酶工程教学大纲

《酶工程》课程教学大纲

总学时数：30

一、课程的地位、性质和任务

酶工程（enzyme engneering）是生物技术专业的主干必修课，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的一门新的科学技术，在生物技术人才培养中处于至关重要的地位。它涉及细胞工程、基因工程、发酵工程、生物分离工程和化学工程等诸多学科，主要内容包括酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶和细胞固定化以及酶的分子工程。学生通过酶工程的学习，能够掌握酶的生产与分离纯化的基本理论、基本技术以及自然酶、化学修饰酶、固定化酶的研究和应用，了解酶在各行各业中的最新发展及研究趋势。

二、课程教学的基本要求

学生通过酶工程的学习，应熟悉从应用目的出发研究酶，在一定生物反应装置中利用酶的催化性质的研究路线，掌握酶的生产与应用的基本理论、基本技术、酶的分离纯化、固定化酶以及酶的化学修饰的研究和应用，进一步了解酶在各行各业中实际应用的最新发展和发展趋势，在以后的毕业环节和工作中能够自觉地应用这些技术方法来指导自己的工作。

本课程理论课30学时，于本科三年级第二学期开设。

讲授方式：

1．讲授

2．利用CAI课件

三、各章主要内容、学时分配及教学要求

第一章绪论 2学时

【单元目标】

1．了解酶工程的研究意义；

2．掌握酶工程的概念及研究内容。

【授课内容】

一．酶与酶工程发展简史

（一）酶学研究简史

（二）酶工程研究简史

二. 酶工程简介

1.酶工程

2.组成

3.分类

第二章微生物发酵产酶 4学时

【单元目标】

1.掌握酶生物合成的调节类型及调节机制

2.了解产酶微生物的分离和选育方法

3.了解动植物细胞与微生物细胞发酵产酶的异同【授课内容】

第一节酶生物合成及调节

一、酶的生物合成

（一）RNA的生物合成--转录(transcription) （二）蛋白质的生物合成--翻译(translation) 1．翻译

2．翻译过程即蛋白质的合成过程

二、酶生物合成的调节

（一）基因调控理论

（二）酶合成调节的类型

1.诱导 (induction)

2.阻遏 (repression)

（三）酶合成的调节机制

三、提高酶产量的策略

（一）菌种选育

1.诱变育种

2.基因工程育种

（二）条件控制

第二节酶发酵动力学

一、细胞生长动力学（Monod方程）

二、产酶动力学

(一) 酶生物合成的模式

1.生长偶联型

2.部分生长偶联型

3.非生长偶联型

(二) 产酶动力学

第三节微生物发酵产酶

一、产酶微生物的分离和选育

二、微生物发酵产酶方法

1.固体培养

2.液体培养

3.固定化细胞

三、微生物酶的类型

1.胞外酶

2.胞内酶

第三章动、植物细胞培养产酶 2学时

一、动植物细胞与微生物细胞主要特性差异

二、植物细胞培养产酶

1.植物细胞培养的特点、提取法缺点

2.培养基特点

3.培养方法

4.培养条件的影响与控制

5.植物细胞培养产酶实例

三、动物细胞培养产酶

1.动物细胞培养的特点

2.培养基

3.培养方法

4.培养条件的影响与控制

第四章酶的提取与分离纯化 12学时【单元目标】

1．掌握酶分离纯化的常用方法及其原理2．掌握几种常用的电泳方法及操作步骤2．了解酶的纯化方案的设计

【授课内容】

第一节酶的分离4学时

一、发酵液预处理

(一)发酵液的相对纯化

(二)发酵液的固液分离

二、细胞破碎

（一）细胞壁组成

（二）细胞破碎的方法

（三）细胞破碎确认

三、酶的提取(extraction)

（一）理想提取液具备的条件、目标原则（二）提取方法

四、离心分离

（一）基本原理

（二）离心机的种类

（三）常用离心方法

1．差速离心

2．密度梯度离心

3. 等密度梯度离心又称沉降平衡离心

（四）应用

五、沉淀分离（根据溶解度的不同）

（一）盐析沉淀法（改变离子强度）

（二）有机溶剂沉淀（降低介电常数）

（三）等电点沉淀(isoelectric precipitation) （四）有机聚合物沉淀法

（五）选择性变性沉淀法

六、萃取（extraction）分离

（一）溶剂萃取法

（二）双水相萃取技术

（三）超临界流体萃取

（四）反胶团萃取

第二节酶的精制5学时

一、膜分离技术

（一）扩散膜分离

（二）加压膜分离

（三）电场膜分离

二、层析法

（一）吸附层析（adsorption chromatography）1.原理

3.洗脱剂

4.应用

（二）凝胶过滤层析)(gel filtration chromatography)

1.基本原理

2.凝胶的种类和性质

3.操作

4.应用

（三）离子交换层析（ion exchange chromatography，IEC）

1. 原理

2. 阴离子交换剂分离蛋白质的过程

3. 操作

4. 应用- 制备纯化生物大分子

（四）疏水层析（hydrophobic interaction）

1、原理

2. 吸附剂

3. 操作

4. 应用

（五）亲和层析(affinity chromatography)

1. 原理

2. 基质的选择

3. 配体的选择

4. 偶联（亲和吸附剂的制备）

5. 操作及应用

(六) 高效（压）液相层析（HPLC：high performance（pressure）liquid chromatography)

