生物催化绪论20
生物化学绪论
2. 动态生物化学： 动态生物化学：
20世纪初～20世纪中叶：同位素的使用，确定了生物体内各种组成物质的代谢变 世纪初～ 世纪中叶 同位素的使用， 世纪中叶： 世纪初 化，以及生物活性物质（酶、维生素和激素等）在代谢变化中的作用； 以及生物活性物质（ 维生素和激素等）在代谢变化中的作用；
3. 分子生物学时代
人类基因组计划1990年启动 人类基因组计划 年启动
由美、 由美、英、日、德、法、中六国参与，其核心内容是测 中六国参与， 定人基因组的全部DNA序列， 序列， 定人基因组的全部 序列 1999年9月1日中国正式加入该计划，承担了 人类基因组 年 月 日中国正式加入该计划 承担了1%人类基因组 日中国正式加入该计划， (约三千万个碱基 的测序任务。 约三千万个碱基)的测序任务 约三千万个碱基 的测序任务。 2003年，人类基因组计划的所有目标全部实现。已完成的序 年 人类基因组计划的所有目标全部实现。 列图覆盖人类基因组所含基因区域的99％， ％，精确率达到 列图覆盖人类基因组所含基因区域的 ％，精确率达到 99.99％，这一进度比原计划提前两年多。 ％，这一进度比原计划提前两年多 ％，这一进度比原计划提前两年多。
生物化学
Biochemistry
—introduction
生物化学
生物化学（ 生物化学（Biochemistry）是从分子水平上描述 解 ）是从分子水平上描述/解 释生物体的化学组成、 释生物体的化学组成、化学反应及其与生理功能的联 系的一门科学，也即生命的化学。 系的一门科学，也即生命的化学。
分子生物学
基因的贮存、传递、 3．基因的贮存、传递、表达及其调控 自我复制是生命过程的又一基本特征。 自我复制是生命过程的又一基本特征。基因是 DNA分子中的功能片段 分子中的功能片段， DNA分子中的功能片段，研究基因各片段在染色 体中的定位、核苷酸的排列顺序及其功能， 体中的定位、核苷酸的排列顺序及其功能，DNA 复制、RNA转录和蛋白质生物合成过程中基因传 复制、RNA转录和蛋白质生物合成过程中基因传 递的机制， 递的机制，基因传递与表达的时空调节规律等是 生物化学极为重要的课题。 生物化学极为重要的课题。
生物工艺学知识点
生物工艺学知识点第一章绪论1、生物工艺学biotechnology：又称为生物技术,它是应用自然科学及工程学原理,依靠生物作用剂biologicalagents的作用将物料进行加工以提供产品或社会服务的技术;特点：多学科和多技术的结合、生物作用剂生物催化剂的参与、应用大量高、精、尖设备;;2、生物催化剂是游离的或固定化的细胞或酶的总称;生物催化剂特点：优点：①常温、常压下反应②反应速率大③催化作用专一④价格低廉缺点：稳定性差控制条件严格易变异细胞生物反应过程实质是利用生物催化剂以从事生物技术产品的生产过程processengineering;3、生物技术研究的主要内容：基因工程DNA重组技术,geneengineering、细胞工程cellengineering、酶工程enzymeengineering、发酵工程fermentationengineering、蛋白质工程proteinengineering、第二章菌种的来源1、工业生产常用的微生物细菌、酵母菌、霉菌、放线菌、担子菌、藻类;2、分离微生物新种的过程大体可分为采样、增殖、纯化和性能测定;含微生物材料的预处理方法：物理方法加热；化学方法pH；诱饵法;诱饵技术：将固体基质加到待检的土壤或水中,待其菌落长成后再铺平板;分离的效率影响因素：1培养基的养分；2pH；3加入的选择性抑制剂;3、高产培养基成分的选择准则：制备一系列的培养基,其中有各种类型的养分成为生长限制因素C、N、P、O；使用一聚合或复合形式的生长限制养分；避免使用容易同化的碳葡萄糖或氮NH4+,它们可能引起分解代谢物阻遏；确定含有所需的辅因子Co2+,Mg2+,Mn2+,Fe2+加入缓冲溶液以减小pH变化;4、代谢控制发酵MetabolicControlfermentation：用人工诱变的方法,有意识地改变微生物的代谢途径,最大限度地积累产物,这种发酵形象地称为代谢控制发酵,最早在氨基酸发酵中得到成功应用;5、菌种的衰退表观现象有哪些目的产物的产量下降营养物质代谢和生长繁殖能力下降发酵周期延长抗不良环境的性能减弱6、菌种的衰退的原因菌种保藏不当提供不了当的条件或不利的条件经诱变得到的新菌株发生回复突变7、菌种的复壮方法：纯种分离通过寄主体进行复壮淘汰已衰退的个体8、菌种的保藏的原理根据菌种的生理生化特点,人工创造条件,使孢子或菌体的生长代谢活动尽量降低,以减少其变异;一般可通过保持培养基营养成分在最低水平,缺氧状态,干燥和低温,使菌种处于“休眠”状态,抑制其繁殖能力;9、菌种的保藏方法：A斜面冰箱保藏法B沙土管保藏法C石蜡油封存法D真空冷冻干燥保藏法E液氮超低温保藏法第三章菌种选育1、常用菌种选育方法1自然选育:是指在生产过程中,不经过人工处理,利用菌种的自发突变spontaneousmutation而进行菌种筛选的过程;特点：自发突变的频率较低,变异程度不大;所以该法培育新菌种的过程十分缓慢; 