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酶工程

酶工程(英语:Enzyme engineering)又称蛋白质工程学,是指工业上有目的的设置一定的反应器和反应条件,利用酶的催化功能,在一定条件下催化化学反应,生产人类需要的产品或服务于其它目的的一门应用技术。

酶工程就是将或者微生物细胞,动植物细胞,细胞器等在一定的生物反应装置中,利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用,主要集中于食品工业,轻工业以及医药工业中。

催化特性

高效率 :比非催化高108-1020倍; 比非酶催化高107-1013倍

高度专一性

反应条件温和

酶催化是可调控的

化学本质

Enzyme Proteins

Ribozyme RNAs

作为一种生物催化剂,已广泛地应用于轻工业的各个生产领域。近几十年来,随着酶工程不断的技术性突破,在工业、农业、医药卫生、能源开发及环境工程等方面的应用越来越广泛。

食品加工中的应用

酶在食品工业中最大的用途是淀粉加工,其次是乳品加工、果汁加工、烘烤食品及啤酒发酵。与之有关的各种酶如淀粉酶、葡萄糖异构酶、乳糖酶、凝乳酶、蛋白酶等占酶制剂市场的一半以上。

帮助和促进食物消化的酶成为食品市场发展的主要方向,包括促进蛋白质消化的酶(菠萝蛋白酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶等),促进纤维素消化的酶(纤维素酶、聚糖酶等),促进乳糖消化的酶(乳糖酶)和促进脂肪消化的酶(脂肪酶、酯酶)等。

轻化工业中的应用

酶工程在轻化工业中的用途主要包括:洗涤剂制造(增强去垢能力)、毛皮工业、明胶制造、胶原纤维制造(粘接剂)牙膏和化妆品的生产、造纸、感光材料生产、废水废物处理和饲料加工等。

医药上的应用

重组DNA技术促进了各种有医疗价值的酶的大规模生产。用于临床的各类酶品种逐渐增加。酶除了用作常规治疗外,还可作为医学工程的某些组成部分而发挥医疗作用。如在体外循环装置中,利用酶清除血液废物,防止血栓形成和体内酶控药物释放系统等。另外,酶作为临床体外检测试剂,可以快速、灵敏、准确地测定体内某些代谢产物,也将是酶在医疗上一个重要的应用。

能源开发

在全世界开发新型能源的大趋势下,利用微生物或酶工程技术从生物体中生产燃料也是人们正在探寻的一条新路。例如,利用植物、农作物、林业产物废物中的纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等原料,制造氢、甲烷等气体燃料以及乙醇和甲醇等液体燃料。另外,在石油资源的开发中,课题

环境工程

科学技术高度发展的同时,环境净化尤其是工业废水和生活污水的净化,作为保护自然的一项措施,具有十分重要的意义。

在现有的废水净化方法中,生物净化常常是成本最低而最可行的。微生物的新陈代谢过程,可以利用废水中的某些有机物质作为所需的营养来源。因此利用微生物体中酶的作用,可以将废水中的有机物质转变成可利用的小分子物质,同时达到净化废水的目的。人们利用基因工程技术创造高效菌种,并利用固定化活微生物细胞等方法,在废水处理及环境保护工作中取得了显著的成效。

另外,生物传感器的出现为环境监测的连续化和自动化提供了可能,降低了环境监测的成本,加强了环境监督的力度。

在七十年代以后,伴随着第二代酶固定化酶及其相关技术的产生,酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军,在化工医药、轻工食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。不仅如此,还产生了威力更大的第三代酶,它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统,它正在成为酶工程应用的主角。

我们知道,酶在生物体内的含量是有限的,不管是哪种酶,在细胞中的浓度都不会是很高的,这也是出于生物机体生命活动平衡调节的需要。可是这样一来,就限制了直接利用天然酶更有效地解决很多化学反应的可能性。

利用基因工程的方法可以解决这一难题。

基因制取

在生物体内找到了某种有用的酶,即使含量再低,应用基因重组技术,通过基因扩增与增强表达,就可能建立高效表达特定酶制剂的基因工程菌或基因工程细胞了。把基因工程菌或基因工程细胞固定起来,就可构建成新一代的生物催化剂固定化工程菌或固定化工程细胞了。人们也把这种新型的生物催化剂称为基因工程酶制剂。

新一代基因工程酶制剂的开发研制,无疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程细胞技术将使酶的威力发挥得更出色,科学家们预言,如果把相关的技术与连续生物反应器巧妙结合起来,将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。

