酶工程(1.3)--绪论作业
绪论习题：
1.何为酶工程？为什么要发展酶工程及其重要性？
2.工业生物技术的应用方向有哪些？
3.酶工程的研究存在些什么问题？
答1：由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新技术，是工业上有目的地设计一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在常温常压下催化化学反应，生产人类所需产品或服务于其它目的地一门应用技术。
由于要面对不久的未来化石资源枯竭的危机，所以需要充分利用生物质资源从而达到国家长期可持续发展的目的。
答2：工业发酵罐中的发酵；通过细胞或酶作为生物催化剂在生物反应器中实现某些物质的生物转化。
答3：自主知识产权；生产成本；酶的性能与生产工艺的配套。
酶工程课后题答案.doc
第一章1.简述酶与一般催化剂的共性以及作为生物催化剂的特点共同点：只能催化热力学所允许的的化学反应，缩短达到化学平衡的时间，而不改变平衡点：反应前后酶本身没有质和量的改变：很少量就能发挥较大的催化作用：其作用机理都在于降低了反应的活化能。
酶作为生物催化剂的特点：1.极高的催化率；2.高度专一性；3.酶活的可调节性；酶的不稳定性。
5.酶失活的因素和机理。
酶失活的因素主要包括物理因素，化学因素和生物因素物理因素1热失活：热失活是由于热伸展作用使酶的反应基团和疏水区域暴露，促使蛋白质聚合。
2冷冻和脱水：很多变构酶在温度降低是会产生构象变化。
在冷冻过程中，溶质（酶和盐）随着水分子的结晶而被浓缩，引起酶微环境中的pH和离子强度的剧烈改变，很容易引起蛋白质的酸变性。
3.辐射作用：电离辐射和非电离辐射都会导致多肽链的断裂和酶活性丧失。
4.机械力作用：化学因素1.极端pH：极端pH远离蛋白质的等电点，酶蛋白相同电荷间的静电斥力会导致蛋白肽链伸展，埋藏在酶蛋白内部非电离残基发生电离，启动改变。
交联或破坏氨基酸的化学反应，结果引起不可逆失活。
极端pH也容易导致蛋白质水解。
2.氧化作用：酶分子中所含的带芳香族侧链的氨基酸以及Met, Cys等，与活性氧有极高的反应性，极易受到氧化攻击。
3.聚合作用：加热或高浓度电介质课破坏蛋白质胶体溶液的稳定性，促使蛋白质结构发生改变，分子间聚合并沉淀。
4.表面活性剂和变性剂：表面活性剂主要改变酶分子正常的折叠，暴露酶分子疏水内核的疏水基团，使之变性；变性剂与酶分子结合，改变其稳定性，使之发生变性。
生物因素微生物或蛋白水解酶的作用使酶分子被水解。
6.简述酶活力测定方法的原理直接测定法：有些酶促反应进行一段时间后，酶底物或产物的变量可直接检测。
间接测定法：有些酶促反应的底物或产物不易直接检测，一次必须与特定的化学试剂反应，形成稳定的可检测物。
酶偶联测定法：与间接测定法相类似，只是使用一指示酶，使第一酶的产物在指示酶的作用下转变成可测定的新产物。
酶工程绪论()资料文档
对酶基因进行修饰，产生遗传修饰酶（突变酶)
通过定点诱变技术，能产生被改造的新酶； 可改变酶的催化活性、底物专一性、最适PH;改变含
金属酶的氧化还原能力；改变酶的别构调节功能； 改变酶对辅酶的要求；提高酶的稳定性 例如将枯草杆菌蛋白酶的第99位门冬氨酸及156位谷 氨酸替换为赖氨酸后，使这个酶在pH7时的活力提高 了1倍，在pH6时活力提高了10倍。 例如,将T4溶菌酶的第51位苏氨酸转变成脯氨酸,使 酶活力提高了25倍。
4、 酶与细胞固定化
一般酶催化反应是在水溶液中进行的，而固定化酶是 将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于 水的，但仍具有酶活性的状态。
其中固定化酶技术是酶工程的核心。实际上有了酶
的固定化技术，酶在工业生产中的利用价值才真正得 以体现。
酶固定化之后，不仅具有高的催化效率和高度专一 性，而且提高了对酸碱和温度的稳定性，增加了酶 的使用寿命；反应后易于反应产物分离，减少了产 物分离纯化的困难，从而提高产量和质量。因此固 定化酶已成为酶应用的主要形式。
SOD - blood Papain-Papaya Chymotrypsin-Pancrea …… organ/tissue/cell
Amylase from Bacillus Protease from Bacillus Phosphatase from Bacillus Glucoamylase from Aspergillus …… Plant cell culture Animal cell culture
