酶工程-第一節(jié)-酶的生物學功能課件

酶（enzyme)是生物體活細胞產(chǎn)生的、具有催化反應功能的蛋白質。酶（enzyme)是生物體活細胞產(chǎn)生的、具有催1

近百年來，對酶的研究一直是沿兩個方向發(fā)展而取得成果：

（一）、理論研究方向脲酶結晶的獲得與蛋白質本質鎖匙學說與誘導契合學說中間絡合物學說與酶促反應動力學酶作用機理（酶理化性質及催化性質）的研究酶蛋白質一級結構測定方法酶蛋白分子結構與功能的關系近百年來，對酶的研究一直是沿兩個方2

（二）、從應用研究來看1、酶制劑的分離、提純、大批量生產(chǎn)及新酶的開發(fā)；2、酶生產(chǎn)中的基因工程技術的應用；3、酶分子的改造(修飾、模擬與抗體酶等）；4、酶與細胞的固定化；5、酶制劑的應用性開發(fā)；6、生物催化；7、酶抑制劑、激活劑開發(fā)及應用研究；8、酶反應器的研究（包括反應檢測、酶傳感器）；（二）、從應用研究來看1、酶制劑的分離、提純、大批3特別是——

20世紀中期，隨著微生物發(fā)酵技術和酶分離純化技術提高，酶制劑生產(chǎn)開始走向規(guī)?；?。固定化技術、基因工程技術的應用、使酶的適應性更加提高，多種類型的酶制劑（固定化酶、人工酶、抗體酶、化學修飾酶和模擬酶等）實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。酶在工農(nóng)業(yè)、人口與健康（醫(yī)藥食品）、環(huán)境保護等方面的應用日益廣泛。

酶制劑已成為現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)中一個不可缺少的組成部分，酶工程技術已成為生物工程技術的主要支柱之一。所以，加強酶學理論的研究及應用技術的開發(fā)，已成為現(xiàn)代生物技術的主題。

特別是——20世紀中期，隨著微生4

概括地說——

酶學是生物化學的重要分支；

酶工程（EnzymeEngineering）是生物工程的主要內(nèi)容之一，是隨著酶學研究迅速發(fā)展、特別是酶的應用推廣，使酶學和工程學相互滲透結合，發(fā)展而成的一門新的技術科學。

現(xiàn)代生命科學的前沿課題如生物信息學、基因組學、結構生物學等無一能離開酶。酶及其轉化產(chǎn)品是生物工程產(chǎn)業(yè)的主導產(chǎn)品。

概括地說——5我們?yōu)槭裁粗匾暶福可顒与x不開酶；酶在現(xiàn)代生命科學研究中的重要作用；酶制劑與人類衣食住行休戚相關；生物催化改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)我們?yōu)槭裁粗匾暶福可顒与x不開酶；6

課時：36學時

教材：酶學（復旦大學出版社）

羅九甫:jfluo@

62932942

54744350

課時：36學時

教材：酶學7本課程教學指導思想適應現(xiàn)代社會發(fā)展需要的人才三要素：知識---專業(yè)、人文；能力---外語、計祘機、自學能力；素質---人品、善于規(guī)范自己和與人際溝通合作；所以——授以魚莫如授以漁加強參與性、體現(xiàn)主動學習本課程教學指導思想適應現(xiàn)代社會發(fā)展需要的人才三要素：8第一章酶的基礎知識§1、酶的生物學作用§2、酶的結構與催化機制§3、酶活性的調(diào)節(jié)方式§4、酶分析法第二章酶的生產(chǎn)與改造§5、酶的生產(chǎn)與分離純化§6、酶分子修飾與模擬§7、酶的固定化§8、抗體酶課時安排（15講）第一章酶的基礎知識課時安排（15講）9第三章酶制劑工業(yè)及其應用§9、酶制劑工業(yè)及應用§10、酶在現(xiàn)代生命科學研究中的應用§11、酶抑制劑與藥物設計第四章生物催化§12、生物催化改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實例

