华东理工大学 《酶工程》讲义 第一章概论 第一节研究内容 概念 酶工程( Enzyme Engineering)是随着酶学迅速发展,特别是应用通广,使酶学和工 程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学。从应用目的出发研究酶,就是在一定的生物反 应装置中利用酶的催化性质,将相应原料转化成有用的物质。50年代,这一方面文章不超 过10篇,60年代起迅速发展,当时日本研究就很活跃,现在仍是世界上领先国家之 、应用领域 1969年,日本田边制药公司的一位科学家采用固定化氨基酰化酶,成功地将化学法合 成的氨基酸转化成人体可以直接利用的氨基酸,成本只有传统工艺的60%,第一次将固定化 酶成功地应用于工业生产。现在酶工程已深入各个领域 (1)为工业生产锦上添花 (2)环境卫士:利用聚丙乙烯,海藻酸钙包埋热带假丝酵母或者将假单孢菌固定在无烟 煤颗粒上,形成一个固定化的薄膜,这种固定化反应器可以分解废水中的酚,几分钟内0.01% 降道0.0001%。 (3)生物传感器。 (4)医药上:尿激酶(有效溶血物质) (5)生物芯片。 、研究内容 1.酶制剂的分离、提纯、大批量生产及新酶开发 2.酶生产中基因工程技术的应用 酶与细胞固定化。☆ 4.酶分子改造与化学修饰,以及酶结构与功能的研究。 5.酶的应用性开发。 6.酶反应器的研究(包括反应检测) 7.酶抑制剂、激活剂开发及应用研究。☆ 8.模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成的研究☆ 9.非水相介质中酶的催化。☆ 第二节国内外酶制剂工业概况 国内外酶制剂生产及销售状况 、我国酶制剂生产的不足点 1.科研经费和技术力量投入不够,酶制剂的菌种产酶水平与国外有较大差距。 2.酶的品种和品级系列存在差距 3.生产装备落后,提炼工艺研究重视不够。 三、我国藤制剂生产努力方向 1.增加科研投入 2.开发活性专一菌株 3.研究新的分离技术,降低分离纯化成本。 第三节生物芯片 生物芯片简介 (一)生物芯片的来源 (二)生物芯片的概念 生物芯片是将生命科学研究中所涉及的不连续的分析过程(如样品制备、化学反应和分 析检测),利用微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术在固体芯片表面构建的微流
华东理工大学 《酶工程》讲义 1 第一章 概论 第一节 研究内容 一、概念 酶工程（ Enzyme Engineering）是随着酶学迅速发展，特别是应用通广，使酶学和工 程学相互渗透结合形成的一门新的技术科学。从应用目的出发研究酶，就是在一定的生物反 应装置中利用酶的催化性质，将相应原料转化成有用的物质。50 年代，这一方面文章不超 过 10 篇，60 年代起迅速发展，当时日本研究就很活跃，现在仍是世界上领先国家之一。 二、应用领域 1969 年，日本田边制药公司的一位科学家采用固定化氨基酰化酶，成功地将化学法合 成的氨基酸转化成人体可以直接利用的氨基酸，成本只有传统工艺的 60%，第一次将固定化 酶成功地应用于工业生产。现在酶工程已深入各个领域。 ⑴ 为工业生产锦上添花。 ⑵ 环境卫士：利用聚丙乙烯，海藻酸钙包埋热带假丝酵母或者将假单孢菌固定在无烟 煤颗粒上，形成一个固定化的薄膜，这种固定化反应器可以分解废水中的酚，几分钟内 0.01% 降道 0.0001%。 ⑶ 生物传感器。 ⑷ 医药上：尿激酶（有效溶血物质）。 ⑸ 生物芯片。 三、研究内容 ⒈ 酶制剂的分离、提纯、大批量生产及新酶开发。 ⒉ 酶生产中基因工程技术的应用。 ⒊ 酶与细胞固定化。☆ ⒋ 酶分子改造与化学修饰，以及酶结构与功能的研究。 ⒌ 酶的应用性开发。 ⒍ 酶反应器的研究（包括反应检测） ⒎ 酶抑制剂、激活剂开发及应用研究。☆ ⒏ 模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、合成的研究☆ ⒐ 非水相介质中酶的催化。