第
二
章
酶
工
程
教学重点、难点、学时
一、概述
(一）酶的定义 （二）分类及命名
（三）酶工程的研究内容 （四）催化特性
二、酶作用原理
三、酶的生产及分离纯化
四、酶分子修饰
五、酶的固定化
六、酶反应器
七、酶的应用及发展展望
1,要点
酶的定义、酶工程的研究内容、酶的催化特性、酶的
作用原理、分离纯化、化学修饰、固定化、在环境污染治
理中的应用及展望
2、重点
作用原理、分离纯化、固定化
3、学时
7学时
教
学
要
点
、
重
点
、
学
时
（一）酶的定义
生物体内产生的具有催化功能的特殊蛋白质和 RNA。
（ 二）分类及命名
1、分类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、
连接酶或合成酶
2、命名：
(1)习惯命名法,
根据其催化底物来命名；
根据所催化反应的性质来命名；
结合上述两个原则来命名；
有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。
一
、
概
述
(2)国际系统命名法
国际酶学－－四位数字编号系统
第一位：表大类； 第二位：表亚类；
第三位：表亚亚类； 第四位：表在亚亚类的序号
系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个
酶字。
例如：
习惯名称,谷丙转氨酶
系统名称,丙氨酸,?-酮戊二酸氨基转移酶
酶催化的反应,
谷氨酸 + 丙酮酸 ?? ?-酮戊二酸 + 丙氨酸
一
、
概
述
（三）酶工程的研究内容
酶工程：是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，
是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。其主
要任务是：通过预先设计，经过人工操作控制而获得
大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥出最大的催
化功能；目的是为我们提供产品或以特定的功能为我
们服务。
1、生产 2、分离纯化
3、酶分子修饰 4、酶的固定化
5、酶反应动力学 6、酶反应器
7、酶的应用
一
、
概
述
（四）酶的催化特性
1,催化效率高
2、专一性强
3、催化条件温和
4、酶活性可调
5、对环境条件敏感
一
、
概
述
（一）酶是生物催化剂
活化能（ J/mol)：在一定温度下一摩尔底物全部进入
活化状态所需要的自由能。
酶能大大降低活化能，增加活化分子。
（二）酶催化反应动力学
中间产物学说
二
、
酶
作
用
原
理
在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成
酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下
发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和
酶。
E + S ==== E-S ??? P + E
许多实验事实证明了 E－ S复合物的存在。 E
－ S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。
二
、
酶
作
用
原
理
二
、
酶
作
用
原
理
酶与底物结合形成中间络合物的方式（理论）
(1)锁钥假说 (lock and key hypothesis)：
认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶
表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对
一把锁一样
(2)诱导契合假说（ induced– fit hypothesis),
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形
状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状,
1、米－门方程的提出（底物浓度对酶促反应速度的影响）
二
、
酶
作
用
原
理
二
、
酶
作
用
原
理
米氏方程
1913年，德国化学家 Michaelis和 Menten根据中
间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出
了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名
公式，称为米氏方程。
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
Km — 米氏常数
Vmax — 最大反应速度
? 米氏方程的推导：
二
、
酶
作
用
原
理
假设：
1）忽略ｐ的逆反应，
也即在初速度期间；
2）底物浓度远远大于
酶的浓度；
3）反应处于稳态，即
中间产物生成和分解
的速度相等。
2、关于米－门方程的讨论
1）酶初速度和底物浓度的关系为一双曲线；
2） [E]<<[S]<<Km时，可用 [So]表示 [S]；
3)当 V=Vmax,V与 [S]无关，与 [Eo]成正比；
4） k3<<k2时,Km=Ks,可表示酶与底物结合紧密程度；
5） k3－－酶的每个活性部位在单位时间内，催化底物起
反应的分子数，又叫转换系数，简称 T.N.。
二
、
酶
作
用
原
理
3,Km与 Vmax的意义
1） 米氏常数是酶反应处于动态平衡，即稳态时的平衡
常数。是 V =1/2 Vmax时的底物浓度，故又称半速度常
数。
（ 1） Km值是酶的特征常数之一，只与酶性质有关，而
与酶浓度无关。不同的酶,Km值不同。
（ 2）如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有
一个特定的 Km值。
（ 3）同一种酶的几种底物中,Km值最小的底物一般
称为该酶的最适底物或天然底物。
2） 最大酶反应速率 rp,max=k3 CEｔ 。它表示了当全部的酶
都成复合物状态时的反应速率。
二
、
酶
作
用
原
理
二
、
酶
作
用
原
理
4,Km与 Vmax的测定
测定 Km和 V的方法很多，最常用的是 Lineweaver–
Burk的作图法 — 双倒数作图法。
1 Km 1 1
??? = ?? ? ??? + ??