§13、酶法生產(chǎn)--§14、手性化合物的生物合成與轉化§15、酶反應器、生物傳感器（21世紀酶工程進展）

第三章酶制劑工業(yè)及其應用10主要參考書：酶學陳石根周潤琦編著復旦大學出版社現(xiàn)代酶學袁勤生主編華東理工大學出版社酶工程羅貫民主編化學工業(yè)出版社酶制劑工業(yè)張樹政主編科學出版社酶和酶工程羅九甫編上海交通大學出版社主要參考書：11作業(yè)選題一、某種酶制劑（如端粒酶、溶菌酶、幾丁質酶、尿激酶等）二、酶法生物轉化生產(chǎn)某產(chǎn)品（如苯丙氨酸、丙烯酰胺、某氨基酸等）三、酶的生物學作用如：酶與疾?。ㄈ鏗iv病毒、蠶豆病、遺傳病等）酶與代謝、遺傳、DNA修飾等四、酶的應用如：工具酶酶電極原理及其應用（葡萄糖氧化酶電極或尿酶電極等）酶在環(huán)境治理與檢測、醫(yī)藥臨床、食品、輕工等酶抑制劑與藥物設計五、酶的基本知識與基本理論如：酶與細胞的固定化、酶的生產(chǎn)、純化、分析、動力學、酶的輔助因子等六、酶研究動態(tài)如：抗體酶、手性化合物酶法拆分、酶的修飾和模擬酶與分子生物學、21世紀酶研究進展等

作業(yè)選題一、某種酶制劑（如端粒酶、溶菌酶、幾丁質酶、尿激酶等12

酶的種類很多，至今生物界已發(fā)現(xiàn)的酶達3000多種，一些單細胞生物體中至少含有數(shù)百種以上，人體細胞含酶種類更多。目前人體內(nèi)已確認的酶有1000多種，相互有關聯(lián)的酶組成酶體系，分布在特定的細胞組分中參與肌體的代謝活動。生物體內(nèi)的各種物質代謝、能量傳遞、信息轉錄、神經(jīng)傳導、免疫調(diào)節(jié)、細胞衰老及生長發(fā)育等等，都離不開酶的參與?？梢哉f沒有酶便不能進行新陳代謝，便沒有生命。

第一節(jié)酶的生物學功能酶的種類很多，至今生物界已發(fā)現(xiàn)的酶達3000多種，一13

在生物體內(nèi)，許多復雜化學變化都按一定途徑，根據(jù)生命活動需要進行得極為順利，相互聯(lián)系又相互制約，迅速而又有條不紊。這種使化學變化變得容易發(fā)生和迅速進行的根本原因，就是生物體內(nèi)普遍存在著生物催化劑—酶?？梢哉f離開了酶在生物體內(nèi)的催化作用，生命也就停止了。

在生物體內(nèi)，許多復雜化學變化都按一定途徑，根據(jù)生命活動需14

苯酮尿癥（PKU癥）

——苯丙氨酸羥化酶（苯丙氨酸4-單加氧酶）缺乏癥

苯丙氨酸+-酮戊二酸苯丙酮酸

沙林試劑（甲氟磷酸異丙酯）

——作用于傳遞神經(jīng)細胞間信號的膽堿酯酶，

1毫克足以麻痹呼吸肌

有機磷、氰化物、重金屬等中毒

抑制體內(nèi)含巰基（-SH）的酶

苯酮尿癥（PKU癥）

——苯丙氨酸羥化酶（苯15

蠶豆?。℅6PD缺乏而引起紅細胞膜蛋白受損易惹發(fā)溶血）

6-磷酸葡萄糖

NADP

2GSH（還原型）

蠶豆細胞毒素（香豌豆嘧啶異尿咪）

磷酸戊谷胱甘肽糖途徑還原酶

G6PD

NADPHH

6-磷酸葡萄糖酸

GSSG（氧化型）

（正常時GSH與GSSG之比為500，保護血液中紅細胞不受氧化損傷并消除H2O2的毒害）蠶豆?。℅6PD缺乏而引起紅細胞膜蛋白受損16

一、酶在生物體內(nèi)所催化的形形色色的化學反應，按生理功能可歸納為四類：1、執(zhí)行某種具體的生理功能；2、擔負保衛(wèi)清除功能；3、協(xié)同激素起生物信號放大作用；4、催化和調(diào)控代謝反應。1、執(zhí)行某種具體的生理功能；171、執(zhí)行某種具體的生理功能

例如：

神經(jīng)傳導是由神經(jīng)末稍中的乙酰膽堿酯酶來傳導神經(jīng)沖動的；肌纖-ATP酶和肌肉收縮有關；

Na+、K+-ATP酶在細胞膜的主動運輸中的“鈉泵作用”。1、執(zhí)行某種具體的生理功能例如：18Na+、K+泵模式圖Na+、K+泵模式圖192、擔負保衛(wèi)清除功能

