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酶 工 程

酶 工 程. 孙旸 robsuny@163.com. 思考. 叶绿体的生理功能是什么？. 光合作用. 光能. C 6 H 12 O 6 +6 O 2 +6H 2 O. 6CO 2 +12H 2 O. 叶绿体. 光合作用怎样进行？. 2H 2 O. O 2. 2C 3. 光解. 酶. 固定. 4[H]. CO 2. 还原. 可见光. 吸收. 色素分子. 多种酶. C 5. ATP. 酶. 能. ADP+Pi. C 6 H 12 O 6 +H 2 O. 光反应. 暗反应. 光合作用的过程. 思考. 线粒体的生理功能是什么？.

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  1. 酶 工 程 孙旸 robsuny@163.com

  2. 思考 叶绿体的生理功能是什么？ 光合作用 光能 C6H12O6+6O2+6H2O 6CO2+12H2O 叶绿体

  3. 光合作用怎样进行？ 2H2O O2 2C3 光解 酶 固定 4[H] CO2 还原 可见光 吸收 色素分子 多种酶 C5 ATP 酶 能 ADP+Pi C6H12O6+H2O 光反应 暗反应 光合作用的过程

  4. 思考 线粒体的生理功能是什么？ 氧气 线粒体:C6H12O6+6H2O+O2 6CO2+12H2O+能量 酶 有氧呼吸

  5. TCA循环

  6. 三羧酸循环的过程 乙酰辅酶A 柠檬酸 苹果酸 草酰乙酸 异柠檬酸 延胡索酸 琥珀酰辅酶A 琥珀酸 a-酮戊二酸

  7. O COO- C-SCOA C=O CH2 CH2 HO-C-COO- COO- CH2 COO- 1 、乙酰COA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸(柠檬酸合酶) O C-CH3 柠檬酸合酶  + S-COA H2O COA COO- CH2 HO-C -COO- + HS-COA+H+ CH2 COO- 三羧酸

  8. COO- H2O H2O HO- CH CH-COO- CH2 COO- COO- COO- CH CH2 C-COO- HO-C-COO- 柠檬酸 异柠檬酸 顺乌头酸 CH2 CH2 COO- COO- 2、 柠檬酸异构化成异柠檬酸 （顺乌头酸酶）

  9. COOH COOH COOH NAD+ H+ CO2 CO HO- CH CO NADH+H+ CH-COOH CH-COOH CH2 Mg 2+ CH2 CH2 CH2 COOH COOH COOH 草酰琥珀酸 α-酮戊二酸 3 、 由异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸（异柠檬酸脱氢酶）

  10. COOH SCOA CO CO CH2 CH2 CH2 CH2 COOH COOH 4 、 α-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰COA （ α-酮戊二酸脱氢酶复合体） +COASH+NAD+ +NADH+H++CO2 • α-酮戊二酸脱氢酶E1 • 琥珀酰转移酶E2 • 二氢硫辛酸脱氢酶E3 TPP、COA、FAD、NAD+、Mg2+

  11. S COA GTP+HSCOA GDP+Pi CO COOH CH2 CH2 CH2 CH2 COOH COOH • 、琥珀酰COA转化成琥珀酸 • （琥珀酰COA 合成酶）

  12. 琥珀酸脱氢酶 COOH COOH +FADH2 +FAD HC CH2 CH CH2 COOH COOH 6 、 琥珀酸脱氢生成延胡索酸 (琥珀酸脱氢酶) 嵌入线粒体内膜

  13. COOH COOH CH HO-CH CH H-C-H COOH COOH 7 、 延胡索酸被水化生成苹果酸 （延胡索酸酶） 延胡索酸酶 +H2O

  14. 第一章 绪 论

  15. 第一节 酶的基本概念 • 一、酶的定义 • 二、酶的特点 • 三、酶学回顾

  16. 酶的定义 • 酶是活细胞产生的具有催化活性的蛋白质。 • 酶是生物催化剂。 • 酶是具有生物催化活性的生物大分子（蛋白质或核酸）。

  17. 酶的特点 • 1.高效性：以分子比表示，酶的催化反应的速度比非催化反应高108—1020倍，比非酶催化剂高105—1013倍。

  18. 2.专一性：只能作用于某一类或某一种特定物质。2.专一性：只能作用于某一类或某一种特定物质。 • 3.反应条件温和：许多反应如无酶催化须在高温、高压、极端的pH条件下才能进行，而以酶为催化剂则可在常温、常压及中等的pH条件下进行。

  19. 酶学的回顾：古代 • 最早酶的利用： • 食品加工：面包，酒，醋及奶酪等。 • 夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。 • 商代，BC 1300“酒池肉林”， • 酿醋出现的时间几乎和酿酒同步 • 公元前12世纪周朝，人们酿酒，制作饴糖和酱。 • 春秋战国时期已知用麴(曲)治疗消化不良的疾病。

