第三节 酶的生产方法和应用前景
一 酶的来源和生产
酶的来源
微生物
动物
酶
植物
早期酶的生产
分离
纯化
动植物
例1
粗品酶
例2
纯酶
木瓜
木瓜 蛋白酶
菠萝
菠萝 蛋白酶
动 植 物 原 料 的 特 点 和 不 足
生产周期长 来源有限 地理、气候 和季节影响 技术、经济 以及伦理
不能满 足要求
？
酶的化学合成
可行性？
氨基酸 酶 的 化 学 本 质
不分枝的一条或 多条多肽链组成
蛋白质
酶（酶的化学本质）
二、酶的生物催化特性
与一般的化学催化剂相 比较，酶既拥有一般催化剂 的共性，又有特性
酶催化作用的特点
特性
加快反应速度
催化效率高
降低反应 的活化能 不改变 反应性质
酶催 化作 用的 特点
共性
专一性强
反应条件温和
极高的催化效率
上世纪20年代初，著名 学者Richard Willstatter认为 酶是非蛋白质。
——1926年Sumner第一个通过 分离和结晶得到了脲酶
提出了酶是由蛋白质组成 的观点
——直到Northrop和Kunitz得到了胃 蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白 酶的结晶，并用相关的实验方法 证实酶是一种蛋白质
中国科学家 1964年
胰岛素
经济
化学合 成法
Gutte和 Merrilield 1969年
试剂
核糖 核酸酶
设备
微生物发酵法
商品酶的主要 生产方法
优点
①微生物种类繁多，制备出 的酶种类齐全，几乎所有的 酶都能从微生物中得到 ②微生物繁殖快、生产周期 短、培养简便，并可以通过 控制培养条件来提高酶的产量

至此，Liebig和Pasteur之间的争 论就最终得到解决。 Bü chner兄弟也由此奠定了现代生 物化学的基石。
点数击败对手！

从此时开始，人类对 具有生物催化的酶有了一 个较为清晰的认识

酶的生物学意义和应用
1 酶无所不在
从微生物 到植物再 到人，酶 是所有有 机体体内 的组成成 分。
酶对它所作用的底物有严格的选择性，一种酶只能 催化某一类，甚至是某一种物质起化学反应
底物专一性
酶的专一性
反应专一性
锁 钥 学 说
诱导契合学说
反应条件要耐高温、高压以及 耐强酸、强碱的反应器
常 压
三、酶活力的测定
酶活力，也就是酶活性，是指酶催化一定 化学反应的能力。
Pilot Biostat UD50
20世纪90年代， 随着基因工程的广泛介 入，一些原来只能由动 物或植物生产的酶，经 过酶基因重组，可以在 微生物上表达。由于在 发酵过程中很容易对微 生物进行控制，因此 “基因工程＋发酵工艺 ＋先进的发酵设备”可 以算是酶工业的第三次 飞跃。
霉菌
二 酶工程的应用
此后，酶的蛋白质属性才普遍被 人们接受。
迄今为止，所发现的酶已 经超过4000种，而这些酶都是 由生物体自然产生的具有催化 能力的是蛋白质
酶的定义：
酶是由活细胞产生的，在细胞内、 外一定条件下都能起催化作用的具 有高效率和高度专一性的一类特殊 蛋白质。酶能在机体内十分温和的 条件下高效率地起催化作用，使得 生物体内的各种物质处于不断的新 陈代谢中。
生物体内，组成生命活动的大量 生化反应都是在酶的催化作用 下得以有序而顺利地进行，进而 保证了正常代谢途径的畅通而不 发生副反应，几乎所有生物的生理 现象都与酶的作用紧密相关
生命活动
生化反应 酶是一类 生物催化 剂，其化 学本质为 蛋白质
可以这样说， 没有酶的存在 ，就没有生物 体的一切生命 活动
微生物
酶
③微生物具有较强的适应性和 应变能力，可以通过适应、诱 导、诱变以及基因工程等方法 培育出新的产酶高的菌株
微生物发酵法
高产 优良 菌株
培养 和 繁殖
代谢 和 积累
分离 和 纯化
酶制剂
酶的发酵生产技术

放线菌
1887年以后，Buchner 兄弟发现酶的细胞外 作用现象，从而导致 了酶的商品化生产。
酶分子改造与修饰
酶的结构与功能关系
模拟酶、合成酶以及酶分子的人工设计
三、酶和酶工程研究的重要意义

