《酶工程》教案 甘肃农业大学生命科学技术学院 2016年9月
《酶工程》教案 甘肃农业大学生命科学技术学院 2016 年 9 月
酶工程教案 本课程的主要内容有:绪论、酶的基本性质、酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶分子修饰、酶与细胞 固定化、酶反应器、酶的应用。 第一章绪论(2学时) (一)教学目的与要求: 学习目的要求:通过教学使学生了解酶学与酶工程的概念:掌握酶学与酶工程研究的主要内容以及酶学研 究的历史与现状,明确酶学与酶工程研究的重要意义 (二)教学的重点与难点分析: 重点:酶工程的概念、酶工程研究的主要内容 难点:生物酶工程的研究内容 三)教学方法、手段 多媒体课件辅以板书、提问 (四)教学内容: 国内外酶制剂生产和应用现状 1、世界三大酶制剂公司 2、我国酶工业发展阶段 、酶与酶工程发展简史 1、酶学研究简史 2、酶学理论研究 3、酶工程研究简史 酶工程的概念和酶工程研究的主要内容 酶工程( Enzyme Engineering):从应用目的出发,研究酶的产生、酶的制备与改造、酶反应器以及酶 的各方面应用。是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学,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边缘科学 酶工程的内容包括酶的生产、改性与应用 四、酶学与酶工程研究的重要意义 五、酶工程的学习方法 第二章藤的基本性质(2学时) (一)教学目的与要求: 学习目的要求:通过教学使学生了解酶的分类命名原则和六大酶类及其主要特点;掌握酶作为生物催化剂 的特点,清晰 Koshland对酶分子中氨基酸残基的功能类型分类,以及酶促反应动力学 (二)教学的重点与难点分析: 重点:六大酶类及其催化性质,酶活力测定的步骤和酶活力及表示法以及酶的生产方法 难点:酶分子中氨基酸残基的功能类型,酶活力测定的步骤和酶活力及表示法。 (三)教学方法、手段
2 酶工程教案 本课程的主要内容有：绪论、酶的基本性质、酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶分子修饰、酶与细胞 固定化、酶反应器、酶的应用。 第一章 绪论（2 学时） （一）教学目的与要求： 学习目的要求：通过教学使学生了解酶学与酶工程的概念；掌握酶学与酶工程研究的主要内容以及酶学研 究的历史与现状，明确酶学与酶工程研究的重要意义。 （二）教学的重点与难点分析： 重点：酶工程的概念、酶工程研究的主要内容。 难点：生物酶工程的研究内容。 （三）教学方法、手段 多媒体课件辅以板书、提问 （四）教学内容： 一、国内外酶制剂生产和应用现状 1、世界三大酶制剂公司 2、我国酶工业发展阶段 二、 酶与酶工程发展简史 1、酶学研究简史 2、 酶学理论研究 3、 酶工程研究简史 三、酶工程的概念和酶工程研究的主要内容 酶工程（ Enzyme Engineering）：从应用目的出发，研究酶的产生、酶的制备与改造、酶反应器以及酶 的各方面应用。是酶学和工程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学，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边缘科学。 酶工程的内容包括酶的生产、改性与应用 四、酶学与酶工程研究的重要意义 五、酶工程的学习方法 第二章 酶的基本性质（2 学时） （一）教学目的与要求： 学习目的要求：通过教学使学生了解酶的分类命名原则和六大酶类及其主要特点；掌握酶作为生物催化剂 的特点，清晰 Koshland 对酶分子中氨基酸残基的功能类型分类，以及酶促反应动力学。 （二）教学的重点与难点分析： 重点：六大酶类及其催化性质，酶活力测定的步骤和酶活力及表示法以及酶的生产方法。 难点：酶分子中氨基酸残基的功能类型，酶活力测定的步骤和酶活力及表示法。 （三）教学方法、手段
