第1章酶工程基础1.ppt

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1、绪绪 论论酶酶 工工 程程绪绪 论论绪绪 论论绪绪 论论 酶酶 酶工程酶工程 课程介绍课程介绍 参考书及相关网站参考书及相关网站绪绪 论论 酶是具有酶是具有生物催化生物催化功能的生物大分子。是功能的生物大分子。是生物催化剂生物催化剂(Biological Catalyst)，酶催化是生，酶催化是生物体的一切生命活动的基础，是物体的一切生命活动的基础，是生物反应的核生物反应的核心。心。一一.酶酶绪绪 论论生物催化生物催化（Biocatalysis)利用酶或有机体（细胞或细胞器等）作为催利用酶或有机体（细胞或细胞器等）作为催化剂实现化剂实现化学转化化学转化的过程。的过程。生物催化中常用的有机体主要

2、是微生物，生物催化中常用的有机体主要是微生物，其本质是利用微生物细胞内的其本质是利用微生物细胞内的酶酶进行催化。进行催化。绪绪 论论 夏禹时代，人们掌夏禹时代，人们掌握了酿酒技术。握了酿酒技术。公元前公元前1212世纪周朝，世纪周朝，人们酿酒，制作饴糖和人们酿酒，制作饴糖和酱。酱。春秋战国时期已知春秋战国时期已知用用麴麴(曲曲)治疗消化不良治疗消化不良的疾病。的疾病。1.1.研究简史研究简史绪绪 论论李比希（李比希（JLiebig,18031873），德国化学家），德国化学家西方国家西方国家19世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究世纪对酿酒发酵过程进行了大量研究绪绪 论论 直到直到1897年，德国

3、年，德国巴克纳巴克纳Buchner兄弟兄弟用石英砂用石英砂磨碎酵母细胞，制备了不含酵母细胞的抽提液，磨碎酵母细胞，制备了不含酵母细胞的抽提液，并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵，并证明此不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵，说明发酵与细胞的活动无关。从而说明了说明发酵与细胞的活动无关。从而说明了发酵发酵是是酶酶作用的化学本质，为此作用的化学本质，为此Buchner获得了获得了1907年年诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖。绪绪 论论 1876年年,昆尼昆尼Kunne给酶一个统一的名词，叫给酶一个统一的名词，叫Enzyme，这个字来自希腊文，其意思，这个字来自希腊文，其意思“在酵母在酵母中中”。后来对酶

4、的作用机理及酶的本质做了深。后来对酶的作用机理及酶的本质做了深入研究。入研究。1926年，萨姆纳证实酶是一种蛋白质。并由此年，萨姆纳证实酶是一种蛋白质。并由此获得获得1946年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖。80年代初发现了具有催化功能的年代初发现了具有催化功能的核酸核酸核酶核酶(ribozyme)，这一发现打破了酶是蛋白质的传，这一发现打破了酶是蛋白质的传统观念，开辟了酶学研究的新领域。切克和阿统观念，开辟了酶学研究的新领域。切克和阿尔曼特获得尔曼特获得1989年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖。绪绪 论论 定量分析定量分析 作用机理作用机理 酶动力学酶动力学 酶的结构酶的结构2.2.酶的基础理论研究

5、酶的基础理论研究绪绪 论论二二.酶工程酶工程酶学酶学和和工程学工程学相互渗透结合形成的一门新的技术相互渗透结合形成的一门新的技术科学，是酶学、微生物学的科学，是酶学、微生物学的基本原理基本原理与与化学工程化学工程有机结合产生的。有机结合产生的。生产廉价、高效符合规格的酶。生产廉价、高效符合规格的酶。利用生物或化学手段改造酶，有效地发挥催化活性。利用生物或化学手段改造酶，有效地发挥催化活性。绪绪 论论二二.酶工程酶工程 酶工程酶工程又称又称酶反应技术酶反应技术，就是将酶、细胞，就是将酶、细胞或细胞器等置于特定的或细胞器等置于特定的生物反应装置生物反应装置中，利用中，利用酶具有的生物催化功能，借助

6、工程学手段将相酶具有的生物催化功能，借助工程学手段将相应的应的原料转化成有用的物质原料转化成有用的物质并应用于社会生活并应用于社会生活的一门科学技术。的一门科学技术。绪绪 论论酶工程的酶工程的终极目标终极目标是发挥酶在人类生活中的催是发挥酶在人类生活中的催化潜能。化潜能。酶工程酶工程酶的生产酶的生产酶的改造酶的改造酶的应用酶的应用绪绪 论论1896年年,日本的日本的高峰让吉高峰让吉首先从米曲霉中制得首先从米曲霉中制得高高峰淀粉酶峰淀粉酶,用作消化剂用作消化剂,开创了有目的的进行酶生开创了有目的的进行酶生产和应用的先例。产和应用的先例。绪绪 论论 1908年年,德国的德国的罗姆罗姆制得制得胰酶胰