2诱变育种:是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群,促进其突变率大幅度提高,然后采用简便、快速和高效的筛选方法,从中挑选少数符合育种目的的突变株,以供生产实践或科学研究使用;诱变育种的理论基础是基因突变;常用诱变剂：物理诱变剂、化学诱变剂碱基类似物、与碱基反应的物质、在DNA分子中插入或缺失一个或几个碱基物质、生物诱变剂3分子育种DNA重组、基因工程：用人为的方法将所需的某一供体生物的遗传物质DNA分子提取出来,在离体条件下切割后,把它与作为载体的DNA分子连接起来,然后导入某一受体细胞中,让外来的遗传物质在其中进行正常的复制和表达,从而获得新物种的一种崭新的育种技术;4杂交育种Hybridization：常规杂交育种Hybridization：一般是指人为利用真核微生物的有性生殖或准性生殖或原核微生物的接合、F因子转移、转导和转化等过程,促使两个具有不同遗传性状的菌株发生基因重组,以获得性能优良的生产菌株;原生质体融合技术：通过人工方法,使遗传性状不同的两个细胞的原生质体发生融合,并产生重组子的过程,亦称为“细胞融合”cellfusion;原生质体融合的基本过程：原生质体形成、原生质体融合、原生质体的再生;3、工程菌的不稳定性表现质粒的不稳定质粒的丢失、重组质粒的DNA片段脱落、表达产物的不稳定第三章微生物的代谢调节1、微生物代谢调节方式代谢流向的调控分为代谢物的合成和代谢物的降解；通过快速启动蛋白质的合成和有关的代谢途径,平衡各代谢物流和反应速率来适应外界环境的变化;代谢速度的调控分为酶量粗调酶合成的诱导和酶合成的阻遏和酶活细调酶活性的激活、酶活性的抑制反馈阻遏是转录水平的调节,产生效应慢；影响催化一系列反应的多个酶反馈抑制是酶活性水平调节,产生效应快;只对是一系列反应中的第一个酶起作用底物对酶的影响称为前馈;产物对酶的影响称为反馈;2、微生物初级代谢调节包括酶活调节、酶合成调节、遗传控制1酶活性的调节细调：一定数量的酶,通过其分子构象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率;酶活调节的影响因素包括：底物和产物的性质和浓度、压力、pH、离子强度、辅助因子以及其他酶的存在等等;特点是反应快速;酶活性的调节包括：酶活性的激活和酶活性的抑制反馈抑制2酶合成的调节：通过调节酶合成的量来控制微生物代谢速度的调节机制;这类调节在基因转录水平上进行,对代谢活动的调节是间接的、缓慢的3酶合成的阻遏：在某代谢途径中,当末端产物过量时,微生物的调节体系就会阻止代谢途径中包括关键酶在内的一系列酶的合成,从而彻底地控制代谢,减少末端产物生成,这种现象称为酶合成的阻遏;末端代谢产物阻遏:由于某代谢途径末端产物的过量积累而引起酶合成的反馈阻遏;分解代谢物阻遏：当细胞内同时存在两种可利用底物碳源或氮源时,利用快的底物会阻遏与利用慢的底物有关的酶合成;这种阻遏并不是由于快速利用底物直接作用的结果,而是由这种底物分解过程中产生的中间代谢物引起的,所以称为分解代谢物阻遏过去被称为葡萄糖效应;3、改变细胞膜通透性的方法A限制培养基中生物素浓度在1～5mg/L,控制细胞膜中脂质的合成；B加入青霉素,抑制细胞壁肽聚糖合成中肽链的交联；C加入表面活性剂如吐温80或阳离子表面活性剂如聚氧化乙酰硬脂酰胺,将脂类从细胞壁中溶解出来,使细胞壁疏松,通透性增加；D控制Mn2+、Zn2+的浓度,干扰细胞膜或细胞壁的形成；E可以通过诱变育种的方法,筛选细胞透性突变株;5、人工控制微生物代谢的两种手段：1生物合成途径的遗传控制2发酵条件的控制6.谷氨酸棒杆菌生物素缺陷型生产谷氨酸的调控第四章微生物次级代谢与调节1、次级代谢产物：某些微生物在生命循环的某一个阶段产生的物质,它们一般是在菌生长终止后合成的;其生物合成至少有一部分是与核内和核外的遗传物质有关,同时也与这类遗传信息产生的酶所控制的代谢途径有关;微生物产生的次级代谢物有抗生素、毒素、色素和生物碱等;2、初级与次级代谢途径相互连接次级代谢物通常是由初级代谢中间体经修饰后形成的修饰初级代谢中间体的三种生化过程生物氧化与还原、生物甲基化、生物卤化3、前体：指加入到发酵培养基中的某些化合物,它能被微生物直接结合到产物分子中去,而自身的结构无多大变化有些还具有促进产物合成的作用;中间体是指养分或基质进入一途径后被转化为一种或多种不同的物质,他们均被进一步代谢,最终获得该途径的终产物;4、次级代谢物生物合成的原理①一旦前体被合成,在适当条件下它们便流向次级代谢物生物合成的专用途径;②在某些情况下单体结构单位被聚合,形成聚合物;这些特有的生物合成中间体产物需做后几步的结构修饰,修饰的程度取决于产生菌的生理条件;有些复杂抗生素是由几个来自不同生物合成途径组成的;第五章发酵培养基1、培养基通常指人工配制的供微生物生长、繁殖、代谢和合成所需产物的营养物质和原料,同时,培养基也为微生物等提供除营养外的其它生长所必需的环境条件2、发酵培养基的要求①培养基能够满足产物最经济地合成②发酵后所形成的副产物尽可能的少③培养基的原料应因地制宜,价格低廉；且性能稳定,资源丰富,便于采购运输,适合大规模储藏,能保证生产上的供应;④所用培养基应能满足总体工艺的要求,如不应影响通气、提取、纯化及废物处理等;3、工业上常用的碳源：葡萄糖、乳糖、淀粉、蔗糖工业上常用的氮源：无机氮源：氨水,铵盐,硝酸盐等;有机氮源：玉米浆、豆饼粉、花生饼粉、棉籽粉、鱼粉、酵母浸出液等;生理酸性物质,如硫酸铵;生理碱性物质,如硝酸钠;提供生长因子的农副产品原料：1玉米浆2麸皮水解