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第一章 酶学与酶工程 学习目的 了解酶与酶工程的意义 掌握酶的分类、催化调节特性及作用机制 明确酶工程的概念 熟悉大规模纯化酶技术的原理及应用 §1.1 概述 §1.2 酶的组成与结构特点 §1.3 酶的作用机制 §1.4 酶的催化作用动力学 §1.5 pH和温度对酶催化反应速度的影响 §1.6 酶的分离纯化 §1.1 概述 一、酶与酶工程研究的意义 研究酶的理化性质与作用机理对于阐明生命现象的本质具有重要意义； 分子生物学研究的重要工具 酶工程作为生物技术的一个重要分支，在食品、 饲料、 纺织、洗涤剂、医药和环保等行业发挥重要作用 二、酶学研究简史 1.酶的定义 酶是具有生物催化功能的生物大分子 2.发展历史 国内： （1）4000多年前的夏禹时代酿酒盛行 （2）公元十世纪左右，我国已利用豆类作酱 （3）约3000年前，人们利用麦曲淀粉酶将淀粉降解为 麦芽糖制造饴糖 1833年 淀粉酶 佩恩（ Payen）和帕索兹（ Persoz）从麦芽的水抽提物中用酒精沉淀得到一种可使淀粉水解生成可溶性糖的物质—淀粉酶制剂(diastase) 1878年 ENZYME-in yeast 库尼（ Kunne）首次将酵母中进行酒精发酵的物质称为酶Enzyme ，这个词来自希腊文，其意思是“在酵母中”( In Yeast ) 1896年，德国Buchner兄弟发现酶的理化性质，开始了酶学的研究。 1902年中间产物学说；1913年，米氏方程 1926年 酶的化学本质为蛋白质 萨姆纳（Sumner）首次从刀豆提取液中分离纯化得到脲酶结晶，并证明它具有蛋白质的性质，提出酶的化学本质是蛋白质的观点。获1947诺贝尔奖。 *1960年 操纵子学说 雅各（Jacob）和莫诺德（Monod）提出操纵子学说，阐明了酶生物合成的调节机制。 * 1963年 酶的一级结构； * 1965年 酶的空间结构； * 1969年 酶的人工合成； * 1982年 核酸酶的发现 * 1983年 核酸酶的确认 切克(Thomas Cech)等人发现四膜虫（Tetrahynena）细胞的26S rRNA前体在完全没有蛋白质存在的情况下自我加工，催化得到成熟的rRNA，说明RNA本身是生物催化剂，称其为“Ribozyme”,对酶的传统概念提出了严峻的挑战 应用研究进展 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 1949年，日本采用深层培养法生产α-淀粉酶获得成功 1959年，日本应用葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡萄糖，使糖得率80%增加到100% 70年代后，固定化酶技术发展 三、酶工程简介 1.酶工程的概念及研究领域 酶工程（enzyme engineering) 是生物工程的主要内容之一，是酶学和工程学相互渗透结合发展而成的一门新技术学科，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交叉科学技术。它是从应用的目的出发研究酶，是在一定生物反应装置中利用酶的催化性质将相应原料转化为有用物质的技术。 目前已经在自然界发现并鉴定的酶大约有8000种，广泛应用到工农业生产和科学研究种的只有800种，使用受到限制的原因：a不稳定；b分离纯化工艺复杂；c酶制剂成本高。 根据研究和解决上述问题的手段，将酶工程分为： 化学酶工程：由酶学与化学工程技术相结合而成，主要通过化学修饰、固定化处理、甚至化学合成等手段改变酶的性质以提高催化效率和降低成本。一般包括：天然酶、化学修饰酶、 固定化酶和化学人工酶的研究应用。 生物酶工程：是以酶学和基因重组技术为主旨与现代分子生物技术相结合的产物，主要包括：a 用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）；b修饰酶基因产生遗传修饰酶（突变酶）c 设计新的酶基因合成自然界不曾有的新酶。 2.酶工程的发展史 二战后，20世纪50年代开始，由微生物发酵液中分离出一些酶，制成酶制剂。 60年代后，固定化酶、固定化细胞技术发展，使酶制剂的应用呈现新的面貌。1969年，日本千烟一郎首先用固定化酶技术成功拆分DL-aa 1971年，第一次国际酶工程会议在Hennileer召开，肯定了固定化酶技术的应用 1983年第7届国际酶工程会议提出了酶分子的修饰和改造 酶生物反应器的研究，出现酶膜反应器、免疫传感器、多酶反应器等 酶抑制剂的研究，在代谢控制、生物农药、生物除草剂等方面发挥作用 基因工程表达的酶、经分子改造和修饰的酶；模拟酶、抗体酶、杂交酶、非水相酶反应技术等是今后研究的热点 一、蛋白酶的结构特点 一级结构 蛋白质的肽链的化学结构，即通过肽键连接起来的氨基酸残