☆ 第二节 国内外酶制剂工业概况 一、国内外酶制剂生产及销售状况 二、我国酶制剂生产的不足点 ⒈ 科研经费和技术力量投入不够，酶制剂的菌种产酶水平与国外有较大差距。 ⒉ 酶的品种和品级系列存在差距。 ⒊ 生产装备落后，提炼工艺研究重视不够。 三、我国酶制剂生产努力方向。 ⒈ 增加科研投入 ⒉ 开发活性专一菌株。 ⒊ 研究新的分离技术，降低分离纯化成本。 第三节 生物芯片 一、生物芯片简介 （一）生物芯片的来源 （二）生物芯片的概念 生物芯片是将生命科学研究中所涉及的不连续的分析过程(如样品制备、化学反应和分 析检测)，利用微电子、微机械、化学、物理技术、计算机技术在固体芯片表面构建的微流
华东理工大学 《酶工程》讲义 体分析单元和系统,使之连续化、集成化、微型化 (三)生物芯片技术主要包括四个基本要点 1.芯片方阵的构建:芯片制备,先将玻璃片或硅片进行表面处理,然后使DNA片段或 蛋白质分子按顺序排列在片芯上。 2.样品的制备:生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体,除少数特殊样品外, 般不能直接与芯片反应。可将样品进行生物处理,获取其中的蛋白质或DNA、RNA,并且加 以标记,以提高检测的灵敏度。 3.生物分子反应:生物分子反应,芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键 步。通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中,减少生物分子之间的错配 比率 4.信号的检测:芯片信号检测,常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中 通过扫描以获得有关生物信息 (四)生物芯片的主要类型 生物芯片技术是一种高通量检测技术,它包括基因芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领 1.基因芯片( Genechip)又称DNA芯片( DNAChip)。它是在基因探针的基础上研制出的, 所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列,在探针上连接一些可检测的物质,根据碱基互 补的原理,利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上 然后与标记的样品进行杂交,通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析 基因芯片是生物芯片研究中,最先实现商品化的产品。目前,比较成熟的产品有检测基 因突变的芯片,检测细胞基因表达水平的表达基因芯片。 2.蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同,但它利用的不是碱基配对而是抗体与抗原 结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为:选择一种固相载体能够牢 固地结合蛋白质分子(抗原或抗体),这样形成蛋白质的微阵列,即蛋白质芯片。如果加入 与之特异性反应的带有特殊标记的蛋白质分子(抗体或抗原),两者结合后,通过对标记物 的检测来实现抗原抗体的互检,即蛋白质的检测。此种方法构建的模型所需蛋白质的量极少 反应相对较快,蛋白质芯片稳定性较好,灵敏度较高,在临床检测方面大有发展 3.