V Vmax [S] Vmax
取米氏方程式的倒数形式：
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S ](1/ m m ol,L
-1
)
1/v
1/Vmax
斜率 =Km/Vmax
-1/Km
二
、
酶
作
用
原
理
（二）酶促反应的影响因素
1,pH；
2、温度；
3、酶浓度；
4、抑制剂的影响
不可逆抑制与可逆抑制的区分
1）竞争性抑制； 2）非竞争性抑制作用
3）反竞争抑制； 4）底物抑制
5、底物的浓度
二
、
酶
作
用
原
理
（一）酶的生产
1.对酶源的要求
2.微生物作为酶的优势
3.对酶生产菌的要求
（二）酶的分离纯化
1.酶提取
2.酶分离纯化的沉淀技术
3.酶分离纯化的层析技术
4.酶分离纯化的电泳技术
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
（一）酶的生产
1.对酶源的要求
1）酶含量丰富
2）提取、纯化方便
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2.微生物作为酶的优势
1）易得到所需的酶类
2）易获得高产菌株
3）生产成本低
4）微生物生长周期短
5）生产易管理
6）提高微生物产酶能力的途径较多
7）可提高酶产量或改造酶
（一）酶的生产三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.对酶生产菌的要求
1）不是致病菌，也不产毒素
2）不易变异退化，不易感染噬菌体
3）产酶量高，而且最好产生胞外酶
4）原料廉价，周期短，易培养
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
（一）酶的生产
（二）酶的分离纯化
酶的分离提纯可分为四个要点：
酶源选材
匀浆方法
分离步骤
结晶方法
酶的分离提纯涉及的理论与技术：
酶主要是蛋白质
酶具有催化功能
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
酶分离提纯步骤如下：三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
半匀浆
选材 提取液
粗酶
制品
精制
细胞器 纯酶 酶结晶
抽取或
分散
亲 和
分离法 少量酶
分离方法
结晶法
1.酶提取
定义：是将酶从生物组织或细胞中以溶解
状态释放出来的过程，以供进一步从中分离纯
化出所需的酶。
1）组织及细胞的破碎
（ 1）物理法（包括机械法）
（ 2）化学法
（ 3）酶解法
2）酶的提取
原理 ——— 相似相溶
常用方法：
（ 1）酸、碱、盐溶液提取
（ 2）有机溶液提取
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
1）盐析 ——— 溶解度的差异
盐溶－低浓度的中性盐可增加电解质类物质的溶解度；
盐析－当盐浓度继续增加时，蛋白质的溶解度反而降低而析出。
（ 1）基本原理
a.减弱了蛋白质的水合程度
b.中和了蛋白质电荷，使静电荷减少
蛋白质的溶解度与溶液中的离子强度遵守 Cohn方程：
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2
2
1
lg
ii
s
ZcI
IKS
??
?? ?
（ 2）影响因素
a.蛋白质的浓度
b.介质的 pH
c.温度
d.盐类型
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
2．酶分离纯化的沉淀技术
2） PEG沉淀法 ——— 溶解度的差异
（ 1）基本原理
空间排阻学说,PEG分子在溶液中形成网状
结构，与溶液中的蛋白质分子发生空间排挤作
用，从而使蛋白质分子凝聚而沉淀下来。
PEG沉淀蛋白质的过程遵循下列方程：
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
cxfS s ????lg
（ 2）影响因素
a,蛋白质的分子质量 —— 大，沉降好
b,蛋白质浓度
c,pH值
d,离子强度
e,温度
f,PEG聚合度
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
3)有机溶剂沉淀法 —— 溶解度的差异
（ 1）基本原理
a.介质的介电常数下降，增强静电作用力
b.降低水合程度
（ 2）常用方式
a.分级沉淀有用的蛋白质
b.杂蛋白质变性
（ 3）缺点 —— 易使酶变性，低温操作
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
4）等电点沉淀法 —— 溶解度的差异
蛋白质在等电点（ｐ I）处，净电荷为 0，易于沉淀。
5）热变性沉淀法 —— 热稳定性的差异
可用其他辅助因子、底物等方法，使目的酶的热变
性温度提高。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
3.酶分离纯化的层析技术
层析分离 —— 是利用混合物中各组分的
物理化学性质 ｛分子的大小和形状、分子极
性、吸附力、分子亲和力和分配系数｝ 的不
同，使各组分的分布程度不同而达到分离。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
1）凝胶过滤层析 —— 分子大小和形状的差异
（ 1）基本原理
如图 2－ 32所示，酶液中各组分按相对分子质量从大到小的顺序
先后流出层析柱，从而实现分离纯化。
（ 2）优点
条件温和，操作简便，分离范围广，回收率高，层析柱可反复
使用，无需再生处理,可分段分离。
（ 3）常用的凝胶
交联葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶
3.酶分离纯化的层析技术三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2）离子交换层析 —— 电荷性质的差异
它利用离子交换剂上可解离基团对各种离子的亲
和力不同而进行分离。
（ 1）基本原理
蛋白质是两性电解质，不同蛋白质由于其 pI不同，
在同一种 pH值介质中电离状况不同，分子所带电
荷种类和数量就不同，与离子交换剂的静电吸附能
力也不同。通过吸附和改变离子强度或 pH值解吸
洗脱，可使蛋白质依据其静电吸附能力由弱到强的
顺序而分离开来。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
（ 2）洗脱方法
a.梯度洗脱
b.阶段洗脱
3.酶分离纯化的层析技术三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
3）亲和层析 —— 亲和力的差异
（ 1）基本原理
