酶工程电子教案 第一章绪论 1、酶的基本概念 酶的概念:具有生物催化功能的生物大分子,按照其化学组成,可以分为蛋白类酶(P酶) 和核酸类酶(R酶)两大类别 酶工程:酶的生产与应用的技术过程。 酶工程的主要内容包括:微生物细胞发酵产酶,动植物细胞培养产酶,酶的提取与分离 纯化,酶分子修饰,酶、细胞、原生质体固定化、酶的非水相催化、酶反应器和酶的应用等。 2、酶的发展史 19世纪以前 4000多年前的夏禹时代就已经掌握了酿酒技术。 3000多年前的周朝,就会制造饴糖、食酱等食品。 2500多年前的春秋战国时期,就懂得用麴来治疗消化不良等疾病。 19世纪30年以来 1833年,佩恩〔 Payen)和帕索兹〔 Persoz)从麦芽的水抽提物中用酒精沉淀得到淀粉 酶( Diastase 19世纪中叶,巴斯德( Pasteur认为在活酵母细胞内有一种可以将糖发酵生成酒精的物质。 1878年昆尼( Kunne)首次将酵母中进行酒精发酵的物质称为酶( Enzyme),这个词 来自希腊文,其意思是“在酵母中"。 1896年,巴克纳( Buchner)兄弟发现酵母的无细胞抽提液也能将糖发酵成酒精。 1902年,亨利〔 Henri)根据蔗糖酶催化蔗糖水解的实验结果,提岀中间产物学说。 E+ S ES= -E P
酶工程电子教案 第一章 绪论 1、酶的基本概念 酶的概念：具有生物催化功能的生物大分子，按照其化学组成，可以分为蛋白类酶（P 酶） 和核酸类酶（R 酶）两大类别。 酶工程：酶的生产与应用的技术过程。 酶工程的主要内容包括：微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离 纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固定化、酶的非水相催化、酶反应器和酶的应用等。 2、酶的发展史 19 世纪以前： 4000 多年前的夏禹时代就已经掌握了酿酒技术。 3000 多年前的周朝，就会制造饴糖、食酱等食品。 2500 多年前的春秋战国时期，就懂得用麴来治疗消化不良等疾病。 19 世纪 30 年以来： 1833 年，佩恩（ Payen）和帕索兹（ Persoz）从麦芽的水抽提物中用酒精沉淀得到淀粉 酶（ Diastase）。 19 世纪中叶，巴斯德( Pasteur)认为在活酵母细胞内有一种可以将糖发酵生成酒精的物质。 1878 年昆尼（ Kunne）首次将酵母中进行酒精发酵的物质称为酶（ Enzyme ），这个词 来自希腊文，其意思是“在酵母中”。 1896 年，巴克纳（ Buchner）兄弟发现酵母的无细胞抽提液也能将糖发酵成酒精。 1902 年，亨利（ Henri）根据蔗糖酶催化蔗糖水解的实验结果，提出中间产物学说。 k1 k2 E ＋ S ======== ES ========E ＋ P
1913年,米彻利斯( Michaelis)和曼吞( menten)米氏方程 Vm sI Km+s 酶是生物体产生的具有生物催化功能的物质″。但是尚未搞清楚究竟是哪一类物质? 1920年,德国化学家威尔斯塔特(wil! tater)将过氧化物酶纯化12000倍。 1926年,萨姆纳( Sumner)首次从刀豆提取液中分离纯化得到脲酶结晶,并证明它具有 蛋白质的性质 1960年,雅各( Jacob)和莫诺德( Monod)提岀操纵子学说,阐明了酶生物合成的基本 调节机制 1982年,切克( Thomas Cech)等人发现四膜虫( Tetrahymena)细胞的26 S rRNA前 体具有自我剪接功能(Self- splicing)并将这种具有催化活性的RNA称为 ribozyme. 1983年,阿尔特曼( Sidney Altman)等人发现核糖核酸酶P( RNase p)的RNA部分 M1RNA具有核糖核酸酶P的催化活性。 由此引出“酶是具有生物催化功能的生物大分子(蛋白质或RNAy的新概念。 3、酶催化作用的特点 31酶催化作用的专一性强 酶的专一性是指在一定的条件下,一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种 类型反应的特性。 酶的专一性按其严格程度的不同,可以分为绝对专一性和相对专一性两大类