  20. 酶学的回顾：近代 • 酶的发现： • 十八世纪 • 法国科学家雷莫尔（Réaumur ） • 布匝德（buzzard ）鸟 • 胃液对肉块的消化 • 化学变化而非物理变化（如溶解） • “温和”的条件下实现

  21. 1783年,意大利科学家司帕拉扎尼（Spallazani）进一步阐明其它动物和人的胃液也有类似的作用，这个作用还和温度、胃液加量有关，且在体外是不稳定的，活性会逐渐丧失。人们开始了解生物体内存在一系列具有催化活性的物质。

  22. 酶学的回顾：近代 • 1878德国的库尼（Kühne）定义Enzyme 原意为在酵母中。 • 1897年Bertrand由3种树汁液中部分纯化了漆酶。 • 1897年，德国巴克纳（ Buchner ）证明发酵是酶作用的化学本质，为此Buchner获得了1911年诺贝尔化学奖。 • 至1913年米切利司（Michaclis）和漫腾（Menten）进一步推进了亨利（Henri）的工作，导出了米氏方程，奠定了酶动力学的最早的基础。 • 1926年美国的萨姆那Sumner从刀豆中得到脲酶结晶，首次提出酶的蛋白质本质,并为此获得1947年诺贝尔奖。

  23. ◆ 1926年美国的萨姆那Sumner从刀豆中得到脲酶结晶，首次提出酶的蛋白质本质,并为此获得1947年诺贝尔奖。◆ 30年代，诺斯洛浦Northrops得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶的结晶;◆ 酶是高分子胶体物质、两性电解质，在电场 中如蛋白质一样泳动;◆ 导致蛋白质变性的因素如温度、pH、紫外线、表面活性剂、重金属等往往也能使酶变性;◆ 酶能被蛋白酶水解而失活。1969年，玛丽费尔得 Merrifield等人由氨基酸人工合成了具有催化活性的酶Rnase,进一步证实了酶的蛋白质本质。 酶是蛋白质???

  24. 酶学的回顾：近代 • 二十世纪酶学进入快速发展。前半期，过渡态理论解释了酶催化的物理化学机理（1948）。 • 50－60年代考师兰德（Koshland ）提出了诱导契合模型。此时有关酶活性调节的理论也被提出。 • 1965年莫诺德（Monod ） 等人提出了别构理论。与此同时，克力兰德（Clealand ）发展了多底物多产物的酶动力学原理和公式。

  25. 酶学的回顾：近代 • 随着X光晶体衍射，多维核磁共振（NMR ）技术的发展，很多酶的空间结构被揭示。 • 1957年Kendrew第一次用X光衍射方法解析了肌红蛋白的空间结构。 • 至今用X光衍射和多维核磁共振（NMR ）研究酶的空间结构已是常见的方法。

  26. 酶学的回顾：近代 • 1957年，另一个重要进展：桑格（Sanger）报道了胰岛素的氨基酸系列，这是第一次阐明一个蛋白质的氨基酸全系列。 • 1963年第一个酶（核糖核酸酶）的氨基酸系列被报道。从此，酶的结构与功能和它的氨基酸系列全面挂钩。

  27. 1970 美国的Smith 发现限制性内切酶（1979年诺贝尔奖） • 1969 日本固定化氨基酰化酶，第一次将固定化酶成功地应用于工业生产。——酶工程诞生 • 1982 美国的切克（cech）发现四膜虫的26s rRNA具有自我剪切能力，1986 核酶发现获得诺贝尔奖

  28. 酶学今日 • 现代酶学已成为现代生物学的重要组成部分。 • 酶学和生物学的其它部分正在互相渗透日益融合。 • 对酶学的研究使我们日益了解生命的本质和奥妙。 • 通过对酶活性的调控和改造已在人类健康，农业生产，环境保护等方面取得众多应用成果。

  29. 第二节酶工程概况 • 酶工程的基本概念 • 国内外酶制剂工业的现状 • 我国的酶制剂工业 • 国际酶制剂工业发展趋势 • 生物催化

  30. 一、酶工程的基本概念 • 1.定义 酶的生产和应用的技术过程称为酶工程。 • 2. 内容 • 酶工程研究的主要内容包括：酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶的分子修饰、酶和细胞的固定化、酶反应动力学和反应器、酶的应用等方面内容。 • 3. 任务 • 酶工程的任务是：通过预先设计，经过人工操作控制而获得大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥其最大的催化功能。

  31. 二、国内外酶制剂工业上的现状 • 近年来，随着酶工程研究的快速发展，酶工程产业的发展也非常迅速，成为21世纪大有发展前途的新兴产业之一。

  32. 1、产值： • 全世界已发现的酶有3000多种 • 目前工业上生产的酶有60多种 • 真正达到工业规模的只有20多种 • 剂型和品种有60多个 • 2001年为16亿美元 • 每年约为7――8％的增长率发展 • 预计到2008年销售额将达到30亿美元

