《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。

II.在酶的应用过程中，人们注意到酶的一些不足之处，如：稳定性差，对强酸碱敏感，只能使用一次，分离纯化艰难等，解决的方法之一是固定化。

固定化技术的发展经历如下历程：①1916 年， Nelson 和 Griffin 发现蔗糖酶吸附到骨炭上仍具催化活性；②1969 年，日本千佃一郎首次在工业规模上用固定化氨基酰化酶从 DL-氨基酸生产 L－氨基酸；③1971 年，第一届国际酶工程会议在美国召开，会议的主题是固定化酶。

酶催化作用特性有：①高的催化效率：在37℃或者更低的温度下，酶的催化速度是没有催化剂的化学反应速率的 1012-1020 倍；②高度的专一性：一种酶仅作用于一种或者一类化合物，或者一定的化学键，催化一定的化学反 应并生成一定的产物；③活性的不稳定性：酶的催化反应需要温和的条件，强酸、强碱、高温等条件都能使酶破坏 而彻底失去活性，所以酶作用普通都要求比较温和的条件，如常温、常压、接近中性的酸碱 度等；④活性的可调节性：酶的催化活性是受调节和控制的酶促反应受多种因素的调控，以适应机 体对不断变化的内外环境和生命活动的需要。

其中包括三方面的调节， 对酶生成与降解量 的调节酶催化效力的调节通过改变底物浓度对酶进行调节等。

影响酶催化作用的因素有内因和外因，内因有：酶浓度、底物浓度和产物浓度；外因有：温度、 PH 、激活剂和抑制剂。

① 底物浓度：当底物浓度很低时，反应速度随底物浓度的增加而急剧加快，两者呈正比关 系，表现为一级反应；随着底物浓度的升高，反应速度再也不呈正比例加快，反应速度增加的 幅度不断下降；如果继续加大底物浓度，反应速度再也不增加，表现为零级反应，此时，无论 底物浓度增加多大，反应速度也再也不增加。

② 产物浓度：生物代谢过程中产生的中间产物或者终产物是酶的变构剂，使酶变构而影响酶 的反应速度，即反馈调节作用。

③ 酶浓度：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。

④ 温度：在一定温度范围内，反应速度随温度升高而加快，普通温度每升高 10℃，反应 速率大约增加一倍；超过一定范围，较高温度会引起酶三维结构变化，甚至变性，导致催化 活性下降，反应速度反而随温度上升而减缓。

⑤ PH ：酶份子处于最适 PH 时，催化反应速度达最大值；当反应介质 PH 偏离酶最适 PH ， 会影响酶与底物结合，进而影响反应速度，故必须控制好 PH 。

⑥ 激活剂：凡能提高酶活性的物质，都称为激活剂，大部份是离子或者简单的有机化合物。

⑦ 抑制剂：凡能使酶的活性下降而不引起酶蛋白变性的物质称为酶的抑制剂，通常抑制作 用分为可逆性抑制和不可逆性抑制两类。

v = V [S ]m 这个方程即为米氏方程，是在假定存在一个稳态反应条件下推导出来的。

K + [S ] m 其中： K 值称为米氏常数，是酶促反应速度为最大酶促反应速度值一半时的底物浓度；mV 是酶被底物饱和时的反应速度；max [S]为底物浓度。

米氏方程表示一个酶促反应的起始速度(v)与底物浓度(S)关系的速度方程。

①方程反映了反应性质、反应条件、反应速度之间的关系；②反映了反映速度与底物浓度之间的关系，当[S]远大于K 时,反应速度与底物浓度无关 ;m③反映了酶反应速度与酶浓度的关系,当[S]远大于K 时,v=k [E ]为线性关系，酶活正比于酶m 2 0 浓度。

① 诱导物：诱导酶起始合成的物质(通常是酶的底物)，可以引起阻遏蛋白的构象变化， 使之不利于与控制基因结合，如乳糖；而能引起阻遏蛋白的构象变化从而有利于其与控制基 因结合，阻遏酶产生的物质称为辅助阻遏，如氨基酸和核苷酸等。

② 终产物阻遏：催化某一特异产物合成的酶，在培养基中有该产物存在的情况下往往是不合成的，即受阻遏的。

③ 分解代谢产物阻遏：大肠杆菌在含有能分解的两种底物(如葡萄糖和乳糖)的培养基中生长时，首先分解利用其中的一种底物(葡萄糖)，而不分解另一种底物 (乳糖)，这是因为葡萄糖的分解代谢产物阻遏了分解利用乳糖的有关酶合成的结果，此作用即为分解代谢产物阻遏。