现已鉴定出4000多种酶，数百种酶已得到结晶，而 且每年都有新酶被发现。
《酶工程》 课后习题答案
① 酶工程：由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新技术，是工业上有目的地设计一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在常温常压下催化化学反应，生产人类所需产品或者服务于其它目的地一门应用技术。
② 比活力：指在特定条件下，单位质量的蛋白质或者 RNA 所拥有的酶活力单位数。
③ 酶活力：也称为酶活性，是指酶催化某一化学反应的能力。
其大小可用在一定条件下，酶催化某一化学反应的速度来表示，酶催化反应速度愈大，酶活力愈高。
④ 酶活国际单位 : 1961 年国际酶学会议规定：在特定条件(25℃，其它为最适条件 )下，每分钟内能转化1 μmol 底物或者催化1 μmol 产物形成所需要的酶量为 1 个酶活力单位，即为国际单位(IU)。
⑤ 酶反应动力学:指主要研究酶反应速度规律及各种因素对酶反应速度影响的科学。
酶的研究简史如下：(1)不清晰的应用：酿酒、造酱、制饴、治病等。
(2)酶学的产生： 1777 年，意大利物理学家 Spallanzani 的山鹰实验； 1822 年，美国外科医生 Beaumont 研究食物在胃里的消化； 19 世纪 30 年代，德国科学家施旺获得胃蛋白酶。
1684 年，比利时医生Helment 提出 ferment—引起酿酒过程中物质变化的因素(酵素)；1833 年，法国化学家 Payen 和Person 用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶； 1878 年，德国科学家 K hne 提出 enzyme—从活生物体中分离得到的酶，意思是“在酵母中”(希腊文)。
(3)酶学的迅速发展(理论研究)： 1926 年,美国康乃尔大学的”独臂学者”萨姆纳博士从刀豆中提取出脲酶结晶，并证明具有蛋白质的性质;1930 年，美国的生物化学家 Northrop 分离得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶，确立了酶的化学本质。
I.酶工程发展如下：①1894 年，日本的高峰让吉用米曲霉制备淀粉酶，酶技术走向商业化：②1908 年，德国的Rohm 用动物胰脏制得胰蛋白酶，皮革软化及洗涤；③1911 年， Wallerstein 从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清；④1949 年，用微生物液体深层培养法进行－淀粉酶的发酵生产，揭开了近代酶工业的序幕；⑤1960 年，法国科学家 Jacob 和 Monod 提出的控制子学说，阐明了酶生物合成的调节机制，通过酶的诱导和解除阻遏，可显著提高酶的产量；⑥1971 年各国科学家开始使用“酶工程”这一位词。
酶工程 第一章绪论修改
发现了酶。
(2)1878年德国Kunne首先把这类物质称为Enzyme(来自 希腊文，原意为“在酵母中”。台湾译为酵素）
（3）1896年德国学者Buchner兄弟用石英砂磨碎酵母细 胞，其抽提液能和酵母细胞一样将1分子葡萄糖转化成2 分子乙醇和2分子 CO2 。说明发酵是由溶解于细胞液中 的酶引起的。 此发现促进了酶的分离和对其理化性质的探讨，也促 进了对有关各种生命过程中酶系统的研究。一般认为
2、立体异构专一性：几何异构专一性、旋光异构 专一性 几何异构专一性：
琥珀酸 延胡索酸（反丁烯二酸）
琥珀酸脱氢酶
旋光异构专一性： L－氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化。 人体只利用D－单糖、L－氨基酸。
酶工程技术特别适合生产不对称合成的手性药 物。现在酶法手性合成技术是一个热门领域。
• Cech
Altman(1939- )
三、酶工程发展史
1、第一阶段——初级应用阶段 （1）1894年，日本的高峰让吉首先从米曲霉制得高峰淀 粉酶，用作消化剂，开创了酶技术走向商业应用先例； （2）1908年，罗门等利用胰酶制皮革，用于皮革的软化 及洗涤； （3）1917年，法国人用枯草杆菌产生的淀粉酶作纺织工 业上的退浆剂； （4）1911年，美国的Wallerstein从木瓜中获得木瓜蛋 白酶，用于啤酒的澄清。 特点：从天然材料中提取酶并应用，由于原料的限制和 分离纯化技术的限制，大规模工业化生产受限制。