利用配基与酶结合能力而将目的酶分离出来。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化 PEESSE ?? ??? ???
（ 2）载体
a.应具有均一、坚实、多孔的网状结构
b.亲水
c.具有可活化和改变的化学基团
d.具有良好的化学稳定性
交联琼脂糖凝胶
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
(3)配基
a.配基与酶的亲和力
b.配基与载体的结合方式
引入手臂可避免配基在载体上密度太大而造成的空
间障碍。
W-氨烷基化合物
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
4）高效液相色谱
（ 1） 基本原理
用检测器检出，由收集器收集同一色谱的目的酶。
HPLC的优点：
分辨率高；快速，整个分离过程仅几十分钟；灵敏
度高；一根术可分析多个样品，而无需重新填装柱。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
4.酶分离纯化的电泳技术
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
电泳 — 带电物质在直流电场作用下，向着与其电荷
相反的电极移动的现象。
区带电泳 —— 样品溶液在一惰性支持物上进行电泳
的过程。电泳后，不同的蛋白质组成被分离形成带状
区间。区带的位置可用专一蛋白质染料染色显示，有
些也可利用伴有颜色变化的酶催化反应来显示。
1）聚丙烯酰胺凝胶电泳
（ 1）基本原理
a.蛋白质的静电荷
b.蛋白质的分子大小
（ 2）分类
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
a 连续凝胶电泳
b 不连续凝胶电泳
c 浓度梯度凝胶电泳
d SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳
a,连续凝胶电泳
采用相同浓度的单体和交联剂，用相同 pH值和相同
浓度的缓冲溶液制备成连续均匀的凝胶，然后在同一
条件下进行电泳。
按分子大小和净电荷的不同而具有不同的迁移率，
从而彼此分开。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
b.不连续凝胶电泳
是指凝胶孔径大小、缓冲液成分及 pH均为不连续的，
并在电场中形成不连续的电位梯度，从而使样品浓缩
成一个极窄的起始区带。
可提高分辨率的三个物理效应：
浓缩效应；分子筛效应；电荷效应
组成：
由上至下分别为：样品凝胶；浓缩凝胶；分离凝胶
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
c.浓度梯度凝胶电泳
聚丙烯酰胺浓度由上至下形成由低到高的
连续梯度，其内部孔径也逐渐减小。
适用于测定蛋白质的分子质量
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
d.SDS－ 聚丙烯酰胺凝胶电泳（ SDS－ PAGE）
加入 1%~2%的 SDS制备而成。
SDS－ PAGE主要用于测定蛋白质的分子质量。
基本原理：
SDS－ 蛋白质复合物中 SDS含有大量阴离子，从而
掩盖 了蛋白质之间原来的电荷的 差异 ；而且蛋白质构
象发生改变变成 椭圆形,短轴为 18埃左右,长轴与蛋
白质分子质量成正比 －－－ SDS－ 蛋白质复合物的 迁
移率 不再受其原在电荷和分子形状的影响，而只决定
于 蛋白质的分子质量 。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
2）等电聚焦
（ 1）基本原理
带有电荷的蛋白质分子可在电场中泳动，
其电泳迁移率随其所带电荷不同而彼此不同。
等电聚焦是在电解槽中放入载体两性电解
质，当通以直流电时，便形成一个由阳极到阴
极逐步增加的ｐ H梯度，而蛋白质则移动并聚
焦于 pI处。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
（ 2）目的
a.分离纯化酶
b.测定 pI
（ 3） 载体两性电解质
—— 是具在ｐ H梯度的物质，是由多种氨基与羧基比
例不同的多氨基多羧酸的混合物构成的。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
理想载体两性电解质具有的条件：
a.在 pI处必须有足够的缓冲能力，以使 pH梯度稳定；
b.在 pI处必须有足够的电导；
c.分子质量要小；
d.化学组成应不同于被分离物质；
e.应不与被分离物质发生反应或使之变性。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
（一）问题的提出
1、定义
2、修饰目的
3、修饰方法
4、现在进行的工作
（二）酶分子的化学修饰
（三）生物酶工程
四
、
酶
分
子
修
饰
（一）问题的提出
1、定义
——— 通过各种方法使酶分子 结构 发生某些 改变,从
而改变酶的某些 特性和功能的过程。 利用的是,结构
决定功能” 。
2、修饰目的
1）提高酶活力； 2）增强稳定性；
3）环境可改变； 4）改变最适 pH或 T；
5）改变酶的特异性； 6）改变催化类型；
7）提高反应效率。
四
、
酶
分
子
修
饰
3.修饰方法
1）金属离子置换修饰；
2）大分子结合修饰；
3）肽链有限水解修饰；
4）酶蛋白侧链基团修饰；
5）氨基酸置换修饰；
6）物理修饰。
四
、
酶
分
子
修
饰
（一）问题的提出
4.现在进行的工作
1）设法使酶的活性结构加固；
2）通过化学修饰或酶法修饰改变酶的活性；
3）设法消除免疫性或抗原性以利于医疗应用。
四
、
酶
分
子
修
饰
（一）问题的提出
1.定义
化学修饰 —— 通过 化学手段 将某些 化学物质或基团
结合 到 酶分子 上，以改变酶的物理化学性质，达到 改
变 酶的 催化性质 的目的。
—— 是指通过 主链 的 剪接切割 和 侧链 的 化学修饰
对酶分子进行改造，其 目的 在于 改变 酶的一些 性质,
创造 出天然酶不具备的某些 优良性状, 扩大 酶的 应用
以达到 较高的经济效益 。
它主要是利用修饰剂所具有的各类化学基团的特
性，直接或经一定活化步骤与酶分子的某种氨基酸残
基产生化学反应，从而改造酶的结构和功能。
四
、
酶
分
子
修
饰
（二）酶分子的化学修饰
2.修饰常用的方法
1） 部分 水解 酶的非活性 主链 ；
2）对活性部位或非活性部位以外的 侧链基团 进行 共
价修饰 ；
3）辅酶因子的 置换 。
3,常用的修饰剂
1） 酰化试剂； 2）烷化剂；
3）形成酯和酰胺的试剂； 4）氧化还原试剂；
5）亲电子试剂
四
、
酶
分
子
修
饰
（二）酶分子的化学修饰
4.修饰时的注意事项
1）对 修饰剂 的要求 —— 分子质量大、生物相容性和水