芯片实验室为高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体的便携 式生物分析系统,它最终的目的是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成,从而使 现有的许多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩 化,属未来生物芯片的发展方向 、生物芯片的应用前景展望 生物芯片的成熟和应用一方面将为下个世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、分子生物学、 航空航天、司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域带来一场革命:另一方面生物芯片的出现 为人类提供了能够对个体生物信息进行高速、并行采集和分析的强有力的技术手段,故必将 成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台。 (一)基因芯片 它以其可同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息的本领而显示出了巨大的威力。 这些应用主要包括基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变和多态性分析以及基因 文库作图以及等方面。 1.表达检测。人类基因组编码大约10万个不同的基因,仅掌握基因序列信息资料,要 理解其基因功能是远远不够的,因此,具有监测大量mRNA(信使RNA,可简单理解为基因表 达的中介物)的实验工具很重要。有关对芯片技术检测基因表达及其敏感性、特异性进行的 研究实验表明芯片技术易于监测非常大量的 mRNAs并能敏感地反映基因表达中的微小变化
华东理工大学 《酶工程》讲义 2 体分析单元和系统，使之连续化、集成化、微型化。 （三）生物芯片技术主要包括四个基本要点 ⒈ 芯片方阵的构建：芯片制备，先将玻璃片或硅片进行表面处理，然后使 DNA 片段或 蛋白质分子按顺序排列在片芯上。 ⒉ 样品的制备：生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一 般不能直接与芯片反应。可将样品进行生物处理，获取其中的蛋白质或 DNA、RNA，并且加 以标记，以提高检测的灵敏度。 ⒊ 生物分子反应：生物分子反应，芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一 步。通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配 比率。 ⒋ 信号的检测：芯片信号检测，常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中， 通过扫描以获得有关生物信息。 （四）生物芯片的主要类型 生物芯片技术是一种高通量检测技术，它包括基因芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领 域。 ⒈ 基因芯片(Genechip)又称 DNA 芯片（DNAChip）。它是在基因探针的基础上研制出的， 所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互 补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上， 然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。 基因芯片是生物芯片研究中，最先实现商品化的产品。目前，比较成熟的产品有检测基 因突变的芯片，检测细胞基因表达水平的表达基因芯片。 ⒉ 蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同，但它利用的不是碱基配对而是抗体与抗原 结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为：选择一种固相载体能够牢 固地结合蛋白质分子（抗原或抗体），这样形成蛋白质的微阵列，即蛋白质芯片。