现代酶工程1.pptx
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1、第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪绪 论论第一节第一节 酶的基本概念酶的基本概念第二节第二节 酶工程发展概况酶工程发展概况第三节第三节 酶的生产方法和应用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一、人们对酶的认识和酶的 生物学意义生物学意义 二、二、酶的催化特性酶的催化特性 三、三、酶的分类与命名酶的分类与命名 四、四、酶活力的测定酶活力的测定一、人类对酶的认识及其生物学意义一、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中国 我们的祖先在几千年以前就已经开始利用酶:夏禹时代,人们就会酿酒;夏禹时代,人们就会酿酒;“
2、周礼周礼”上也已有造酱、制饴的记载;上也已有造酱、制饴的记载;春秋战国时期,已采用曲治疗消化春秋战国时期,已采用曲治疗消化 不良等疾病的案例。不良等疾病的案例。当然,在那个时代,我们祖先对酶还是缺乏认识。西方 随着人们对酿酒发酵过程研究随着人们对酿酒发酵过程研究的深入,从的深入,从1919世纪起对酶的认识也世纪起对酶的认识也逐渐深入。逐渐深入。1810年Jaseph-Lussac发现:酵母可将糖转化为酒精酶的现代史可以追溯到酶的现代史可以追溯到18331833年年18331833年年,佩恩佩恩(Payen)Payen)和帕索兹和帕索兹(Persoz)Persoz)首先发现酶;首先发现酶;183
3、3年年,他们在他们在Annales de Chemie et de Physique期刊发表文章期刊发表文章 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。和麦芽一样,该产物将糊化淀粉转变成糖,主要是麦芽糖。18351835年瑞典的年瑞典的J Jns Jacob Berzeliusns Jacob Berzelius 首次证明了用麦芽提取物可以比首次证明了用麦芽提取物可以比硫酸更有效地降解淀粉,并将这一过硫酸更有效地降解淀粉,并将这一过程称为催化。程称为催化。1836年德国生理学家年德国生理学
4、家Theodor Schwann 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在对酶的认识上还存在着一段长达着一段长达6060年关于酵母年关于酵母的争论的争论1839年,德国化学家年,德国化学家Jutus von Liebig建立了一个模型来阐述酵母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混合液中的酵母看作一个能产生震荡的分解物质:荡的分解物质:蔗糖原子经过重排,蔗糖原子经过重排,变为酒精和二氧化碳。变为酒精和二氧化碳。Liebig首次认为发
5、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可催化发酵的无细胞酶制品。而到而到1858年,法国化学及生年,法国化学及生物学家物学家Louis Pasteur用一系列用一系列文章证明发酵仅在活体细胞状文章证明发酵仅在活体细胞状态下才会发生态下才会发生即是与生命相关的现象即是与生命相关的现象Louis Pasteur视视其为一种生理活动。其为一种生理活动。对酵母在发酵过程中作用机理对酵母在发酵过程中作用机理的分歧,引发了的分歧,引发了Liebig和和Pa
6、steur之间的激烈争论。之间的激烈争论。直到直到Liebig和和Pasteur先后于先后于1873年和年和1895年去世,争论仍未年去世,争论仍未结束。结束。1897年,德国化学家年,德国化学家Eduard Bchner 和和 Hans Bchner(常称(常称Bchner 兄弟)兄弟)发现一种离体酵母提发现一种离体酵母提取物可以使酒精发酵,即酵母细胞产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。生一种酶,这种酶引起发酵。证明离体酵母提取物可以证明离体酵母提取物可以象活体酵母细胞一样将葡萄糖象活体酵母细胞一样将葡萄糖转变为酒精和二氧化碳。换句转变为酒精和二氧化碳。换句话说,这一