多媒体课件辅以板书、提问 (四)教学内容: 第一节酶的概念 酶的化学本质 具有生物催化功能的生物大分子,按照其化学组成,可以分为蛋白类酶(P酶)和核酸类酶(R酶)两 大类别。 二、酶的分子组成单纯酶,结合酶 .酶的催化特点 1酶催化作用的专一性强 2酶催化作用的效率高 3酶催化作用的条件温和 第二节酶的作用机制 酶的活性中心 称活性部位( active site),指必需基团在空间结构上彼此靠近,组成具有特定空间结构的区域,能与 底物特异结合并将底物转化为产物 酶促反应的机理 第三节影响酶催化作用的因素 酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、p值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。 、底物浓度的影响 底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。在其他条件不变的情况下,酶催化反应速度与底物浓度 的关系 在底物浓度较低的情况下,酶催化反应速度与底物浓度成正比,反应速度随着底物浓度的增加而加快。 当底物浓度达到一定的数值时,反应速度的上升不再与底物浓度成正比,而是逐步趋向平衡。 Vea[s] 著名的米氏方程 酶浓度的影响 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,之间的关系可以用下式表示:V=k[E] 温度的影响 每一种酶的催化反应都有其适宜温度范围和最适温度 四、pH值的影响 酶的催化作用与反应液的pH值有很大关系 每一种酶都有其各自的适宜pH值范围和最适p值。 五、抑制剂的影响 酶的抑制剂:使酶的催化活性降低或者丧失的物质 抑制剂有可逆性抑制剂和不可逆抑制剂之分。 不可逆抑制剂:与酶分子结合后,抑制剂难于除去,酶活性不能恢复。 可逆性抑制剂:与酶的结合是可逆的,只要将抑制剂除去,酶活性即可恢复。 根据可逆性抑制作用的机理不同,酶的可逆性抑制作用可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争 性抑制三种 竞争性抑制( competitive inhibition):指抑制剂和底物竞争与酶分子结合而引起的抑制作用 非竞争性抑制( noncompetitive inhibition):指抑制剂与底物分别与酶分子上的不同位点结合,而 引起酶活性降低的抑制作用
3 多媒体课件辅以板书、提问 （四）教学内容： 第一节 酶的概念 一. 酶的化学本质 具有生物催化功能的生物大分子，按照其化学组成，可以分为蛋白类酶（P 酶）和核酸类酶（R 酶）两 大类别。 二、 酶的分子组成 单纯酶，结合酶 三. 酶的催化特点 1 酶催化作用的专一性强 2 酶催化作用的效率高 3 酶催化作用的条件温和 第二节 酶的作用机制 一、 酶的活性中心 称活性部位(active site)，指必需基团在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与 底物特异结合并将底物转化为产物。 二、 酶促反应的机理 第三节 影响酶催化作用的因素 酶的催化作用受到底物浓度、酶浓度、温度、pH 值、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素的影响。 一、底物浓度的影响 底物浓度是决定酶催化反应速度的主要因素。在其他条件不变的情况下，酶催化反应速度与底物浓度 的关系 在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度与底物浓度成正比，反应速度随着底物浓度的增加而加快。 当底物浓度达到一定的数值时，反应速度的上升不再与底物浓度成正比，而是逐步趋向平衡。 著名的米氏方程: 二、酶浓度的影响 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，之间的关系可以用下式表示：V = k [E] 三、温度的影响 每一种酶的催化反应都有其适宜温度范围 和最适温度。 四、 pH 值的影响 酶的催化作用与反应液的 pH 值有很大关系。 每一种酶都有其各自的适宜 pH 值范围和最适 pH 值。 五、 抑制剂的影响 酶的抑制剂：使酶的催化活性降低或者丧失的物质。 抑制剂有可逆性抑制剂和不可逆抑制剂之分。 不可逆抑制剂：与酶分子结合后，抑制剂难于除去，酶活性不能恢复。 可逆性抑制剂：与酶的结合是可逆的，只要将抑制剂除去，酶活性即可恢复。 根据可逆性抑制作用的机理不同， 酶的可逆性抑制作用可以分为竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争 性抑制三种。 竞争性抑制（competitive inhibition）：指抑制剂和底物竞争与酶分子结合而引起的抑制作用。 非竞争性抑制（noncompetitive inhibition）：指抑制剂与底物分别与酶分子上的不同位点结合，而 引起酶活性降低的抑制作用