有助于阐明生命的本质和活动规律； 为催化剂设计，药物设计及疾病诊断治疗 提供依据和新思路；


运用酶技术生产有重要价值的产品；

运用酶技术改进生产工艺，提高产品质量
和产率，降低生产成本；

酶技术应用于疾病诊断治疗和环境保护等。
影响酶促反应速率的因素
温度：通常为25℃，30℃， 37℃
PH值：选择合适的PH缓冲系统控制PH值
底物的浓度：通常浓度与反应速率成正相关 性，但超过一定浓度就不具相关性了
2
1
1、酶活力测定方法
步骤： （1）配制底物溶液 （2）确定反应条件 （3）反应开始，记时间 （4）测定产物的生产量或底物的减少量
第八章 酶与酶工程
Enzyme And Enzyme Engineering
主要内容
第一节 酶的基本概念 第二节 酶工程发展概况 第三节 酶的生产方法和应用
第一节 酶的基本概念
一、人们对酶的认识和酶的 生物学意义 二、酶的催化特性 三、酶活力的测定
一、人类对酶的认识及其生物学意义
人们对酶的认识最早起源于酿酒、造酱、制 饴和治病等生产与生活实践
4 每一种酶都有其特定的功能
酶的一个很独特的 性质是，每种酶只催化 一种反应或者其逆反应。 底物与酶象钥匙与 锁一样配套。只有当酶 找到其合适的底物时， 生化反应才会发生。
5 酶是工业问题的自然解决方案
化学制剂用于纺织业 生产。如果改用酶， 就没有化学制剂所带 来的危险，而且生产 过程中产生的污水更 少。
酶学
工程学
酶工程是酶学与工程学相互 渗透、结合并发展而形成的 一门新的技术科学
酶工程
从应用的目的出发研究酶、 应用酶的特异性催化功能， 并通过工程化将相应的原 料转化为有用物质的技术
酶工程的定义
酶工程的内容
酶的大批量生产、应用
酶的分离纯化 新酶的开发和应用 遗传修饰酶的研究
酶工程
酶生产中基因工程 抗体酶、核酸酶的研究
！人、动物、植物以及细菌、真菌等 微生物的体内都有酶。 ！酶是自然界的工具，剪切，连接功 能（限制性内切酶） ！酶催化所有生物体必需的代谢活 动；比如，在胃内，酶将食物消化 为极小的颗粒，以易于转化为体内 的能量。
可以这样说，在生物有 机体内每当物质需要由一种 形式转化为另一种形式时， 酶都可以起催化作用促使反 应加速。
离体酵母提取物(发酵酶) 效果相同 活体酵母细胞
换句话说，这一转变并不依赖于酵母细胞， 而是依赖于无生命的酶。
Buecher兄弟结果的意义 ——从实验上说明了发酵与细 胞的活力无关 ——表明了酶能够以溶解的、 有活性的状态从破碎的细 胞中分离出来，
——推动了酶的分离以及对酶 的理化性质的进一步探讨 和研究
胃蛋白酶的发现
1836年德国生理学家 Theodor Schwann（施旺）
在研究消化过程时，分离出一种 在胃内消化蛋白的物质，将它命名为 胃蛋白酶。这是第一个从动物组织中 提取到的酶。
在对酶的认识上还存在 着一段长达60年关于酵母 的争论
1839年，德国化学家Jutus von Liebig建立了一个模型来阐述酵母 在发酵过程中的作用。他把在发酵 混合液中的酵母看作一个能产生震 荡的分解物质： 蔗糖原子经过重排， 变为酒精和二氧化碳。
对酵母在发酵过程中作用机理的 分歧，引发了Liebig和Pasteur之间 的激烈争论。
VS
直到Liebig和Pasteur先后于1873年 和1895年去世，争论仍未结束。
1897年，德国化学家 Eduard Bü chner 和 Hans Bü chner（常称Bü chner 兄弟） 发现一种离体酵母提取物可 以使酒精发酵，即酵母细胞 产生一种酶，这种酶引起发 酵。 分离
模糊的认识阶段 ——1810年Jaseph-Lussac发现： 酵母可将糖转化为酒精
C6H12O6（无氧条件）→2C2H5OH + 2CO2↑
酶工程

酶的现代史可以追溯到1833年
1833年,佩恩(Payen)和帕索兹 (Persoz)首先发现酶；
Payen
1833年,他们在Annales de Chemie et de Physique期刊发表文章
文章中,法国化学家Anselme Payen和 Jean-Franois Persoz描述了从大麦的麦芽 中分离淀粉酶多聚体的过程，并将之命 名为淀粉酶。该产物将糊化淀粉转变成 糖，主要是麦芽糖。
1835年瑞典的Jö ns Jacob Berzelius
首次证明了用麦芽提取物可以比 硫酸更有效地降解淀粉，并将这一过 程称为催化。
Liebig首次认为发酵现象是 由于酵母细胞中含有发酵酶，是 发酵酶催化糖发酵产生酒精。 但由于当时科学和技术的 限制，他未能从酵母细胞中制备 出可催化发酵的无细胞酶制品。


而到1858年，法国化学及生物学家Louis Pasteur发表一系列文章证明发酵仅在活体 细胞状态下才会发生—— 即是与生命相关的现象 Louis Pasteur视 其为一种生理活动。
第二节 酶工程发展概况
一、酶工程是生物工程的重要组成部分 二、酶工程的研究内容 三、酶和酶工程研究的重要意义 四、酶和酶工程研究进展
一、酶工程是生物技术的重要组成部分
酶工程与发酵工程、基因工程和细胞工程具有 密切的联系，相互依存，相互促进，构成完整的 生物工程。