7、转变并不依赖于酵话说,这一转变并不依赖于酵母细胞,而是依赖于无生命的母细胞,而是依赖于无生命的酶。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 和研究促进了各种与生命活动过 程有关的酶系统的深入研 究至此,至此,LiebigLiebig和和PasteurPasteur之间的争之间的争论就最终得到解决。论就最终得到解决。B Bchnerchner兄弟也由此奠定了现代生兄弟也由此奠定了现代生物化学的基石。物化学的基石。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
8、 1876年,年,William Kuhne提议用提议用新的术语新的术语-酶(酶(enzyme)来表示未统)来表示未统一名称的已知的各种酵素。如从活体一名称的已知的各种酵素。如从活体组织中提取的酵素等。组织中提取的酵素等。enzyme本身的意思是本身的意思是“在酵母中在酵母中”,起源于希腊语,其中,起源于希腊语,其中en表示表示“在在之内之内,zyme-表示酵母或酵素表示酵母或酵素 此外还有一些划时代的事件:此外还有一些划时代的事件:1913年,年,Leonor Michaelis和和Maud Menten提出了描述酶反应速提出了描述酶反应速率和底物浓度之间关系的动力学模率和底物浓度之间关系的
9、动力学模型;型;1926年,年,Sumner第一次从刀豆中第一次从刀豆中提出脲酶结晶,并证明酶具有蛋白提出脲酶结晶,并证明酶具有蛋白质性质;质性质;1930年,年,Northrop分离出分离出结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及结晶的胃蛋白酶、胰蛋白酶及凝乳蛋白酶,并进行了动力学凝乳蛋白酶,并进行了动力学探讨,确立了酶的蛋白质本质。探讨,确立了酶的蛋白质本质。1982年,年,Thomas R.Cech等发现核糖核酸等发现核糖核酸(RNA)也也具有催化活性。具有催化活性。酶的生物学意义和应用从微生物从微生物到植物再到植物再到人,酶到人,酶是所有有是所有有机体体内机体体内的组成成的组成成分。分。1 1 酶无
10、所不在酶无所不在!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,它们剪切、拼 接营养物质等。!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。生命活动生命活动生化反应生化反应在酶的催在酶的催化作用下化作用下生物体内,组成生命活动的大量生物体内,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保证了正常代谢途径的畅
11、通而不发生副反应,几乎所有生物的生理发生副反应,几乎所有生物的生理现象都与酶的作用紧密相关现象都与酶的作用紧密相关酶是一类酶是一类生物催化生物催化剂,其化剂,其化学本质为学本质为蛋白质蛋白质可以这样说,可以这样说,没有酶的存在没有酶的存在,就没有生物,就没有生物体的一切生命体的一切生命活动活动食物从口腔到肠道的食物从口腔到肠道的过程中,不同的酶作过程中,不同的酶作用于食物的不同成分用于食物的不同成分,将其分解。,将其分解。没有酶,即使你用金卡,在最好的没有酶,即使你用金卡,在最好的饭店中用餐,也会饥饿而死。饭店中用餐,也会饥饿而死。2 2 酶可分解食物酶可分解食物3 3 酶是生物体自身的工程师
12、酶是生物体自身的工程师 酶能将生物物质切割为小的碎片,再将其重新连接起来。这样酶在我们的身体内分解或合成所有生命必需的物质。4 4 每一种酶都有其特定的功能每一种酶都有其特定的功能 酶的一个很独特的酶的一个很独特的性质是,每种酶只催化性质是,每种酶只催化一种反应或者其逆反应。一种反应或者其逆反应。底物与酶象钥匙与底物与酶象钥匙与锁一样配套。只有当酶锁一样配套。只有当酶找到其合适的底物时,找到其合适的底物时,生化反应才会发生。生化反应才会发生。5 5 酶可以被完全生物降解酶可以被完全生物降解使用化学制剂会对环境产生使用化学制剂会对环境产生危害;而酶可以更经济地完危害;而酶可以更经济地完成同样的工
13、作,却对环境无成同样的工作,却对环境无害。自然界有很多微生物可害。自然界有很多微生物可以轻易地将酶分解为单个的以轻易地将酶分解为单个的氨基酸,这些氨基酸又可以氨基酸,这些氨基酸又可以用于周围生物体的生长。为用于周围生物体的生长。为解决工业污染问题提供了最解决工业污染问题提供了最佳方案。佳方案。6 6 酶是工业问题的自然解决方案酶是工业问题的自然解决方案化学制剂用于纺织业化学制剂用于纺织业生产。如果改用酶,生产。如果改用酶,就没有化学制剂所带就没有化学制剂所带来的危险,而且生产来的危险,而且生产过程中产生的污水更过程中产生的污水更少。少。6 6 日常生活离不开酶日常生活离不开酶在洗涤剂、纺织、食
