酶工程第一節(jié)酶的生物學(xué)功能

關(guān)于酶工程第一節(jié)酶的生物學(xué)功能

酶（enzyme)是生物體活細(xì)胞產(chǎn)生的、具有催化反應(yīng)功能的蛋白質(zhì)。第2頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

近百年來(lái)，對(duì)酶的研究一直是沿兩個(gè)方向發(fā)展而取得成果：

（一）、理論研究方向脲酶結(jié)晶的獲得與蛋白質(zhì)本質(zhì)鎖匙學(xué)說(shuō)與誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)中間絡(luò)合物學(xué)說(shuō)與酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶作用機(jī)理（酶理化性質(zhì)及催化性質(zhì)）的研究酶蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定方法酶蛋白分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第3頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（二）、從應(yīng)用研究來(lái)看1、酶制劑的分離、提純、大批量生產(chǎn)及新酶的開(kāi)發(fā)；2、酶生產(chǎn)中的基因工程技術(shù)的應(yīng)用；3、酶分子的改造(修飾、模擬與抗體酶等）；4、酶與細(xì)胞的固定化；5、酶制劑的應(yīng)用性開(kāi)發(fā)；6、生物催化；7、酶抑制劑、激活劑開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究；8、酶反應(yīng)器的研究（包括反應(yīng)檢測(cè)、酶?jìng)鞲衅鳎坏?頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天特別是——

20世紀(jì)中期，隨著微生物發(fā)酵技術(shù)和酶分離純化技術(shù)提高，酶制劑生產(chǎn)開(kāi)始走向規(guī)?；９潭ɑ夹g(shù)、基因工程技術(shù)的應(yīng)用、使酶的適應(yīng)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(xué)修飾酶和模擬酶等）實(shí)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(hù)等方面的應(yīng)用日益廣泛。

酶制劑已成為現(xiàn)代生物產(chǎn)業(yè)中一個(gè)不可缺少的組成部分，酶工程技術(shù)已成為生物工程技術(shù)的主要支柱之一。所以，加強(qiáng)酶學(xué)理論的研究及應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)，已成為現(xiàn)代生物技術(shù)的主題。

第5頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

概括地說(shuō)——

酶學(xué)是生物化學(xué)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(xué)研究迅速發(fā)展、特別是酶的應(yīng)用推廣，使酶學(xué)和工程學(xué)相互滲透結(jié)合，發(fā)展而成的一門新的技術(shù)科學(xué)。

現(xiàn)代生命科學(xué)的前沿課題如生物信息學(xué)、基因組學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等無(wú)一能離開(kāi)酶。

酶及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)品是生物工程產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。

第6頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

我們?yōu)槭裁粗匾暶?？生命活?dòng)離不開(kāi)酶；酶在現(xiàn)代生命科學(xué)研究中的重要作用；酶制劑與人類衣食住行休戚相關(guān)；生物催化改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)第7頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

課時(shí)：36學(xué)時(shí)

教材：酶學(xué)（復(fù)旦大學(xué)出版社）

羅九甫:jfluo@

62932942

54744350

第8頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天本課程教學(xué)指導(dǎo)思想

適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需要的人才三要素：知識(shí)---專業(yè)、人文；能力---外語(yǔ)、計(jì)祘機(jī)、自學(xué)能力；素質(zhì)---人品、善于規(guī)范自己和與人際溝通合作；所以——授以魚(yú)莫如授以漁加強(qiáng)參與性、體現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)第9頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章酶的基礎(chǔ)知識(shí)

§1、酶的生物學(xué)作用

§2、酶的結(jié)構(gòu)與催化機(jī)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(shí)安排（15講）第10頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三章酶制劑工業(yè)及其應(yīng)用

§9、酶制劑工業(yè)及應(yīng)用

§10、酶在現(xiàn)代生命科學(xué)研究中的應(yīng)用

§11、酶抑制劑與藥物設(shè)計(jì)第四章生物催化

§12、生物催化改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)例

§13、酶法生產(chǎn)--§14、手性化合物的生物合成與轉(zhuǎn)化

§15、酶反應(yīng)器、生物傳感器（21世紀(jì)酶工程進(jìn)展）

第11頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天主要參考書(shū)：酶學(xué)陳石根周潤(rùn)琦編著復(fù)旦大學(xué)出版社現(xiàn)代酶學(xué)袁勤生主編華東理工大學(xué)出版社酶工程羅貫民主編化學(xué)工業(yè)出版社酶制劑工業(yè)張樹(shù)政主編科學(xué)出版社酶和酶工程羅九甫編上海交通大學(xué)出版社第12頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天作業(yè)選題一、某種酶制劑（如端粒酶、溶菌酶、幾丁質(zhì)酶、尿激酶等）二、酶法生物轉(zhuǎn)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(xué)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(yīng)用如：工具酶酶電極原理及其應(yīng)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(cè)、醫(yī)藥臨床、食品、輕工等酶抑制劑與藥物設(shè)計(jì)五、酶的基本知識(shí)與基本理論如：酶與細(xì)胞的固定化、酶的生產(chǎn)、純化、分析、動(dòng)力學(xué)、酶的輔助因子等六、酶研究動(dòng)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(xué)、21世紀(jì)酶研究進(jìn)展等

