第一篇　基础酶学

第一章　酶学与酶工程

第一节　酶工程概述

一、酶与酶工程

传统概念的酶是细胞产生的具有催化能力的蛋白质，大部分位于细胞内，部分分泌到细胞外。新陈代谢是生命活动最重要的特征，而生物体代谢中的各种化学反应都是在酶的作用下进行的。酶是促进一切代谢反应的物质，没有酶，代谢就会停止，生命也将消亡。因此，研究酶的性质及其作用机制，对于阐明生命现象的本质具有重要意义。现代生物科学的发展已深入到分子水平，从生物大分子的结构与功能的关系来说明生命现象的本质和规律，从分子水平去探讨酶与生命活动、代谢调节、疾病、生长发育等的关系，无疑有重大的科学意义。

酶还是分子生物学研究的重要工具，正是由于某些专一性工具酶的出现，才使核酸一级结构的测定有了重要突破。1970年，Smith等从细菌中分离出能识别特定核苷酸序列且切点专一的限制性内切酶，命名为HindⅡ。Nathans用该酶降解病毒SV40的DNA，排列了酶切图谱，从此，HindⅡ成为分子克隆技术中不可缺少的工具酶，Smith等因此荣获1979年的诺贝尔生理学或医学奖。限制性内切酶的发现促进了DNA重组技术的诞生，推动了基因工程的发展。

酶鲜明地体现了生物体系的识别、催化、调节等奇妙的功能。酶研究不仅深刻影响生物化学乃至整个生物学领域，而且激发了许多化学研究，成为灵感的源泉。酶及其模拟体系应用于有机合成以及工业上药物、农业化学品和精细化工产品的生产，有许多优点；在快速和高选择性、高灵敏度的分析上也极其有用；至于联系到再生性资源、能源、环境保护等一些较远期的根本性重大问题，也有引人入胜的前景。可以说，要保证世界经济健康发展和生态环境之间的平衡，酶工程技术是一个关键技术。当今，酶学研究的任务是要从分子水平更深入地揭示酶和生命活动的关系；阐明酶的催化机制和调节机制，探索作为生物大分子的酶蛋白的结构与性质、功能间的关系。

当前，生命科学正处在大综合大发展的时期，生物学将成为自然科学的领头学科。各学科间双向渗透，相互促进，同时带动许多边缘学科的蓬勃发展。20世纪以来，在化学与生物学之间的接触地带先后形成了生物化学、生物技术、生物有机化学、生物无机化学以及仿生化学等。其中生物技术占据了相当重要的位置，而酶工程是它的一个重要分支。生物技术已在工业、农业、医药食品等方面得到广泛应用，并在解决当代资源、能源、环保等多种问题方面起着举足轻重的作用，几个新兴的生物技术产业已成为当前优先发展的高科技领域之一。作为生物工程的重要组成部分，酶和酶工程不但受到生化工作者的重视，也日益受到广大工农业、医药保健工作者的重视。

二、酶工程简介

生物技术（Biotechnology）也叫生物工程学或生物工艺学，是20世纪70年代初在分子生物学和细胞生物学的基础上发展起来的一个新兴技术领域。酶工程（Enzyme Engineering）是生物技术的重要组成部分，是随着酶学研究的迅速发展，特别是酶的应用推广使酶学和工程学相互渗透结合，发展而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、环境科学、医学、药学和计算机科学有机结合而产生的综合科学技术。它是从应用的目的出发研究酶，拓展酶在多个领域的应用和推广。

酶是生物体进行自我复制、新陈代谢所不可缺少的生物催化剂。因为酶能在常温、常压、中性pH等温和条件下高度专一有效地催化底物发生反应，所以酶的开发和利用是当代新技术革命中的一个重要课题。酶工程主要指天然酶和工程酶（经化学修饰、基因工程、蛋白质工程改造的酶）在国民经济各个领域中的应用，内容包括：酶的生产；酶的分离纯化；酶的改造；生物反应器。