反竞争性抑制( uncompetitive inhibition):在底物与酶分子结合生成中间复合物后,抑制剂再与中 间复合物结合而引起的抑制作用。 六、激活剂的影响 酶的激活剂或活化剂:能够增加酶的催化活性或使酶的催化活性显示出来的物质。 第四节酶的分类命名原则 酶的国际系统命名法、习惯命名法。 六大酶类类及其主要特点 、氧化还原酶类、 移酶类 三、水解酶类 四、解合酶类、 五、异构酶类 六、合成酶类 第六节酶的活力测定 酶活力测定方法和酶活力测定的步骤 酶活力及表示法 、酶活力单位:在标准条件(25℃、最适p、最适底物浓度)下一分钟内催化1μmol底物所需的酶量 为一个酶活力单位,及国际单位IU 、比活力:每毫克蛋白质所含的酶,表示酶的纯度 四、酶的转换数Kcat:当酶被底物充分饱和时,单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。 第六节酶的生产方法 提取分离法:提取分离法是采用各种提取、分离、纯化技术从动物、植物的组织、器官、细胞或微生 物细胞中将酶提取出来,再进行分离纯化的技术过程。 生物合成法 据所使用的细胞种类不同,生物合成法可以分为微生物发酵产酶,植物细胞培养产酶和动物细胞培养 产酶。自从1949年细菌α一淀粉酶发酵成功以来,生物合成法就成为酶的主要生产方法 三、化学合成法化学合成法是采用合成仪进行酶的化学合成,成本高,难以工业化生产。 第三章酶的发酵生产(6学时) (一)教学目的与要求 学习目的与要求:通过教学使学生掌握常用的产酶微生物种类、菌种的分离、富集和选育过程,学习了解产 酶调节机制:熟悉微生物发酵产酶的工艺流程及其具体环节。明确酶生物合成的模式、特点及原因,了解 酶生物合成动力学方程。 (二)教学的重点与难点分析: 重点:产酶调节机制和酶的发酵工艺条件及控制等 难点:产酶调节机制,影响酶生产的工艺条件和酶生物合成动力学方程等 (三)教学方法、手段 多媒体课件辅以板书、提问
4 反竞争性抑制(uncompetitive inhibition)：在底物与酶分子结合生成中间复合物后， 抑制剂再与中 间复合物结合而引起的抑制作用。 六、激活剂的影响 酶的激活剂或活化剂：能够增加酶的催化活性或使酶的催化活性显示出来的物质。 第四节 酶的分类命名原则 酶的国际系统命名法、习惯命名法。 六大酶类类及其主要特点 一、氧化还原酶类、 二、移酶类、 三、水解酶类、 四、解合酶类、 五、异构酶类、 六、合成酶类 第六节 酶的活力测定 酶活力测定方法和酶活力测定的步骤： 一、酶活力及表示法 二、酶活力单位：在标准条件（25 ℃、最适 pH、最适底物浓度）下一分钟内催化 1 mol 底物所需的酶量 为一个酶活力单位，及国际单位 IU 三、比活力：每毫克蛋白质所含的酶，表示酶的纯度 四、酶的转换数 Kcat：当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子催化底物转变为产物的分子数。 第六节 酶的生产方法 一、提取分离法：提取分离法是采用各种提取、分离、纯化技术从动物、植物的组织、器官、细胞或微生 物细胞中将酶提取出来，再进行分离纯化的技术过程。 二、生物合成法 据所使用的细胞种类不同，生物合成法可以分为微生物发酵产酶，植物细胞培养产酶和动物细胞培养 产酶。自从 1949 年细菌α- 淀粉酶发酵成功以来，生物合成法就成为酶的主要生产方法。 三、化学合成法 化学合成法是采用合成仪进行酶的化学合成,成本高,难以工业化生产。 第三章 酶的发酵生产（6 学时） （一）教学目的与要求： 学习目的与要求: 通过教学使学生掌握常用的产酶微生物种类、菌种的分离、富集和选育过程，学习了解产 酶调节机制；熟悉微生物发酵产酶的工艺流程及其具体环节。明确酶生物合成的模式、特点及原因，了解 酶生物合成动力学方程。 （二）教学的重点与难点分析： 重点：产酶调节机制和酶的发酵工艺条件及控制等。 难点：产酶调节机制，影响酶生产的工艺条件和酶生物合成动力学方程等。 （三）教学方法、手段 多媒体课件辅以板书、提问
