用;如超氧化物歧化酶 (Cu2+、Zn2+)、乳酸脱氢酶(NAD+)
酶结合底物分子,形成酶-底物复合物。 酶活性部位的活性残基与底物分子结合, 转变为过渡态,然后生成产物,释放到溶液 中。游离的酶与另一分子底物结合后,开 始它的又一次循环。
(一)两种模型
1 、 锁 和 钥 匙 模 型 ( lock-and-key model) 1894年Emil Fischer
德国科学家。师从凯库勒。 他发现了苯肼,对糖类、 嘌呤类有机化合物的研究 取得了突出的成就,因而 荣获1902年的诺贝尔化学 奖。
酶分子中 促使底物发生化 学变化的部位称 为催化部位。
酶的活性中心的概念
通常将酶的结合部位和催化部位总 称为酶的活性部位或活性中心。 ✓ 结合部位决定酶的专一性, ✓ 催化部位决定酶所催化反应的性质。
➢ 酶的活性中心包括底物结合部位(决 定酶的专一性)、催化部位(直接参 与催化反应,形成产物)
酶的作用机制
认为整个酶分子的天然构象是具
有刚性结构的,酶表面具有特定的 形状。酶与底物的结合如同一把钥 匙对应一把锁一样。
2、诱导契合模型(induced-fit model) 1958年由Koshland 提出。
认为酶表面并没有一种与底物互 补的固定形状,而只是由于底物的 诱导才形成了互补形状。
随后的X衍射分析实验结果支持这一假说, 比较满 意地说明了酶的专一性。
1.有四级空间结构形式,寡聚酶必须具有 正确的四级结构才有活性。
2、具有活性的酶都是球蛋白,即被广泛折 叠、结构紧密的多肽链,其氨基酸亲水基 团在外表,而疏水基团向内。
三、酶的作用机制
(一)结合部位 Binding site
酶分子中与底物结合的部位或区域一般 称为结合部位。
(二)催化部位 catalytic site
切赫T.R.Cech(1947-) 奥尔特曼S.Altman(1939-)
1986年Schultz与Lerner等人研制成功抗体 酶(abzyme),这一研究成果对酶学研究具 有重要的理论意义和广泛的应用前景。
它集生物学、免疫学、化学于一身,采用 单克隆、多克隆、基因工程、蛋白质工 程等高新技术,开创了催化剂研究和生 产的崭新领域。
化学酶工程指自然酶、化学修饰酶、固定化 酶及化学人工酶的研究和应用
生物酶工程是酶学和以基因重组技术为主的 现代分子生物学技术相结合的产物,主要包括 3个方面:
① 用基因工程技术大量生产酶(克隆酶) ② 修饰酶基因产生遗传修饰酶(突变酶) ③ 设计新的酶基因合成自然界没有的新酶
全世界著名的酶制剂企业有: 丹麦Novozymes公司、美国杰能科国际公司 (Genencor)。
1971年,第一次国际酶工程学术会议在美国 召开,会议的主题就是固定化酶的研制和 应用。
20世纪70年代大规模开展了固定化细胞、辅 酶共固定、增殖细胞固定、动植物细胞固定等 研究。建立多种类型的酶反应器, 酶工程蓬勃 发展。 近20年来,酶分子修饰技术、酶的化学合成以 及酶的人工合成等方面的研究,也在积极地开 展中,从而使酶工程更加显示出广阔而诱人的 前景。
3、邻近效应及定向效应
邻近效应
底物的反应基团与酶的催化基团越靠近, 其反应速度越快。
定向效应
催化基团与底物的反应基团之间的正确 取位,从而提高酶催化反应速度的效应。
4、变形或张力
当特异底物与酶结合时,酶蛋白发生一定构象变 化,与底物发生诱导契合。酶使底物分子中的敏感 键发生变形或张力。
底物形变,利于形成ES复 合物。进一步转换成过渡 态结构,大大降低活化能。
乙醇脱氢酶 EC1.1.1.1 , 第一个数字表示大类: 氧化还原酶类 第二个数字表示反应基团:醇基 第三个数字表示电子受体:NAD+ 第四个数字表示此酶底物:乙醇。
前面三个编号表明这个酶的特性:反应性质、底物性 质(键的类型)及电子或基团的受体,第四个编号用 于区分不同的底物。
二、酶的组成和结构特点
是酶学和工程学相互渗透结合、发展而成的 一门新的技术科学 。
是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有 机结合而产生的边缘科学技术。
(2)酶工程的历史
1894年,日本科学家首次从米曲霉中提炼出淀粉酶, 治疗消化不良,开创人类有目的地生产和应用酶 制剂的先例。
1908年,德国科学家罗门等利用胰酶 (胰蛋白酶、胰 淀粉酶和胰脂肪酶的混合物),用于皮革的鞣制。
➢ 如乳酸脱氢酶等。
3. 多酶复合体
➢ 由几个酶靠非共价键结合而成,其中每一个 酶催化一个反应,所有反应依次进行,构成 一个代谢途径或代谢途径的一部分。
➢ 大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成:
①丙酮酸脱氢酶(E1) ②二氢硫辛酸转乙酰基酶(E2) ③二氢硫辛酸脱氢酶(E3)
(二)酶的结构特点
第一章酶学与酶工程
精品jin
第一节 酶工程概述
1、酶学发展历史
新陈代谢是生命活动的基础,是生命活动 最重要的特征。
约公元前21世纪夏禹时代,人们就会酿酒。 公元前12世纪周代已能制作饴糖和用豆类做 酱。
1810年Jaseph Gaylussac发现酵母可将糖转 化为酒精 。
1833年Payen和Persoz从麦芽得到淀粉酶制 剂(diastase),其意思是“分离” 。首先发 现了酶。
Boyer和walker阐明了ATP合酶(ATP synthase)合成与分解ATP的分子机制,于 1997年获得诺贝尔化学奖。
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