第13頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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

第一節(jié)酶的生物學(xué)功能第14頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在生物體內(nèi)，許多復(fù)雜化學(xué)變化都按一定途徑，根據(jù)生命活動(dòng)需要進(jìn)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(xué)變化變得容易發(fā)生和迅速進(jìn)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(shuō)離開(kāi)了酶在生物體內(nèi)的催化作用，生命也就停止了。

第15頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(xì)胞間信號(hào)的膽堿酯酶，

1毫克足以麻痹呼吸肌

有機(jī)磷、氰化物、重金屬等中毒

抑制體內(nèi)含巰基（-SH）的酶

第16頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

蠶豆病（G6PD缺乏而引起紅細(xì)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(xì)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(shí)GSH與GSSG之比為500，保護(hù)血液中紅細(xì)胞不受氧化損傷并消除H2O2的毒害）第17頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

一、酶在生物體內(nèi)所催化的形形色色的化學(xué)反應(yīng)，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(dān)負(fù)保衛(wèi)清除功能；3、協(xié)同激素起生物信號(hào)放大作用；4、催化和調(diào)控代謝反應(yīng)。第18頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、執(zhí)行某種具體的生理功能

例如：

神經(jīng)傳導(dǎo)是由神經(jīng)末稍中的乙酰膽堿酯酶來(lái)傳導(dǎo)神經(jīng)沖動(dòng)的；

肌纖-ATP酶和肌肉收縮有關(guān)；

Na+、K+-ATP酶在細(xì)胞膜的主動(dòng)運(yùn)輸中的“鈉泵作用”。第19頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天Na+、K+泵模式圖第20頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、擔(dān)負(fù)保衛(wèi)清除功能

（可能是單個(gè)酶、或多酶混合物、或一個(gè)酶系通過(guò)級(jí)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(guò)氧化脂質(zhì)生成的超氧化物歧化酶(SOD)；

能降解外來(lái)DNA的限制性內(nèi)切酶(RD)。

凝血酶；

溶酶體的水解酶；第21頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、協(xié)同激素起生物信號(hào)傳遞與放大作用

細(xì)胞外信號(hào)傳遞的兩種方式:

●信號(hào)分子在胞外與質(zhì)膜載體蛋白結(jié)合,直接進(jìn)入靶細(xì)胞,然后以信號(hào)分子本身或以其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物作為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)發(fā)揮作用（如疏水的甾體激素）；

●信號(hào)分子在胞外與質(zhì)膜上的受體蛋白結(jié)合,導(dǎo)致后者發(fā)生構(gòu)象改變,在胞內(nèi)形成新的信號(hào)分子——第二信使（ｃAMP和Ca+2等)，再通過(guò)相應(yīng)的酶，調(diào)節(jié)靶細(xì)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(zhì)、和局部化學(xué)調(diào)節(jié)物質(zhì)）

第22頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(xì)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）。第23頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天腺甘酸環(huán)化酶協(xié)同腎上腺素激活糖原磷酸化酶第24頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天4、催化、調(diào)控代謝反應(yīng)

酶最主要、也是最基本的生物學(xué)功能就是催化調(diào)控代謝反應(yīng)；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(dòng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量來(lái)源。

正常情況下，生物體并不要求每個(gè)酶處于最有效的催化狀態(tài)，而是要求有快有慢，適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化；

酶在生物體內(nèi)催化作用是通過(guò)調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)失去調(diào)控能力的酶是無(wú)意義的、甚至是有害的。第25頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

在長(zhǎng)期的進(jìn)化、選擇過(guò)程中，為適應(yīng)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(jī)制。

可分為兩大類調(diào)節(jié)機(jī)制：

1、酶合成水平上的調(diào)節(jié)；

2、酶結(jié)構(gòu)活性水平上的調(diào)節(jié)；第26頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天不同的調(diào)控機(jī)制紛紛提出：

共價(jià)修飾調(diào)節(jié)（可逆，不可逆）；

反饋調(diào)節(jié)（別構(gòu)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）。

第27頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(yīng)合成調(diào)節(jié)機(jī)制控制，以保證機(jī)體最有效、經(jīng)濟(jì)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(zhì)。