K－1 1913 年，米彻利斯（ Michaelis ）和曼吞（ menten ）米氏方程： Vm [S] v == Km + [S] “酶是生物体产生的具有生物催化功能的物质”。但是尚未搞清楚究竟是哪一类物质？ 1920 年，德国化学家威尔斯塔特（Willstater）将过氧化物酶纯化 12 000 倍。 1926 年，萨姆纳（Sumner）首次从刀豆提取液中分离纯化得到脲酶结晶，并证明它具有 蛋白质的性质。 1960 年，雅各（Jacob）和莫诺德（Monod）提出操纵子学说，阐明了酶生物合成的基本 调节机制。 1982 年，切克（Thomas Cech）等人发现四膜虫（Tetrahynena）细胞的 26 S rRNA 前 体具有自我剪接功能（Self-splicing）。并将这种具有催化活性的 RNA 称为 ribozyme。 1983 年，阿尔特曼（Sidney Altman）等人发现核糖核酸酶 P（RNase P）的 RNA 部分 M1 RNA 具有核糖核酸酶 P 的催化活性。 由此引出“酶是具有生物催化功能的生物大分子（蛋白质或 RNA）”的新概念。 3、酶催化作用的特点 3.1 酶催化作用的专一性强 酶的专一性是指在一定的条件下，一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种 类型反应的特性。 酶的专一性按其严格程度的不同，可以分为绝对专一性和相对专一性两大类
311绝对专一性:一种酶只能催化一种底物进行一种反应,这种高度的专一性称为绝对专 例如,乳酸脱氢酶[EC11.127]催化丙酮酸进行加氢反应生成L-乳酸 CH 乳酸脱氢酶 H-C-OH COOH NADH NAD COOH 丙酮酸 L-乳酸 核酸类酶也同样具有绝对专—性:四膜虫26 SrRNA前体等催化自我剪接反应的 R酶,只能催化其本身RNA分子进行反应,而对于其它分子一概不作用。 3.12相对专一性:种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应这种 专一性称为相对专—性。 相对专性又可分为键专一性和基团专一性 键专一性的酶能够作用于具有相同化学键的一类底物。 如,酯酶可催化所有含酯键的酯类物质水解生成醇和酸 酯酶 R-C-O-R’+H2O R-COOH+ R-OH (酯) (水) (酸) (醇) 基团专一性的酶则要求底物含有某一相同的基团。 如胰蛋白酶[EC34.31.4]选择性地水解含有赖氨酰-或精氨酰-的羰基的肽键。 再如核酸类酶M1RNA(核糖核酸酶P的RNA部分),催化tRNA前体5-末端的
3.1.1 绝对专一性：一种酶只能催化一种底物进行一种反应，这种高度的专一性称为绝对专 一性。 例如，乳酸脱氢酶 [ EC 1.1.1.27 ] 催化丙酮酸进行加氢反应生成 L－乳酸： CH3 CH3 | 乳酸脱氢酶 | C＝O =============== H－C－OH | | COOH NADH NAD COOH 丙酮酸 L－乳酸 核酸类酶也同样具有绝对专一性：四膜虫 26 S rRNA 前体等催化自我剪接反应的 R 酶，只能催化其本身 RNA 分子进行反应，而对于其它分子一概不作用。 3.1.2 相对专一性:一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应，这种 专一性称为相对专一性。 相对专一性又可分为键专一性和基团专一性。 键专一性的酶能够作用于具有相同化学键的一类底物。 如，酯酶可催化所有含酯键的酯类物质水解生成醇和酸： O || 酯酶 R－C－O－R’＋ H2O =========== R-COOH ＋ R’-OH （酯） （水） （酸） （醇） 基团专一性的酶则要求底物含有某一相同的基团。 如胰蛋白酶 [EC 3.4.31.4 ] 选择性地水解含有赖氨酰-或精氨酰-的羰基的肽键。 再如核酸类酶 M1 RNA（核糖核酸酶 P 的 RNA 部分），催化 tRNA 前体 5’-末端的
