酶工程在环境污染治理中的应用

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1、1第2讲酶工程在环境污染治理中的应用2/441酶学研究基础酶是生物体内一切生物化学反应的催化剂，是生命活动的重要组成1878年，Kunne提出酶的名称－enzyme1896年，Buchner发现发酵是酶的作用的化学本质1894年，Fisher提出锁匙模型，解释酶的专一性1913年，Michaelis和Menten提出米氏方程1926年，Sumner确立了酶的本质是蛋白质酶：具有生物催化活性的特殊蛋白质3/44酶学研究基础1958年，Koshland提出“诱导契合”理论，以解释酶的催化理论和专一性1

2、961年，Monod提出“变构模型”，用以定量解释酶活性的调节1969年，由氨基酸单体化学合成牛胰核糖核酸酶重组DNA技术用于酶学研究，能够通过定点突变法改变酶的催化活性和专一性4/44酶学研究进展酶并不一定就是蛋白质：某些RNA也具有催化活性——酶是特殊的催化剂抗体酶：把抗体的高度选择性与酶的高效催化性进行结合酶的应用：从现成的动植物或微生物的组织或细胞中进行提取→发酵法生产（酶工业）酶工程：利用酶的催化作用进行物质转化，将酶学理论与化工技术相结合；研究领域涉及酶的生产、酶的分离纯化、酶固定化、

3、酶反应动力学、酶反应器、酶的应用等5/44酶的催化特性酶是催化剂：改变化学反应的速度，但不改变化学反应的性质，即不改变反应的方向和平衡点；反应前后酶的组成和质量不发生变化酶是特殊的催化剂：高效率/高度专一性/活性可调节/反应条件温和/产物易纯化非酶催化反应的速度可能相差1016倍，但酶催化反应相差无几酶可以极大地降低反应所需的活化能多种催化因素协同作用6/44酶的专一性/活性可调节一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型的反应高度的选择性绝对专一vs.相对专一酶的活性可调控，其是代谢调控

4、的基本方式酶浓度的调节生理调节或激素调节共价修饰调节酶原的活化抑制剂的调节反馈调节金属离子和其他小分子化合物调节7/44酶催化反应的影响因素最适pH：一定范围，一定条件A：最适pH6.8，反应速率最大B：稳定pH5～88/44最适温度：一定范围，多种因素9/44酶催化反应动力学－酶/底物浓度的影响研究内容包括酶催化反应速度以及影响此速度的各种因素酶反应速度与底物浓度的关系10/44中间产物假说1913年，依据快速平衡法推导出米氏方程1925年，依据拟稳态方法推导出Briggs-Haldane方程1

5、1/44米氏常数的意义Km值的物理意义：其是酶促反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度，单位与底物浓度一致Km值是酶的特征常数之一，只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关同一种酶对不同底物的Km值不同Km值受到pH和温度的影响对同一种酶而言，Km值最小的底物是其最适底物Km不同于Ks12/44酶的抑制作用分为可逆抑制与不可逆抑制竞争性抑制，抑制剂与底物竞争和酶活性中心结合：vmax不变，Km增大非竞争性抑制，酶可同时与底物和抑制剂结合，两者无竞争作用：vmax减小，Km不变反竞争性抑制，酶只有与底物

6、结合后，才可和抑制剂结合：vmax减小，Km减小底物抑制作用：底物抑制时的速度曲线13/44酶的生产及分离纯化微生物是主要的酶源：酶源广泛、产量高、生长周期短、成本低、易管理、易提取酶必须经过纯化才可使用，一般认为黑曲霉、酵母、枯草芽孢杆菌等是安全的酶生产菌株酶生产菌的选择：不是致病菌/不产生毒素不易退化/不易感染噬菌体产量高/胞外酶原料廉价/发酵周期短/易培养14/44酶的分离纯化一般包括预处理与酶抽提、粗分离、细分离、结晶等15/44酶分离纯化的常用方法16/44酶提取生物材料的破碎：机械法、

7、物理法、化学法、酶解法酶的提取：相似相溶，酸、碱、盐溶液，有机溶剂沉淀：盐析法、PEG沉淀法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法、热处理沉淀法等层析：利用混合物中各组分的物理化学性质不同，使各组分在两相中的分布程度不同而达到分离。包括凝胶过滤层析、离子交换层析、亲和层析、高效液相色谱层析等电泳：由于蛋白质分子表面电荷的差异，可用电泳方法将其分离开来。常用的区带电泳有聚丙烯酰胺凝胶电泳和等电点聚焦等17/44酶固定化游离酶的稳定性差，且不利于其和目标产物分离和回收利用，固定化技术应运而生固定化酶是指固定在

8、载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶，其既保持了酶的活性，又可反复使用，且易于分离固定化方法包括吸附法、结合法和包埋法固定化方法18/44酶反应器以酶为催化剂进行反应所需要的设备称为酶反应器根据反应类型、动力学性质、反应器类型和流体流动状态、热传递及温度的影响、生产量和工艺流程、操作稳定性等选择适当的反应器反应器的设计目标应该达到：容积生产率高、条件易控制、耗能低、污染少、反应器加工简便酶反应器的类型19/442酶工程在环境污染治理中的应用腈化物降解酶氨氧化酶酶在废水处理中的