如果加入 与之特异性反应的带有特殊标记的蛋白质分子（抗体或抗原），两者结合后，通过对标记物 的检测来实现抗原抗体的互检，即蛋白质的检测。此种方法构建的模型所需蛋白质的量极少， 反应相对较快，蛋白质芯片稳定性较好，灵敏度较高，在临床检测方面大有发展。 ⒊ 芯片实验室为高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体的便携 式生物分析系统，它最终的目的是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成，从而使 现有的许多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩 化，属未来生物芯片的发展方向。 二、生物芯片的应用前景展望 生物芯片的成熟和应用一方面将为下个世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、分子生物学、 航空航天、司法鉴定、食品卫生和环境监测等领域带来一场革命；另一方面生物芯片的出现 为人类提供了能够对个体生物信息进行高速、并行采集和分析的强有力的技术手段，故必将 成为未来生物信息学研究中的一个重要信息采集和处理平台。 （一）基因芯片 它以其可同时、快速、准确地分析数以千计基因组信息的本领而显示出了巨大的威力。 这些应用主要包括基因表达检测、寻找新基因、杂交测序、基因突变和多态性分析以及基因 文库作图以及等方面。 ⒈ 表达检测。人类基因组编码大约 10 万个不同的基因，仅掌握基因序列信息资料，要 理解其基因功能是远远不够的，因此，具有监测大量 mRNA（信使 RNA，可简单理解为基因表 达的中介物）的实验工具很重要。有关对芯片技术检测基因表达及其敏感性、特异性进行的 研究实验表明芯片技术易于监测非常大量的 mRNAs 并能敏感地反映基因表达中的微小变化
华东理工大学 《酶工程》讲义 利用基因芯片技术人们己比较成功地对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进 行了研究,并且用该技术(共157,112个探针分子)一次性检测了酵母几种不同株间数千个 基因表达谱的差异 2.寻找新基因。有关实验表明在缺乏任何序列信息的条件下,基因芯片也可用于基因 发现,如HE基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的 3.DNA测序。人类基因组计划的实施促进了更高效率的、能够自动化操作的测序方法 的发展,芯片技术中杂交测序技术及邻堆杂交技术即是一种新的高效快速测序方法。如使用 美国 Affymetrix公司1998年生产出的带有13.5万个基因探针的芯片就可以使人类DNA解 码速度提高了25倍。 核酸突变的检测及基因组多态性的分析。有关实验结果已经表明DNA芯片技术可快速 准确地研究大量患者样品中特定基因所有可能的杂合变异。对人类基因组单核苷酸多态性的 鉴定、作图和分型,人线粒体16.6kb基因组多态性的研究等。随着遗传病与癌症相关基因 发现数量的增加,变异与多态性分析必将越来越重要。 (二)蛋白质芯片 蛋白质芯片以蛋白质代替DNA作为检测目的物,比基因芯片更进一步的接近生命活动的 物质层面,因而有着比基因芯片更加直接的应用前景。 人类基因组大规模测序工作接近尾声,以功能基因组学和蛋白质组学为主要研究内容的 后基因组时代来临。蛋白质芯片作为检测蛋白质存在和运动变化的高效工具,必将发挥越来 越大的作用 美国 Ciphergen公司的芯片能够从人体体液或组织中获取大量的微量蛋白质,以绘制捕 获的蛋白质图谱。其第一代系统已经使用了两年,功效显著。蛋白质芯片可以准确而迅速地 提供多标记蛋白质的“显性指纹”一种比任何单个标记更有效的疾病阶段指示剂。在以 往的实验中, Ciphergen公司的科学家们利用蛋白质芯片系统对来自健康个体和不同癌症阶 段的患者的血清样本进行了研究。