酶工程简介 酶工程( enzyme engineering)是在1971年第一届国际酶工程会议上 才得到命名的一项新技术。酶工程主要研究酶的生产、纯化、固定化技术、酶分 子结构的修饰和改造以及在工农业、医药卫生和理论研究等方面的应用。 根据研究和解决问题的手段不同将酶工程分为化学酶工程和生物酶工程 用于治疗疾病 制成酶制剂后 用于加工和生 直接利用 产一些产品 酶的生产、提取和分离纯化 用于化验诊断 制成国定化酶 和水质监测 后利用 用于生物工程 其他分支领域 酶制剂的生产 酶制剂的应用 第一章酶学概论( Enzyme) 新陈代谢是生命活动的基础,是生命活动最重要的特征。而构成 新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化,都是在酶催化 下进行的。生命的生长发育、繁殖、遗传、运动、神经传导等生命活 动都与酶的催化过程紧密相关,可以说,没有酶的参与,生命活动 刻也不能进行 第一节酶的一般概念 、酶的概念及化学本质 (一)酶的概念:酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分 子,包括蛋白质及核酸,又称为生物催化剂。 (二)酶的化学本质: 绝大多数酶是蛋白质,少数是核酸RNA,后者称为核酶 本章主要讨论以蛋白质为本质的酶 二、酶的组成与分类 (一)根据酶的组成成分,酶可分为:单成分酶(单纯酶)、多成分酶(复合酶) 单纯酶( simple enzyme)是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性仅仅决定于 它的蛋白质结构。脲酶、消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等均属此列 复合酶( conjugated enzyme)的催化活性,除蛋白质部分(酶蛋白 apoenzyme)外,还需要非 蛋白质的物质,即所谓酶的辅助因子( cofactors),两者结合成的复合物称作全酶( holoenzyme)
酶工程简介 酶工程（enzyme engineering）是在 1971 年第一届国际酶工程会议上 才得到命名的一项新技术。酶工程主要研究酶的生产、纯化、固定化技术、酶分 子结构的修饰和改造以及在工农业、医药卫生和理论研究等方面的应用。 根据研究和解决问题的手段不同将酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。 第一章 酶学概论（Enzyme） 新陈代谢是生命活动的基础，是生命活动最重要的特征。而构成 新陈代谢的许多复杂而有规律的物质变化和能量变化，都是在酶催化 下进行的。生命的生长发育、繁殖、遗传、运动、神经传导等生命活 动都与酶的催化过程紧密相关，可以说，没有酶的参与，生命活动一 刻也不能进行。 第一节 酶的一般概念 一、酶的概念及化学本质 （一） 酶的概念：酶是生物体活细胞产生的具有特殊催化活性和特定空间构象的生物大分 子，包括蛋白质及核酸，又称为生物催化剂。 （二） 酶的化学本质： 绝大多数酶是蛋白质,少数是核酸 RNA，后者称为核酶。 本章主要讨论以蛋白质为本质的酶。 二、酶的组成与分类 （一） 根据酶的组成成分，酶可分为：单成分酶（单纯酶）、多成分酶（复合酶） 单纯酶(simple enzyme)是基本组成单位仅为氨基酸的一类酶。它的催化活性仅仅决定于 它的蛋白质结构。脲酶、消化道蛋白酶、淀粉酶、酯酶、核糖核酸酶等均属此列。 复合酶(conjugated enzyme)的催化活性，除蛋白质部分(酶蛋白 apoenzyme)外，还需要非 蛋白质的物质，即所谓酶的辅助因子(cofactors)，两者结合成的复合物称作全酶(holoenzyme)， 即：