（可能是單個酶、或多酶混合物、或一個酶系通過級聯(lián)系統(tǒng)發(fā)揮作用）

例如：能直接移除自由基O2-，防止毒性過氧化脂質生成的超氧化物歧化酶(SOD)；

能降解外來DNA的限制性內(nèi)切酶(RD)。

凝血酶；溶酶體的水解酶；2、擔負保衛(wèi)清除功能

（可能是單個酶、或多酶混合物、或一個酶203、協(xié)同激素起生物信號傳遞與放大作用

細胞外信號傳遞的兩種方式:

●信號分子在胞外與質膜載體蛋白結合,直接進入靶細胞,然后以信號分子本身或以其轉化產(chǎn)物作為細胞內(nèi)信號發(fā)揮作用（如疏水的甾體激素）；

●信號分子在胞外與質膜上的受體蛋白結合,導致后者發(fā)生構象改變,在胞內(nèi)形成新的信號分子——第二信使（ｃAMP和Ca+2等)，再通過相應的酶，調(diào)節(jié)靶細胞性態(tài);（包括親水性的大部分腺體分泌的激素、神經(jīng)傳質、和局部化學調(diào)節(jié)物質）

3、協(xié)同激素起生物信號傳遞與放大作用

21

例:以腺甘酸環(huán)化酶為例(受體、腺苷酸環(huán)化酶、cAMP和蛋白激酶體系)：

被激活的腺甘酸環(huán)化酶催化ATP形成cAMP,cAMP作為第二信使激活蛋白激酶，從而引起細胞內(nèi)部功能一系列的變化。（cAMP是中心環(huán)節(jié)，其形成與分解由腺苷酸環(huán)化酶與磷酸二脂酶調(diào)節(jié)控制）。例:以腺甘酸環(huán)化酶為例(受體、腺苷酸環(huán)22腺甘酸環(huán)化酶協(xié)同腎上腺素激活糖原磷酸化酶腺甘酸環(huán)化酶協(xié)同腎上腺素激活糖原磷酸化酶234、催化、調(diào)控代謝反應

酶最主要、也是最基本的生物學功能就是催化調(diào)控代謝反應；建立起各種代謝途徑和體系，為生物體的生存發(fā)展、為形形色色的生命活動提供物質基礎和能量來源。正常情況下，生物體并不要求每個酶處于最有效的催化狀態(tài)，而是要求有快有慢，適應內(nèi)外環(huán)境的變化；

酶在生物體內(nèi)催化作用是通過調(diào)控來實現(xiàn)的，一個失去調(diào)控能力的酶是無意義的、甚至是有害的。4、催化、調(diào)控代謝反應酶最主要、也是最基本的生物學功24

在長期的進化、選擇過程中，為適應外界環(huán)境變化，滿足生理功能的需要，生物體形成了一整套調(diào)節(jié)機制。

可分為兩大類調(diào)節(jié)機制：

1、酶合成水平上的調(diào)節(jié)；

2、酶結構活性水平上的調(diào)節(jié)；在長期的進化、選擇過程中，為適應外界環(huán)境變化，25不同的調(diào)控機制紛紛提出：

共價修飾調(diào)節(jié)（可逆，不可逆）；

反饋調(diào)節(jié)（別構調(diào)節(jié)）；

存在方式調(diào)節(jié)（多酶體系）；

濃度調(diào)節(jié)（合成降解調(diào)節(jié))；

生理調(diào)節(jié)(激素調(diào)節(jié))；

寡聚酶的聚合、解聚調(diào)節(jié)；

外部條件調(diào)節(jié)（抑制與激活、pH、輔酶濃度、金屬離子等）。

不同的調(diào)控機制紛紛提出：共價修飾調(diào)節(jié)（可逆，不可逆26二、酶的生物合成所有的酶都由生物體合成，幾乎所有生物都能合成產(chǎn)生酶

酶在生物體內(nèi)的合成總是受其相應合成調(diào)節(jié)機制控制，以保證機體最有效、經(jīng)濟地將體內(nèi)合成原料與能量用于自身生命最需要的酶等物質。

二、酶的生物合成27

1、酶基因表達的中心法則1958年由Crick提出的基因表達的

中心法則（DNAcentraldogma）認為：

蛋白質生物合成完全受控于DNA,DNA控制著蛋白質合成的遺傳信息，其本質是將DNA傳遞到mRNA的遺傳信息，在tRNA及一系列其他蛋白因子的參與下，將其翻譯成多肽的過程。

DNA轉錄mRNA翻譯蛋白質

1、酶基因表達的中心法則28酶工程-第一節(jié)-酶的生物學功能課件29

中心法則指出：

A.酶基因以密碼形式編碼在DNA分子上。B.酶基因表達的調(diào)控環(huán)節(jié)是轉錄。原核生物的轉錄過程較為清楚，我們以原核生物為例來說明轉錄過程對基因表達的調(diào)控，現(xiàn)在普遍接受是操縱子模型。