溶性好、反应基团多、半衰期长；
2）对 酶性质 的了解 —— 活性部位、最适条件、侧链基
团的化学性质以及反应活性；
3） 反应条件 的选择 —— 酶稳定的条件
5.修饰后酶催化活性的改变
如表 2－ 13
四
、
酶
分
子
修
饰
（二）酶分子的化学修饰
1.性质
—— 分子水平上的生物修饰
2.概念
重组 DNA技术 —— 是在分子水平上，把某种生物的
基因转移到另一种生物细胞之中，并在新细胞中扩增
和表达。
生物酶工程 —— 又称高级酶工程，它是酶学和以基
因重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物。
它是最理想的酶改造方法。
四
、
酶
分
子
修
饰
（三）生物酶工程
3.生物酶工程的主要内容（如图 2－ 48）
1）克隆酶；
2）突变酶；
3）新酶。
4、生物酶工程的发展分支 —— 酶的蛋白质工程
1）定义 —— 是通过 结构基因 的改造达到 修饰蛋白质分子结构,
从而改变该蛋白质的性能甚至创造出自然界中尚未发现的新蛋
白质的目的。
2）与基因工程的区别和联系
联系 —— 蛋白质工程在基因工程上发展起来的；
区别 —— 基因工程：解决的是 酶大量生产 的问题；
蛋白质工程：完全 符合要求 的酶
四
、
酶
分
子
修
饰
（三）生物酶工程
（一）概述
1.Idea的提出
2.基本概念
（二）固定化方法
1.吸附法；
2,包埋法；
3,结合法；
（三）固定化法对酶的影响
五
、
固
定
化
（一）概述
1,Idea的提出
1）酶的稳定性差；
2） 难回收；
3）难分离纯化（产物与酶）。
2.基本概念
酶的固定化 —— 将酶与水不溶性的载体结合，制备固
定化酶的过程。
固定化酶 —— 固定在载体上并在一定的空间范围内进
行催化反应的酶。
固定化酶的 原料 —— 纯酶、结合在死细胞或细胞碎片
的酶或酶系（固定化菌体）
五
、
固
定
化
1.吸附法
—— 利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸
附在其表面上而使酶固定化的方法
常用吸附剂 —— 活性炭、氧化铝、硅藻土、
多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石。
特点 —— 操作简单、条件温和、不会使酶失
活；结合力弱、易脱落。
五
、
固
定
化
（二）固定化方法
吸附法
包埋法
结合法
分类
2、包埋法
—— 将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体
中，使酶固定。
载体 —— 琼脂、琼脂糖、海藻酸钠等。
五
、
固
定
化
（二）固定化方法
凝胶包埋法
半透膜包埋法
分类
根据载体
材料和方法
1）凝胶包埋法
—— 将酶或含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中，制成一定
形状的固定化酶或固定化菌体，大多数为球状或片状。
常用凝胶 —— 天然凝胶（琼脂凝胶、角叉菜胶、明胶等）和合
成凝胶（聚丙烯酰胶凝胶、光交联树脂）
2）半透膜包埋法
—— 是指将酶包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内，制成
固定化酶。
常用半透膜 —— 聚酰胺膜、火棉胶膜等。
微胶囊 —— 半透膜包埋法制成的固定化酶小球，直径一般只
有几微米至几百微米。
特点 —— 仅适用于底物和产物为小分子物质的酶的固定化。
（二）固定化方法
五
、
固
定
化
3.结合法
—— 选择适宜的载体，使之与通过共价键和离子键与
酶结合在一起的固定化方法。
分类（结合键不同）：离子键结合法、共价键结合法
1）离子键结合
—— 通过离子键使酶与载体结合的固定化方法。
载体 —— 不溶于水的离子交换剂
特点 —— 制备操作简单，活力损失较少，但使用时一
定要严格控制好 pH值、离子强度和温度。
五
、
固
定
化
（二）固定化方法
2）共价键结合
—— 通过共价键使酶与载体结合的固定化方法
载体 —— 纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、甲壳
质、氨基酸共聚物、甲基丙烯醇共聚物。
载体活化 —— 借助于某种方法，在载体上引进某
一活泼基团。其方法有：重氮法、叠氮法、溴化氰法、
烷化法等。
能形成共价键的基团（酶分子） —— 氨基、羧基、
巯基、酚基和咪唑基等。
（二）固定化方法
五
、
固
定
化
各种固定化方法的比较：见表 2－ 14
固定化的注意事项：
固定化前 —— 对酶性质的了解、方法的选择、
条件的控制。
固定化后 —— 测定酶的活力、研究反应最适条件、
考察酶稳定性
五
、
固
定
化
（二）固定化方法
1） 酶活力回收率 变化
—— 是指固定化酶所保留下来的酶的活力与游离
酶在固定化之前的酶活力之比。 多数下降
2）底物专一性变化 —— 对分子质量大的活性下降
3）反应的最适 pH值变化 —— 不同程度变化
4）反应的最适温度变化 —— 高
5）米－门常数变化 —— 多数偏大
6）最大反应速度的变化 —— 大多相同
五
、
固
定
化
（二）固定化法对酶的影响
（一）类型
（二）设计要求
六
、
酶
反
应
器
（一）类型
1、酶反应器 —— 以酶为催化剂进行反应所需要的设备，
是使生物工程技术转化为产业的关键技术。六
、
酶
反
应
器 2、类型
间歇反应器
固定床反应器
循环反应器
流化床反应器
连续搅拌－超滤式反应器
连续搅拌式反应器（ CSTR）
3、选择时应考虑的因素
1）催化剂的形状和大小
2）催化剂的机械强度和密度
3）反应操作的要求
4）对付杂菌污染的措施
5）反应动力学方程的类型
6）底物的性质
7）催化剂的再生、更换的难易
8）反应器内液体的塔存量与催化剂表面积之比
9）传质特性
10）反应器制造成本和运行成本
六
、
酶
反
应
器
（一）类型
（二）酶反应器的设计要求
1、基本原则 —— 通用和简单
2、设计目标
1）容积生产率高
2）反应条件易控制
3）耗能低
4）污染少
5）加工简便，易行，投资低
六
、
酶
反
应
器
（一）酶的应用
1、酶获得广泛应用的原因
2、应用的主要领域
3、酶用于污染治理的优缺点
(二）酶工程的发展展望
1,现状
2、发展展望
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
（一）酶的应用
1、酶获得广泛应用的原因
1）酶的催化效率高；
2）可催化广泛的化学反应；
3）酶源多；
4）酶可被修饰改造。
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
2、应用的主要领域
1）食品工业；
2）去污剂；
3）医学领域；
4）分析领域；
5）化工生产；
6）废物处理