二、作用条件温和 酶催化的最适条件几乎都为温和的温度和非 极端pH。以固氮酶为例，NH3的合成在植物中通 常是25℃和中性pH下由固氮酶催化完成，反应 需消耗一些ATP分子。但工业上由氮和氢合成 氨时，需在温度700-900K，压力10-90MPa下， 还要有铁及其他微量金属氧化物作催化剂才能 完全反应。
酶工程 课后习题答案
第一章酶工程基础1.名词解释：酶工程、比活力、酶活力、酶活国际单位、酶反应动力学①酶工程：由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新技术，是工业上有目的地设计一定的反应器和反应条件，利用酶的催化功能，在常温常压下催化化学反应，生产人类所需产品或服务于其它目的地一门应用技术。
②比活力：指在特定条件下，单位质量的蛋白质或RNA所拥有的酶活力单位数。
③酶活力：也称为酶活性，是指酶催化某一化学反应的能力。
其大小可用在一定条件下，酶催化某一化学反应的速度来表示，酶催化反应速度愈大，酶活力愈高。
④酶活国际单位: 1961年国际酶学会议规定：在特定条件(25℃，其它为最适条件)下，每分钟内能转化1μmol底物或催化1μmol产物形成所需要的酶量为1个酶活力单位，即为国际单位（IU）。
⑤酶反应动力学:指主要研究酶反应速度规律及各种因素对酶反应速度影响的科学。
2.说说酶的研究简史酶的研究简史如下：(1)不清楚的应用：酿酒、造酱、制饴、治病等。
(2)酶学的产生：1777年，意大利物理学家 Spallanzani 的山鹰实验；1822年，美国外科医生 Beaumont 研究食物在胃里的消化；19世纪30年代，德国科学家施旺获得胃蛋白酶。
1684年，比利时医生Helment提出ferment—引起酿酒过程中物质变化的因素（酵素）；1833年，法国化学家Payen和Person用酒精处理麦芽抽提液，得到淀粉酶；1878年，德国科学家Kűhne提出enzyme—从活生物体中分离得到的酶，意思是“在酵母中”（希腊文）。
(3)酶学的迅速发展（理论研究）：1926年,美国康乃尔大学的”独臂学者”萨姆纳博士从刀豆中提取出脲酶结晶，并证明具有蛋白质的性质;1930年，美国的生物化学家Northrop分离得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶结晶，确立了酶的化学本质。
3.说说酶工程的发展概况I.酶工程发展如下：①1894年，日本的高峰让吉用米曲霉制备淀粉酶，酶技术走向商业化：②1908年，德国的Rohm用动物胰脏制得胰蛋白酶，皮革软化及洗涤；③1911年，Wallerstein从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清；④1949年，用微生物液体深层培养法进行a－淀粉酶的发酵生产，揭开了近代酶工业的序幕；⑤1960年，法国科学家Jacob和Monod提出的操纵子学说，阐明了酶生物合成的调节机制，通过酶的诱导和解除阻遏，可显著提高酶的产量；⑥1971年各国科学家开始使用“酶工程”这一名词。
酶工程第一章绪论
2018/8/4
酶工程 第1章 绪论
40
4.2 酶工程的发展趋势
从新生物资源中，特别是极端环境中 或宏基因组挖掘新酶 通过定向进化、理性设计、分子重排 等手段对已有酶进行改性，提高酶的 催化活性、稳定性等，或改变酶的催 化作用
酶工程 第1章 绪论
2018/8/4
41
酵素
酵素是否真有那么多神奇的功效！？ 视频链接： /us/267246343/825 47919.shtml
酶基因的异源表达
酶的改造及分子修饰 核酶、抗体酶、模拟酶及分子印迹酶的开发和应用 手性化合物的不对称合成及酶法拆分 非水相催化
2018/8/4 酶工程 第1章 绪论 25
2.4 现代酶工程
a.酶的开发
• 开发工程酶 • 利用极端微生物发掘新酶 • 拓展酶反应的新介质
b. 酶和细胞的固定化
高效性：酶促反应速率比非酶促反应高 108~1020倍，比化学催化剂高106~1013倍。
高度专一性：酶对底物有严格选择性
酶易失活，需要温和的反应条件
酶的活性可以被调节和控制
酶催化常需要辅助因子
2018/8/4 酶工程 第1章 绪论 15
1.3 酶催化作用的特点
二、酶的特性
酶的分布广泛，存在于所有的细胞和组织中， 相对隔离，各自发挥作用。
2018/8/4
酶工程 第1章 绪论
13