中心法則指出：30

2、原核生物的操縱子模型

操縱子模型操縱子（Operon）模型是1961年由J.Monod和F.Jacob在提出mRNA的概念時同時提出的。所謂操縱子是指原核生物上基因的一種組織方式，包括功能上相關的幾個蛋白基因（結構基因）和一個共同的調(diào)控區(qū)域。它是基因表達的調(diào)控單位。

2、原核生物的操縱子模型操縱子模型31乳糖操縱子模型乳糖操縱子模型32

操縱子調(diào)節(jié)方式操縱子調(diào)節(jié)轉錄的具體方式有誘導和阻遏兩種。

誘導：在正常情況下不表達或僅在底水平上表達的酶如遇誘導物則大量合成的現(xiàn)象。

阻遏：通常情況下，某些酶在生物生長發(fā)育中以一定速度正常合成，但是當它們的作用產(chǎn)物積累到一定濃度水平能滿足生物本身的需要時，這些酶的合成就受到抑制的現(xiàn)象。操縱子調(diào)節(jié)方式33

酶的誘導酶的阻遏酶的誘導酶的阻遏34三、酶在生物體內(nèi)的分布GPT與尿激酶、心肌中的細胞色素氧化酶

生物體自身需要決定了酶的生物合成，酶的生物合成機制決定了酶在生物體內(nèi)的分布和所處環(huán)境狀態(tài)；所以：它們或定位于某亞細胞結構上處于“溶解”狀態(tài)；不同生物體細胞內(nèi)酶的數(shù)量和種類不同；同一生物體內(nèi)的不同部位或不同生長發(fā)育階段的細胞內(nèi)酶的數(shù)量、種類不同；

SOD三、酶在生物體內(nèi)的分布GPT與尿激酶、心肌中的細胞色35

對微生物酶來說，合成后分泌有兩種情況：

1、胞外酶（分泌型酶）是指可以穿過質膜的任何酶，大多數(shù)是水解酶，大多數(shù)工業(yè)用酶是胞外酶。

優(yōu)點：它比胞內(nèi)酶容易回收、純化，不必將細胞破碎，也不用去核酸，容易獲得高產(chǎn)。對微生物酶來說，合成后分泌有兩種情況：1、胞36

胞外酶的分泌位置由細胞和酶的結構所決定

革蘭氏陽性菌的外殼由細胞質膜和包在膜外面的壁組成。其有兩類胞外酶：

合成后分泌到培養(yǎng)基中，如芽孢桿菌的淀粉酶、蛋白酶。

分泌蛋白穿過質膜后，結合于膜表面的胞外酶，當細胞形成原生質體時可部分或全部從膜上釋放，如地衣芽孢桿菌的堿性磷酸酯酶和-葡萄糖苷酶。

革蘭氏陰性菌有4種不同位置的分泌型酶：分泌蛋白結合在內(nèi)膜外表面、分布在周質中、結合在外膜上、分泌到培養(yǎng)基中。胞外酶的分泌位置由細胞和酶的結構所決定37

基因工程中外源蛋白最終在周質中表達的情況，常給工作帶來許多麻煩。用基因工程手段獲得的微生物高產(chǎn)外源酶常會被宿主本身的蛋白酶迅速降解。因此，盡可能的使產(chǎn)生的外源酶分泌到細胞質膜外，是穩(wěn)定外源酶的有效措施之一。關于胞外酶分泌機制現(xiàn)在有一種信號肽假說?；蚬こ讨型庠吹鞍鬃罱K在周質中表達的情況，常38信號肽假說機理圖信號肽假說機理圖392、胞內(nèi)酶

是指合成后仍然在細胞內(nèi)發(fā)揮作用的酶。

細胞本身結構的非均一性決定了酶分布和所處狀態(tài)非均一，或處于“溶解”狀態(tài)，或定位結合于某一特定的亞細胞結構中；由于細胞器的分工，某些酶對特定細胞來說是獨有或主要的；各細胞器上往往集中了具各自特征的酶系統(tǒng)（標記酶）。2、胞內(nèi)酶是指合成后仍然在細胞內(nèi)發(fā)揮作用的酶。40

對于標記酶,有以下幾例：質膜：主要兩種：Na+、K+-ATP酶、腺甘酸環(huán)化酶；細胞核：主要是擔負DNA與RNA合成的酶。如：RNA甲基轉移酶、乳酸脫氫酶等；