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
（一）酶的应用
3、酶用于污染治理的优缺点
1)优点
a.能处理难以生物降解的化合物；
b.高、低浓度废水均适用；
c.经修饰后其作用范围相对较广；
d.过程控制较简便。
2）缺点
成本较高
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
（一）酶的应用
（二）酶工程的发展展望
1、现状
生产酶制剂 20多种，在食品、轻化工及医药工
业中得到了广泛的应用。
与国外相比不容乐观。特别是在以下领域：高
产菌株的培育、酶制剂的制备工艺、提高产品质
量。
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
2、发展展望
1）生物传感器
2）多酶反应器的研究
3）酶的改造和新酶的开发
4）酶的分离提纯技术
5）酶的应用领域的扩展和生产工艺的改进
（二）酶工程的发展展望
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
二
章
酶
工
程
教学重点、难点、学时
一、概述
(一）酶的定义 （二）分类及命名
（三）酶工程的研究内容 （四）催化特性
二、酶作用原理
三、酶的生产及分离纯化
四、酶分子修饰
五、酶的固定化
六、酶反应器
七、酶的应用及发展展望
1,要点
酶的定义、酶工程的研究内容、酶的催化特性、酶的
作用原理、分离纯化、化学修饰、固定化、在环境污染治
理中的应用及展望
2、重点
作用原理、分离纯化、固定化
3、学时
7学时
教
学
要
点
、
重
点
、
学
时
（一）酶的定义
生物体内产生的具有催化功能的特殊蛋白质和 RNA。
（ 二）分类及命名
1、分类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、
连接酶或合成酶
2、命名：
(1)习惯命名法,
根据其催化底物来命名；
根据所催化反应的性质来命名；
结合上述两个原则来命名；
有时在这些命名基础上加上酶的来源或其它特点。
一
、
概
述
(2)国际系统命名法
国际酶学－－四位数字编号系统
第一位：表大类； 第二位：表亚类；
第三位：表亚亚类； 第四位：表在亚亚类的序号
系统名称包括底物名称、构型、反应性质，最后加一个
酶字。
例如：
习惯名称,谷丙转氨酶
系统名称,丙氨酸,?-酮戊二酸氨基转移酶
酶催化的反应,
谷氨酸 + 丙酮酸 ?? ?-酮戊二酸 + 丙氨酸
一
、
概
述
（三）酶工程的研究内容
酶工程：是利用酶的催化作用进行物质转化的技术，
是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。其主
要任务是：通过预先设计，经过人工操作控制而获得
大量所需的酶，并通过各种方法使酶发挥出最大的催
化功能；目的是为我们提供产品或以特定的功能为我
们服务。
1、生产 2、分离纯化
3、酶分子修饰 4、酶的固定化
5、酶反应动力学 6、酶反应器
7、酶的应用
一
、
概
述
（四）酶的催化特性
1,催化效率高
2、专一性强
3、催化条件温和
4、酶活性可调
5、对环境条件敏感
一
、
概
述
（一）酶是生物催化剂
活化能（ J/mol)：在一定温度下一摩尔底物全部进入
活化状态所需要的自由能。
酶能大大降低活化能，增加活化分子。
（二）酶催化反应动力学
中间产物学说
二
、
酶
作
用
原
理
在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成
酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下
发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和
酶。
E + S ==== E-S ??? P + E
许多实验事实证明了 E－ S复合物的存在。 E
－ S复合物形成的速率与酶和底物的性质有关。
二
、
酶
作
用
原
理
二
、
酶
作
用
原
理
酶与底物结合形成中间络合物的方式（理论）
(1)锁钥假说 (lock and key hypothesis)：
认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶
表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对
一把锁一样
(2)诱导契合假说（ induced– fit hypothesis),
该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形
状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状,
1、米－门方程的提出（底物浓度对酶促反应速度的影响）
二
、
酶
作
用
原
理
二
、
酶
作
用
原
理
米氏方程
1913年，德国化学家 Michaelis和 Menten根据中
间产物学说对酶促反映的动力学进行研究，推导出
了表示整个反应中底物浓度和反应速度关系的著名
公式，称为米氏方程。
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
Km — 米氏常数
Vmax — 最大反应速度
? 米氏方程的推导：
二
、
酶
作
用
原
理
假设：
1）忽略ｐ的逆反应，
也即在初速度期间；
2）底物浓度远远大于
酶的浓度；
3）反应处于稳态，即
中间产物生成和分解
的速度相等。
2、关于米－门方程的讨论
1）酶初速度和底物浓度的关系为一双曲线；
2） [E]<<[S]<<Km时，可用 [So]表示 [S]；
3)当 V=Vmax,V与 [S]无关，与 [Eo]成正比；
4） k3<<k2时,Km=Ks,可表示酶与底物结合紧密程度；
5） k3－－酶的每个活性部位在单位时间内，催化底物起
反应的分子数，又叫转换系数，简称 T.N.。
二
、
酶
作
用
原
理
3,Km与 Vmax的意义
1） 米氏常数是酶反应处于动态平衡，即稳态时的平衡
常数。是 V =1/2 Vmax时的底物浓度，故又称半速度常
数。
（ 1） Km值是酶的特征常数之一，只与酶性质有关，而
与酶浓度无关。不同的酶,Km值不同。
（ 2）如果一个酶有几种底物，则对每一种底物，各有
一个特定的 Km值。
（ 3）同一种酶的几种底物中,Km值最小的底物一般
称为该酶的最适底物或天然底物。
2） 最大酶反应速率 rp,max=k3 CEｔ 。它表示了当全部的酶
都成复合物状态时的反应速率。
二
、
酶
作
用
原
理
二
、
酶
作
用
原
理
4,Km与 Vmax的测定
测定 Km和 V的方法很多，最常用的是 Lineweaver–
Burk的作图法 — 双倒数作图法。
1 Km 1 1
??? = ?? ? ??? + ??