1.3 酶催化作用的特点
一、酶与化学催化剂的共性
能降低反应活化能 只催化本来就能进行的反应，即热力学允许的 反应 能缩短反应时间，但不改变反应平衡
反应前后本身质量不变
2018/8/4
酶工程 第1章 绪论
酶工程第一章绪论
第一节 酶的基本概念与发展历史
酶的存在及作用的认识： 1833年：发现淀粉酶 19世纪中叶：糖发酵产酒与活酵母有关 1878年：给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个
字来自希腊文，其意思是“在酵母中”。 1897年，德国巴克纳Buchner兄弟发现不含细胞的
酵母提取液也能使糖发酵，说明发酵与细胞的活 动无关，从而说明了发酵是酶作用的化学本质， 为此Buchner获得了1907年诺贝尔化学奖。
体异构专一性。如：蔗糖酶、麦芽糖酶。 立体异构专一性： 当作用的底物含有不对称碳原子时，酶只能作用
于异构体的一种。如：乳酸脱氢酶。 核酸类酶也具有绝对专一性。
酶工程第一章绪论
1、绝对专一性
酶工程第一章绪论
2、相对专一性
相对专一性概念： 一种酶能够催化一类结构相似物质进行某种相同
类型的反应。 （1）基团专一性 要求底物含有某一相同的基团。
命名。 两类酶的命名差别： 蛋白类酶只能催化其他分子进行反应，而核酸类
酶既可以催化酶分子本身也可以催化其他分子进 行反应。
酶工程第一章绪论
第四节 酶的分类与命名 注意：顺序
蛋白类酶的种类：
不要搞错！
氧化还原酶类 Oxidoreductases
转移酶类
Transgerases
水解酶类
Hydrolases
五、抑制剂的影响 可逆抑制剂 不可逆抑制剂
竞争性抑制剂 非竞争性抑制剂 反竞争性抑制剂
六、激活剂的影响 激活剂：金属离子、无机负离子、蛋白酶等。
酶工程第一章绪论
第四节 酶的分类与命名
按照分子中起催化作用的主要组分的不同，酶可 以分为蛋白类酶（P酶）和核酸类酶（R酶）。
命名总原则： 根据酶作用的底物和催化反应的类型进行分类和
《酶工程》 学习任务单
《酶工程》学习任务单一、学习目标通过对酶工程这门课程的学习，掌握酶的基本概念、酶的结构与功能、酶的催化机制、酶的生产与分离纯化技术、酶的固定化技术、酶的应用等方面的知识和技能，为今后从事相关领域的研究、开发和应用工作打下坚实的基础。
二、学习内容1、酶的基本概念（1）酶的定义和分类（2）酶的命名和编号（3）酶的化学本质和组成2、酶的结构与功能（1）酶的活性中心和催化部位（2）酶的空间结构和构象变化（3）酶的结构与功能的关系3、酶的催化机制（1）酶催化反应的特点和机制（2）影响酶催化效率的因素（3）酶催化反应的动力学4、酶的生产与分离纯化技术（1）微生物发酵产酶的基本原理和工艺流程（2）植物和动物细胞培养产酶的方法和特点（3）酶的提取、分离和纯化的基本方法和技术5、酶的固定化技术（1）酶固定化的概念和意义（2）酶固定化的方法和载体选择（3）固定化酶的性质和应用6、酶的应用（1）酶在食品工业中的应用（2）酶在医药工业中的应用（3）酶在环境保护中的应用（4）酶在生物技术中的应用三、学习资料1、教材《酶工程》（第三版），郭勇主编，科学出版社2、参考书籍（1）《酶工程原理与技术》，罗贵民主编，化学工业出版社（2）《酶工程》，陈守文主编，高等教育出版社3、在线课程（1）中国大学 MOOC 平台上的相关课程（2）学堂在线平台上的相关课程4、学术期刊《生物工程学报》、《生物技术通报》、《食品与生物技术学报》等四、学习方法1、课堂学习认真听讲，积极参与课堂讨论和互动，做好笔记，及时提问和解决疑惑。
2、自主学习（1）阅读教材和参考书籍，深入理解和掌握知识点。
（2）观看在线课程，拓宽知识面，加深对课程内容的理解。
（3）查阅学术期刊，了解酶工程领域的最新研究进展和应用成果。
3、实验学习积极参加实验课程，认真完成实验任务，掌握酶的生产、分离纯化和固定化等实验技术，提高实践操作能力和创新思维能力。
4、小组学习组成学习小组，共同讨论学习中的问题和难点，互相交流学习心得和经验，提高学习效果。
酶工程第一章-绪论
1. 化学酶工程（初级酶工程）
2. 酶化学与化学工程技术相结合的产物。 3. 主要研究内容：酶的制备、酶的分离纯化、
酶与细胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器 和酶的应用。
4. 2. 生物酶工程（高级酶工程）
5. 在化学酶工程基础上发展起来的、酶学与现 代分子生物学技术相结合的产物。
6.