仅在三天内他们找到了6种前列腺癌的潜在标记,而利用 以往的标准技术,发现和确定同样数量的潜在标记可能需要数月至数年的时间才能得到证 明 印度普度大学的科学家们宣布,他们已经率先研制成功一种蛋白质生物芯片,通过这种 生物芯片,医生可以利用含有生物芯片的医疗设备迅速而准确地对一般疾病进行诊断并对某 些化学治疗方法进行评估:它还可以帮助士兵在战场上探测到来自敌方的生化攻击:对农作 物的病虫害进行探测并发出警告:同时它还能帮助科学家们对人们常用来治病的植物进行分 析,看它们是否确实含有具治疗效果的化学成份,从而在此基础上研制并生产出新的药品 (三)芯片实验室 美国普杜大学已开发出一种芯片实验室技术,将化学实验室的专用仪器缩微在芯片上 芯片上的仪器缩小到常规仪器的千分之一甚至百万分之一。这项成果使科学家能在一块硅片 上堆积几十个或几百“芯片实验室”,每个“实验室”都能进行复杂的化学分析,从而可减 少很多化学和医学分析的费用,并提高效率 、生物芯片的研发和生产现状 (一)国际 美国 Affymetrix公司是世界上最有影响的基因芯片开发制造商,该公司聚集有多位计 算机、数学和分子生物学专家,其每年的研究经费在一千万美元以上,且已历时六七年之久, 拥有多项专例。 目前,国际上己经有许多从事生物芯片研究的公司,每家公司的芯片技术都各具特色 应用目的也不尽相同,如加利福尼亚州森尼维尔的 Hyseq公司,声称拥有最快的基因分析器, 它们由机器人制造,机器人把DNA探针滴到过滤纸上,其DNA阵具有优势,破译DNA的速度最
华东理工大学 《酶工程》讲义 3 利用基因芯片技术人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥、酵母及人的基因组表达情况进 行了研究，并且用该技术（共 157,112 个探针分子）一次性检测了酵母几种不同株间数千个 基因表达谱的差异。 ⒉ 寻找新基因。有关实验表明在缺乏任何序列信息的条件下，基因芯片也可用于基因 发现，如 HME 基因和黑色素瘤生长刺激因子就是通过基因芯片技术发现的。 ⒊ DNA 测序。人类基因组计划的实施促进了更高效率的、能够自动化操作的测序方法 的发展，芯片技术中杂交测序技术及邻堆杂交技术即是一种新的高效快速测序方法。如使用 美国 Affymetrix 公司 1998 年生产出的带有 13.5 万个基因探针的芯片就可以使人类 DNA 解 码速度提高了 25 倍。 核酸突变的检测及基因组多态性的分析。有关实验结果已经表明 DNA 芯片技术可快速、 准确地研究大量患者样品中特定基因所有可能的杂合变异。对人类基因组单核苷酸多态性的 鉴定、作图和分型，人线粒体 16.6kb 基因组多态性的研究等。随着遗传病与癌症相关基因 发现数量的增加，变异与多态性分析必将越来越重要。 （二）蛋白质芯片 蛋白质芯片以蛋白质代替 DNA 作为检测目的物，比基因芯片更进一步的接近生命活动的 物质层面，因而有着比基因芯片更加直接的应用前景。 人类基因组大规模测序工作接近尾声，以功能基因组学和蛋白质组学为主要研究内容的 后基因组时代来临。蛋白质芯片作为检测蛋白质存在和运动变化的高效工具，必将发挥越来 越大的作用。 美国 Ciphergen 公司的芯片能够从人体体液或组织中获取大量的微量蛋白质，以绘制捕 获的蛋白质图谱。其第一代系统已经使用了两年，功效显著。蛋白质芯片可以准确而迅速地 提供多标记蛋白质的“显性指纹”---一种比任何单个标记更有效的疾病阶段指示剂。在以 往的实验中，Ciphergen 公司的科学家们利用蛋白质芯片系统对来自健康个体和不同癌症阶 段的患者的血清样本进行了研究。仅在三天内他们找到了 6 种前列腺癌的潜在标记，而利用 以往的标准技术，发现和确定同样数量的潜在标记可能需要数月至数年的时间才能得到证 明。 