液3糖蜜4酵母：可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉;产物促进剂是指那些非细胞生长所必需的营养物,又非前体,但加入后却能提高产量的添加剂;4、发酵培养基的设计和优化方法正交试验设计、均匀设计、响应面分析正交试验设计：利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法;它是由试验因素的全部水平组合中,挑选部分有代表性的水平组合进行试验,通过对这部分试验结果的分析,了解全面试验的情况,找出最优的水平组合;正交实验数据分析,见教材P112-114例题,表4-16,同时确定因素的主次顺序、各因素的优水平、各因素水平的最优组合;小数点后保留一位;第六章发酵培养基灭菌和空气净化在发酵工业生产中,为了保证纯种培养,在生产菌种接种培养前,要对培养基、空气系统、消泡剂、流加物料、设备、管道等进行灭菌,还要对生产环境进行消毒,防止杂菌和噬菌体的大量繁殖;1.微生物热阻：微生物在某一特定条件下主要是温度和加热方式下的致死时间;2.对数残留定律中各符号的意义;3.理论灭菌时间的计算间歇实罐灭菌时间的计算连续灭菌的灭菌时间计算：4.灭菌温度的选择：随着温度升高,灭菌速率常数增加的倍数大于培养基中营养成分的分解速率常数的增加倍数;即当灭菌温度升高时,微生物杀灭速度提高,培养基营养成分破坏的速度减慢;5.影响培养基灭菌的因素：所污染杂菌的种类、数量、灭菌温度和时间,培养基成分、pH值、培养基中颗粒、泡沫等对培养基灭菌也有影响;6.无菌空气：指通过除菌处理使空气中含菌量降低至一个极低的百分数,从而能控制发酵污染至极小机会;此种空气称为“无菌空气”;7.介质过滤除菌是使空气通过经高温灭菌的介质过滤层,将空气中的微生物等颗粒阻截在介质层中,而达到除菌的目的;是大多数发酵厂广泛采用的方法;按除菌机制可分为：绝对表面过滤和深层介质过滤;介质过滤除菌的机理：空气流通过这种介质过滤层时,借助惯性碰撞、拦截滞流、静电吸附、扩散等作用,将其尘埃和微生物截留在介质层内,达到过滤除菌目的;第七章种子的扩大培养1、种子扩大培养：指将保存在砂土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后,再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量的纯种过程;这些纯种培养物称为种子2、种子扩大培养的目的与要求1种子扩培的目的①接种量的需要②菌种的驯化③缩短发酵时间、保证生产水平2种子的要求①菌种细胞的生长活力强,移种至发酵罐后能迅速生长,延迟期短②生理性状稳定③菌体总量及浓度能满足大容量发酵罐的要求④无杂菌污染⑤保持稳定的生产能力;3、种子罐级数：是指制备种子需逐级扩大培养的次数,取决于菌种生长特性、孢子发芽及菌体繁殖速度、所采用发酵罐的容积;种子罐级数受发酵规模、菌体生长特性、接种量的影响;级数大,难控制、易染菌、易变异,管理困难,一般2～4级;4、种子制备分两个阶段：实验室种子制备阶段生产车间种子制备阶段5、种龄：是指种子罐中培养的菌丝体开始移入下一级种子罐或发酵罐时的培养时间;接种量：是指移入的种子液体积和接种后培养液体积的比例;通常接种量：细菌1-5%,酵母菌5-10%,霉菌7-15%,有时20-25%青霉素生产的种子制备过程：安瓿管→斜面孢子→大米孢子→一级种子→二级种子→发酵第八章发酵工艺控制1、微生物发酵的生产水平取决于生产菌种本身的性能和合适的环境条件;2、发酵过程的代谢变化从产物形成来说,代谢变化就是反映发酵中的菌体生长、发酵参数的变化培养基和培养条件和产物形成速率这三者之间的关系;在分批培养过程中根据产物生成是否与菌体生长同步的关系,将微生物产物形成动力学分为①生长关联型和②非生长关联型;3、发酵方式1补料－分批发酵：指分批培养过程中,间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法;优点在于使发酵系统中维持很低的基质浓度;低基质浓度的优点：①可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾；②克服养分的不足,避免发酵过早结束;2半连续发酵：是指在补料－分批发酵的基础上,间歇地放掉部分发酵液的培养方法;优点：①可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾；②克服养分的不足,避免发酵过早结束；③缓解有害代谢产物的积累;3连续发酵：指培养基料液连续输入发酵罐,并同时放出含有产品的发酵液的培养方法;在这样的环境中培养,菌的生长就受到所提供基质的限制,培养液中的菌体浓度能保持一定的稳定状态;与传统的分批发酵相比,连续培养有以下优点：①维持低基质浓度：可以除去快速利用碳源的阻遏效应,并维持适当的菌体浓度,使不至于加剧供氧的矛盾；②避免培养基积累有毒代谢物；③可以提高设备利用率和单位时间的产量,节省发酵罐的非生产时间；④便于自动控制;4、发酵控制参数按性质分类：物理参数、化学参数、生物参数按检测手段分类：①直接参数：⑴在线检测参数⑵离线检测参数②间接参数5、发酵热发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量;Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射生物热biologicalheat是菌体生长过程中直接释放到体外的热能,使发酵液温度升高;搅拌热agitationheat是搅拌器引起的液体之间和液体与设备之间的摩擦所产生的热量;6、发酵过程pH值的一般变化规律1生长阶段：菌体产生蛋白酶水解培养基中的蛋白质,生成铵离子,使pH上升至碱性；随着菌体量增多,铵离子的消耗也增多,另外糖利用过程中有机酸的积累使pH 