全酶 酶蛋白 辅助因子 (结合蛋白质) (蛋白质部分) (非蛋白质部分) 酶的辅助因子可以是金属离子,也可以是小分子有机化合物。常见酶含有的金属离子 有K、Na、Mg2、Cu2、(或Cu)、Zn2和Fe2(或Fe)等。它们或者是酶活性的组成部分:或 者是连接底物和酶分子的桥梁;或者在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。小分子有机化合物 是一些稳定的小分子物质,其主要作用是在反应中传递电子、质子或一些基团,常可按其与 酶蛋白结合的紧密程度不同分成辅酶和辅基两大类。辅酶( coen yne)与酶蛋白结合疏松,可 以用透析或超滤方法除去;辅基φ prosthetic group)与酶蛋白结合紧密,不易用透析或超滤 方法除去,辅酶和辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的牢固程度不同,而无严格的界限 大多数维生素(特别是B族维生素)是组成许多酶的辅酶或辅基的成分。它们的化学结 构式见下章维生素。体内酶的种类很多,而辅酶(基)的种类却较少,通常一种酶蛋白只能与 种辅酶结合,成为一种特异的酶,但一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合构成许多种特异 性酶。酶蛋白在酶促反应中主要起识别底物的作用,酶促反应的特异性、高效率以及酶对一 些理化因素的不稳定性均决定于酶蛋白部分。常见的辅酶,如下表所示 「辅酶形式主要作用所含B族维生素 硫胺素焦磷酸酯(TPP) 酮酸氧化脱羧、酮基转 换作用 硫胺素(B1) a-酮酸氧化脱羧 硫辛酸 6,8-二硫辛酸 辅酶ACoA) 酰基转换作用 泛酸 黄素单核苷酸(FMN 氢原子转移 核黄素(B2) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD 氢原子转移 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD) 氢原子转移 尼克酰胺(PP) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 氢原子转移 (NADP+) 磷酸吡哆醛 氨基酸代谢 吡哆素(B6) 生物素 羧化作用 生物素(H) 四氢叶酸 "一碳基团"转移 叶酸 5-甲基钴铵素 甲基转移 钴胺素(B12) 5-脱氧腺苷钴铵素 二)根据酶的结构特点及分子组成形式分为:
全酶 酶 蛋 白 辅助因子 (结合蛋白质) (蛋白质部分) (非蛋白质部分) 酶的辅助因子可以是金属离子，也可以是小分子有机化合物。常见酶含有的金属离子 有 K +、Na+、Mg2+、Cu2+、(或 Cu+ )、Zn2+和 Fe2+(或 Fe3+)等。它们或者是酶活性的组成部分；或 者是连接底物和酶分子的桥梁；或者在稳定酶蛋白分子构象方面所必需。小分子有机化合物 是一些稳定的小分子物质，其主要作用是在反应中传递电子、质子或一些基团，常可按其与 酶蛋白结合的紧密程度不同分成辅酶和辅基两大类。辅酶(coenzyme)与酶蛋白结合疏松，可 以用透析或超滤方法除去；辅基(prosthetic group)与酶蛋白结合紧密，不易用透析或超滤 方法除去，辅酶和辅基的差别仅仅是它们与酶蛋白结合的牢固程度不同，而无严格的界限。 大多数维生素(特别是 B 族维生素)是组成许多酶的辅酶或辅基的成分。它们的化学结 构式见下章维生素。体内酶的种类很多，而辅酶(基)的种类却较少，通常一种酶蛋白只能与 一种辅酶结合，成为一种特异的酶，但一种辅酶往往能与不同的酶蛋白结合构成许多种特异 性酶。酶蛋白在酶促反应中主要起识别底物的作用，酶促反应的特异性、高效率以及酶对一 些理化因素的不稳定性均决定于酶蛋白部分。