V Vmax [S] Vmax
取米氏方程式的倒数形式：
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S ](1/ m m ol,L
-1
)
1/v
1/Vmax
斜率 =Km/Vmax
-1/Km
二
、
酶
作
用
原
理
（二）酶促反应的影响因素
1,pH；
2、温度；
3、酶浓度；
4、抑制剂的影响
不可逆抑制与可逆抑制的区分
1）竞争性抑制； 2）非竞争性抑制作用
3）反竞争抑制； 4）底物抑制
5、底物的浓度
二
、
酶
作
用
原
理
（一）酶的生产
1.对酶源的要求
2.微生物作为酶的优势
3.对酶生产菌的要求
（二）酶的分离纯化
1.酶提取
2.酶分离纯化的沉淀技术
3.酶分离纯化的层析技术
4.酶分离纯化的电泳技术
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
（一）酶的生产
1.对酶源的要求
1）酶含量丰富
2）提取、纯化方便
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2.微生物作为酶的优势
1）易得到所需的酶类
2）易获得高产菌株
3）生产成本低
4）微生物生长周期短
5）生产易管理
6）提高微生物产酶能力的途径较多
7）可提高酶产量或改造酶
（一）酶的生产三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.对酶生产菌的要求
1）不是致病菌，也不产毒素
2）不易变异退化，不易感染噬菌体
3）产酶量高，而且最好产生胞外酶
4）原料廉价，周期短，易培养
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
（一）酶的生产
（二）酶的分离纯化
酶的分离提纯可分为四个要点：
酶源选材
匀浆方法
分离步骤
结晶方法
酶的分离提纯涉及的理论与技术：
酶主要是蛋白质
酶具有催化功能
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
酶分离提纯步骤如下：三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
半匀浆
选材 提取液
粗酶
制品
精制
细胞器 纯酶 酶结晶
抽取或
分散
亲 和
分离法 少量酶
分离方法
结晶法
1.酶提取
定义：是将酶从生物组织或细胞中以溶解
状态释放出来的过程，以供进一步从中分离纯
化出所需的酶。
1）组织及细胞的破碎
（ 1）物理法（包括机械法）
（ 2）化学法
（ 3）酶解法
2）酶的提取
原理 ——— 相似相溶
常用方法：
（ 1）酸、碱、盐溶液提取
（ 2）有机溶液提取
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
1）盐析 ——— 溶解度的差异
盐溶－低浓度的中性盐可增加电解质类物质的溶解度；
盐析－当盐浓度继续增加时，蛋白质的溶解度反而降低而析出。
（ 1）基本原理
a.减弱了蛋白质的水合程度
b.中和了蛋白质电荷，使静电荷减少
蛋白质的溶解度与溶液中的离子强度遵守 Cohn方程：
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2
2
1
lg
ii
s
ZcI
IKS
??
?? ?
（ 2）影响因素
a.蛋白质的浓度
b.介质的 pH
c.温度
d.盐类型
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
2．酶分离纯化的沉淀技术
2） PEG沉淀法 ——— 溶解度的差异
（ 1）基本原理
空间排阻学说,PEG分子在溶液中形成网状
结构，与溶液中的蛋白质分子发生空间排挤作
用，从而使蛋白质分子凝聚而沉淀下来。
PEG沉淀蛋白质的过程遵循下列方程：
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
cxfS s ????lg
（ 2）影响因素
a,蛋白质的分子质量 —— 大，沉降好
b,蛋白质浓度
c,pH值
d,离子强度
e,温度
f,PEG聚合度
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
3)有机溶剂沉淀法 —— 溶解度的差异
（ 1）基本原理
a.介质的介电常数下降，增强静电作用力
b.降低水合程度
（ 2）常用方式
a.分级沉淀有用的蛋白质
b.杂蛋白质变性
（ 3）缺点 —— 易使酶变性，低温操作
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
4）等电点沉淀法 —— 溶解度的差异
蛋白质在等电点（ｐ I）处，净电荷为 0，易于沉淀。
5）热变性沉淀法 —— 热稳定性的差异
可用其他辅助因子、底物等方法，使目的酶的热变
性温度提高。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2．酶分离纯化的沉淀技术
3.酶分离纯化的层析技术
层析分离 —— 是利用混合物中各组分的
物理化学性质 ｛分子的大小和形状、分子极
性、吸附力、分子亲和力和分配系数｝ 的不
同，使各组分的分布程度不同而达到分离。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
1）凝胶过滤层析 —— 分子大小和形状的差异
（ 1）基本原理
如图 2－ 32所示，酶液中各组分按相对分子质量从大到小的顺序
先后流出层析柱，从而实现分离纯化。
（ 2）优点
条件温和，操作简便，分离范围广，回收率高，层析柱可反复
使用，无需再生处理,可分段分离。
（ 3）常用的凝胶
交联葡聚糖凝胶、聚丙烯酰胺凝胶
3.酶分离纯化的层析技术三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
2）离子交换层析 —— 电荷性质的差异
它利用离子交换剂上可解离基团对各种离子的亲
和力不同而进行分离。
（ 1）基本原理
蛋白质是两性电解质，不同蛋白质由于其 pI不同，
在同一种 pH值介质中电离状况不同，分子所带电
荷种类和数量就不同，与离子交换剂的静电吸附能
力也不同。通过吸附和改变离子强度或 pH值解吸
洗脱，可使蛋白质依据其静电吸附能力由弱到强的
顺序而分离开来。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
（ 2）洗脱方法
a.梯度洗脱
b.阶段洗脱
3.酶分离纯化的层析技术三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
3）亲和层析 —— 亲和力的差异
（ 1）基本原理
利用配基与酶结合能力而将目的酶分离出来。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化 PEESSE ?? ??? ???