值下降;2生产阶段：这个阶段pH值趋于稳定;3自溶阶段：随着养分的耗尽,菌体蛋白酶的活跃,培养液中氨基氮增加,致使pH又上升,此时菌体趋于自溶而代谢活动终止;7、引起发酵液pH值异常波动的因素pH值的变化决定于所用的菌种、培养基的成分和培养条件pH下降：①培养基中碳、氮比例不当;碳源过多,特别是葡萄糖过量,或者中间补糖过多加上溶氧不足,致使有机酸大量积累而pH下降；②消泡剂加得过多；③生理酸性物质的存在,铵被利用,pH下降;pH上升：①培养基中碳、氮比例不当;氮源过多,氨基氮释放,使pH上升；②生理碱性物质存在；③中间补料氨水或尿素等碱性物质加入过多;8、临界氧浓度criticalvalueofdissolvedoxygenconcentration：指不影响菌的呼吸所允许的最低氧浓度;如对产物形成而言便称为产物合成的临界氧浓度;呼吸强度又称氧比消耗速率,是指单位质量的干菌体在单位时间内所吸取的氧量,以QO2表示,单位为mmolO2／g干菌体·h;耗氧速率又称摄氧率,是指单位体积培养液在单位时间内的吸氧量,以r表示,单位为mmolO2／L·h;9、引起溶氧异常下降,可能有下列几种原因：①污染好气性杂菌,大量的溶氧被消耗掉,可能使溶氧在较短时间内下降到零附近,如果杂菌本身耗氧能力不强,溶氧变化就可能不明显；②菌体代谢发生异常现象,需氧要求增加,使溶氧下降；③某些设备或工艺控制发生故障或变化,也可能引起溶氧下降,如搅拌功率消耗变小或搅拌速度变慢,影响供氧能力,使溶氧降低;10、泡沫的形成及其对发酵的影响在大多数微生物发酵过程中,通气、搅拌以及代谢气体的逸出,再加上培养基中糖、蛋白质、代谢物等表面活性剂的存在,培养液中就形成了泡沫;形成的泡沫有两种类型：一种是发酵液液面上的泡沫,气相所占的比例特别大,与液体有较明显的界限,如发酵前期的泡沫；另一种是发酵液中的泡沫,又称流态泡沫fluidfoam,分散在发酵液中,比较稳定,与液体之间无明显的界限大量的泡沫引起的负作用：发酵罐的装料系数减少、氧传递系统减小；增加了菌群的非均一性；造成大量逃液,增加染菌机会；严重时通气搅拌无法进行,菌体呼吸受到阻碍,导致代谢异常或菌体自溶；消泡剂的添加将给提取工序带来困难;泡沫的消除调整培养基中的成分如少加或缓加易起泡的原料或改变某些物理化学参数如pH 值、温度、通气和搅拌或者改变发酵工艺如采用分次投料来控制,以减少泡沫形成的机会;采用菌种选育的方法,筛选不产生流态泡沫的菌种,来消除起泡的内在因素;采用机械消泡或消泡剂来消除已形成的泡沫;常用的消泡剂有4大类：天然油脂类、脂肪酸和酯类、聚醚类、硅酮类11、造成染菌的主要原因设备渗漏空气带菌种子带菌灭菌不彻底技术管理不善第十章下游加工过程概论1、下游技术工程downstreamprocessing：对于由生物界自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应等各种生物工业生产过程获得的生物原料,经提取分离、加工并精制目的成分,最终使其成为产品的技术;2.发酵液的特点1含水多,产物含量低；2含菌体蛋白；3溶有原来培养基成分；4相当多的副产物和色素；5易被杂菌污染或使产物进一步分解；6易起泡,粘性物质多;3、整个下游加工过程应遵循下列四个原则1时间短；2温度低,选择在生物物质的温度范围内；3pH适中;4严格清洗消毒包括厂房、设备及管路,注意死角;4、一般下游加工过程可分为4个阶段1培养液发酵液的预处理和固液分离；2初步纯化提取；3高度纯化精制；4成品加工;5、下游加工过程的一般流程第十二章发酵液的预处理和固液分离方法1、改善发酵液过滤特性的物理化学方法：调酸等电点、热处理、电解质处理、添加凝聚剂、添加表面活性物质、添加反应剂、冷冻-解冻及添加助滤剂等;2、凝聚——指在电解质作用下,由于胶粒之间双电层电排斥作用降低,电位下降,而使胶体体系不稳定的现象；常用的凝聚剂电解质有：硫酸铝Al2SO4318H2O明矾；氯化铝AlCl36H2O;三氯化铁FeCl3;硫酸亚铁FeSO4·7H2O；石灰；ZnSO4；MgCO3絮凝——指在某些高分子絮凝剂存在下,基于桥架作用,使胶粒形成较大絮凝团的过程;工业上使用的絮凝剂可分为三类：1有机高分子聚合物,如聚丙烯酰胺类衍生物、聚苯乙烯类衍生物；2无机高分子聚合物,如聚合铝盐、聚合铁盐等；3天然有机高分子絮凝剂,如聚糖类胶粘物、海藻酸钠、明胶、骨胶、壳多糖、脱乙酰壳多糖等;目前最常见的高分子聚合物絮凝剂有机合成的聚丙烯酰胺polyacrylamide类衍生物3、杂蛋白的去除方法有沉淀法、变性法、吸附法4、固液分离的方法：重力沉降、浮选、旋液分离、介质过滤、离心;5、根据过滤机理,过滤操作可分为澄清过滤和滤饼过滤;第十三章细胞破碎1、细胞破碎的阻力：细菌破碎的主要阻力:肽聚糖的网状结构,网状结构越致密,破碎的难度越大,革兰氏阴性细菌网状