常见的辅酶，如下表所示： 辅酶形式 主要作用 所含 B 族维生素 硫胺素焦磷酸酯(TPP) α-酮酸氧化脱羧、酮基转 换作用 硫胺素(B1) 6,8-二硫辛酸 α-酮酸氧化脱羧 硫辛酸 辅酶 A(CoA) 酰基转换作用 泛酸 黄素单核苷酸(FMN) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) 氢原子转移 氢原子转移 核黄素(B2) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD+ ) 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP+ ) 氢原子转移 氢原子转移 尼克酰胺(PP) 磷酸吡哆醛 氨基酸代谢 吡哆素(B6) 生物素 羧化作用 生物素(H) 四氢叶酸 "一碳基团"转移 叶酸 5-甲基钴铵素 5-脱氧腺苷钴铵素 甲基转移 钴胺素(B12) (二)根据酶的结构特点及分子组成形式分为：
1.单体酶:只含一条肽链,分子量小,大多数水解酶属于此类 2.寡聚酶:由几条或几十条多肽链组成,每条肽链是一个亚基,单独的亚基无酶的活 力。如己糖激酶、乳酸脱氢酶,均含四个亚基,谷氨酸脱氢酶含六个亚基 3.多醇复合体:若干个功能相关的酶彼此嵌合形成的复合体。每个单独的酶都具有活 性,当它们形成复合体时,可催化某一特定的链式反应,如丙酮酸氧化脱羧酶复合体, 含三个酶六个辅助因子:脂肪酸合成酶复合体,含有六个酶及一个非酶蛋白质。 (三)根据酶的存在状态分为:胞内酶、胞外酶 1.胞内酶:在合成分泌后定位于细胞内发生作用的酶,大多数的酶属于此类 2胞外酶:在合成后分泌到细胞外发生作用的酶,主要为水解酶 酶催化作用的特性 (-)酶与普通催化剂的共性 1.只能催化热力学上允许进行的反应,对于可逆反应,酶只能缩短反应达到平衡的时间, 但不改变平衡常数 2.酶也是通过降低化学反应的活化能来加快反应速度; 3.酶在反应中用量很少,反应前后数量、性质不变 (二)酶催化作用的特性:指酶不同于一般的催化剂的性质。 1、高度专一性 酶的专一性:也称为酶的特异性( specificity),它是指酶对所作用底物( substrate) 的选择性。根据酶对底物的选择方式不同,酶的专一性分为: (1)、绝对专一性( absolute specificity):指一种酶只选择一种底物作用,如脲酶 (2)、相对专一性( relative specificity):指一种酶选择一类底物作用。根据酶选择的对 象不同又分为: 键专一性( bond specificity):指酶对所作用键的选择性,如脂肪酶。 基团专一性(族专一性, group specificity):指酶对所作用的键及键一侧的基团的选 择性,如α-D-葡萄糖苷酶,胰蛋白酶, (3)、光学专一性( optical specificity):指酶对所作用底物立体构型的选择性,如L 氨基酸氧化酶。 (4)、几何专一性( geometrical specificity):指酶对所作用底物顺反异构的选择性, 如顺乌头酸酶。 2、高效性:酶比一般的普通催化剂效率高10-10倍 3、反应条件温和 4、易变性 5、酶的活力( activity)受多种因素的调节与控制 四、酶的命名与分类 (一)酶的命名:通常采用习惯命名法,主要根据以下几个原则: 1、根据酶作用的底物来命名:如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等 2、根据酶催化反应的性质来命名:如脱氢酶、脱羧酶、水解酶等: 3、根据酶的来源、作用条件等来命名:如细菌淀粉酶、碱性磷酸酯酶、胃蛋 白酶等