对酶进行改造和修饰也是酶工程的一项重要内容。

酶的作用力虽然很强,尤其是被固定起来之后,力量就更大了,但并不是所有的酶制剂都适合固定化的,即使是用于固定化的天然酶,其活性也往往不能满足人们的要求,需要改变其某些性质、提高其活性,以便更好地发挥其催化功能。

于是,酶分子修饰和改造的任务就被提出来了。

一般来说,科学家们是通过对酶蛋白分子的主链进行“切割”、“剪切”以及在侧链上进行化学修饰来达到改造酶分子的目的的。被修饰、改造的酶分子,无论是物化性质,还是生物活性都得到了改善,甚至被赋予了新的功能。

人工设计和合成具有生物活性的非天然大分子物质,是科学家们共同努力的目标。

图为胰蛋白酶和一个特异性搞体被切去而现露出蛋白制主链(蓝色)

书名:教育部高职高专规划教材--酶工程

出版社:化学工业出版社

定价:16

ISBN:ISBN 7-5025-7872-2

作者:梁传伟,张苏勤

印刷日期:2006-1-1

出版日期:2006-1-1

精装平装_开本_页数:平装16开,128页

出版社: 化学工业出版社; 第1版 (2002年5月1日)

丛书名: 现代生物技术丛书

平装: 388页

语种: 简体中文

开本: 16

ISBN: 9787502537043, 750253704X

条形码: 9787502537043

品牌: 化学工业出版社

ASIN: B0011AF1YS

前 言

本教材是在全国高职高专生物技术类专业教学指导委员会的指导下,根据教育部有关高职高专教材建设的精神,以高职高专生物技术专业学生的培养目标为依据编写的。编写过程中广泛征求了有关职业院校、生物技术企业专家的意见,具有较强的实用性。

教材在编写过程中坚持以应用为目的,以必须、够用为度,以讲清概念、强化应用为教学重点。充分体现"高等教育"和"职业教育"的双重性;教材建设不仅要奠定专业理论基础,更应重视专业的实践性,注重生产实践能力和技术应用能力的培养。本书内容安排合理,力争做到实用性、前沿性,突出高等职业教育以能力为本的特色。

本书共八章,由梁传伟、张苏勤任主编。第一、二、八章由漯河职业技术学院任平国编写;第三章由淄博职业学院梁传伟编写;第四、五、六章由南京化工职业技术学院李冰峰编写;第七章由吕梁高等专科学校张苏勤编写。全书由梁传伟统稿。

全书由淄博职业学院教授胡本高担任主审,并提出许多宝贵建议。编写人员又于2005年9月在青岛对初稿进行了进一步审阅,根据审稿意见再次做了修改。由于作者水平有限,书中不妥之处在所难免,恳请专家、读者批评指正。