第28頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1、酶基因表達(dá)的中心法則

1958年由Crick提出的基因表達(dá)的

中心法則（DNAcentraldogma）認(rèn)為：

蛋白質(zhì)生物合成完全受控于DNA,DNA控制著蛋白質(zhì)合成的遺傳信息，其本質(zhì)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(guò)程。

DNA轉(zhuǎn)錄

mRNA翻譯蛋白質(zhì)

第29頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天第30頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(dá)的調(diào)控環(huán)節(jié)是轉(zhuǎn)錄。原核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程較為清楚，我們以原核生物為例來(lái)說(shuō)明轉(zhuǎn)錄過(guò)程對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控，現(xiàn)在普遍接受是操縱子模型。

第31頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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(shí)同時(shí)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(guān)的幾個(gè)蛋白基因（結(jié)構(gòu)基因）和一個(gè)共同的調(diào)控區(qū)域。它是基因表達(dá)的調(diào)控單位。

第32頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天乳糖操縱子模型第33頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

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

誘導(dǎo)：在正常情況下不表達(dá)或僅在底水平上表達(dá)的酶如遇誘導(dǎo)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(zhǎng)發(fā)育中以一定速度正常合成，但是當(dāng)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(shí)，這些酶的合成就受到抑制的現(xiàn)象。第34頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

酶的誘導(dǎo)酶的阻遏第35頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

三、酶在生物體內(nèi)的分布GPT與尿激酶、心肌中的細(xì)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(jī)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(xì)胞結(jié)構(gòu)上處于“溶解”狀態(tài)；

不同生物體細(xì)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(zhǎng)發(fā)育階段的細(xì)胞內(nèi)酶的數(shù)量、種類不同；

SOD第36頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

對(duì)微生物酶來(lái)說(shuō)，合成后分泌有兩種情況：

1、胞外酶（分泌型酶）是指可以穿過(guò)質(zhì)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(diǎn)：它比胞內(nèi)酶容易回收、純化，不必將細(xì)胞破碎，也不用去核酸，容易獲得高產(chǎn)。第37頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

胞外酶的分泌位置由細(xì)胞和酶的結(jié)構(gòu)所決定

革蘭氏陽(yáng)性菌的外殼由細(xì)胞質(zhì)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(guò)質(zhì)膜后，結(jié)合于膜表面的胞外酶，當(dāng)細(xì)胞形成原生質(zhì)體時(shí)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(jié)合在內(nèi)膜外表面、分布在周質(zhì)中、結(jié)合在外膜上、分泌到培養(yǎng)基中。第38頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

基因工程中外源蛋白最終在周質(zhì)中表達(dá)的情況，常給工作帶來(lái)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(huì)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(xì)胞質(zhì)膜外，是穩(wěn)定外源酶的有效措施之一。關(guān)于胞外酶分泌機(jī)制現(xiàn)在有一種信號(hào)肽假說(shuō)。第39頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天信號(hào)肽假說(shuō)機(jī)理圖第40頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天2、胞內(nèi)酶

是指合成后仍然在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用的酶。

細(xì)胞本身結(jié)構(gòu)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(jié)合于某一特定的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中；由于細(xì)胞器的分工，某些酶對(duì)特定細(xì)胞來(lái)說(shuō)是獨(dú)有或主要的；各細(xì)胞器上往往集中了具各自特征的酶系統(tǒng)（標(biāo)記酶）。第41頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

對(duì)于標(biāo)記酶,有以下幾例：質(zhì)膜：主要兩種：Na+、K+-ATP酶、腺甘酸環(huán)化酶；細(xì)胞核：主要是擔(dān)負(fù)DNA與RNA合成的酶。如：RNA甲基轉(zhuǎn)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(guān)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(zhì)網(wǎng)：蛋白質(zhì)合成、脂類合成、藥物轉(zhuǎn)化的酶。如：細(xì)胞色素還原酶、膽固醇?；D(zhuǎn)移酶；第42頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

四、酶的分類命名

酶的分類命名原則

1961年,國(guó)際生化聯(lián)合會(huì)酶委員會(huì)(InternationalCommissionofEnzyme)

制定了國(guó)際系統(tǒng)分類命名原則，已為各國(guó)普遍接受。第43頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天

習(xí)慣命名法的依據(jù)：根據(jù)——酶的底物酶的來(lái)源酶的反應(yīng)最佳條件酶的反應(yīng)性質(zhì)也有結(jié)合兩點(diǎn)來(lái)命名

簡(jiǎn)單、方便，但缺少系統(tǒng)性常出現(xiàn)一酶數(shù)名、一名數(shù)酶。第44頁(yè),共50頁(yè)，2024年2月25日，星期天系統(tǒng)命名與習(xí)慣命名

催化反應(yīng):