1.单体酶 ：只含一条肽链，分子量小，大多数水解酶属于此类。 2.寡聚酶：由几条或几十条多肽链组成，每条肽链是一个亚基，单独的亚基无酶的活 力。如己糖激酶、乳酸脱氢酶，均含四个亚基， 谷氨酸脱氢酶含六个亚基。 3.多酶复合体：若干个功能相关的酶彼此嵌合形成的复合体。每个单独的酶都具有活 性，当它们形成复合体时，可催化某一特定的链式反应，如丙酮酸氧化脱羧酶复合体， 含三个酶六个辅助因子；脂肪酸合成酶复合体，含有六个酶及一个非酶蛋白质。 (三)根据酶的存在状态分为：胞内酶、胞外酶 1.胞内酶：在合成分泌后定位于细胞内发生作用的酶，大多数的酶属于此类。 2.胞外酶：在合成后分泌到细胞外发生作用的酶，主要为水解酶。 三.酶催化作用的特性 （一）酶与普通催化剂的共性： 1.只能催化热力学上允许进行的反应，对于可逆反应，酶只能缩短反应达到平衡的时间， 但不改变平衡常数； 2.酶也是通过降低化学反应的活化能来加快反应速度； 3.酶在反应中用量很少，反应前后数量、性质不变。 （二）酶催化作用的特性：指酶不同于一般的催化剂的性质。 1、高度专一性： 酶的专一性：也称为酶的特异性(specificity)，它是指酶对所作用底物(substrate) 的选择性。根据酶对底物的选择方式不同，酶的专一性分为： （1）、绝对专一性(absolute specificity)：指一种酶只选择一种底物作用，如脲酶。 （2）、相对专一性(relative specificity)：指一种酶选择一类底物作用。根据酶选择的对 象不同又分为： 键专一性(bond specificity)：指酶对所作用键的选择性，如脂肪酶。 基团专一性（族专一性,group speicificity）：指酶对所作用的键及键一侧的基团的选 择性，如 α-D-葡萄糖苷酶，胰蛋白酶。 （3）、光学专一性(optical specificity )：指酶对所作用底物立体构型的选择性，如 L- 氨基酸氧化酶。 （4）、几何专一性(geometrical specificity )：指酶对所作用底物顺反异构的选择性， 如顺乌头酸酶。 2、高效性：酶比一般的普通催化剂效率高 106 -1013 倍。 3、反应条件温和 4、易变性 5、酶的活力（activity）受多种因素的调节与控制 四、酶的命名与分类 （一）酶的命名：通常采用习惯命名法，主要根据以下几个原则： 1、根据酶作用的底物来命名：如淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶等； 2、根据酶催化反应的性质来命名：如脱氢酶、脱羧酶、水解酶等； 3、根据酶的来源、作用条件等来命名：如细菌淀粉酶、碱性磷酸酯酶、胃蛋 白酶等
从上述可知,酶的习惯命名法不够系统,不够准确,难免会出现一酶多名或 名多酶的现象。为此1961年国际酶学委员会( Enzyme Commission,EC)提出了系 统命名法,系统命名法规定,酶的名称包括两部分:底物名称和反应类型,如果反 应中有多个底物,每个底物均需列出(水解反应中的水可省略),底物名称之间用 隔开。若底物有构型,也需标出,如L一丙氨酸:α-酮戊二酸氨基转移酶, (二)、酶的系统分类方法:根据酶所催化反应的性质,由酶学委员会规定 将酶分为六大类 氧化还原酶类催化底物的氧化还原反应,如脱氢酶、氧化酶等。 2.转移酶类催化底物之间基团的转移反应,如氨基转移酶、激酶、甲基转 移酶、羧基转移酶等 3.水解酶类催化底物的水解反应,如蛋白酶、肽酶、脂肪酶、淀粉酶等 4.裂合酶类催化底物裂解或缩合反应,如脱水酶、脱氨酶、脱羧酶、醛缩 酶等 5.异构酶类催化同分异构体的底物之间相互转换,如磷酸甘油酸变位酶 磷酸己糖异构酶。 6.合成酶类也称连接酶类,催化两种或两种以上化合物合成一种化合物的 反应。反应需吸收能量,通常与ATP的分解相偶连,ATP分解产生能量用于合成 又应 (三)酶的系统编号 根据上述酶的系统分类方法,国际酶学委员会还对每个酶做了统一编号,一个酶 只有一个编号,因此不会混淆。酶的系统编号由“EC”加四个阿拉伯数字组成,每个 数字之间以“.”隔开。“EC”是国际酶学委员会的缩写,这四个数字的含义分别是 第一个数字代表大类,第二个数字代表亚类,第三个数字是亚亚类,第四个数字是酶 在亚亚类中的序号。如:EC1.1.1.27(乳酸:NAD氧化还原酶)。 第二节酶的结构与功能的关系 、酶的活性中心与必需基团 (一)酶的活性中心 酶是生物大分子,相对分子质量很大,而与酶反应的底物一般是相对分子质量较小的 分子,有时即使是大分子底物时,反应也是逐步进行的,酶仅与大分子底物中的一小部分作 用。