7、酶,用于皮革的软化。用于皮革的软化。1911年年,美国的美国的华勒斯坦华勒斯坦(Wallestein)制得制得木瓜蛋木瓜蛋白酶白酶,用于除去啤酒中的蛋白质浑浊。用于除去啤酒中的蛋白质浑浊。1917年年,法国的法国的波伊登波伊登(Boidin)制备了细菌制备了细菌淀粉酶淀粉酶,应用于纺织品的退浆应用于纺织品的退浆,此后酶的生产和应用逐步此后酶的生产和应用逐步发展。发展。然而然而在在50年代以前停留在从细胞、动物或植物中年代以前停留在从细胞、动物或植物中提取酶提取酶,加以利用阶段。由于当时生产力落后加以利用阶段。由于当时生产力落后,生生产工艺较繁杂产工艺较繁杂,难以进行大规模工业化生产。难以进行大

8、规模工业化生产。绪绪 论论 1949年年,用用液体深层培养法液体深层培养法进行细菌淀粉酶的发酵进行细菌淀粉酶的发酵生产生产,揭开了近代酶工业的序幕。揭开了近代酶工业的序幕。50年代：开始了年代：开始了酶固定化研究酶固定化研究。1953年德国科学年德国科学家首先将家首先将聚氨基苯乙烯树脂聚氨基苯乙烯树脂与淀粉酶与淀粉酶,胃蛋白酶胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等结合羧肽酶和核糖核酸酶等结合,制成了固定化酶。制成了固定化酶。6060年代年代，是，是固定化酶技术固定化酶技术迅速发展的时期。迅速发展的时期。1969年年,日本的日本的千钿一郎千钿一郎首次在工业上应用固定化氨基首次在工业上应用固定化氨基酰化酶

9、从酰化酶从DL-DL-氨基酸生产氨基酸生产L-L-氨基酸。出现了氨基酸。出现了“酶工酶工程程”这个名词来代表有效利用酶的科学技术领域。这个名词来代表有效利用酶的科学技术领域。绪绪 论论 1971年第一届国际酶工程学术会议在美国召开年第一届国际酶工程学术会议在美国召开,当时的当时的主题即是固定化酶主题即是固定化酶，进一步开展了对微，进一步开展了对微生物细胞固定化的研究。生物细胞固定化的研究。1973年年,千千钿钿一郎一郎首次利用固定化的大肠杆菌首次利用固定化的大肠杆菌细胞生产细胞生产L-L-天冬氨酸天冬氨酸。70年代年代是是固定化细胞技术固定化细胞技术取得进展的时期。取得进展的时期。80年代年代

10、，固定化细胞已能用于生产胞外酶，固定化细胞已能用于生产胞外酶,因因此此,80年代又发展了年代又发展了固定化原生质体固定化原生质体技术技术,排除排除了细胞壁这一障碍。了细胞壁这一障碍。绪绪 论论 在酶的固定化技术发展的同时在酶的固定化技术发展的同时,酶分子修饰技术酶分子修饰技术也取得了进展。也取得了进展。60年代，用小分子化合物修饰酶分子侧链基团年代，用小分子化合物修饰酶分子侧链基团,使酶性质发生改变使酶性质发生改变;70年代年代,修饰剂的选用、修饰方法上又有了新的修饰剂的选用、修饰方法上又有了新的发展。发展。此外此外,对对抗体酶抗体酶,人工酶人工酶,模拟酶模拟酶等方面等方面,以及酶以及酶的应用

11、技术研究的应用技术研究 ,在近在近20年均取得了较大进展年均取得了较大进展,使酶工程不断向广度和深度发展使酶工程不断向广度和深度发展,显示出广阔而显示出广阔而诱人的前景。诱人的前景。绪绪 论论l化学酶工程化学酶工程 自然酶的开发自然酶的开发 酶的化学修饰酶的化学修饰 酶的固定化酶的固定化 人工合成酶的研究人工合成酶的研究绪绪 论论l生物酶工程生物酶工程 酶基因的酶基因的克隆克隆表达表达（用基因工程技术大量生产（用基因工程技术大量生产酶）酶）酶的遗传修饰酶的遗传修饰（修饰酶基因，产生遗传修饰，（修饰酶基因，产生遗传修饰，突变）突变）酶的遗传设计酶的遗传设计（设计出新酶基因，合成自然界（设计出新酶