1. 基本原理

3. 色谱仪组成

第三节电泳

一、电泳的基本理论

1. 原理

2. 电泳的分类

3. 电泳常用设备

二、聚丙烯酰胺凝胶电泳

1.原理

2.分离效应

三、SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳

1. 原理

2. 操作

四、等电聚焦 ( isoelectric focusing，IEF )

1. 原理

2. 操作

3. 应用

第四节酶的浓缩、干燥与结晶2学时

一、酶的浓缩

(一)蒸发浓缩

(二)超滤浓缩

(三)吸水剂

(四)反复冻融浓缩

(五)沉淀法

二、酶的干燥

三、酶的结晶

（一）结晶的条件

（二）结晶的方法

第五节纯化方案的设计与评价１学时一、纯化方案的设计

（一）纯化方法的选择依据

（二）纯化方法的排序

二、纯化方案的评价

（一）酶活力测定

（二）蛋白质浓度测定

（三）提纯倍数与回收率

第五章酶分子的化学修饰 2学时

【单元目标】

1．掌握酶活性中心的概念及共性

2．了解酶化学修饰的目的及原理

3．了解酶化学修饰的种类及应用

【授课内容】

第一节酶的活性中心

一、活性中心的概念

二、活性中心的共性

三、研究酶活性中心的方法

1.物理学方法

2.化学修饰法

3.蛋白质工程

第二节酶化学修饰及修饰目的

一、酶化学修饰

1.限制酶大规模应用的原因

2.改变酶特性有两种主要的方法

3.酶化学修饰的概念

二、酶化学修饰的目的

1.研究酶的结构与功能的关系

2.人为改变天然酶的某些性质，扩大酶的应用范围第三节酶化学修饰的原理

一、如何增强酶天然构象的稳定性与耐热性

二、如何保护酶活性部位与抗抑制剂

三、如何维持酶功能结构的完整性与抗蛋白水解酶

四、如何消除酶的抗原性及稳定酶的微环境

第四节酶化学修饰的设计

一、充分认识酶分子的特性

二、修饰剂的选择

三、反应条件的选择

第五节酶化学修饰的种类及应用

一、酶的表面化学修饰

（一）大分子修饰（大分子结合修饰）

1．定义

2．修饰剂

3．应用

（二）小分子修饰（酶蛋白侧链基团修饰）

1．定义

2．侧链基团修饰剂

3．几种重要的修饰反应

（三）交联修饰（交联法）

（四）固定化修饰（共价偶联法）

二、酶分子内部修饰

（一）蛋白主链修饰（肽链有限水解修饰）

（二）氨基酸置换修饰

（三）金属离子置换修饰

第六章酶与细胞的固定化 2学时

【单元目标】

1．掌握固定化酶和固定化细胞的定义及特点

2．了解固定化酶和固定化细胞的性质及应用

【授课内容】

第一节酶与细胞的固定化

一、固定化酶和固定化细胞的定义及特点

1.固定化酶 (immobilized enzyme)

2.固定化细胞（immobilized cell）

二、固定化方法

（一）酶的固定化方法

1.吸附法（adsorption）

2.共价偶联法（covalent binding or covalent coupling）

3.交联法（crosslinking）

4.包埋法(encapsulation)

（二）各种固定化方法的优缺点比较

（三）细胞的固定化方法

1.固定化细胞的分类

2.固定化方法

（四）原生质体的固定化方法

第二节固定化酶和固定化细胞的性质与表征

一、固定化酶的性质

二、固定化细胞的性质

三、固定化酶（细胞）的评价指标

第三节固定化酶与固定化细胞的应用

一、在工业生产上的应用

1．氨基酰化酶（Aminoacylase）

2．葡萄糖异构酶

二、固定化酶在医学上的应用

1．消血栓

2. 人工肾

三、在分析检测中的应用

1. 酶传感器

1）酶传感器的原理

2）酶传感器的应用

2. 酶联免疫测定

第七章酶反应器 2学时

【单元目标】

1．了解酶反应器的几种类型

2．了解酶反应器的设计原理及操作

【授课内容】

第一节酶反应器的特点与类型

一、酶反应器的类型

（一）搅拌罐型（Stirred Tank Reacter, STR）

（二）固定床型（也称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）（三）流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR)

（四）膜式反应器(Membrane Reactor)

（五）鼓泡塔型反应器

二、酶反应器的发展

第二节酶反应器的设计与选择

一、酶反应器的设计

1.设计目的

2.设计原理（依据）

二、酶反应器的选择

（一）酶的应用形式

（二）底物的物理性质

（三）反应操作要求

（四）酶的稳定性

（五）应用的可塑性及成本

三、酶反应器的操作

第八章酶的应用 4学时

【单元目标】

1．了解酶在医药方面的应用

2．了解酶在食品方面的应用

3．了解酶在化工方面的应用

4. 了解酶在环境保护方面的应用

5. 了解酶在生物技术领域的应用【授课内容】

第一节酶在医药方面的应用

第二节酶在食品方面的应用

第三节酶在化工方面的应用

第四节酶在环境保护方面的应用第五节酶在生物技术领域的应用

四、使用教材与主要参考书目录

1教材

《酶工程》（第二版）作者：郭勇科学出版社 2004

2 主要参考书目

郭勇现代生化技术，华南理工大学出版社， 1996

郭勇酶的生产与应用，化学工业出版社个，2003

罗贵民酶工程，化学工业出版社，2002

张树政酶制剂工业，科学出版社，1984

邹国林酶学，武汉大学出版社， 1997

五、考核方法和成绩构成

本课程为考试考核，包括两部分：期中及平时为30%，期末70%。