与底物接触并且发生反应的部位就称为酶的活性中心( active center)。酶的活性中心 往往是若干个在一级结构上相距很远,但在空间结构上彼此靠近的氨基酸残基集中在一起形 成具有一定空间结构的区域,该区域与底物相结合并将底物转化为产物,对于结合酶来说, 辅酶或辅基往往是活性中心的组成成分。酶的活力中心通常包括两部分:与底物结合的部位 称为结合中心,结合中心决定酶的专一性;促进底物发生化学变化的部位称为催化中心,它 决定酶所催化反应的性质以及催化的效率。有些酶的结合中心与催化中心是同一部分
从上述可知，酶的习惯命名法不够系统，不够准确，难免会出现一酶多名或一 名多酶的现象。为此 1961 年国际酶学委员会（Enzyme Commission，EC）提出了系 统命名法，系统命名法规定，酶的名称包括两部分：底物名称和反应类型，如果反 应中有多个底物，每个底物均需列出（水解反应中的水可省略），底物名称之间用 “：”隔开。若底物有构型，也需标出，如 L—丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶。 (二)、酶的系统分类方法：根据酶所催化反应的性质，由酶学委员会规定， 将酶分为六大类： 1. 氧化还原酶类 催化底物的氧化还原反应，如脱氢酶、氧化酶等。 2. 转移酶类 催化底物之间基团的转移反应，如氨基转移酶、激酶、甲基转 移酶、羧基转移酶等。 3. 水解酶类 催化底物的水解反应，如蛋白酶、肽酶、脂肪酶、淀粉酶等。 4. 裂合酶类 催化底物裂解或缩合反应，如脱水酶、脱氨酶、脱羧酶、醛缩 酶等。 5. 异构酶类 催化同分异构体的底物之间相互转换，如磷酸甘油酸变位酶、 磷酸己糖异构酶。 6. 合成酶类 也称连接酶类，催化两种或两种以上化合物合成一种化合物的 反应。反应需吸收能量，通常与 ATP 的分解相偶连，ATP 分解产生能量用于合成 反应。 （三）酶的系统编号： 根据上述酶的系统分类方法，国际酶学委员会还对每个酶做了统一编号，一个酶 只有一个编号，因此不会混淆。酶的系统编号由“EC”加四个阿拉伯数字组成，每个 数字之间以“.”隔开。“EC”是国际酶学委员会的缩写，这四个数字的含义分别是： 第一个数字代表大类，第二个数字代表亚类，第三个数字是亚亚类，第四个数字是酶 在亚亚类中的序号。如：EC1.1.1.27（乳酸：NAD+氧化还原酶）。 第二节 酶的结构与功能的关系 一、 酶的活性中心与必需基团 （一）酶的活性中心 酶是生物大分子，相对分子质量很大，而与酶反应的底物一般是相对分子质量较小的 分子，有时即使是大分子底物时，反应也是逐步进行的，酶仅与大分子底物中的一小部分作 用。与底物接触并且发生反应的部位就称为酶的活性中心(active center)。酶的活性中心 往往是若干个在一级结构上相距很远，但在空间结构上彼此靠近的氨基酸残基集中在一起形 成具有一定空间结构的区域，该区域与底物相结合并将底物转化为产物，对于结合酶来说， 辅酶或辅基往往是活性中心的组成成分。酶的活力中心通常包括两部分：与底物结合的部位 称为结合中心，结合中心决定酶的专一性；促进底物发生化学变化的部位称为催化中心，它 决定酶所催化反应的性质以及催化的效率。有些酶的结合中心与催化中心是同一部分