本书在编写过程中得到淄博职业学院、吕梁高等专科学校等单位的大力支持,编写过程中参考了大量的书籍、资料,在此表示衷心的感谢。

编者

2005年9月

第一章 绪论1

第一节 酶的基本概念与发展史1

一、酶是一种生物催化剂l

二、酶学研究简史2

三、酶工程发展概况3

第二节 酶催化作用的特点4

一、高效性4

二、专一性4

三、反应条件温和4

四、酶的活性受调节控制5

第三节 酶的组成、分类与命名5

一、酶的组成5

二、酶的命名5

三、国际系统分类法及编号6

复习思考题8

第二章 酶动力学9

第一节 酶促反应动力学9

一、单底物动力学9

二、多底物动力学11

第二节 影响酶促反应的因素11

一、底物浓度对酶促反应的影响12

二、酶的浓度对酶促反应的影响12

三、温度对酶促反应的影响12

四、pH对酶促反应的影响 13

五、其他因素的影响14

复习思考题16

第三章 酶的发酵生产17

第一节 酶生物合成的基本理论18

一、RNA的生物合成--转录18

二、蛋白质的生物合成--翻译19

三、酶生物合成的调节21

第二节 酶发酵生产常用的微生物23

一、枯草芽孢杆菌24

二、大肠杆菌24

三、黑曲霉24

四、米曲霉24

五、青霉25

六、木霉25

七、根霉25

八、毛霉25

九、链霉菌25

十、啤酒酵母26

十一、假丝酵母26

第三节 发酵工艺条件及控制26

一、细胞活化与扩大培养26

二、培养基的配制27

三、pH调节 28

四、温度的调节控制29

五、溶解氧的调节控制29

六、提高酶产量的措施31

第四节 固定化细胞发酵产酶33

一、固定化细胞生长33

二、 固定化细胞发酵产酶的工艺条件控制34

第五节 动、植物细胞发酵产酶35

一、动植物细胞的特性35

二、植物细胞发酵的特点35

三、植物细胞发酵产酶的工艺条件控制36

四、动物细胞发酵38

复习思考题39

第四章 酶的分离纯化40

第一节 细胞破碎40

一、机械破碎法40

二、超声波法40

三、渗透压法40

四、化学破碎法40

五、生物破碎法41

第二节 酶的提取42

一、酶提取的主要方法42

二、酶提取过程的注意事项42

第三节 酶的提纯43

一、酶提纯的主要方法43

二、调整酶溶解度的方法43

三、根据酶分子大小、形状不同的方法45

四、根据酶分子电荷性质的方法47

五、根据酶分子专一性结合的方法50

六、其他分离方法53

七、酶纯化方法的选择56

八、酶纯度的评价56

第四节 工业生产中酶纯化过程的生物安全措施59

复习思考题60

第五章 酶分子修饰6l

第一节 金属离子置换修饰6l

第二节 大分子结合修饰62

一、通过修饰提高酶活力63

二、通过修饰增加酶的稳定性63

三、通过修饰降低或消除抗原性64

第三节 肽链有限水解修饰64

第四节 酶蛋白侧链基团修饰65

一、氨基修饰剂65

二、羧基修饰剂65

三、胍基修饰剂66

四、巯基修饰剂66

五、酚基修饰剂66

六、分子内交联剂66

第五节 氨基酸置换修饰67

第六节 物理修饰68

复习思考题68

第六章 酶与细胞固定化69

第一节 酶固定化69

第二节 酶和菌体固定化?0

一、酶和菌体固定化的方法70

二、固定化酶的性质75

三、固定化酶的应用76

第三节 微生物、植物和动物细胞固定化78

一、细胞固定化的方法78

二、固定化微生物细胞的应用80

三、固定化植物细胞81

四、动物细胞固定化81

第四节 原生质体固定化83

一、原生质体的制备84

二、原生质体固定化84

三、固定化原生质体的应用85

第五节 酶反应器选型与设计86

一、酶反应器类型86

二、酶反应器选择86

复习思考题87

第七章 酶的应用88

第一节 酶在医药方面的应用 88

一、酶在疾病诊断方面的应用 88

二、酶在疾病治疗方面的应用 91

三、酶在药物制造方面的应用 95

第二节 酶在食品工业中的应用 98

一、酶在淀粉类食品工业中的应用 99

二、酶在乳品工业中的应用101

三、酶在酿酒工业中的应用101

四、酶在果蔬类食品加工中的应用102

五、酶在肉类食品和鱼类食品加工中的应用103

六、酶在焙烤食品中的应用103

七、酶在食品添加剂生产中的应用103

第三节 酶在轻工、化工方面的应用106

一、酶在饲料工业中的应用106

二、酶在洗涤剂工业中的应用109

三、酶在有机酸工业中的应用111

四、酶在纺织、皮革、造纸工业中的应用113

第四节 酶在环境保护方面的应用114

一、酶在环境监测方面的应用115

二、酶在废水处理方面的应用115

三、酶在可生物降解材料开发方面的应用116

第五节 酶在生物技术领域的应用116

一、酶在除去细胞壁方面的应用116

二、酶在大分子切割方面的应用117

三、酶在分子拼接方面的应用118

复习思考题119

第八章 实验120

实验一 酶活力的测定120

实验二 淀粉酶在酒精生产中的应用122

实验三 影响酶活性的因素比较124

实验四 酶的固定化126

参考文献129

书目二

本书为2003年度教育部研究生办公室推荐的研究生教学用书,它以酶学为基础,全面、系统地介绍了酶工程(化学酶工程和生物酶工程)的研究现状及酶工程技术在工业应用上的最新进展。本书概括了介绍了酶学的基本知识、酶学与酶工程的关系,进而讲述了固定化酶和固定化细胞技术、酶的化学修饰和稳定化技术,酶工程技术不仅可以改善现有酶的性质,而且可以创造新酶,而有关酶在有机溶剂非水介质的催化作用、酶的人工模拟技术(包括合成酶、分子印迹酶、进化酶、杂合酶、抗体酶等)、核酶的研究应用、酶的定向进化策略的介绍更是扩展了酶工程的研究和综合应用范围。酶工程的发展促进了交叉学科的进步,它给医学、医药工业、化学工业、轻工业、环境保护、能源工业等带来了新活力,从本书中还可以了解到酶工程技术在各个工业领域中的情况和应用前景。本书可作为生物技术和酶的应用等相关专业的教材,也可作为研究人员和相关领域技术人员参考用书。考虑到教学的要求,本书内容要点突出、层次分明,书中附有特别提示的学习目的、思考题和主题词解释,会对课程的理解很有帮助。