線粒體：主要集中了參與三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、呼吸鏈、氧化磷酸化等與能量代謝有關的酶和酶系。如：NADH脫氫酶、己糖激酶等；溶酶體：各種水解酶（約60種左右）；內(nèi)質網(wǎng)：蛋白質合成、脂類合成、藥物轉化的酶。如：細胞色素還原酶、膽固醇?；D移酶；對于標記酶,有以下幾例：41四、酶的分類命名

酶的分類命名原則1961年,國際生化聯(lián)合會酶委員會(InternationalCommissionofEnzyme)制定了國際系統(tǒng)分類命名原則，已為各國普遍接受。四、酶的分類命名酶的分類命名原則42

習慣命名法的依據(jù)：根據(jù)——酶的底物酶的來源酶的反應最佳條件酶的反應性質也有結合兩點來命名

簡單、方便，但缺少系統(tǒng)性常出現(xiàn)一酶數(shù)名、一名數(shù)酶。習慣命名法的依據(jù)：43系統(tǒng)命名與習慣命名催化反應:Ala+α-酮戊二酸→Glu+丙酮酸習慣用名：谷丙轉氨酶系統(tǒng)命名：丙氨酸：α-酮戊二酸氨基轉移酶

一種酶可同時采用系統(tǒng)命名和習慣命名。兩者都有兩部分組成：某某底物+某某反應類型+酶。不同點是系統(tǒng)命名中要求更嚴格、詳細。系統(tǒng)命名與習慣命名催化反應:44

1、氧化還原酶（脫氫、加氫的方式）2、轉移酶（功能基團的轉移）3、水解酶（水參加的分子分解）4、裂解酶（非水介性、非氧化性分解）5、異構酶（底物異構化）6、合成酶（分子連接）酶系統(tǒng)分類命名的基礎是酶的專一性：酶系統(tǒng)分類命名的基礎是酶的專一性：45

酶分類可采用4位標碼：

第一位：屬于六大類中的哪一類；第二位：屬于該大類中的哪一亞類；第三位：該亞類中的哪一小類：第四位：具體酶在該小類中的序號。比如，葡萄糖氧化酶的系統(tǒng)標號為：[EC]酶分類可采用4位標碼：46

酶（enzyme)是生物體活細胞產(chǎn)生的、具有催化反應功能的蛋白質。酶（enzyme)是生物體活細胞產(chǎn)生的、具有催47

近百年來，對酶的研究一直是沿兩個方向發(fā)展而取得成果：

（一）、理論研究方向脲酶結晶的獲得與蛋白質本質鎖匙學說與誘導契合學說中間絡合物學說與酶促反應動力學酶作用機理（酶理化性質及催化性質）的研究酶蛋白質一級結構測定方法酶蛋白分子結構與功能的關系近百年來，對酶的研究一直是沿兩個方48

（二）、從應用研究來看1、酶制劑的分離、提純、大批量生產(chǎn)及新酶的開發(fā)；2、酶生產(chǎn)中的基因工程技術的應用；3、酶分子的改造(修飾、模擬與抗體酶等）；4、酶與細胞的固定化；5、酶制劑的應用性開發(fā)；6、生物催化；7、酶抑制劑、激活劑開發(fā)及應用研究；8、酶反應器的研究（包括反應檢測、酶傳感器）；（二）、從應用研究來看1、酶制劑的分離、提純、大批49特別是——

20世紀中期，隨著微生物發(fā)酵技術和酶分離純化技術提高，酶制劑生產(chǎn)開始走向規(guī)模化。固定化技術、基因工程技術的應用、使酶的適應性更加提高，多種類型的酶制劑（固定化酶、人工酶、抗體酶、化學修飾酶和模擬酶等）實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。酶在工農(nóng)業(yè)、人口與健康（醫(yī)藥食品）、環(huán)境保護等方面的應用日益廣泛。

酶制劑已成為現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)中一個不可缺少的組成部分，酶工程技術已成為生物工程技術的主要支柱之一。所以，加強酶學理論的研究及應用技術的開發(fā)，已成為現(xiàn)代生物技術的主題。

特別是——20世紀中期，隨著微生50

概括地說——

酶學是生物化學的重要分支；

酶工程（EnzymeEngineering）是生物工程的主要內(nèi)容之一，是隨著酶學研究迅速發(fā)展、特別是酶的應用推廣，使酶學和工程學相互滲透結合，發(fā)展而成的一門新的技術科學。