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生物酶工程主要研究内容
（1） 用基因工程技术大量生产酶（克隆酶） 如：尿激酶原和尿激酶是治疗血栓病的有效药物。用 DNA重组技术将人尿激酶原的结构基因转移到大肠杆菌 中，可使大肠杆菌细胞生产人尿激酶原，从而取代从大 量的人尿中提取尿激酶。 （2）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶） 如：酪氨酰－tRNA合成酶，用Ala5（第5位的丙氨酸） 取代Thr51（第51位的丝氨酸），使该酶对底物ATP的 亲和力提高了100倍。 （3）设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能 稳定、活性更高的新酶。
切赫T.R.Cech（1947－） 奥尔特曼S.Altman(1939-)
1986年Schultz与Lerner等人研制成功抗体 酶(abzyme),这一研究成果对酶学研究具 有重要的理论意义和广泛的应用前景。
它集生物学、免疫学、化学于一身，采用 单克隆、多克隆、基因工程、蛋白质工 程等高新技术，开创了催化剂研究和生 产的崭新领域。
（2）酶工程的研究简史
1894年，日本首次从米曲霉中提炼出淀粉酶，治疗 消化不良，开创人类有目的地生产和应用酶制剂 的先例。
1908年，德国的罗门等用动物胰脏制得胰蛋白酶， 用于皮革的软化及洗涤。
1917年，法国用枯草杆菌产生的细菌淀粉酶作纺织 工业上的褪浆剂。
1949年，日本采用深层培养法发酵生产α-淀粉酶获 得成功，使酶制剂生产应用进入工业化阶段。
酶工程作业
1酶工程的概念？其主要研究内容和任务有哪些？概念：酶的生产与应用的技术过程称为酶工程。
内容：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、酶分子的修饰、酶，细胞和原生质体固定化、酶的非水相催化、酶反应器和酶的应用。
任务：经过预先设计，通过人工操作，获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶充分发挥其催化功能2.什么是核酸酶类？其发现有何重要意义？定义：主要由核糖核酸组成——核酸类酶（R酶）意义：它的发现，改变了有关酶的概念，被认为是最近20年来生物科学领域最令人鼓舞的发现之一。
影响酶的催化作用的因素简述酶活力单位的概念和酶活力的测定方法？概念：在最适条件（温度25℃）下，每分钟内催化1微摩尔（μmol）底物转化为产物所需的酶量为1个酶活力单位，即IU=1μmol /min。
测定方法：化学测定法、光学测定法、气体测定法试述酶工程的发展概况与前景？发展概况：1894年，日本的高峰让吉用米曲霉制备得到淀粉酶，开创了酶技术走向商业化的先例。
1908年，德国的Rohm用动物胰脏制得胰蛋白酶，用于皮革的软化及洗涤。
1908年，法国的Boidin制备得到细菌淀粉酶，用于纺织品的褪浆。
1911年，Warlerstein从木瓜中获得木瓜蛋白酶，用于啤酒的澄清。
1949年，用微生物液体深层培养法进行 －淀粉酶的发酵生产，揭开了近代酶工业的序幕。
1960年，法国科学家Jacob和Monod提出的操纵子学说，阐明了酶生物合成的调节机制，通过酶的诱导和解除阻遏，可显著提高酶的产量。
20世纪80年代迅速发展起来的动、植物细胞培养技术，继微生物发酵生产酶之后，已成为酶生产的又一种途径。
前景：经过100多年的发展，酶工程已经成为生物工程的主要内容，在世界科技和经济的发展中起着重要作用。
今后将以更快的速度向纵深发展，显出广阔而诱人的前景酶生物合成法生产的主要工艺过程包括那几个步骤？(1)用作培养菌种及扩大生产的发酵罐的培养基的配制(2)培养基、发酵罐以及辅助设备的消毒灭菌(3)将已培养好的有活性的纯菌株以一定量转接到发酵罐中(4)接种到发酵罐中的菌株控制在最适条件下生长并形成代谢产物(5)将产物抽提并进行精制(6)回收或处理发酵过程中产生的废物和废水如何控制微生物发酵产酶的工艺条件？发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。