14、品和饲料工业等许多行业中,酶已经使用了50多年。在这些工业中,酶取代了化学制剂,节约了水、原材料和能源。人类对酶的化学本质的认识 历史上对酶的化学本质的认识也经历了一个曲折的过程 自从人类对酶的催化作用有了认识以后,一直到上世纪初,对酶的化学本质认识都存在争议,主要是酶的化学本质是什么没有一个统一的认识。上世纪20年代初,著名学者Richard Willstatter认为酶是非蛋白质,并开展大量的研究试图证明他的观点Willstatter的实验 Willstatter将过氧化物酶纯化了12000倍后,酶的活性很高,但却检测不到蛋白质Willstatter的结论 Willstatter错误地认为
15、酶是由活动中心与胶质载体组成,活动中心决定酶的催化能力及专一性,胶质载体的作用在于保护活动中心,蛋白质只是保护胶质载体的物质 以此来解释酶纯度越高越不稳定的实验事实。观点错误的原因 由于当时蛋白质的检测水平的限制而产生后果:后果:但由于Willstatter的权威地位,使这一观点在当时较为流行19261926年年SumnerSumner第一个通过第一个通过分离和结晶得到了脲酶分离和结晶得到了脲酶 提出了酶是由蛋白质组成提出了酶是由蛋白质组成的观点的观点直到直到NorthropNorthrop和和KunitzKunitz得到了胃得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白 酶
16、的结晶,并用相关的实验方法酶的结晶,并用相关的实验方法 证实酶是一种蛋白质证实酶是一种蛋白质此后,酶的蛋白质属性才普遍被人此后,酶的蛋白质属性才普遍被人们接受。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值得指出的是,近年来,核酶、抗体酶、模拟酶或人工酶的发现,对酶的化学本质的传统概念提出了挑战酶的定义:酶的定义:酶是由活细胞产生的,在细胞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的具有高效率和高度专一性的一类特殊蛋白质,特殊蛋白质,酶能在机体内十分温和的条件下高效
17、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。一个氨基酸残基的-羧基与另一氨基酸残基的-氨基之间的酰胺键不分枝的一条或多条多肽链组成蛋白质酶(酶的化学本质)酶的化学本质酶1 蛋白质(单一)2蛋白质+其他辅助因子辅酶酶的两种形式酶的两种形式酶的组成酶的组成一一.酶的化学组成酶的化学组成 1.1.单成分酶(单纯蛋白质单成分酶(单纯蛋白质/简单蛋白质)简单蛋白质)2.2.双成分酶(结合蛋白质)双成分酶(结合蛋白质)(1)蛋白质部分(酶蛋白)稳定辅因子 (2)非蛋白质部分(辅因子)起催化作用 小分子有机化合物 金属离子 全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+辅因子辅因子辅基辅基/辅酶和维生素辅酶和维生
18、素1.维生素的概念维生素的概念 脂溶性维生素:A(视黄醇)D E(生育酚)K维生素 硫辛酸(氧化型)水溶性维生素:Vc(抗坏血酸)VB:B1(硫胺素)B2(核黄素)B3(泛酸)B5(PP)B12(钴胺素)B6(吡哆醇/醛/胺)B7(生物素)硫辛酸(还原型)2.2.辅基辅酶在酶促反应中的作用辅基辅酶在酶促反应中的作用传递电子、原子或某些基团传递氢的辅基传递氢的辅基/辅酶辅酶 1.辅酶辅酶I/辅酶辅酶II及维生素及维生素PP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD/CoI)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP/CoII)NAD+(NADP+)NAD(P)H+H+
19、2H+,2e-2H+,2e2.黄素核苷酸和维生素黄素核苷酸和维生素B2(1)黄素单核苷酸(黄素单核苷酸(FMN)(2)黄素腺嘌呤二核苷酸(黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)FMN(FAD)FMNH2(FADH2)3.维生素维生素C(抗坏血酸)(抗坏血酸)4.泛醌(辅酶泛醌(辅酶Q)5.谷胱甘肽谷胱甘肽 2GSH GSSG +2H+,+2e-2H+,-2e-2H+2H+2H+2H二二.传递电子的辅基传递电子的辅基铁卟啉铁卟啉 Fe 3+Fe 2+三三.转移基团的辅基转移基团的辅基/辅酶辅酶1.传递磷酸根的辅酶传递磷酸根的辅酶腺苷磷酸酯腺苷磷酸酯 (ATP/ADP/AMP)转移磷酰基转移磷酰基 ATP+