12、基因，合成自然界从未有过的酶）从未有过的酶）绪绪 论论生物技术生物技术酶工程酶工程发酵工程发酵工程细胞工程细胞工程基因工程基因工程绪绪 论论（一）酶工程的发展趋势（一）酶工程的发展趋势 从人类不涉足的新生资源中发掘新的酶从人类不涉足的新生资源中发掘新的酶 依靠微生物基因组测序结果发现新酶依靠微生物基因组测序结果发现新酶 借助定向进化和借助定向进化和DNA重组技术创造新酶。重组技术创造新酶。绪绪 论论（二）酶制剂工业概况二）酶制剂工业概况 近代酶制剂工业近代酶制剂工业 国内外酶制剂生产和应用现状国内外酶制剂生产和应用现状 国内外酶制剂生产应用差异国内外酶制剂生产应用差异 我国酶制剂工业的若干对策

13、建议我国酶制剂工业的若干对策建议绪绪 论论1.1.近代酶制剂工业近代酶制剂工业 20世纪世纪50年代，葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡萄年代，葡萄糖淀粉酶催化淀粉生产葡萄糖工艺研究成功。糖工艺研究成功。60年代中期，欧洲加酶洗衣粉风行，碱性蛋白酶年代中期，欧洲加酶洗衣粉风行，碱性蛋白酶供不应求。供不应求。70年代末。固定化葡萄糖异构酶用于生产果葡糖年代末。固定化葡萄糖异构酶用于生产果葡糖浆，开创了利用浆，开创了利用淀粉生产食糖淀粉生产食糖的新途径。的新途径。现在，各种现在，各种试剂酶试剂酶用于遗传工程，蛋白质工程用于遗传工程，蛋白质工程。绪绪 论论 Novozymes A/S诺维信酶制剂公司（诺维信

14、酶制剂公司（丹麦）丹麦）genencor International(杰能科公司，美国杰能科公司，美国)德国德国AB（Associated British Foods）酶制剂公司）酶制剂公司 Beldem（焙乐道公司，比利时）（焙乐道公司，比利时）GistBrocades(荷兰荷兰)Quest(荷兰）荷兰）Novo Nordisk(诺和诺德公司，丹麦诺和诺德公司，丹麦)2.2.国内外酶制剂生产和应用现状国内外酶制剂生产和应用现状绪绪 论论国际市场酶制剂销售额比例国际市场酶制剂销售额比例绪绪 论论我国酶工业发展阶段我国酶工业发展阶段 1965年年 无锡酶制剂厂无锡酶制剂厂 BF-7685淀粉酶淀

15、粉酶 1979 年糖化酶年糖化酶 黑曲黑曲UV-11糖化酶菌种糖化酶菌种 1990年碱性蛋白酶年碱性蛋白酶 2709碱性蛋白酶碱性蛋白酶（颗粒）（颗粒）1992年中性蛋白酶年中性蛋白酶 1.398中性蛋白酶中性蛋白酶 1993年年 耐高温淀粉酶耐高温淀粉酶 1998 年国外大公司纷纷入驻年国外大公司纷纷入驻 生物酶制剂中国企业黄页生物酶制剂中国企业黄页http:/ 绪绪 论论2006年中国酶制剂总产量约年中国酶制剂总产量约53万吨。万吨。高档次、高档次、高活性、高质量、高水平高活性、高质量、高水平 淀粉加工用酶占淀粉加工用酶占74.80，洗涤剂用酶，洗涤剂用酶16.09，纺织用酶，纺织用酶2.

16、3，其他行业用酶占，其他行业用酶占6.81。我国各种酶制剂产品出口量我国各种酶制剂产品出口量1999年为年为2219吨，吨，出口额出口额1029万美金；万美金；2000年出口量达年出口量达3530吨，吨，出口额出口额1760万美金；万美金；2001年出口量达年出口量达4812吨，吨，出口额出口额2867万美金，呈逐年增加趋势。万美金，呈逐年增加趋势。绪绪 论论2001年国内酶制剂销售额年国内酶制剂销售额6亿元亿元绪绪 论论 研究、开发投入大，高新技术应用广研究、开发投入大，高新技术应用广 如诺和诺德公司，如诺和诺德公司，19981998年用于研究、开发的年用于研究、开发的经费达到其产品销售额的经费达到其产品销售额的19%19%，从事研究和开发工，从事研究和开发工作的人数达到该公司总雇员的作的人数达到该公司总雇员的23%23%，直接用于酶制，直接用于酶制剂的研究和开发的经费估计在剂的研究和开发的经费估计在1 1亿美元亿美元以上。以上。3.3.国际酶制剂工业发展趋势国际酶制剂工业发展趋势绪绪 论论 大力研制、开发新酶种和新用途大力研制、开发新酶种和新用途 诺和诺德公司已经开发出不依赖诺和诺