活性中心外必需基团 活 性 结合基团、中 作用物分子 催化基团内 活性中心需 基 多肽链 活性中心示意图 (二)酶的必需基团( essential group) 酶的分子中存在着许多功能基团,例如,-NH2、-COO、-SH、-OH等,但并不是这些基 团都与酶活性有关。一般将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团。必需基团可分为四种 1.接触残基( contact residue):直接与底物接触的基团,它们参与底物的 化学转变,是活性中心的主要必需基团。这些基团中有的与底物结合称为结合基团 ( binding group),有的催化底物发生化学变化称为催化基团( catalytic group)。活 性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需基团虽然不参加酶的 活性中心的组成,但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需,这些基团是酶的活性 中心以外的必需基团 辅助残基( auxiliary residue):这种残基既不直接与底物结合,也不催化底物的 化学反应,但对接触残基的功能有促进作用。它可促进结合基团对底物的结合,促进 催化基团对底物的催化反应。它也是活性中心不可缺少的组成部分 3.结构残基( structure residue):这是活性中心以外的必需基团,它们与酶 的活性不发生直接关系,但它们可稳定酶的分子构象,特别是稳定酶活性中心的构象, 因而对酶的活性也是不可缺少的基团,只是起间接作用而已 4.非贡献残基( noncontribution residue):酶分子中除上述基团外的其它 基团,它们对酶的活性“没有贡献”,也称为非必需基团。这些基团对酶活性的发挥不 起作用,它们可以被其他氨基酸残基取代,甚至可以去掉都不会影响酶的催化活力 但这些基团并不是真正意义上的“非必需”基团,它们可能在系统发育的物种专一性 方面、免疫方面或者在体内的运输转移、分泌、防止蛋白酶降解的方面起一定作用 如果没有这些基团,酶的寿命、酶在细胞中的分布等方面受到限制。这些基团的存在 也可能是该酶迄今未发现的新的活力类型的活力中心 (三).酶活性中心证明方法 1.切除法 对小分子且结构已知的酶多用此法。用专一性的酶切除一段肽链后剩余的肽链仍有
酶活性中心示意图 （二）酶的必需基团(essential group) 酶的分子中存在着许多功能基团，例如，-NH2、-COOH、-SH、-OH 等，但并不是这些基 团都与酶活性有关。一般将与酶活性有关的基团称为酶的必需基团。必需基团可分为四种： 1. 接触残基（ contact residue）：直接与底物接触的基团，它们参与底物的 化学转变，是活性中心的主要必需基团。这些基团中有的与底物结合称为结合基团 (binding group)，有的催化底物发生化学变化称为催化基团(catalytic group)。活 性中心中有的必需基团可同时具有这两方面的功能。还有些必需基团虽然不参加酶的 活性中心的组成，但为维持酶活性中心应有的空间构象所必需，这些基团是酶的活性 中心以外的必需基团。 2. 辅助残基(auxiliary residue):这种残基既不直接与底物结合，也不催化底物的 化学反应，但对接触残基的功能有促进作用。它可促进结合基团对底物的结合，促进 催化基团对底物的催化反应。它也是活性中心不可缺少的组成部分。 3. 结构残基（structure residue）：这是活性中心以外的必需基团，它们与酶 的活性不发生直接关系，但它们可稳定酶的分子构象，特别是稳定酶活性中心的构象， 因而对酶的活性也是不可缺少的基团，只是起间接作用而已。 4. 非贡献残基（noncontribution residue）：酶分子中除上述基团外的其它 基团，它们对酶的活性“没有贡献”，也称为非必需基团。这些基团对酶活性的发挥不 起作用，它们可以被其他氨基酸残基取代，甚至可以去掉都不会影响酶的催化活力。 但这些基团并不是真正意义上的“非必需”基团，它们可能在系统发育的物种专一性 方面、免疫方面或者在体内的运输转移、分泌、防止蛋白酶降解的方面起一定作用。 如果没有这些基团，酶的寿命、酶在细胞中的分布等方面受到限制。这些基团的存在 也可能是该酶迄今未发现的新的活力类型的活力中心。 （三）.酶活性中心证明方法 1.切除法 对小分子且结构已知的酶多用此法。用专一性的酶切除一段肽链后剩余的肽链仍有