结构不及革兰氏阳性细菌的坚固；酵母细胞壁破碎的阻力:主要决定于壁结构交联的紧密程度和它的厚度；霉菌细胞壁中含有几丁质或纤维素的纤维状结构,其强度比细菌和酵母菌的细胞壁有所提高;2、常用破碎方法机械法：珠磨法固体剪切作用、高压匀浆法液体剪切作用、超声破碎法液体剪切作用、X-press法固体剪切作用;非机械法：酶溶法酶分解作用、化学渗透法改变细胞膜的渗透性、渗透压法渗透压剧烈改变、冻结融化法反复冻结-融化、干燥法改变细胞膜渗透性3、破碎率的测定方法1直接测定法2目的产物测定法3导电率测定法第十四章沉淀法Precipitation1、固相析出技术：通过加入某种试剂或改变溶液条件,使生化产物溶解度降低,以固体形式沉淀和晶体从溶液中沉降析出的分离纯化技术;结晶法：在固相析出过程中,析出物为晶体称为结晶法;沉淀法：在固相析出过程中,析出物为无定形固体称为沉淀法;常用的沉淀法：盐析法、有机溶剂沉淀法和等电点沉淀法等;2、盐析Saltinducedprecipitation：在高浓度的中性盐存在下,蛋白质酶等生物大分子物质在水溶液中的溶解度降低,产生沉淀的过程;原因如下：1无机离子与蛋白质表面电荷中和,形成离子对,部分中和了蛋白质的电性,使蛋白质分子之间的排斥力减弱,从而能够相互靠拢；2中性盐的亲水性大,使蛋白质脱去水化膜,疏水区暴露,由于疏水区的相互作用导致沉淀；Ks盐析法：在一定pH和温度下,改变体系离子强度进行盐析的方法；β盐析法：在一定离子强度下,改变pH和温度进行盐析；常用的盐析用盐：硫酸铵、硫酸钠,磷酸盐,柠檬酸盐;3、有机溶剂沉淀：在含有溶质的水溶液中加入一定量亲水的有机溶剂,降低溶质的溶解度,使其沉淀析出;原理：1降低了溶质的介电常数,使溶质之间的静电引力增加,从而出现聚集现象,导致沉淀;2有机溶剂的水合作用,降低了自由水的浓度,降低了亲水溶质表面水化层的厚度,降低了亲水性,导致脱水凝聚;常用的有机溶剂沉析剂：乙醇：沉析作用强,挥发性适中,无毒常用于蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的沉析；丙酮：沉析作用更强,用量省,但毒性大,应用范围不广；4、等电点沉淀：调节体系pH值,使两性电解质的溶解度下降,析出的操作称为等电点沉淀;原理：蛋白质是两性电解质,当溶液pH值处于等电点时,分子表面净电荷为0,双电层和水化膜结构被破坏,由于分子间引力,形成蛋白质聚集体,进而产生沉淀;第十五章膜过滤法1、膜过滤法指以压力为推动力,依靠膜的选择性,将液体中的组分进行分离的方法;基本原理是筛孔分离过程;在压差的推动下,原料液中的溶剂和小的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧,所得到的液体一般称为滤出液或透过液,而大的粒子组分被膜截留;包括微滤MF、超滤UF、纳滤NF和反渗透RO四种过程;在工业上用得最广的膜材料是醋酸纤维素和聚砜;浓差极化：当溶剂透过膜,而溶质留在膜上,使膜面浓度增大,并高于主体中浓度,这种浓度差导致溶质自膜面反扩散至主体中,这种现象称为浓差极化;在超滤中,为减少浓差极化,通常采用错流操作;膜的污染：膜在使用中,尽管操作条件保持不变,但通量仍逐渐降低的现象;污染原因：膜与料液中某一溶质的相互作用；吸附在膜上的溶质和其它溶质的相互作用;。
生物催化 绪论专选课件
A
A'
差向异构酶、顺反异构 酶、酮醛异构酶
6
合成酶类(连接酶类)
ATP
(ligase)
A＋B
ADP＋Pi 羧化酶、氨酰-tRNA合
AB 成酶、天冬酰胺合成酶
酶的活性中心
酶的活性中心: 酶分子上能与底物特异地结合并起 催化作用的具有特定空间结构的区域
活性中心
结合基团 催化基团 调控基团
中心内必需基团 中心外必需基团
它的特点是高效性、高选择性和低污染。世界经 合组织(OECD)指出：“生物催化技术是工业可持续 发展最有希望的技术”。
当前，如何利用微生物的丰富酶系和基因资 源将地球表面富余的、可以再生的大量木质 纤维素原料有效地转化为人类社会有用的生 物质能源和生物基化学品及材料，便成为新 一代工业生物技术研究的热门课题。
生物催化与化学工程
➢化学工程注重反应及其过程性， 研究传质、传热、传动现象 ➢酶反应工程的主要目标是在高 化学选择性和高对映选择性条件 下，实现高底物转化率的高时空 产率 ➢酶催化反应中存在底物扩散、 抑制、反应器设计等问题，其解 决需要参考化学工程的理论
S
Ks
S
E
P
Kp
P
2.生物催化的基本概念
生物催化 绪论
内容提要
1. 生物催化的学科基础 2. 生物催化的基本概念 3. 生物催化的技术特点 4. 生物催化的由来和发展
以化学催化为核心的 基础物质加工业面临潜在的危机
(1）资源危机：化石资源－不可再生资源 (2）能源危机：化石燃料－不可再生能源 (3）环境危机：三废排放－环 境 污 染
生物催化与生物转化是解决 物质加工危机的有效途径之一
➢酶的分类及命名 ➢酶催化的机理 ➢酶活力的测定要领
第一章 生物化学绪论
生物化学不仅是一门对生命科学有着指导性的基础
理论学科，也是一门对国民经济有着重要意义之一的应用
学科，主要表现在以下几个方面：
（1）生物化学在工业上的应用
生物化学是食品发酵工业理论基础。
例如：食品工业制酱、酿酒、制醋；纺织工业上棉布浆化； 制革业上的毛皮毛脱脂；
（2）生物化学在农业上应用