印度普度大学的科学家们宣布，他们已经率先研制成功一种蛋白质生物芯片，通过这种 生物芯片，医生可以利用含有生物芯片的医疗设备迅速而准确地对一般疾病进行诊断并对某 些化学治疗方法进行评估；它还可以帮助士兵在战场上探测到来自敌方的生化攻击；对农作 物的病虫害进行探测并发出警告；同时它还能帮助科学家们对人们常用来治病的植物进行分 析，看它们是否确实含有具治疗效果的化学成份，从而在此基础上研制并生产出新的药品。 （三）芯片实验室 美国普杜大学已开发出一种芯片实验室技术，将化学实验室的专用仪器缩微在芯片上， 芯片上的仪器缩小到常规仪器的千分之一甚至百万分之一。这项成果使科学家能在一块硅片 上堆积几十个或几百“芯片实验室”，每个“实验室”都能进行复杂的化学分析，从而可减 少很多化学和医学分析的费用，并提高效率。 三、生物芯片的研发和生产现状 （一）国际 美国 Affymetrix 公司是世界上最有影响的基因芯片开发制造商，该公司聚集有多位计 算机、数学和分子生物学专家，其每年的研究经费在一千万美元以上，且已历时六七年之久， 拥有多项专例。 目前，国际上已经有许多从事生物芯片研究的公司，每家公司的芯片技术都各具特色， 应用目的也不尽相同，如加利福尼亚州森尼维尔的 Hyseq 公司,声称拥有最快的基因分析器, 它们由机器人制造,机器人把 DNA 探针滴到过滤纸上,其 DNA 阵具有优势,破译 DNA 的速度最
华东理工大学 《酶工程》讲义 快。帕洛阿尔托的 SyntenY公司声称它的芯片衡量细胞中基因活动最有效,公司正在利用基 因芯片研究前列腺癌等疾病。圣迭戈的 Nanogen公司计划进入诊断艾滋病毒和其它传染病的 市场。 Incyte制药公司与 Affymetrix公司合作生产针对各种疾病的基因分析芯片供药品研 究使用 但是,基因芯片要成为实验室研究或临床可以普遍采用的技术仍有一些关键问题亟待解 决如(1)基因芯片的特异性的提高;(2)样品制备和标记操作的简化:(3)增加信号检测的灵 敏度:(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记及检测仪器的研制和开发。 国内 1.上海细胞所与陕西超群公司:2.第四军医大与陕西高科集团:3.联合基因科技公 司与第一军医大;4.清华大学生物芯片研发中心。 四、我国生物芯片产业化的前景 (一)市场 1.药物筛选和新药开发。 2.中药基因组学研究和我国的中药现代化。 中药基因组学的含义是通过现代科学技术手段结合传统中药理论和现代科学理论,将中 药的药性、功能及主治与其对特定疾病相关基因表达调控的影响关联起来,在分子水平上用 现代基因组学,特别是功能或疾病基因组学的理论来诠释传统中药理论及作用机理 3.疾病诊断 基因芯片作为一种先进的、大规模、高通量检测技术,应用于疾病的诊断,其优点有以 下几个方面:一是高度的灵敏性和准确性;二是快速简便:三是可同时检测多种疾病。 人类所有疾病都直接、间接与基因有关,根据基因概念,人类疾病可分为三大类。第 类为单基因病。这类疾病已发现6000余种,其主要病因是某一特定基因的结构发生改变, 属于单基因病的如多指症、白化病、早老症等。第二类为多基因病。这类疾病的发生涉及两 个以上基因的结构或表达调控的改变,如高血压、冠心病、糖尿病、哮喘病、骨质疏松症 神经性疾病、原发性癫痫、肿瘤等。第三类为获得性基因病。这类疾病由病原微生物通过感 染将其基因入侵到宿主基因引起。 4.环境保护及其他 在环境保护上,基因芯片也广泛的用途,一方面可以快速检测污染微生物或有机化合物 对环境、人体、动植物的污染和危害,同时也能够通过大规模的筛选寻找保护基因,制备防 治危害的基因工程药品、或能够治理污染源的基因产品。基因芯片还可用于司法。另外芯片 技术可以用来筛选农作物的基因突变,并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷冻的相关基因 也可以用于基因扫描及基因文库作图、商品检验检疫等领域。目前该类市场尚待开发。 1.