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酶 工 程 孫 旸 robsuny @163.com QQ：271833985 光合作用怎樣進(jìn)行？ TCA循環(huán)中的酶 第一章 緒 論 第一節(jié) 酶的基本概念 一、酶的定義 二、酶的特點(diǎn) 三、酶學(xué)回顧 一、酶的定義 酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化活性的蛋白質(zhì)。 酶是生物催化劑。 酶是具有生物催化活性的生物大分子（蛋白質(zhì)或核酸）。 二、酶的特點(diǎn) 1.高效性 2.專一性 3.反應(yīng)條件溫和 4.易變性失活 5.活性可調(diào)節(jié) 1.高效性： 以分子比表示，酶的催化反應(yīng)的速度比非催化反應(yīng)高108—1020倍，比非酶催化劑高105—1013倍。 酶促反應(yīng)降低反應(yīng)活化能 2.專一性： 只能作用于某一類或某一種特定物質(zhì) 1）絕對(duì)專一性 2）相對(duì)專一性： 2.專一性：只能作用于某一類或某一種特定物質(zhì) 1）絕對(duì)專一性：一種酶只能催化一種底物進(jìn)行一種反應(yīng)，這種高度的專一性稱為絕對(duì)專一性。 當(dāng)酶作用的底物含有不對(duì)稱碳原子時(shí)，酶只能作用于異構(gòu)體的一種。這種絕對(duì)專一性稱為立體異構(gòu)專一性。 2)相對(duì)專一性： 一種酶能夠催化—類結(jié)構(gòu)相似的底物進(jìn)行某種相同類型的反應(yīng)，這種專一性稱為相對(duì)專一性。 相對(duì)專一性又可分為鍵專一性和基團(tuán)專一性。 鍵專一性的酶能夠作用于具有相同化學(xué)鍵的一類底物。 基團(tuán)專一性的酶則要求底物含有某一相同的基團(tuán)。 3.反應(yīng)條件溫和： 許多反應(yīng)如無酶催化須在高溫、高壓、極端的pH條件下才能進(jìn)行。 以酶為催化劑則可在常溫、常壓及中等的pH條件下進(jìn)行。 三、酶學(xué)的回顧：古代 最早酶的利用： 食品加工：面包，酒，醋及奶酪等。 埃及人很早就知道利用發(fā)酵技術(shù)來制造酒類。考古學(xué)者在史前2500年的埃及Theban法老王墳?zāi)箖?nèi)找到經(jīng)發(fā)酵的面包實(shí)體及酒和啤酒釀造的壁畫。 我國史料記載夏禹時(shí)代，人們掌握了釀酒技術(shù)。 商代，（BC 1300） “酒池肉林”， 釀醋出現(xiàn)的時(shí)間幾乎和釀酒同步 公元前12世紀(jì)周朝，制作飴糖和醬。 春秋戰(zhàn)國時(shí)期已知用曲治療消化不良的疾病。 ——古人們不知道酶的存在，但已廣泛的利用酶。 酶學(xué)的回顧：近代 酶的發(fā)現(xiàn)： 十八世紀(jì) 法國科學(xué)家雷莫爾 （Réaumur ） 布匝德（buzzard ）鳥 胃液對(duì)肉塊的消化 化學(xué)變化而非物理變化（如溶解） “溫和”的條件下實(shí)現(xiàn) 1878德國的庫尼（Kühne）定義Enzyme 原意為在酵母中。 1897年，德國巴克納（ Buchner ）證明發(fā)酵是酶作用的化學(xué)本質(zhì)，為此Buchner獲得了1911年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 1897年Bertrand由3種樹汁液中部分純化了漆酶。 至1913年米切利司（Michaclis）和漫騰（Menten）進(jìn)一步推進(jìn)了亨利（Henri）的工作，導(dǎo)出了米氏方程，奠定了酶動(dòng)力學(xué)的最早的基礎(chǔ)。 1926年美國的薩姆那Sumner從刀豆中得到脲酶結(jié)晶，首次提出酶的蛋白質(zhì)本質(zhì)，并為此獲得1947年諾貝爾獎(jiǎng)。 ◆ 酶是高分子膠體物質(zhì)、兩性電解質(zhì)，在電場 中如蛋白質(zhì)一樣泳動(dòng);◆ 導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的因素如溫度、pH、紫外線、表面活性劑、重金屬等往往也能使酶變性;◆ 酶能被蛋白酶水解而失活。  二十世紀(jì)酶學(xué)進(jìn)入快速發(fā)展。前半期，過渡態(tài)理論解釋了酶催化的物理化學(xué)機(jī)理（1948）。 50－60年代考師蘭德（Koshland ）提出了誘導(dǎo)契合模型。