生物化学也是农业的基础课。农作物的代谢都离不开生物 化学，以及农作物病虫防治等等。
Biochemistry 或 Biological Chemistry
现译为“生物化学”，简称“生化”。 实用文档
2、生物化学发展与起源
生物化学在18世纪开始萌芽，19世纪
初步发展，20世纪初才成为独立的学科。
首先，起源于法国，由法国传之于德
国，由德国而传到美国和英国。在20世纪
后，再由上述国家流传于其他各国。大约
生物化学
BIOCHEMISTRY
主讲：生物与制药工程学院 申 宁 实用文档
第一章 绪 论
生命与生物化学
实用文档
一 、生命的定义
具有复制的能力 具有催化的能力 具有突变的能力
实用文档
地球充满着生物，从最简单的病毒到菌 藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类， 千姿百态。不同的生物，其形态、生理 特征和对环境的适应能力各不相同，都 经历着生长、发育、衰老、死亡的变化， 都具有繁殖后代的能力。
真核细胞中含有被核膜包着的核
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真核细胞的结构
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植物细胞的结构
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原核生物：地球上数量最多、分 布最广。代谢系多样性能适应各种 环境。 真核生物：一般为原核细胞的上千 倍～上万倍，有核，其构造与机能 均比原核生物复杂。
生物化学笔记(完整版)
第一章绪论一、生物化学的的概念：生物化学〔biochemistry)是利用化学的原理与方法去探讨生命的一门科学，它是介于化学、生物学与物理学之间的一门边缘学科。
二、生物化学的开展：1．表达生物化学阶段：是生物化学开展的萌芽阶段，其主要的工作是分析和研究生物体的组成成分以与生物体的分泌物和排泄物。
2．动态生物化学阶段：是生物化学蓬勃开展的时期。
就在这一时期，人们根本上弄清了生物体各种主要化学物质的代途径。
3．分子生物学阶段：这一阶段的主要研究工作就是探讨各种生物大分子的结构与其功能之间的关系。
三、生物化学研究的主要方面：1．生物体的物质组成：高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以与水、无机盐等组成，此外还含有一些低分子物质。
2．物质代：物质代的根本过程主要包括三大步骤：消化、吸收→中间代→排泄。
其中，中间代过程是在细胞进展的，最为复杂的化学变化过程，它包括合成代，分解代，物质互变，代调控，能量代几方面的容。
3．细胞信号转导：细胞存在多条信号转导途径，而这些途径之间通过一定的方式方式相互交织在一起，从而构成了非常复杂的信号转导网络，调控细胞的代、生理活动与生长分化。
4．生物分子的结构与功能：通过对生物大分子结构的理解，提醒结构与功能之间的关系。
5．遗传与繁殖：对生物体遗传与繁殖的分子机制的研究，也是现代生物化学与分子生物学研究的一个重要容。
第二章蛋白质的结构与功能一、氨基酸：1．结构特点：氨基酸(amino acid)是蛋白质分子的根本组成单位。
构成天然蛋白质分子的氨基酸约有20种，除脯氨酸为α-亚氨基酸、甘氨酸不含手性碳原子外，其余氨基酸均为L-α-氨基酸。
2．分类：根据氨基酸的R基团的极性大小可将氨基酸分为四类：①非极性中性氨基酸(8种)；②极性中性氨基酸(7种)；③酸性氨基酸(Glu和Asp)；④碱性氨基酸(Lys、Arg和His)。
二、肽键与肽链：肽键(peptide bond)是指由一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基经脱水而形成的共价键(-CO-NH-)。
生物化学 绪论(共46张)
• 德国Neuberg (1877-1951) 于1903年 提出“生物化学”这个名词生物化学 才成为一门独立的学科，在此之前， 分别由有机化学和生理学分别研究。
德国有机 化学家
Emil Fischer
‘‘生化之 父’
二十世纪的30年代--五十年代
30年代, 1933～1936年Krebs提出了著 名的尿素循环和三羧酸循环。 1940年德国科学家Embden 和 Meyerhof提出的糖酵解途径。
What is life science? 环境与生态 能源与资源 斯坦利（美）分离提纯酶和病毒蛋白质 开创“寡聚核苷酸基定点诱变”法 二 生物化学的概念、研究对象和内容 细胞是生命的基本组成单位 一 生物大分子的结构、性质和生物功能 1997年, 首例克隆哺乳动物“多莉”的诞生 米尔斯坦（英国）
确立有免疫抑制机理的理论, 研制出了单克隆抗体 生命科学领域显示无限广阔的发 1940年德国科学家Embden 和 Meyerhof提出的糖酵解途径。 抗体化学结构和机能
Out of 19,813,086, 19,568,394 sites were identical to their human
counterparts for a mean percent
Fujiyama et al, 2002, Science, 295: 131-134
What is life science?