20、S ADP +P-S 转移糖基转移糖基 ATP+糖糖-P ADP-糖糖+PPi 转移转移AMP ATP+FMN FAD+PPi 转移腺苷转移腺苷 ATP+Met+H2O 腺苷腺苷-Met +PPi +Pi 能量的载体能量的载体 ATP+H2O ADP+Pi+e-e三三.转移基团的辅基转移基团的辅基/辅酶辅酶2.脱羧的辅酶硫胺素焦磷酸(TPP)硫胺素+ATP TPP+AMP3.转移酰基的辅酶(1)辅酶A和泛酸 CoA-SH +RCOOH CoA-S-COR+H2O CoA-S-COR+底物 底物-COR+CoA-SH(2)硫辛酸和VB1 mg硫胺素激酶4.转移氨基的辅酶和VB6 磷酸吡哆醛(PL
21、P)/磷酸吡哆胺(PMP)AA 酮酸 PCHO PCH2NH2 5.固定CO2的辅酶生物素(VB7、VH)6.转移一碳基团的辅酶 (1)四氢叶酸(FH4)(2)钴铵素(VB12)酮酸AA酶活性中心示意图酶活性中心示意图酶酶的的活活性性中中心心酶分子中的酶分子中的氨基酸残基氨基酸残基辅酶或辅助因子辅酶或辅助因子或它们的部分或它们的部分结构结构酶的活性中心构成酶的活性中心构成酶的结构酶的结构二级结构二级结构三级结构三级结构一级结构一级结构四级结构四级结构酶的结构酶的结构酶的一级、二级、三级和四级结构示意图酶的空间结构四级结构三级结构二级结构酶的空间结构酶的一级结构酶分子中氨基酸酶分子中氨基酸的排列
22、顺序。的排列顺序。酶的化学酶的化学结构结构酶的一级结构酶的一级结构酶的二级结构多肽链主多肽链主链原子的链原子的局部空间局部空间排列排列酶的酶的二级二级结构结构没有考虑到它的侧链的构象没有考虑到它的侧链的构象或与其它部分的相互关系或与其它部分的相互关系螺旋结构-折叠酶蛋白的-螺旋结构酶蛋白的折叠结构由-螺旋、折叠和随机结构构成的溶菌酶的空间结构酶的三级结构指单一的多肽链或共价连接的多肽链中,所有原子在空间上的排列酶的三级结构在二极结构的基础上,肽链通过进一步转曲折叠而成酶的四级结构各亚基在寡聚酶中的空间排布及其相互作用不考虑亚基的内部几何形状酶的四级结构酶的四级结构亚基组成酶蛋白四级结构的最小单
23、位每个亚基的三维结构仍被看成是它的三级结构疏水键疏水键离子键维持酶蛋白四级结维持酶蛋白四级结构的主要作用力构的主要作用力单体酶酶的存在类别寡聚酶多酶融合体多酶复合体单体酶一条肽链组成单体酶分子量通分子量通常在常在35 kDa35 kDa以下以下不含四不含四级结构级结构单体酶的单体酶的种类很少,种类很少,一般多是一般多是催化水解催化水解反应的酶,反应的酶,绝大多数绝大多数单体酶只单体酶只表现一种表现一种酶活性酶活性寡聚酶两个或两个以上亚基组成寡聚酶分子量一般分子量一般高于高于30 kDa30 kDa含四含四级结构级结构相当数量的相当数量的寡聚酶是调寡聚酶是调节酶,其活节酶,其活性可受各种性可受各
24、种形式的灵活形式的灵活调节,在调调节,在调节控制代谢节控制代谢过程中起着过程中起着非常重要的非常重要的作用作用构成寡聚酶的亚基可以是相同的,也可以是不构成寡聚酶的亚基可以是相同的,也可以是不同的,亚基与亚基之间一般是以非共价键、对同的,亚基与亚基之间一般是以非共价键、对称的形式排列称的形式排列寡聚酶多酶复合体两个或两个以上的酶多酶复合体靠共价键连接一个酶催化一个反应,所有反应依次连接,构成一个代谢途径或代谢途径的一部分,由于这一连串反应是在一高度有序的多酶复合体内完成,反应效率非常高多酶复合体酶2酶3酶1酶4酶6酶5二、酶的生物催化特性二、酶的生物催化特性与生物膜结合与生物膜结合 一种结构更高
25、的多酶复合体,酶整齐的排列在生物膜上。催化效率最高。(如呼吸链)酶1酶2酶4酶5酶3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加快反应速度加快反应速度降低反应降低反应的活化能的活化能不改变不改变反应性质反应性质反应前后其数反应前后其数量和性质不变量和性质不变催化效率高专一性强反应条件温和酶的催化活性受到调节和控制共性特性酶催化作用的特点极高的催化效率2H2O2 2H2O+O2Fe2+作为催化剂催化效率为610-4 mol/(mol.s)过氧化氢酶,催化效率为6106 mol/(mol.s)过氧化氢酶比Fe2+的催化效率要高出1010倍酶的催化效率相对其他无机或
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