(四)教学内容: 第一节酶的生物合成过程 酶生物合成的基本理论 蛋白类酶和核酸类酶→酶的生物合成主要是指细胞内RNA和蛋白质的合成过程 合成过程:酶的基因(DNA)→(转录)→RNA→(翻译)→多肽链→(加工、组装)蛋白质 1、RNA的生物合成一转录(参考相应的生物化学与分子生物学课程知识) 2、蛋白质的生物合成一翻译(参考相应的生物化学与分子生物学课程知识) 3、酶生物合成的调节 组成型酶( Constitutive enzyme):生物细胞中合成的酶的量比较恒定,这些酶的合成速率影响不大 如DNA聚合酶、RNA聚合酶、糖酵解途径的各种酶等。 适应型酶( Adaptive enzyme)或调节型酶( Regulated enzyme):生物细胞中合成的酶的含量却变化 很大,其合成速率明显受到环境因素的影响。如大肠杆菌β-半乳糖苷酶, 生物体为了适应环境的变化,使代谢过程有条不紊地进行,需要根据各种条件的变化,对各种适应型 酶的生物合成进行调节控制。 ◇转录水平的调节 ◇转录产物的加工调节 ◇翻译水平的调节 ◇翻译产物的加工调节和酶降解的调节等 转录水平的调节对酶的生物合成是最重要的调节 4、原核生物中酶生物合成的调节机制 原核生物中酶生物合成的调节主要是转录水平的调节 雅各( Jacob)和莫诺德( Monod)于1960年提出的操纵子学说( Operon theory)来阐明的。 1)酶合成的诱导 某些代谢物可以诱导某些酶的合成,是通过促进为该酶编码的基因的表达而进行的,这种现象叫做 酶合成的诱导 2)分解代谢物阻遏 指细胞内同时有两种分解底物(碳源或氮源)存在时,利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物 的有关酶合成的现象 3)酶生物合成的反馈阻遏作用 又称产物阻遏作用,是指酶催化反应产物或代谢途径的末端产物使该酶的生物合成受到阻遏的现象 第二节常用的产酶微生物 用于酶的生产的细胞必须具备几个条件 (1)酶的产量高 (2)容易培养和管理 ③3)产酶稳定性好 (4)利于酶的分离纯化 (5)安全可靠,无毒性 产酶微生物:细菌、放线菌、霉菌、酵母等。 1、大肠杆菌,是最为著名的原核生物 应用:大肠杄菌能作为宿主供大量的细菌病毒生长繁殖。大肠杆菌也是最早用作基因工程的宿 主菌。工业上生产谷氨酸脱羧酶、天冬酰胺酶和制备Asp、Thr及Val等。 2、醋酸杆菌(Acε aerobacter)应用:有机酸(食醋等)葡萄糖异构酶(高果糖浆)山梨糖(维C中间体)
5 （四）教学内容： 第一节 酶的生物合成过程 一、 酶生物合成的基本理论 蛋白类酶和核酸类酶→酶的生物合成主要是指细胞内 RNA 和蛋白质的合成过程 合成过程:酶的基因（DNA）→（转录）→RNA →（翻译）→多肽链→（加工、组装）蛋白质 1、 RNA 的生物合成—转录（参考相应的生物化学与分子生物学课程知识） 2、 蛋白质的生物合成—翻译（参考相应的生物化学与分子生物学课程知识） 3、酶生物合成的调节 组成型酶（Constitutive enzyme）：生物细胞中合成的酶的量比较恒定，这些酶的合成速率影响不大。 如 DNA 聚合酶、RNA 聚合酶、糖酵解途径的各种酶等。 适应型酶（Adaptive enzyme）或调节型酶（Regulated enzyme）：生物细胞中合成的酶的含量却变化 很大，其合成速率明显受到环境因素的影响。如大肠杆菌β-半乳糖苷酶。 生物体为了适应环境的变化，使代谢过程有条不紊地进行，需要根据各种条件的变化，对各种适应型 酶的生物合成进行调节控制。 ◇转录水平的调节 ◇转录产物的加工调节 ◇翻译水平的调节 ◇翻译产物的加工调节和酶降解的调节等 转录水平的调节对酶的生物合成是最重要的调节 4、原核生物中酶生物合成的调节机制 原核生物中酶生物合成的调节主要是转录水平的调节 雅各（Jacob）和莫诺德（Monod）于 1960 年提出的操纵子学说（Operon theory）来阐明的。 1)酶合成的诱导 某些代谢物可以诱导某些酶的合成，是通过促进为该酶编码的基因的表达而进行的，这种现象叫做 酶合成的诱导。 2)分解代谢物阻遏 指细胞内同时有两种分解底物（碳源或氮源）存在时，利用快的那种分解底物会阻遏利用慢的底物 的有关酶合成的现象。 3)酶生物合成的反馈阻遏作用 又称产物阻遏作用，是指酶催化反应产物或代谢途径的末端产物使该酶的生物合成受到阻遏的现象 第二节 常用的产酶微生物 一、用于酶的生产的细胞必须具备几个条件： (1)酶的产量高 (2)容易培养和管理 (3)产酶稳定性好 (4)利于酶的分离纯化 (5)安全可靠，无毒性 二、产酶微生物: 细菌、放线菌、霉菌、酵母等。 1、 大肠杆菌，是最为著名的原核生物。 应用： 大肠杆菌能作为宿主供大量的细菌病毒生长繁殖。 大肠杆菌也是最早用作基因工程的宿 主菌。工业上生产谷氨酸脱羧酶、天冬酰胺酶和制备 Asp、Thr 及 Val 等。 2、 醋酸杆菌（Acetobacter）应用：有机酸(食醋等）葡萄糖异构酶(高果糖浆 )山梨糖 (维 C 中间体）