生命的基本特征:
4.生物具有个体发育和进化的历史
正常的生物都具有从生到死的完整生命 过程, 即生活史。
生物个体不断繁衍后代, 无数个体失活史 串联起来就构成了生物的进化史, 遗传和 变异结合的后果。
What is life science?
生物化学绪论
生化教研室教学网页： 202.197.91.116
参考书目
《生物化学》 主编 沈同 王镜岩 《生物化学》 郑集主编 《生物化学原理》伦宁格，国际通用的最佳生化教材 （影印版）Principles of Biochemistry 哈珀生物化学（ Harper's Biochemistry, 英文影 印版，第 25 版），科学出版社 生命的化学（杂志） J. Biology Chemistry （杂志） 联系地点：新教学楼四楼440室
蛋白质、细胞及细胞核化学研究
• Albrecht Kossel Germany （1853-1927） The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1910in recognition of the
contributions to our knowledge of cell chemistry made through his work on proteins, including the nucleic substances 首先分离 出腺嘌呤、 胸腺嘧啶、和组氨 酸。
1953 Nobel Laureate in Medicine for his discovery of the Citric Acid (Krebs) Cycle.
Hans Adolf Krebs (1900-1981), Germanborn British biochemist
三、分子生物学阶段
第二节
当代生物化学研究的主要内容
一、生物分子的结构与功能
生物体的化学组成
元素组成:
组成生物体的主要元素包括 C、H、O、N 4种元素，约占 生物体总质量的96%。 P、S、Ca等也是组成生命体 的基本元素，约占3.35%。 微量元素包括I、Mo、Se、 Si、Mn和Zn等
应用催化——绪论
C.复合氧化物催化剂：
由多种金属氧化物制得的结构上一定的复合氧化物: 如尖晶石(AB2O4)型的ZnAl2O4, Fe3O4, Co3O4; 钙钛矿(ABO3)型的CaTiO3, LaCoO3, CaxLa1-xMnO3等 同时具有氧化还原、脱氢加氢、异构化等多种功能。
D.负载型金属催化剂：
金属是最先用于生产的催化剂。但是，目前已只有 少数几个工业还是用纯金属网（例如，用于氨氧化的 铂网），金属粉（例如，由于加氢的Raney镍）和金 属粒（例如，用于氨合成的焙铁催化剂）。 绝大多数工业上所用金属催化剂属于过渡金属负载 型催化剂。 如：用于乙烯氧化制环氧乙烷的银-浮石催化剂。 石油重整催化剂：Pt/Al2O3。 Co+H2合成中的Cu-ZnO-Al2O3, Co(Ni, Fe)-ThO2硅藻土催化剂。 加氢用的Pd(Ni, Pt)-Al2O3(SiO2)催化剂等等。
生物酶催化的研究也获得了明显进展。目前，对一 些酶的催化作用已经可以从分子水平上作出某些解 释。和均相配位催化剂一样，在以下一些问题上已 经比较清楚。 酶是以“大”分子的形式作为催化剂参与反应的。 酶的活性中心，在简单酶中为多肽链上的氨基酸残基， 在生理过程中是水解反应的催化剂，如蛋白酶、脂肪 酶等；在结合酶中为辅酶或辅基，在生理过程中是氧 化还原反应的催化剂，如脱氢酶、氧化酶、各种细胞 色素等；在反应过程中，多肽链对反应分子其定位的 作用，活性中心起催化作用；每个生理过程中的酶链， 由一定数量的若干酶所组成，每种酶只司一种职能， 反应按步进行，有条不紊。活性中心挂在多肽链上 （锚定），构型不同于固体催化剂的，后者呈吸附性。
b.重要杂志（基础研究） 1. Journal of Catalysis, Vol. 1--86, 1962--1984. 2. Applied Catalysis, Vol. 1--11, 1981--1984. 3. Journal of the Research Institute for Catalysis, Hokkaido University, Vol.1-31, 1953-1983. 4. Journal of Molecular Catalysis, Vol. 1-25, 1974-1984. 5. Reaction Kinetics and Catalysis Letter, Vol. 1-25，19741984. 6. Journal of the Chemical Sociiety, Faraday Trans. Vol.6880,1972-1980. 7. Journal of Solid State Chemistry, Vol. 1-52, 1969-1984. 8. Journal of Inorganic Biochemistry, Vol. 1-21, 1974-1984. 9. Oxidation Communications, Vol. 1-6, 1980-1984. 10. Surface Sciences, Vol. 1-1'10, 1964-1984.
