酶在工程技术中的开发研究.docVIP

1引言 人类生命物体的基本特征之一就是不断地进行新陈代谢，新陈代谢是由许多有机化学反应组成的，如动植物的消化反应和各种物质的合成与分解等。这些反应在体内进行地很快，原因是有生命的动植物体内存在着的一种生物催化剂一酶的作用。酶制剂是在1833年由法国化学家佩思和珀索发现的，他们从麦芽提取液的酒精沉淀物中得到一种对热不稳定，而且能加速淀粉转变成糖的物质，称之为淀粉酶制剂。1926年隆姆首次从刀豆中提纯得到脲酶结晶[1]。生物化工行业经过70多年的发展，对酶的分子结构，酶作用的机理及酶系统的自我调节已形成了一个完整的工业体系。整个行业也出现了一些新的发展态势，在阐明生命活动的规律，探索工业、农业、畜牧业、医药及对疾病的诊断、治疗均有重要的意义。 2 酶在工程技术反应中的特点与功能 2.1酶及酶工程简介 酶（enzyme）是指由生物体内活细胞产生的一种生物催化剂。大多数由蛋白质组成（少数为RNA）。能在机体中十分温和的条件下，高效率地催化各种生物化学反应，促进生物体的新陈代谢。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。酶是细胞赖以生存的基础。细胞新陈代谢包括的所有化学反应几乎都是在酶的催化下进行的。 酶 哺乳动物的细胞就含有几千种酶。它们或是溶解于细胞质中，或是与各种膜结构结合在一起，或是位于细胞内其他结构的特定位置上。这些酶统称胞内酶；另外，还有一些在细胞内合成后再分泌至细胞外的酶──胞外酶。酶催化化学反应的能力叫酶活力（或称酶活性）。酶活力可受多种因素的调节控制，从而使生物体能适应外界条件的变化，维持生命活动。没有酶的参与，新陈代谢只能以极其缓慢的速度进行，生命活动就根本无法维持。例如食物必须在酶的作用下降解成小分子，才能透过肠壁，被组织吸收和利用。在胃里有胃蛋白酶，在肠里有胰脏分泌的胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等。又如食物的氧化是动物能量的来源，其氧化过程也是在一系列酶的催化下完成的。酶工程就是将酶或者微生物细胞，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。2.2.1 酶与无机催化剂比较 （1）相同点：①改变化学反应速率，本身几乎不被消耗；②只催化已存在的化学反应；③加快化学反应速率，缩短达到平衡时间，但不改变平衡点；④降低活化能，使化学反应速率加快。⑤都会出现中毒现象。 （2）不同点：即酶的特性。 2.2.2 酶的特性 （1）高效性：酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快； （2）专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽； （3）多样性：酶的种类很多，大约有4000多种； （4）温和性：是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的。 （5）活性可调节性：包括抑制剂和激活剂调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等。 （6）有些酶的催化性与辅因子有关。 （7）易变性：由于大多数酶是蛋白质，因而会被高温、强酸、强碱等破坏。 一般来说，动物体内的酶最适温度在35～40℃之间，植物体内的酶最适温度在40～50℃之间；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有的酶最适温度可高达70℃。动物体内的酶最适PH大多在6.5～8.0之间，但也有例外，如胃蛋白酶的最适PH为1.5，植物体内的酶最适PH大多在4.5～6.5之间。 酶的这些性质使细胞内错综复杂的物质代谢过程能有条不紊地进行，使物质代谢与正常的生理机能互相适应．若因遗传缺陷造成某个酶缺损，或其它原因造成酶的活性减弱，均可导致该酶催化的反应异常，使物质代谢紊乱，甚至发生疾病．因此酶与医学的关系十分密切。 全酶(结合蛋白酶)：酶蛋白+辅助因子。 辅助因子是结合蛋白必需成分。它包括辅酶(或辅基)和金属离子两类。辅酶或辅基是一些小分子的有机化合物，其中大多数都是维生素B族的衍生物。 酶活力与酶分子的结构有着密切的关系。酶蛋白的氨基酸组成和连接方式与一般蛋白质一样，都具有特定的氨基酸排列顺序和空间构造。实验证明：在酶蛋白分子中，只有某些氨基酸残基的化学基因与催化活性直接有关，由这些氨基酸残基构成特殊结构的区域称为酶的活性中心。活性中心所包含的化学基因为发挥酶催化作用所必需的关键部位。有些酶(绝大多数为蛋白水解酶)在细胞内合成或初分泌时并不表现有酶活力，这种无活性状态的酶前身物称为酶原。它必须经温度因素作用后转变成有活力酶，这种过程称为酶原的激活。以酶原的形式存在具有重要生理意义。如细胞产生的蛋白酶原可以避免对细胞自身蛋白质的消化作用。当蛋白酶原由细胞分泌排入肠腔时，酶原被激活而发挥催化作