一般认为，酶工程的发展历史应从第二次世界大战后算起。从20世纪50年代开始，由微生物发酵液中分离出一些酶，制成酶制剂。60年代后，由于固定化酶、固定化细胞的崛起，酶制剂的应用技术面貌一新。70年代后期以来，微生物学、遗传工程及细胞工程的发展为酶工程进一步向纵深发展带来勃勃生机，酶的制备方法、酶的应用范围到后处理工艺，都有了巨大的进展。尽管目前业已发现和鉴定的酶有8000多种，但大规模生产和应用的商品酶非常有限。天然酶在工业应用上受到限制的原因主要有：①大多数酶脱离其生理环境后极不稳定，而酶在生产和应用过程中的条件往往与其生理环境相去甚远；②酶的分离纯化工艺复杂；③酶制剂的成本较高。因此，根据研究和解决上述问题的手段不同把酶工程分为化学酶工程和生物酶工程。前者指天然酶、化学修饰酶、固定化酶及化学人工酶的研究和应用；后者则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，主要包括3个方面：①用基因工程技术大量生产酶；②修饰酶基因产生遗传修饰酶（突变酶）；③设计新的酶基因合成自然界不曾有的新酶。

1971年，第1次国际酶工程会议在Hennileer召开，当时酶制剂已广泛用于工业和临床。如千钿等人将固定化氨基酰化酶拆分氨基酸技术用于工业化生产L-氨基酸，开创了固定化酶应用的局面，千钿也因而成为1983年酶工程会议的受奖人。此后，固定化天冬氨酸酶合成L-天冬氨酸、固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆等的工业化生产取得成功。固定化酶较游离酶具有很多优点：稳定性高；可反复使用；产物纯度高，副产物少，从而有利于提纯；生产可连续化、自动化；设备小型化，节约能源等。相对游离酶而言，固定化酶更适合于工业化应用，因此，固定化酶研究是酶工程的中心任务。除应用于传统的食品工业外，在如有机合成反应、分析化学、医疗、废液处理、亲和色谱等领域的应用也越来越广泛。

在固定化酶的基础上又逐渐发展固定化细胞的技术。在工业应用方面，利用固定化酵母细胞发酵生产乙醇、啤酒的研究较引人注目。日本Toshio Onaka等用海藻酸钙凝胶包埋酵母细胞，可在一天内获得质量优良的啤酒。法国Corriell等将酵母细胞固定在聚氯乙烯碎片和多孔砖等载体上进行啤酒发酵中型试验，可连续运转8个月。中国上海工业微生物研究所等单位也从20世纪70年代后期进行过类似的研究工作，用固定化酵母发酵啤酒的规模不断扩大，已实现大规模生产。

酶制剂的应用并不一定都需要固定化，而且用于固定化的天然酶也仍有必要提高其活性，改善其某些性质，以便更好地发挥酶的催化功能。由此而提出了酶分子的改造和修饰。通常将改变酶蛋白一级结构的过程称为改造，而将酶蛋白侧链基团的共价变化称为修饰。酶分子经加工改造后，可导致有利于应用的许多重要性质与功能的变化。如德重等利用蛋白水解酶的有限水解作用，已将L-天冬氨酸酶的活力提高3～6倍。美国Davis等还利用蛋白质侧链基团的修饰作用，研究降低或解除异体蛋白的抗原性及免疫原性。以聚乙二醇修饰治疗白血病的特效药L-天冬酰胺酶，使其抗原性完全解除。

在酶工程研究中，与酶分子本身不直接有关的有两项重要内容：酶生物反应器的研究和酶抑制剂的研究。酶生物反应器往往可以提高催化效率、简化工艺，从而增加经济效益。结合固定化技术，业已发展成酶电极、酶膜反应器、免疫传感器及多酶反应器等新技术。这在化学分析、临床诊断与工业生产过程的监测方面成为很有价值的应用技术。酶抑制剂，尤其是微生物来源的酶抑制剂多是重要的抗生素。酶抑制剂还可在代谢控制、生物农药、生物除草剂等方面发挥特殊的作用，其低毒性备受人们的欢迎。酶抑制剂的开发已受到国际产业部门的重视。

从酶工程的进展和动态中可以预料，今后应用领域的酶将以基因工程表达的酶制剂为主，亲和色谱技术仍将得到广泛的应用，并且应用经过分子改造与修饰的酶制剂将成为必然选择。异体酶的抗原性将得到解决。在酶活性的控制方面将会有较大的突破，其中酶抑制剂与激活剂仍将受到极大的重视，并在临床及工农业生产中发挥重要作用。在化学合成工业中，酶法生产将逐步取代部分高污染、高能耗的传统化学工业过程，模拟酶、酶的人工设计合成、抗体酶、杂交酶、进化酶和由核酸构成的酶将成为活跃的研究领域。非水系统酶反应技术（反向胶团中的酶促反应，有机溶剂中的酶反应）也仍将是研究热点之一；酶催化底物的拓展，特别是酶的非特异性催化也成为近年来的新热点。