（ 2）载体
a.应具有均一、坚实、多孔的网状结构
b.亲水
c.具有可活化和改变的化学基团
d.具有良好的化学稳定性
交联琼脂糖凝胶
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
(3)配基
a.配基与酶的亲和力
b.配基与载体的结合方式
引入手臂可避免配基在载体上密度太大而造成的空
间障碍。
W-氨烷基化合物
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
4）高效液相色谱
（ 1） 基本原理
用检测器检出，由收集器收集同一色谱的目的酶。
HPLC的优点：
分辨率高；快速，整个分离过程仅几十分钟；灵敏
度高；一根术可分析多个样品，而无需重新填装柱。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
3.酶分离纯化的层析技术
4.酶分离纯化的电泳技术
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
电泳 — 带电物质在直流电场作用下，向着与其电荷
相反的电极移动的现象。
区带电泳 —— 样品溶液在一惰性支持物上进行电泳
的过程。电泳后，不同的蛋白质组成被分离形成带状
区间。区带的位置可用专一蛋白质染料染色显示，有
些也可利用伴有颜色变化的酶催化反应来显示。
1）聚丙烯酰胺凝胶电泳
（ 1）基本原理
a.蛋白质的静电荷
b.蛋白质的分子大小
（ 2）分类
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
a 连续凝胶电泳
b 不连续凝胶电泳
c 浓度梯度凝胶电泳
d SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳
a,连续凝胶电泳
采用相同浓度的单体和交联剂，用相同 pH值和相同
浓度的缓冲溶液制备成连续均匀的凝胶，然后在同一
条件下进行电泳。
按分子大小和净电荷的不同而具有不同的迁移率，
从而彼此分开。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
b.不连续凝胶电泳
是指凝胶孔径大小、缓冲液成分及 pH均为不连续的，
并在电场中形成不连续的电位梯度，从而使样品浓缩
成一个极窄的起始区带。
可提高分辨率的三个物理效应：
浓缩效应；分子筛效应；电荷效应
组成：
由上至下分别为：样品凝胶；浓缩凝胶；分离凝胶
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
c.浓度梯度凝胶电泳
聚丙烯酰胺浓度由上至下形成由低到高的
连续梯度，其内部孔径也逐渐减小。
适用于测定蛋白质的分子质量
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
d.SDS－ 聚丙烯酰胺凝胶电泳（ SDS－ PAGE）
加入 1%~2%的 SDS制备而成。
SDS－ PAGE主要用于测定蛋白质的分子质量。
基本原理：
SDS－ 蛋白质复合物中 SDS含有大量阴离子，从而
掩盖 了蛋白质之间原来的电荷的 差异 ；而且蛋白质构
象发生改变变成 椭圆形,短轴为 18埃左右,长轴与蛋
白质分子质量成正比 －－－ SDS－ 蛋白质复合物的 迁
移率 不再受其原在电荷和分子形状的影响，而只决定
于 蛋白质的分子质量 。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
2）等电聚焦
（ 1）基本原理
带有电荷的蛋白质分子可在电场中泳动，
其电泳迁移率随其所带电荷不同而彼此不同。
等电聚焦是在电解槽中放入载体两性电解
质，当通以直流电时，便形成一个由阳极到阴
极逐步增加的ｐ H梯度，而蛋白质则移动并聚
焦于 pI处。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
（ 2）目的
a.分离纯化酶
b.测定 pI
（ 3） 载体两性电解质
—— 是具在ｐ H梯度的物质，是由多种氨基与羧基比
例不同的多氨基多羧酸的混合物构成的。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
理想载体两性电解质具有的条件：
a.在 pI处必须有足够的缓冲能力，以使 pH梯度稳定；
b.在 pI处必须有足够的电导；
c.分子质量要小；
d.化学组成应不同于被分离物质；
e.应不与被分离物质发生反应或使之变性。
三
、
酶
的
生
产
及
分
离
纯
化
4.酶分离纯化的电泳技术
（一）问题的提出
1、定义
2、修饰目的
3、修饰方法
4、现在进行的工作
（二）酶分子的化学修饰
（三）生物酶工程
四
、
酶
分
子
修
饰
（一）问题的提出
1、定义
——— 通过各种方法使酶分子 结构 发生某些 改变,从
而改变酶的某些 特性和功能的过程。 利用的是,结构
决定功能” 。
2、修饰目的
1）提高酶活力； 2）增强稳定性；
3）环境可改变； 4）改变最适 pH或 T；
5）改变酶的特异性； 6）改变催化类型；
7）提高反应效率。
四
、
酶
分
子
修
饰
3.修饰方法
1）金属离子置换修饰；
2）大分子结合修饰；
3）肽链有限水解修饰；
4）酶蛋白侧链基团修饰；
5）氨基酸置换修饰；
6）物理修饰。
四
、
酶
分
子
修
饰
（一）问题的提出
4.现在进行的工作
1）设法使酶的活性结构加固；
2）通过化学修饰或酶法修饰改变酶的活性；
3）设法消除免疫性或抗原性以利于医疗应用。
四
、
酶
分
子
修
饰
（一）问题的提出
1.定义
化学修饰 —— 通过 化学手段 将某些 化学物质或基团
结合 到 酶分子 上，以改变酶的物理化学性质，达到 改
变 酶的 催化性质 的目的。
—— 是指通过 主链 的 剪接切割 和 侧链 的 化学修饰
对酶分子进行改造，其 目的 在于 改变 酶的一些 性质,
创造 出天然酶不具备的某些 优良性状, 扩大 酶的 应用
以达到 较高的经济效益 。
它主要是利用修饰剂所具有的各类化学基团的特
性，直接或经一定活化步骤与酶分子的某种氨基酸残
基产生化学反应，从而改造酶的结构和功能。
四
、
酶
分
子
修
饰
（二）酶分子的化学修饰
2.修饰常用的方法
1） 部分 水解 酶的非活性 主链 ；
2）对活性部位或非活性部位以外的 侧链基团 进行 共
价修饰 ；
3）辅酶因子的 置换 。
3,常用的修饰剂
1） 酰化试剂； 2）烷化剂；
3）形成酯和酰胺的试剂； 4）氧化还原试剂；
5）亲电子试剂
四
、
酶
分
子
修
饰
（二）酶分子的化学修饰
4.修饰时的注意事项
1）对 修饰剂 的要求 —— 分子质量大、生物相容性和水
溶性好、反应基团多、半衰期长；
2）对 酶性质 的了解 —— 活性部位、最适条件、侧链基
团的化学性质以及反应活性；
3） 反应条件 的选择 —— 酶稳定的条件
5.修饰后酶催化活性的改变
如表 2－ 13
四
、
酶
分
子
修
饰
（二）酶分子的化学修饰
1.性质
—— 分子水平上的生物修饰
2.概念
重组 DNA技术 —— 是在分子水平上，把某种生物的
基因转移到另一种生物细胞之中，并在新细胞中扩增
和表达。
生物酶工程 —— 又称高级酶工程，它是酶学和以基