現(xiàn)代生命科學的前沿課題如生物信息學、基因組學、結構生物學等無一能離開酶。酶及其轉化產(chǎn)品是生物工程產(chǎn)業(yè)的主導產(chǎn)品。

概括地說——51我們?yōu)槭裁粗匾暶?？生命活動離不開酶；酶在現(xiàn)代生命科學研究中的重要作用；酶制劑與人類衣食住行休戚相關；生物催化改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)我們?yōu)槭裁粗匾暶?？生命活動離不開酶；52

課時：36學時

教材：酶學（復旦大學出版社）

羅九甫:jfluo@

62932942

54744350

課時：36學時

教材：酶學53本課程教學指導思想適應現(xiàn)代社會發(fā)展需要的人才三要素：知識---專業(yè)、人文；能力---外語、計祘機、自學能力；素質---人品、善于規(guī)范自己和與人際溝通合作；所以——授以魚莫如授以漁加強參與性、體現(xiàn)主動學習本課程教學指導思想適應現(xiàn)代社會發(fā)展需要的人才三要素：54第一章酶的基礎知識§1、酶的生物學作用§2、酶的結構與催化機制§3、酶活性的調(diào)節(jié)方式§4、酶分析法第二章酶的生產(chǎn)與改造§5、酶的生產(chǎn)與分離純化§6、酶分子修飾與模擬§7、酶的固定化§8、抗體酶課時安排（15講）第一章酶的基礎知識課時安排（15講）55第三章酶制劑工業(yè)及其應用§9、酶制劑工業(yè)及應用§10、酶在現(xiàn)代生命科學研究中的應用§11、酶抑制劑與藥物設計第四章生物催化§12、生物催化改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實例

§13、酶法生產(chǎn)--§14、手性化合物的生物合成與轉化§15、酶反應器、生物傳感器（21世紀酶工程進展）

第三章酶制劑工業(yè)及其應用56主要參考書：酶學陳石根周潤琦編著復旦大學出版社現(xiàn)代酶學袁勤生主編華東理工大學出版社酶工程羅貫民主編化學工業(yè)出版社酶制劑工業(yè)張樹政主編科學出版社酶和酶工程羅九甫編上海交通大學出版社主要參考書：57作業(yè)選題一、某種酶制劑（如端粒酶、溶菌酶、幾丁質酶、尿激酶等）二、酶法生物轉化生產(chǎn)某產(chǎn)品（如苯丙氨酸、丙烯酰胺、某氨基酸等）三、酶的生物學作用如：酶與疾?。ㄈ鏗iv病毒、蠶豆病、遺傳病等）酶與代謝、遺傳、DNA修飾等四、酶的應用如：工具酶酶電極原理及其應用（葡萄糖氧化酶電極或尿酶電極等）酶在環(huán)境治理與檢測、醫(yī)藥臨床、食品、輕工等酶抑制劑與藥物設計五、酶的基本知識與基本理論如：酶與細胞的固定化、酶的生產(chǎn)、純化、分析、動力學、酶的輔助因子等六、酶研究動態(tài)如：抗體酶、手性化合物酶法拆分、酶的修飾和模擬酶與分子生物學、21世紀酶研究進展等

作業(yè)選題一、某種酶制劑（如端粒酶、溶菌酶、幾丁質酶、尿激酶等58

酶的種類很多，至今生物界已發(fā)現(xiàn)的酶達3000多種，一些單細胞生物體中至少含有數(shù)百種以上，人體細胞含酶種類更多。目前人體內(nèi)已確認的酶有1000多種，相互有關聯(lián)的酶組成酶體系，分布在特定的細胞組分中參與肌體的代謝活動。生物體內(nèi)的各種物質代謝、能量傳遞、信息轉錄、神經(jīng)傳導、免疫調(diào)節(jié)、細胞衰老及生長發(fā)育等等，都離不開酶的參與。可以說沒有酶便不能進行新陳代謝，便沒有生命。

第一節(jié)酶的生物學功能酶的種類很多，至今生物界已發(fā)現(xiàn)的酶達3000多種，一59

在生物體內(nèi)，許多復雜化學變化都按一定途徑，根據(jù)生命活動需要進行得極為順利，相互聯(lián)系又相互制約，迅速而又有條不紊。這種使化學變化變得容易發(fā)生和迅速進行的根本原因，就是生物體內(nèi)普遍存在著生物催化劑—酶?？梢哉f離開了酶在生物體內(nèi)的催化作用，生命也就停止了。