此時(shí)有關(guān)酶活性調(diào)節(jié)的理論也被提出。 1965年莫諾德（Monod ） 等人提出了別構(gòu)理論。與此同時(shí)，克力蘭德（Clealand ）發(fā)展了多底物多產(chǎn)物的酶動(dòng)力學(xué)原理和公式。 隨著X光晶體衍射，多維核磁共振（NMR ）技術(shù)的發(fā)展，很多酶的空間結(jié)構(gòu)被揭示。 至今用X光衍射和多維核磁共振（NMR ）研究酶的空間結(jié)構(gòu)已是常見的方法。 1957年，另一個(gè)重要進(jìn)展：桑格（Sanger）報(bào)道了胰島素的氨基酸系列，這是第一次闡明一個(gè)蛋白質(zhì)的氨基酸全系列。 1963年第一個(gè)酶（核糖核酸酶）的氨基酸系列被報(bào)道。從此，酶的結(jié)構(gòu)與功能和它的氨基酸系列全面掛鉤。 1969 日本固定化氨基�；�酶，第一次將固定化酶成功地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。——酶工程誕生 1970 美國的Smith 發(fā)現(xiàn)限制性內(nèi)切酶（1979年諾貝爾獎(jiǎng)） 1982 美國的切克（cech）發(fā)現(xiàn)四膜蟲的26s rRNA具有自我剪切能力，1986 核酶發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 酶學(xué)今日 現(xiàn)代酶學(xué)已成為現(xiàn)代生物學(xué)的重要組成部分。酶學(xué)和生物學(xué)的其它部分正在互相滲透日益融合。 對(duì)酶學(xué)的研究使我們?nèi)找媪私馍�命的本質(zhì)和奧妙。 通過對(duì)酶活性的調(diào)控和改造已在人類健康，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，環(huán)境保護(hù)等方面取得眾多應(yīng)用成果。 第二節(jié) 酶工程概況 酶工程的基本概念 國際酶制劑工業(yè)的現(xiàn)狀 我國的酶制劑工業(yè) 一、酶工程的基本概念 1. 定義 酶的生產(chǎn)和應(yīng)用的技術(shù)過程稱為酶工程。 二、國際酶制劑工業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 近年來，隨著酶工程研究的快速發(fā)展，酶工程產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也非常迅速，成為21世紀(jì)大有發(fā)展前途的新興產(chǎn)業(yè)之一。 1、產(chǎn)值： 全世界已發(fā)現(xiàn)的酶有6000多種 目前工業(yè)上生產(chǎn)的酶有60多種 真正達(dá)到工業(yè)規(guī)模的只有20多種 劑型和品種有60多個(gè) 2001年為16億美元 每年以7――8％的增長率發(fā)展 2008年銷售額達(dá)到30億美元 用于醫(yī)藥的酶產(chǎn)值超過10億美元 2、產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 就世界范圍而言，酶制劑總產(chǎn)量最大的是蛋白酶類，主要用于洗滌劑、制革和乳品工業(yè) 其次為淀粉酶類，主要用于食品釀造、淀粉加工、造紙、紡織等工業(yè) 其它酶類則包括藥用酶、試劑酶、工具酶等。 以酶法合成的主要產(chǎn)品 3、生產(chǎn)廠商 世界上酶生產(chǎn)廠商有70多家，其中較大的有25家。最大的8家酶制劑生產(chǎn)廠商是： （1）  Novo Nordisk （諾和諾德公司，丹麥） （2）  Gist Broccdes（荷蘭） （3）  Cultot （科特公司，芬蘭） （4）  Genencor International （杰能科公司，美國） （5）  Solvay （蘇爾威公司，比利時(shí)） （6）  Clr Hansen （漢森公司，丹麥） （7）  Rhone Ponlene （羅蘭，普朗克公司，法國） （8）  Quest （荷蘭） 生產(chǎn)廠商的合并重組 （1）  Novo Nordisk （諾和諾德公司，丹麥）+丹博母公司的酶工程部分 （2）  Genencor International （杰能科公司，美國）+Gist Broccdes（荷蘭）+Solvay （蘇爾威公司，比利時(shí)） （3）  Cultot （科特公司，芬蘭）+丹尼斯科 Clr Hansen （漢森公司，丹麥）  Rhone Ponlene （羅蘭，普朗克公司，法國）  Quest （荷蘭） 4、國際酶制劑工業(yè)發(fā)展趨勢 國外酶制劑公司的兼并，重組將繼續(xù)進(jìn)行 研究、開發(fā)投入加大，高新技術(shù)應(yīng)用廣 大力研制、開發(fā)新酶種和新用途 酶制劑的劑型趨向多樣化 趨勢判斷和需求分析 酶工程在精細(xì)化學(xué)品市場中呈現(xiàn)強(qiáng)勁的增長勢頭。 