④ 葡萄糖效应：由于葡萄糖常对分解利用其他底物的有关酶的合成有阻遏作用，故分解代谢产物阻遏又称为葡萄糖效应。

乳糖是大肠杆菌合成β-半乳糖苷酶的诱导物，若只采用乳糖作为碳源，虽然提高了发酵单位却增加了成本。

若采用葡萄糖和乳糖以适当比例组成的混合碳源，则在提高产量的同时又能降低发酵原料成本。

在利用嗜热脂肪芽孢杆菌生产α-淀粉酶时，采用甘油替代果糖解除分解代谢阻遏，可以使产量提高约 25 倍。

在利用枯草芽孢杆菌活菌生产蛋白酶时，若培养基中含有氨基酸，酶产量很低：如果除去培养基中的氨基酸，蛋白酶产量会大幅度提高。

再如，枯草芽孢杆菌的鸟苷发酵是典型的代谢控制发酵，采用腺嘌呤营养缺陷型突变株。

发酵过程中人为限制腺嘌呤的浓度，使细胞代谢途径中的腺嘌呤类核苷酸浓度保持在不致引起关键酶的反馈抑制和阻遏的水平，有利于鸟苷的积累。

若通过基因工程手段和传统诱变的技术获得在抗代谢物存在时也能正常生长的突变株，有的突变株的相关酶系合成对这种抗代谢物不敏感，这也就解除了某些代谢物对有关酶系的反馈阻遏。

例如，异亮氨酸合成途径中的关键酶——高丝氨酸脱氢酶受蛋氨酸的反馈阻遏，通过选育蛋氨酸结构类似物抗性突变株或者蛋氨酸缺陷型菌株，可提高该酶量，从而提高异亮氨酸产量。

此外，在育种工作中，还可以筛选组成型菌株以提高酶的产量。

以β-半乳糖苷酶的生产为例，将诱导型菌株培养在含有抑制物质邻硝基- β-D 岩藻糖苷和乳糖的培养基中时，由于诱导酶的合成被抑制，野生型因不能利用乳糖而不能生长，但组成型酶突变株对于乳糖的利用则不受限制，于是此环境中生长的突变株为组成型酶产生菌。

① 添加诱导物：对于诱导酶的发酵生产，在发酵培养基中添加诱导物能使酶的产量显著增加。

诱导物普通分为三类：酶的作用底物，如青霉素是青霉素酰化酶的诱导物；酶的反应产物，如纤维素二糖可诱导纤维素酶的产生；酶的底物类似物，如异丙基β -D-硫代半乳糖苷对β-半乳糖苷酶的诱导效果比乳糖高几百倍。

② 降低阻遏物浓度：微生物酶的生产受到代谢末端产物的阻遏和分解代谢物阻遏的调节。

为避免分解代谢物的阻遏作用，可采用难于利用的碳源，或者采用分次添加碳源的方法培养液中的碳源保持在不至于引起分解代谢物阻遏的浓度。

③ 添加表面活性剂：在发酵生产中，非离子型的表面活性剂常被用作产酶促进剂，但它的作用机制尚未彻底研究清晰。

④ 添加产酶促进剂：产酶促进剂是指那些非微生物生长所必须，能提高酶产量但作用机制尚未阐明的物质，它可能是酶的激活剂或者稳定剂.对于生产酶的菌种来说普通必须符合以下条件：①酶的产量高；② 容易培养和管理，产酶细胞容易生长繁殖，适应性较强，便于管理；③ 菌株遗传性要稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体，保证生产的稳定性；④ 菌株能利用便宜原料，发酵周期短，生产成本低；⑤发酵产物利于酶产品的分离纯化，最好是分泌型的胞外酶；⑥ 菌株安全可靠，不是病原菌，不产毒素及其他有害物质，不影响生产人员的身体健康；⑦基因工程菌株必须符合安全性要求。

黑曲霉PDA 培养基和察氏培养基, 分离培养基是在察氏培养基中加入1%的酪蛋白。

(1) PDA 培养基；(2)查氏培养基：硝酸钠 3g、磷酸氢二钾 1g、硫酸镁 (MgSO ·7H O) 0.5g 、氯化钾 0.5g、4 2硫酸亚铁0.01g 、蔗糖 30g、琼脂 20g 、蒸馏水 1L，加热溶解，自然 PH，分装后121℃灭菌20min。

培养方法：按要求配制发酵基质，调节初始含水量和 pH 后，取150 g 分装于1L三角瓶中，在0.1 Mpa 压力条件下灭菌30 min 后，冷却接种，接种量为0.3%，于不同条件下发酵84h，干燥后，进行酶活的测定。

采用常规稀释分离法。

取0.1 ml 稀释的孢子悬液涂布初筛平板, 30℃培养4 h,紫外灯预热30min 后，将平皿置于距15W 紫外灯30 cm 处距分别照射0 s (对照用)、 4 min、6 min、8min、10min、12min (各做2组)。

随后在暗光条件下，用5mL 无菌生理盐水对平皿上的菌进行洗脱，适当稀释后，涂布于分离平皿，以黑布包裹30℃下避光培养3-4天，从长出菌落与其水解圈直径比的大小及菌落形态的变化，挑选所需菌种，编号并保存，同时根据平皿菌落数计算致死率,从而求得成活率。