制造技术 基因芯片从实验室走向工业化却是直接得益于探针固相原位合成技术和照相平板印刷 技术的有机结合以及激光共聚焦显微技术的引入。它使得合成、固定高密度的数以万计的探 针分子切实可行,而且借助激光共聚焦显微扫描技术使得可以对杂交信号进行实时、灵敏、 准确的检测和分析。 2.基因、蛋白质等前沿研究 对生物芯片工业来讲,除去制作技术外,关键就是芯片上放置的基因和蛋白质等物质了 如果制作用于检测某人核苷酸多态性以诊断某种遗传病,或者用于基因测序,那么芯片探针 上一般放置的是有8个碱基的寡聚核苷酸片段,基因芯片和蛋白质芯片则相应放置的是基因 标志性片段EST(可表达的基因标志性cDNA序列片段,可以通过对mRNA的双端尾侧的几百 个碱基进行测序得到)、全长基因或蛋白质。因此制作生物芯片首先要解决的是DNA探针
华东理工大学 《酶工程》讲义 4 快。帕洛阿尔托的 Syntenl 公司声称它的芯片衡量细胞中基因活动最有效，公司正在利用基 因芯片研究前列腺癌等疾病。圣迭戈的 Nanogen 公司计划进入诊断艾滋病毒和其它传染病的 市场。Incyte 制药公司与 Affymetrix 公司合作生产针对各种疾病的基因分析芯片供药品研 究使用。 但是，基因芯片要成为实验室研究或临床可以普遍采用的技术仍有一些关键问题亟待解 决如(1)基因芯片的特异性的提高；(2)样品制备和标记操作的简化；(3)增加信号检测的灵 敏度；(4)高度集成化样品制备、基因扩增、核酸标记及检测仪器的研制和开发。 （二）国内 ⒈ 上海细胞所与陕西超群公司；⒉ 第四军医大与陕西高科集团；⒊ 联合基因科技公 司与第一军医大；⒋ 清华大学生物芯片研发中心。 四、我国生物芯片产业化的前景 （一）市场 ⒈ 药物筛选和新药开发。 ⒉ 中药基因组学研究和我国的中药现代化。 中药基因组学的含义是通过现代科学技术手段结合传统中药理论和现代科学理论，将中 药的药性、功能及主治与其对特定疾病相关基因表达调控的影响关联起来，在分子水平上用 现代基因组学，特别是功能或疾病基因组学的理论来诠释传统中药理论及作用机理。 ⒊ 疾病诊断 基因芯片作为一种先进的、大规模、高通量检测技术，应用于疾病的诊断，其优点有以 下几个方面：一是高度的灵敏性和准确性；二是快速简便；三是可同时检测多种疾病。 人类所有疾病都直接、间接与基因有关，根据基因概念，人类疾病可分为三大类。第一 类为单基因病。这类疾病已发现 6000 余种，其主要病因是某一特定基因的结构发生改变， 属于单基因病的如多指症、白化病、早老症等。第二类为多基因病。这类疾病的发生涉及两 个以上基因的结构或表达调控的改变，如高血压、冠心病、糖尿病、哮喘病、骨质疏松症、 神经性疾病、原发性癫痫、肿瘤等。第三类为获得性基因病。这类疾病由病原微生物通过感 染将其基因入侵到宿主基因引起。 ⒋ 环境保护及其他 在环境保护上，基因芯片也广泛的用途，一方面可以快速检测污染微生物或有机化合物 对环境、人体、动植物的污染和危害，同时也能够通过大规模的筛选寻找保护基因，制备防 治危害的基因工程药品、或能够治理污染源的基因产品。基因芯片还可用于司法。另外芯片 技术可以用来筛选农作物的基因突变，并寻找高产量、抗病虫、抗干旱、抗冷冻的相关基因， 也可以用于基因扫描及基因文库作图、商品检验检疫等领域。目前该类市场尚待开发。 （二）生产 ⒈ 制造技术 基因芯片从实验室走向工业化却是直接得益于探针固相原位合成技术和照相平板印刷 技术的有机结合以及激光共聚焦显微技术的引入。它使得合成、固定高密度的数以万计的探 针分子切实可行，而且借助激光共聚焦显微扫描技术使得可以对杂交信号进行实时、灵敏、 准确的检测和分析。 ⒉ 基因、蛋白质等前沿研究 对生物芯片工业来讲，除去制作技术外，关键就是芯片上放置的基因和蛋白质等物质了。 如果制作用于检测某人核苷酸多态性以诊断某种遗传病，或者用于基因测序，那么芯片探针 上一般放置的是有 8 个碱基的寡聚核苷酸片段，基因芯片和蛋白质芯片则相应放置的是基因 标志性片段 EST（可表达的基因标志性 cDNA 序列片段，可以通过对 mRNA 的双端尾侧的几百 个碱基进行测序得到）、全长基因或蛋白质。因此制作生物芯片首先要解决的是 DNA 探针