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生物催化与生物转化是解决 物质加工危机的有效途径之一
基础物质加工业
自然的生物催化和转化
生 物 制
生物 催化剂
造
生物资源 效法自然,发展清洁高 效的生物制造(趋势）
地球
地球
人类
巨大
化学进化 化学循环 物质文明 潜力
认识并利用自然规律，发展人 工生物催化技术，应的特征，即酶的名称应包含两部分： 前面为底物，后面为所催化反应的名称。
酶的种类及命名
习惯用名 乙醇脱氢酶 谷丙转氨酶 (GPT) 过氧化物酶
系统命名 乙醇∶NAD+氧化还原酶 丙氨酸∶α-酮戊二酸氨基转移酶 H2O2∶邻甲氧基酚氧化酶
催化的反应 乙醇 NAD+
乙醛 丙氨酸
NADH+ H+ α-酮戊二酸
生物催化与转化是以 细胞或酶作为催化剂进行 物质转化，大规模生产化 学品、医药、能源、材料 的技术科学。
它的特点是高效性、高选择性和低污染。世界经 合组织(OECD)指出：“生物催化技术是工业可持续 发展最有希望的技术”。
当前，如何利用微生物的丰富酶系和基因资 源将地球表面富余的、可以再生的大量木质 纤维素原料有效地转化为人类社会有用的生 物质能源和生物基化学品及材料，便成为新 一代工业生物技术研究的热门课题。
酶几乎可以催化有机化学中的所有反应
反应 Meerwein-Ponndorff-Verley还原 Oppenauer Bayer-Villiger 氧化 醚键裂解 歧化反应 转氨作用 水解作用 磷酸盐水解 酯化反应 转酯反应 肟解反应 ……
E.C.编号 1.1.1.1 1.1.1.1 1.14.13.22 1.14.16.5 1.15.1.1 2.6.1.x 3.1.-.3.1.3.2/1 3.4.21.14 3.4.21.14 3.1.1.3 ……
A
A'
差向异构酶、顺反异构 酶、酮醛异构酶
6
合成酶类(连接酶类)
ATP
(ligase)
A＋B
ADP＋Pi 羧化酶、氨酰-tRNA合
AB 成酶、天冬酰胺合成酶
酶的活性中心
酶的活性中心: 酶分子上能与底物特异地结合并起 催化作用的具有特定空间结构的区域
活性中心
结合基团 催化基团 调控基团
中心内必需基团 中心外必需基团
生物催化与化学工程
➢化学工程注重反应及其过程性， 研究传质、传热、传动现象 ➢酶反应工程的主要目标是在高 化学选择性和高对映选择性条件 下，实现高底物转化率的高时空 产率 ➢酶催化反应中存在底物扩散、 抑制、反应器设计等问题，其解 决需要参考化学工程的理论
S
Ks
S
E
P
Kp
P
2.生物催化的基本概念
酶的活性中心
底物分子 活性中心
催化基团 结合基团
酶的活性中心
• 结合基团(Binding group)
➢酶分子中与底物结合， 使底物与酶的一定构象形 成复合物的基团。 ➢酶的结合基团决定酶反 应的专一性
酶的活性中心
• 催化基团(Catalytic group)
➢酶分子中催化底物发生 化学反应并将其转变为产 物的基团。 ➢催化基团决定酶所催化 反应的性质。
A+BH2
脱氢酶、氧化酶、过氧 化物酶、加氧酶
2
转移酶类 (transferase)
AR+B
A+BR
谷丙转氨酶、已糖激酶
3
水解酶类 (hydrolase)
AB+H2O AOH+BH 酯酶、蛋白酶、淀粉酶
4
裂解酶类 (lyase)
A－B A B＋X－Y 醛缩酶、水合酶、脱氨
XY
酶、脱羧酶
5
异构酶类 (isomerase)
举例: EC 1.1.1.1 乙醇脱氢酶
第1大类 作用CHOH 以NAD+为受体 顺序号
酶的种类及命名
国际酶学委员会(Enzyme Commission, EC)将所有的酶按 它们所催化反应的性质分为六大类。
分类 序号
酶的类型
催化反应的性质
举例
1
氧化还原酶类 (oxidoreductase)
AH2+B
第一章 绪论
2012.09.12
内容提要
1. 生物催化的学科基础 2. 生物催化的基本概念 3. 生物催化的技术特点 4. 生物催化的由来和发展
以化学催化为核心的 基础物质加工业面临潜在的危机
(1）资源危机：化石资源－不可再生资源 (2）能源危机：化石燃料－不可再生能源 (3）环境危机：三废排放－环 境 污 染
1.生物催化的学科基础
➢生物催化与化学催化 ➢生物催化与发酵技术 ➢生物催化与化学工程
生物催化是典型的交叉学科
生物催化
化学
生物化学 有机化学
生物学
微生物学 分子生物学 酶学
化学工程
动力学 反应工程 反应器设计
生物催化与化学催化
➢生物催化与化学催化的作用原理一样 ➢酶几乎可以催化有机化学中的所有反应 ➢酶创造了一个更温和更优越的反应条件
丙酮酸 谷氨酸
H2O2
邻甲氧基酚
H2O
四邻甲氧基酚
酶的种类及命名
➢根据酶学委员会1961年的第一个报告, 所有的酶依据催 化的反应分为6大类. ➢根据分类, 每个酶都有一个编号(“E.C.”代表”酶学委员 会, Enzyme Commission”)
E.C. a. b. c. d
酶的大类 酶的亚类 酶的亚亚类 酶的顺序号
➢酶的分类及命名 ➢酶催化的机理 ➢酶活力的测定要领
酶的种类及命名
习惯命名法
底物名 + “酶” 如 己糖激酶、蛋白酶、脲酶
反应类型 + “酶” 如 己糖激酶、乳酸脱氢酶、DNA聚合酶
酶的来源
如 胃蛋白酶
这种习惯命名法缺乏科学系统性，易产生“一酶多 名”或“一名多酶”问题。
酶的种类及命名
国际系统命名法 该命名法规定，每种酶的名称应明确标明底物
酶 乙醇脱氢酶 乙醇脱氢酶 Bayer-Villiger单加氧酶 甘油醚酶 过氧化物歧化酶 氨基转移酶 脂肪酶、酯酶 酸/碱性磷酸酶 枯草杆菌蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 脂肪酶
……
生物催化与发酵技术
CmHn N-源
底物 N-源
底物
底物
产物发酵
产物前体发酵 生物转化
酶催化
生物催化
生物催化与发酵技术
➢发酵：利用一些工业原料如含有糖、淀粉的糖蜜或玉米等 作为碳源，用活细胞发酵，可以生成更复杂的目标产物 ➢前体发酵：使用活细胞将特定的前体转化为目标产物 ➢生物转化：用酶或静息细胞经过一些列步骤将前体转化成 目标产物 ➢酶催化：通常用粗酶或部分纯化的酶将底物转化成目标产 物，纯酶很少使用，除非是生产高附加值的精细化学品