成熟。要求底物核糖核酸的3ˆ-端部分是一个tRNA,而对其5-端部分的核苷酸链的顺序和 长度没有要求,催化反应的产物为一个成熟的tRNA分子和一个低聚核苷酸。 32酶催化作用的效率高 酶催化的转换数(每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数)一般为103mn-1左右。 酶催化和非酶催化反应所需的活化能有显著差别。婳图1-1所示。 从图中可以看到,酶催化 反应比非酶催化反应所需的活 非催化反应 化能要低得多。 活化能 酶催化反应 图1-1酶与非酶催化所需的活化能 反应过程 33酶催化作用的条件温和 酶的催化作用一般都在常温、常压、pH近乎中性的条件下进行。 原因:一是由于酶催化作用所需的活化能较低,二是由于酶是具有生物催化功能的生物大分 子。在高温、高压、在过高或过低pH等极端条件下,大多数酶会变性失活而失去其催化功 能。 4影响酶催化作用的因素 酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多 因素的影响。 41底物浓度的影响 底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。在其他条件不变的情况下,酶催化反应速 度与底物浓度的关系如图1-2所
成熟。要求底物核糖核酸的 3’-端部分是一个 tRNA，而对其 5’-端部分的核苷酸链的顺序和 长度没有要求，催化反应的产物为一个成熟的 tRNA 分子和一个低聚核苷酸。 3.2 酶催化作用的效率高 酶催化的转换数（ 每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数）一般为 103 min-1 左右。 酶催化和非酶催化反应所需的活化能有显著差别。如图 1-1 所示。 从图中可以看到，酶催化 反应比非酶催化反应所需的活 活 非催化反应 化能要低得多。 化 能 酶催化反应 图 1-1 酶与非酶催化所需的活化能 反应过程 3.3 酶催化作用的条件温和 酶的催化作用一般都在常温、常压、pH 近乎中性的条件下进行。 原因：一是由于酶催化作用所需的活化能较低，二是由于酶是具有生物催化功能的生物大分 子。在高温、高压、在过高或过低 pH 等极端条件下，大多数酶会变性失活而失去其催化功 能。 4.影响酶催化作用的因素 酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH 值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多 因素的影响。 4.1 底物浓度的影响 底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。在其他条件不变的情况下，酶催化反应速 度与底物浓度的关系如图 1-2 所示
从图中可以看到,在底物浓度较低的情况下,酶催化反应速度与底物浓度成正比,反 应速度随着底物浓度的增加而加快。当底物浓度达到一定的数值时,反应速度的上升不再与 底物浓度成正比,而是逐步趋向平衡 著名的米氏方程: V Km+s 图1-2底物浓度与酶催化反应速度的关系 式中,V为反应速度 S为底物浓度 m为最大反应速度 Km为米氏常数,为酶催化反应速度等于最大反应速度一般时的底物浓度 这一酶催化反应的基本动力学方程阐明了底物浓度与酶催化反应速度之间的定量关系。 有些酶在底物浓度过高时,反应速度反而下降,这是由于高浓度底物引起的抑制作用。 4.2酶浓度的影响 在底物浓度足够高的条件下酶催化反应速度与酶浓度成正比,如图1-3所示。它们 之间的关系可以用下式表示 V=keI 4.3温度的影响 每一种酶的催化反应都有其适宜温度范围 和最适温度。 底物浓度 图1-3酶浓度与反应速度的关系
从图中可以看到， 在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度与底物浓度成正比，反 应速度随着底物浓度的增加而加快。当底物浓度达到一定的数值时，反应速度的上升不再与 底物浓度成正比，而是逐步趋向平衡。 v Vm 著名的米氏方程: VmS 0 V = [S] Km + S 图 1-2 底物浓度与酶催化反应速度的关系 式中，V 为反应速度 S 为底物浓度 Vm 为最大反应速度 Km 为米氏常数，为酶催化反应速度等于最大反应速度一般时的底物浓度。 这一酶催化反应的基本动力学方程阐明了底物浓度与酶催化反应速度之间的定量关系。 有些酶在底物浓度过高时，反应速度反而下降，这是由于高浓度底物引起的抑制作用。 4.2 酶浓度的影响 在底物浓度足够高的条件下,酶催化反应速度与酶浓度成正比，如图 1-3 所示。它们 之间的关系可以用下式表示： V = k [E] 4.3 温度的影响 每一种酶的催化反应都有其适宜温度范围 和最适温度。 底物浓度 图 1-3 酶浓度与反应速度的关系 反 应 速 度