  33. 2、产品结构 • 就世界范围而言，酶制剂总产量最大的是蛋白酶类，主要用于洗涤剂、制革和乳品工业 • 其次为淀粉酶类，主要用于食品酿造、淀粉加工、造纸、纺织等工业 • 其它酶类则包括药用酶、试剂酶、工具酶等。

  34. 3、生产厂商 世界上酶生产厂商有70多家，其中较大的有25家。最大的8家酶制剂生产厂商是： （1）  Novo Nordisk （诺和诺德公司，丹麦） （2）  Gist Broccdes（荷兰） （3）  Cultot （科特公司，芬兰） （4）  Genencor International （杰能科公司，美国） （5）  Solvay （苏尔威公司，比利时） （6）  Clr Hansen （汉森公司，丹麦） （7）  Rhone Ponlene （罗兰，普朗克公司，法国） （8）  Quest （荷兰）

  35. 三、我国的酶制剂工业 • 我国的酶制剂工业是在解放后逐渐发展起来的。早期是用动植物组织提取胃蛋白酶、胰酶和麦芽淀粉酶等，规模小，产量亦少。 • 六十年代中期，我国开始研制第一个微生物酶制剂——BF-7658淀粉酶。1965年轻工部在无锡投资兴建了全国第一家酶制剂厂——无锡酶制剂厂（现名是星达生物工程有限公司）标志着我国酶制剂工业的起步。

  36. 1、产品结构 • 2、我国酶制剂生产的特点 • 3、中国酶制剂产业存在的问题

  37. 1、产品结构 • 我国酶制剂目前主要的产品是淀粉酶（其中大部分是糖化酶），其次是蛋白酶，其它酶的产量甚微。 • 酶名称占酶总产量的百分率 • 糖化酶 71.4％ • 蛋白酶14.3％ • α-淀粉酶13.4％ • 其它 1％

  38. 2、我国酶制剂生产的特点 （1）部分酶制剂品种和质量接近国际先进水平 （2）生产企业逐步向规模化和现代化发展 （3）产品价格具竞争力 （4）行业管理确保企业健康发展 （5）酶制剂的应用促进了食品工业的发展

  39. 3、中国酶制剂产业存在的问题 • 技术研究与开发滞后 • 行业和企业规模小而分散，市场调控能力弱 • 应用结构、产品结构不合理，技术含量低 • 应用的深度和广度不够 • 产品品级低

  40. 四、国际酶制剂工业发展趋势 • 国外酶制剂公司的兼并，重组将继续进行 • 研究、开发投入加大，高新技术应用广 • 大力研制、开发新酶种和新用途 • 酶制剂的剂型趋向多样化

  41. 五、生物催化（Biocatalysis) • 利用酶或有机体（细胞或细胞器等）作为催化剂实现化学转化的过程。

  42. 典型工业生物工程过程 细胞 酶 检测控 制仪表 空气 生物催化剂 （游离或固定化） 除 菌 副产品 产品 废物 产品提取纯化 生物反应器 （灭菌） 原材料 底物 机械能 热能 经加工 原料 营养物 核心技术？ 培养基

  43. 以生物催化法合成的主要产品

  44. 生物催化发展的主要推动力 新产品需求 (社会压力) -健康：医药、检测 -日用品：洗涤用品、乳品、生物可降解塑料 环境 (法律法规压力) －绿色化学、能源、温室效应 新发现或基础研究 (技术压力） －基因工程 /定点突变/定向进化、代谢工程、组合化学 得益/成本降低 (商业压力) -生物分离

  45. 趋势判断和需求分析 • 生物催化剂在精细化学品市场中呈现强劲的增长势头。 • 到2020年，通过生物催化技术，将实现化学工业的原料消耗、水资源消耗、能量消耗降低30%，污染物的排放和污染扩散减少30%。

  46. 当前生物催化的研究热点 • 新酶或已有酶的新功能的开发 • 根据已有底物开发新的酶反应 • 利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能 • 利用重组DNA技术大规模生产生物催化剂 • 利用有机溶剂开发新的反应体系 • 体内或体外合成的多酶体系 • 克服底物和产物抑制 • 精细化工品或医药合成技术的放大 • 酶和辅因子再生 • 生物催化剂的修饰 • 生物催化剂的固定化

  47. 课程内容 • 酶学基础知识 • 酶的生物合成法生产 • 酶提取与分离纯化 • 酶分子修饰 • 酶和细胞固定化 • 酶反应器 • 酶的应用

  48. 参考教材 • 《酶工程原理与技术》 郭勇主编 高等教育出版社 2005年9月第一版 • 《酶工程》 郭勇主编 科学技术出版社 2004年8月第二版 • 《酶与酶工程》袁勤生 赵健 主编 华东理工大学出版社 • 《酶工程》 罗贵民 主编 化学工业出版社2002年5月 第一版 • 《酶和酶工程》 罗九甫 上海交通大学出版社 1996年11月 第一版

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