酶学与酶工程
  第一节 酶工程概述
  一、酶与酶工程研究的重要意义
  二、酶学研究简史
  三、酶工程简介
  第二节 酶的分类、组成、结构特点和作用机制
  一、酶的分类
  二、酶的组成和结构特点
  三、酶的作用机制
  第三节 酶作为催化剂的显著特点
  一、催化能力
  二、专一性
  三、调节 性
  第四节 影响酶活力的因素
  一、酶的测定
  二、酶联测定法
  三、酶速度
  四、底物浓度
  五、酶浓度
  六、温度
  七、pH
  第五节 酶动力学和抑制作用
  一、米-曼氏模式
  二、Lineweaver-Burk作图
  三、酶的抑制作用
  四、不可逆抑制作用
  五、可逆的竞争性抑制
  六、可逆的非竞争性抑制
  第六节 蛋白质、酶和重组蛋白质的分离纯化
  一、蛋白质纯化的一般考虑
  二、蛋白质的粗分离
  三、蛋白质的大规模分离纯化
  参考文献

固定化酶与固定化细胞
  第一节 引言
  第二节 酶的固定化
  一、固定化酶的定义
  二、固定化酶的制备原则
  三、酶的固定化方法
  四、固定化酶的性质
  五、影响固定化酶性能的因素
  第三节 辅酶的固定化
  一、辅酶的定义及分类
  二、辅酶的固定化方法
  三、辅酶的再生
  第四节 细胞的固定化
  一、固定化细胞分类、形态特征和生理状态
  二、固定化细胞的制备
  三、固定化细胞的性质
  四、总结与展望
  第五节 固定化酶和固定化细胞的表征
  一、评价固定化酶(细胞)的指标
  二、载体活化程度和固定化配基密度的测定
  三、亲和技术中固定化配基的容量和活性的测量
  第六节 固定化酶与固定化细胞的应用
  一、生物化学及分子生物学基础研究
  二、亲和分离系统
  三、药物控释载体
  四、生物传感器
  五、其他
  参考文献

酶蛋白的化学修饰
  第一节 化学修饰的原理
  一、影响酶蛋白功能基反应性的因素
  二、酶蛋白功能基的超反应性
  三、修饰剂反应性的决定因素
  第二节 化学修饰的方法学
  一、修饰反应专一性的控制
  二、修饰程度和修饰部位的测定
  三、化学修饰结果的解释
  第三节 酶蛋白侧链的修饰
  一、羧基的化学修饰
  二、氨基的化学修饰
  三、精氨酸胍基的修饰
  四、巯基的化学修饰
  五、组氨酸咪唑基的修饰
  六、色氨酸吲哚基的修饰
  七、酪氨酸残基和脂肪族羟基的修饰
  八、甲硫氨酸甲硫基的修饰
  第四节 酶的亲和修饰
  一、亲和标记
  二、外生亲和试剂与光亲和标记
  第五节 酶的化学交联
  第六节 酶化学修饰的应用
  一、化学修饰在酶的结构与功能研究中的应用
  二、化学修饰酶在医药和生物技术中的应用
  三、蛋白质化学修饰的局限性
  参考文献

蛋白质的稳定性和稳定化
  第一节 蛋白质的稳定性
  一、蛋白质稳定性的分子原因
  二、测定蛋白质稳定性的方法
  第二节 蛋白质不可逆失活的原因和机理
  一、蛋白水解酶和自溶作用
  二、聚合作用
  三、极端pH
  四、氧化作用
  五、表面活性剂和去污剂
  六、变性剂
  七、重金属离子和巯基试剂
  八、热
  九、机械力
  十、冷冻和脱水
  十一、辐射作用
  第三节 蛋白质的稳定化
  一、固定化
  二、非共价修饰
  三、化学修饰
  四、蛋白质工程
  五、酶的失活和再活化
  第四节 各种酶稳定化方法的比较
  参考文献