到2020年，通過酶工程和生物催化技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)化學(xué)工業(yè)的原料消耗、水資源消耗、能量消耗降低30%，污染物的排放和污染擴(kuò)散減少30%。 當(dāng)前酶工程研究熱點(diǎn) 新酶或已有酶的新功能的開發(fā) 根據(jù)已有底物開發(fā)新的酶反應(yīng) 利用突變或定向進(jìn)化技術(shù)改善生物催化劑性能 利用重組DNA技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)生物催化劑 利用有機(jī)溶劑開發(fā)新的反應(yīng)體系 體內(nèi)或體外合成的多酶體系 克服底物和產(chǎn)物抑制 精細(xì)化工品或醫(yī)藥合成技術(shù)的放大 酶和輔因子再生 生物催化劑的修飾 生物催化劑的固定化 三、我國的酶制劑工業(yè) 我國的酶制劑工業(yè)是在解放后逐漸發(fā)展起來的。早期是用動(dòng)植物組織提取胃蛋白酶、胰酶和麥芽淀粉酶等，規(guī)模小，產(chǎn)量亦少。 六十年代中期，我國開始研制第一個(gè)微生物酶制劑——BF-7658淀粉酶。1965年輕工部在無錫投資興建了全國第一家酶制劑廠——無錫酶制劑廠（現(xiàn)名是星達(dá)生物工程有限公司）標(biāo)志著我國酶制劑工業(yè)的起步。 1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 2、我國酶制劑生產(chǎn)的特點(diǎn) 3、中國酶制劑產(chǎn)業(yè)存在的問題 1、產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 我國酶制劑目前主要的產(chǎn)品是淀粉酶（其中大部分是糖化酶），其次是蛋白酶，其它酶的產(chǎn)量甚微。 酶名稱 占酶總產(chǎn)量的百分率 糖化酶 71.4％ 蛋白酶 14.3％ α-淀粉酶 13.4％ 其它 1％ 2、我國酶制劑生產(chǎn)的特點(diǎn) （1）部分酶制劑品種和質(zhì)量接近國際先進(jìn)水平 （2）生產(chǎn)企業(yè)逐步向規(guī)�；�和現(xiàn)代化發(fā)展 （3）產(chǎn)品價(jià)格具競爭力 （4）行業(yè)管理確保企業(yè)健康發(fā)展 （5）酶制劑的應(yīng)用促進(jìn)了食品工業(yè)的發(fā)展 3、中國酶制劑產(chǎn)業(yè)存在的問題 技術(shù)研究與開發(fā)滯后 行業(yè)和企業(yè)規(guī)模小而分散，市場調(diào)控能力弱 應(yīng)用結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，技術(shù)含量低，產(chǎn)品品級(jí)低 應(yīng)用的深度和廣度不夠 課程內(nèi)容 酶學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 微生物發(fā)酵產(chǎn)酶 酶的分離純化 酶分子修飾 固定化酶與固定化細(xì)胞 酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化作用 酶反應(yīng)器和酶傳感器 淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶、脂肪酶 國內(nèi)外酶的應(yīng)用現(xiàn)狀 參考教材 《酶工程原理與技術(shù)》 郭勇主編 高等教育出版社 2005年9月第一版 《酶工程》 郭勇主編 科學(xué)技術(shù)出版社 2004年8月第二版 《酶與酶工程》袁勤生 趙健 主編 華東理工大學(xué)出版社 《酶工程》 羅貴民 主編 化學(xué)工業(yè)出版社2002年5月 第一版 《酶和酶工程》 羅九甫 上海交通大學(xué)出版社 1996年11月 第一版sEd紅軟基地