在生物體內(nèi)，許多復雜化學變化都按一定途徑，根據(jù)生命活動需60

苯酮尿癥（PKU癥）

——苯丙氨酸羥化酶（苯丙氨酸4-單加氧酶）缺乏癥

苯丙氨酸+-酮戊二酸苯丙酮酸

沙林試劑（甲氟磷酸異丙酯）

——作用于傳遞神經(jīng)細胞間信號的膽堿酯酶，

1毫克足以麻痹呼吸肌

有機磷、氰化物、重金屬等中毒

抑制體內(nèi)含巰基（-SH）的酶

苯酮尿癥（PKU癥）

——苯丙氨酸羥化酶（苯61

蠶豆?。℅6PD缺乏而引起紅細胞膜蛋白受損易惹發(fā)溶血）

6-磷酸葡萄糖

NADP

2GSH（還原型）

蠶豆細胞毒素（香豌豆嘧啶異尿咪）

磷酸戊谷胱甘肽糖途徑還原酶

G6PD

NADPHH

6-磷酸葡萄糖酸

GSSG（氧化型）

（正常時GSH與GSSG之比為500，保護血液中紅細胞不受氧化損傷并消除H2O2的毒害）蠶豆?。℅6PD缺乏而引起紅細胞膜蛋白受損62

一、酶在生物體內(nèi)所催化的形形色色的化學反應，按生理功能可歸納為四類：1、執(zhí)行某種具體的生理功能；2、擔負保衛(wèi)清除功能；3、協(xié)同激素起生物信號放大作用；4、催化和調(diào)控代謝反應。1、執(zhí)行某種具體的生理功能；631、執(zhí)行某種具體的生理功能

例如：

神經(jīng)傳導是由神經(jīng)末稍中的乙酰膽堿酯酶來傳導神經(jīng)沖動的；肌纖-ATP酶和肌肉收縮有關；

Na+、K+-ATP酶在細胞膜的主動運輸中的“鈉泵作用”。1、執(zhí)行某種具體的生理功能例如：64Na+、K+泵模式圖Na+、K+泵模式圖652、擔負保衛(wèi)清除功能

（可能是單個酶、或多酶混合物、或一個酶系通過級聯(lián)系統(tǒng)發(fā)揮作用）

例如：能直接移除自由基O2-，防止毒性過氧化脂質生成的超氧化物歧化酶(SOD)；

能降解外來DNA的限制性內(nèi)切酶(RD)。

凝血酶；溶酶體的水解酶；2、擔負保衛(wèi)清除功能

（可能是單個酶、或多酶混合物、或一個酶663、協(xié)同激素起生物信號傳遞與放大作用

細胞外信號傳遞的兩種方式:

●信號分子在胞外與質膜載體蛋白結合,直接進入靶細胞,然后以信號分子本身或以其轉化產(chǎn)物作為細胞內(nèi)信號發(fā)揮作用（如疏水的甾體激素）；

●信號分子在胞外與質膜上的受體蛋白結合,導致后者發(fā)生構象改變,在胞內(nèi)形成新的信號分子——第二信使（ｃAMP和Ca+2等)，再通過相應的酶，調(diào)節(jié)靶細胞性態(tài);（包括親水性的大部分腺體分泌的激素、神經(jīng)傳質、和局部化學調(diào)節(jié)物質）

3、協(xié)同激素起生物信號傳遞與放大作用

67

例:以腺甘酸環(huán)化酶為例(受體、腺苷酸環(huán)化酶、cAMP和蛋白激酶體系)：

被激活的腺甘酸環(huán)化酶催化ATP形成cAMP,cAMP作為第二信使激活蛋白激酶，從而引起細胞內(nèi)部功能一系列的變化。（cAMP是中心環(huán)節(jié)，其形成與分解由腺苷酸環(huán)化酶與磷酸二脂酶調(diào)節(jié)控制）。例:以腺甘酸環(huán)化酶為例(受體、腺苷酸環(huán)68腺甘酸環(huán)化酶協(xié)同腎上腺素激活糖原磷酸化酶腺甘酸環(huán)化酶協(xié)同腎上腺素激活糖原磷酸化酶694、催化、調(diào)控代謝反應

酶最主要、也是最基本的生物學功能就是催化調(diào)控代謝反應；建立起各種代謝途徑和體系，為生物體的生存發(fā)展、為形形色色的生命活動提供物質基礎和能量來源。正常情況下，生物體并不要求每個酶處于最有效的催化狀態(tài)，而是要求有快有慢，適應內(nèi)外環(huán)境的變化；