因重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物。
它是最理想的酶改造方法。
四
、
酶
分
子
修
饰
（三）生物酶工程
3.生物酶工程的主要内容（如图 2－ 48）
1）克隆酶；
2）突变酶；
3）新酶。
4、生物酶工程的发展分支 —— 酶的蛋白质工程
1）定义 —— 是通过 结构基因 的改造达到 修饰蛋白质分子结构,
从而改变该蛋白质的性能甚至创造出自然界中尚未发现的新蛋
白质的目的。
2）与基因工程的区别和联系
联系 —— 蛋白质工程在基因工程上发展起来的；
区别 —— 基因工程：解决的是 酶大量生产 的问题；
蛋白质工程：完全 符合要求 的酶
四
、
酶
分
子
修
饰
（三）生物酶工程
（一）概述
1.Idea的提出
2.基本概念
（二）固定化方法
1.吸附法；
2,包埋法；
3,结合法；
（三）固定化法对酶的影响
五
、
固
定
化
（一）概述
1,Idea的提出
1）酶的稳定性差；
2） 难回收；
3）难分离纯化（产物与酶）。
2.基本概念
酶的固定化 —— 将酶与水不溶性的载体结合，制备固
定化酶的过程。
固定化酶 —— 固定在载体上并在一定的空间范围内进
行催化反应的酶。
固定化酶的 原料 —— 纯酶、结合在死细胞或细胞碎片
的酶或酶系（固定化菌体）
五
、
固
定
化
1.吸附法
—— 利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸
附在其表面上而使酶固定化的方法
常用吸附剂 —— 活性炭、氧化铝、硅藻土、
多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石。
特点 —— 操作简单、条件温和、不会使酶失
活；结合力弱、易脱落。
五
、
固
定
化
（二）固定化方法
吸附法
包埋法
结合法
分类
2、包埋法
—— 将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体
中，使酶固定。
载体 —— 琼脂、琼脂糖、海藻酸钠等。
五
、
固
定
化
（二）固定化方法
凝胶包埋法
半透膜包埋法
分类
根据载体
材料和方法
1）凝胶包埋法
—— 将酶或含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中，制成一定
形状的固定化酶或固定化菌体，大多数为球状或片状。
常用凝胶 —— 天然凝胶（琼脂凝胶、角叉菜胶、明胶等）和合
成凝胶（聚丙烯酰胶凝胶、光交联树脂）
2）半透膜包埋法
—— 是指将酶包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内，制成
固定化酶。
常用半透膜 —— 聚酰胺膜、火棉胶膜等。
微胶囊 —— 半透膜包埋法制成的固定化酶小球，直径一般只
有几微米至几百微米。
特点 —— 仅适用于底物和产物为小分子物质的酶的固定化。
（二）固定化方法
五
、
固
定
化
3.结合法
—— 选择适宜的载体，使之与通过共价键和离子键与
酶结合在一起的固定化方法。
分类（结合键不同）：离子键结合法、共价键结合法
1）离子键结合
—— 通过离子键使酶与载体结合的固定化方法。
载体 —— 不溶于水的离子交换剂
特点 —— 制备操作简单，活力损失较少，但使用时一
定要严格控制好 pH值、离子强度和温度。
五
、
固
定
化
（二）固定化方法
2）共价键结合
—— 通过共价键使酶与载体结合的固定化方法
载体 —— 纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、甲壳
质、氨基酸共聚物、甲基丙烯醇共聚物。
载体活化 —— 借助于某种方法，在载体上引进某
一活泼基团。其方法有：重氮法、叠氮法、溴化氰法、
烷化法等。
能形成共价键的基团（酶分子） —— 氨基、羧基、
巯基、酚基和咪唑基等。
（二）固定化方法
五
、
固
定
化
各种固定化方法的比较：见表 2－ 14
固定化的注意事项：
固定化前 —— 对酶性质的了解、方法的选择、
条件的控制。
固定化后 —— 测定酶的活力、研究反应最适条件、
考察酶稳定性
五
、
固
定
化
（二）固定化方法
1） 酶活力回收率 变化
—— 是指固定化酶所保留下来的酶的活力与游离
酶在固定化之前的酶活力之比。 多数下降
2）底物专一性变化 —— 对分子质量大的活性下降
3）反应的最适 pH值变化 —— 不同程度变化
4）反应的最适温度变化 —— 高
5）米－门常数变化 —— 多数偏大
6）最大反应速度的变化 —— 大多相同
五
、
固
定
化
（二）固定化法对酶的影响
（一）类型
（二）设计要求
六
、
酶
反
应
器
（一）类型
1、酶反应器 —— 以酶为催化剂进行反应所需要的设备，
是使生物工程技术转化为产业的关键技术。六
、
酶
反
应
器 2、类型
间歇反应器
固定床反应器
循环反应器
流化床反应器
连续搅拌－超滤式反应器
连续搅拌式反应器（ CSTR）
3、选择时应考虑的因素
1）催化剂的形状和大小
2）催化剂的机械强度和密度
3）反应操作的要求
4）对付杂菌污染的措施
5）反应动力学方程的类型
6）底物的性质
7）催化剂的再生、更换的难易
8）反应器内液体的塔存量与催化剂表面积之比
9）传质特性
10）反应器制造成本和运行成本
六
、
酶
反
应
器
（一）类型
（二）酶反应器的设计要求
1、基本原则 —— 通用和简单
2、设计目标
1）容积生产率高
2）反应条件易控制
3）耗能低
4）污染少
5）加工简便，易行，投资低
六
、
酶
反
应
器
（一）酶的应用
1、酶获得广泛应用的原因
2、应用的主要领域
3、酶用于污染治理的优缺点
(二）酶工程的发展展望
1,现状
2、发展展望
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
（一）酶的应用
1、酶获得广泛应用的原因
1）酶的催化效率高；
2）可催化广泛的化学反应；
3）酶源多；
4）酶可被修饰改造。
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
2、应用的主要领域
1）食品工业；
2）去污剂；
3）医学领域；
4）分析领域；
5）化工生产；
6）废物处理
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
（一）酶的应用
3、酶用于污染治理的优缺点
1)优点
a.能处理难以生物降解的化合物；
b.高、低浓度废水均适用；
c.经修饰后其作用范围相对较广；
d.过程控制较简便。
2）缺点
成本较高
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
（一）酶的应用
（二）酶工程的发展展望
1、现状
生产酶制剂 20多种，在食品、轻化工及医药工
业中得到了广泛的应用。
与国外相比不容乐观。特别是在以下领域：高
产菌株的培育、酶制剂的制备工艺、提高产品质
量。
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
2、发展展望
1）生物传感器
2）多酶反应器的研究
3）酶的改造和新酶的开发
4）酶的分离提纯技术
5）酶的应用领域的扩展和生产工艺的改进
（二）酶工程的发展展望
七
、
酶
的
应
用
与
发
展
展
望