有机溶剂中的酶催化作用
  第一节 非水介质中酶学基础
  一、非水介质中酶的结构与性质
  二、水
  三、有机溶剂
  四、有机溶剂中酶催化活性和选择性的调控
  五、动力学
  第二节 酶在非水介质中的催化反应及应用
  一、酶催化反应的类型
  二、光学活性化合物的制备
  三、糖和类固醇的选择性酰化
  四、功能高分子的合成
  五、用于生产精细化工产品的酶生物催化剂
  六、组合生物催化
  参考文献
  第六章 酶的人工模拟
  第一节 模拟酶的理论基础和策略
  一、模拟酶的概念
  二、模拟酶的理论基础
  第二节 模拟酶的分类
  一、主-客体酶模型
  二、胶束模拟酶
  三、肽酶
  四、半合成酶
  第三节 抗体酶
  一、抗体酶概述
  二、抗体酶的制备方法
  三、抗体酶的结构
  四、抗体酶的应用
  五、抗体酶研究进展
  第四节 印迹酶
  一、分子印迹技术概述
  二、分子印迹酶
  三、生物印迹酶
  第五节 模拟酶研究进展
  参考文献

核酶工程
  第一节 天然核酶
  一、锤头型核酶
  二、发夹型核酶
  三、蛋白质-RNA复合酶
  四、组Ⅰ内含子(group Ⅰ intron)和组Ⅱ内含子(group Ⅱ intron)
  第二节 功能性核酸的体外选择
  一、技术和历史
  二、适体的选择
  三、核酶的体外选择
  第三节 脱氧核酶
  一、切割RNA的脱氧核酶
  二、切割DNA的脱氧核酶
  三、具有激酶活力的脱氧核酶
  四、连接酶功能的脱氧核酶
  五、催化卟啉环金属螯合反应
  第四节 核酶/脱氧核酶的催化潜能和进化策略
  一、引入其他催化基团
  二、扩大筛选库的容量
  三、模拟自然进化的合理性设计
  第五节 核酶/脱氧核酶的应用
  一、基因治疗
  二、药用核酶的特点
  参考文献

酶分子的定向进化
  第一节 酶分子定向进化简介
  一、理论来源
  二、基本原理
  三、发展方向
  四、定向进化的选择策略
  第二节 酶分子定向进化的历史
  一、萌芽阶段
  二、奠基阶段
  三、发展阶段
  第三节 定向进化的策略
  一、易错PCR技术为代表的无性进化
  二、DNA改组技术为代表的有性进化
  三、基因家族之间的同源重组
  四、外显子改组
  五、杂合酶
  六、计算机辅助设计
  七、突变库的构建及应用
  第四节 定向进化的应用
  一、提高酶分子的催化活力
  二、提高酶分子稳定性的定向进化
  三、适应人工环境中提高酶活力或稳定性的进化
  四、提高底物的专一性和增加对新底物催化活力的进化
  五、对映体选择性的定向进化
  六、变换催化反应专一性
  第五节 总结与展望
  参考文献
  第九章 杂合酶
  第一节 杂合酶的构建策略
  一、点突变及二级结构互换
  二、功能域替换
  三、融合蛋白
  第二节 杂合酶的制备方法
  第三节 杂合酶的应用
  一、非催化特性的改变
  二、创造新催化活性酶
  三、用来产生双功能或多功能蛋白质
  四、确定蛋白质的结构与功能关系
  第四节 展望
  参考文献
  第十章 酶制剂的应用
  第一节 概论
  一、工业用酶制剂的市场和发展历史
  二、工业酶制剂的来源及特点
  第二节 酶在食品加工方面的应用
  一、制糖工业
  二、啤酒发酵
  三、在蛋白制品加工方面的应用
  四、在水果、蔬菜加工方面的应用
  五、酶改善食品的品质、风味和颜色
  六、乳品工业
  七、肉类和鱼类加工
  八、蛋品加工
  九、面包烤焙与食品制造
  十、食品保藏
  十一、其他
  第三节 酶在轻工业方面的应用
  一、原料处理
  二、轻工产品方面的应用
  三、加酶增加产品的使用效果
  第四节 酶在医学中的应用
  一、在疾病诊断方面的应用
  二、在疾病治疗方面的应用
  三、在药物生产方面的应用
  四、在分析检测方面的应用
  五、酶与生物医学工程
  第五节 酶在能源开发方面的应用
  一、乙醇生产
  二、氢气
  三、生物电池
  第六节 酶在环境保护方面的应用
  一、水净化
  二、石油和工业废油
  三、白色污染
  四、环境监测
  第七节 我国酶制剂应用方面的现状和存在的问题
  参考文献
  附录 各种修饰试剂对蛋白质侧链基团的反应性
  中西文名词对照

相关解释:

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