酶在生物體內(nèi)催化作用是通過調(diào)控來實現(xiàn)的，一個失去調(diào)控能力的酶是無意義的、甚至是有害的。4、催化、調(diào)控代謝反應酶最主要、也是最基本的生物學功70

在長期的進化、選擇過程中，為適應外界環(huán)境變化，滿足生理功能的需要，生物體形成了一整套調(diào)節(jié)機制。

可分為兩大類調(diào)節(jié)機制：

1、酶合成水平上的調(diào)節(jié)；

2、酶結構活性水平上的調(diào)節(jié)；在長期的進化、選擇過程中，為適應外界環(huán)境變化，71不同的調(diào)控機制紛紛提出：

共價修飾調(diào)節(jié)（可逆，不可逆）；

反饋調(diào)節(jié)（別構調(diào)節(jié)）；

存在方式調(diào)節(jié)（多酶體系）；

濃度調(diào)節(jié)（合成降解調(diào)節(jié))；

生理調(diào)節(jié)(激素調(diào)節(jié))；

寡聚酶的聚合、解聚調(diào)節(jié)；

外部條件調(diào)節(jié)（抑制與激活、pH、輔酶濃度、金屬離子等）。

不同的調(diào)控機制紛紛提出：共價修飾調(diào)節(jié)（可逆，不可逆72二、酶的生物合成所有的酶都由生物體合成，幾乎所有生物都能合成產(chǎn)生酶

酶在生物體內(nèi)的合成總是受其相應合成調(diào)節(jié)機制控制，以保證機體最有效、經(jīng)濟地將體內(nèi)合成原料與能量用于自身生命最需要的酶等物質。

二、酶的生物合成73

1、酶基因表達的中心法則1958年由Crick提出的基因表達的

中心法則（DNAcentraldogma）認為：

蛋白質生物合成完全受控于DNA,DNA控制著蛋白質合成的遺傳信息，其本質是將DNA傳遞到mRNA的遺傳信息，在tRNA及一系列其他蛋白因子的參與下，將其翻譯成多肽的過程。

DNA轉錄mRNA翻譯蛋白質

1、酶基因表達的中心法則74酶工程-第一節(jié)-酶的生物學功能課件75

中心法則指出：

A.酶基因以密碼形式編碼在DNA分子上。B.酶基因表達的調(diào)控環(huán)節(jié)是轉錄。原核生物的轉錄過程較為清楚，我們以原核生物為例來說明轉錄過程對基因表達的調(diào)控，現(xiàn)在普遍接受是操縱子模型。

中心法則指出：76

2、原核生物的操縱子模型

操縱子模型操縱子（Operon）模型是1961年由J.Monod和F.Jacob在提出mRNA的概念時同時提出的。所謂操縱子是指原核生物上基因的一種組織方式，包括功能上相關的幾個蛋白基因（結構基因）和一個共同的調(diào)控區(qū)域。它是基因表達的調(diào)控單位。

2、原核生物的操縱子模型操縱子模型77乳糖操縱子模型乳糖操縱子模型78

操縱子調(diào)節(jié)方式操縱子調(diào)節(jié)轉錄的具體方式有誘導和阻遏兩種。

誘導：在正常情況下不表達或僅在底水平上表達的酶如遇誘導物則大量合成的現(xiàn)象。

阻遏：通常情況下，某些酶在生物生長發(fā)育中以一定速度正常合成，但是當它們的作用產(chǎn)物積累到一定濃度水平能滿足生物本身的需要時，這些酶的合成就受到抑制的現(xiàn)象。操縱子調(diào)節(jié)方式79

酶的誘導酶的阻遏酶的誘導酶的阻遏80三、酶在生物體內(nèi)的分布GPT與尿激酶、心肌中的細胞色素氧化酶

生物體自身需要決定了酶的生物合成，酶的生物合成機制決定了酶在生物體內(nèi)的分布和所處環(huán)境狀態(tài)；所以：它們或定位于某亞細胞結構上處于“溶解”狀態(tài)；不同生物體細胞內(nèi)酶的數(shù)量和種類不同；同一生物體內(nèi)的不同部位或不同生長發(fā)育階段的細胞內(nèi)酶的數(shù)量、種類不同；

SOD三、酶在生物體內(nèi)的分布GPT與尿激酶、心肌中的細胞色81

對微生物酶來說，合成后分泌有兩種情況：

1、胞外酶（分泌型酶）是指可以穿過質膜的任何酶，大多數(shù)是水解酶，大多數(shù)工業(yè)用酶是胞外酶。

優(yōu)點：它比胞內(nèi)酶容