华东理工大学 《酶工程》讲义 基因以及蛋白质的尽可能全面和快速的收集问题。 世界三大基因库分别是:人类基因克隆库:人类基因探针库;小鼠基因克隆及探针库 目前基因芯片上面使用最多的是基因标志性片段EST,可以从公共数据库中查找获得 DBEST是目前最大的一个公共数据库 五、有关生物芯片的上市公司 目前为止,尚未有一家上市公司真正进入生物芯片领域并实现产业化生产,有关的上市 公司都只是计划涉足、有重组进入的可能或处于前期科研阶段。这些公司分别是:张江高科 上海医药、复星实业、哈高科、河池化工、友好集团、上实联合、星湖科技等公司。 第二章酶学与醇酶工程 第一节酶的分类、组成、结构特点和作用机制 酶的分类 1.氧化还原酶:脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、氧合酶、细胞色素氧化酶等 2.转移酶:酮醛基转移酶、酰基转移酶、糖苷基转移酶、含氮基转移酶等 3.水解酶:脂肪酶、糖苷酶、肽酶等,水解酶一般不需辅酶 4.裂合酶:这类酶可脱去底物上某一基团留下双键,或可相反地在双键处加入某一基 5.异构酶:此类酶为生物代谢需要对某些物质进行分子异构化,分别进行外消旋、差 向异构、顺反异构、醛酮异构、分子内转移、分子内裂解等 6.接酶(合成酶):这类酶关系很多生命物质的合成,其特点是需要三磷酸腺苷等高 能磷酸酯作为结合能源,有的还需金属离子辅助因子。分别形成C-0键(与蛋白质合成有关)、 C-S键(与脂肪酸合成有关)、C-C键和磷酸酯键。 二、酶的组成和结构特点 1.单体酶 2.寡聚酶 3.多酶复合体 辅因子:酶蛋白中非蛋白质部分,它可以是无机离子也可以是有机化合物 辅酶:有机辅因子与酶蛋白结合松散即为辅酶 辅基:有机辅因子与酶蛋白结合紧密即为辅基 三、酶的作用机制 1.酶的作用过程 酶的活性部位:是它结合底物和将底物转化为产物的区域,通常是整个酶分子相当小的 部分,它是由在线性多肽中可能相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。 2.酶与底物的结合模型 锁和钥匙模型:诱导锲合模型 3.酶的催化作用 (1)研究方法: ①从非酶系统模式获得催化作用规律,其优点是反应简单,易于探究,其缺点是非酶 系统与酶系统不同,其实验结果不一定完全适合于阐明酶的催化作用。 ②从酶的结构与功能研究中得到催化作用机理的证据。 (2)酶的催化作用 ①广义的酸碱催化:能供给质子的物质即为酸,能接受质子的物质即为碱 例:HA=AHHA为酸,A为碱 HA(酸)+A=AH(酸催化)ANH+B(碱)=Y+BH+A(碱催化) 在酶蛋白中可以作为广义酸碱的功能基团见表
华东理工大学 《酶工程》讲义 5 基因以及蛋白质的尽可能全面和快速的收集问题。 世界三大基因库分别是：人类基因克隆库；人类基因探针库；小鼠基因克隆及探针库。 目前基因芯片上面使用最多的是基因标志性片段 EST，可以从公共数据库中查找获得。 DBEST 是目前最大的一个公共数据库。 五、有关生物芯片的上市公司 目前为止，尚未有一家上市公司真正进入生物芯片领域并实现产业化生产，有关的上市 公司都只是计划涉足、有重组进入的可能或处于前期科研阶段。这些公司分别是：张江高科、 上海医药、复星实业、哈高科、河池化工、友好集团、上实联合、星湖科技等公司。 第二章 酶学与酶工程 第一节 酶的分类、组成、结构特点和作用机制 一、酶的分类 ⒈ 氧化还原酶：脱氢酶、氧化酶、过氧化物酶、氧合酶、细胞色素氧化酶等 ⒉ 转移酶：酮醛基转移酶、酰基转移酶、糖苷基转移酶、含氮基转移酶等 ⒊ 水解酶：脂肪酶、糖苷酶、肽酶等，水解酶一般不需辅酶 ⒋ 裂合酶：这类酶可脱去底物上某一基团留下双键，或可相反地在双键处加入某一基 团。 ⒌ 异构酶：此类酶为生物代谢需要对某些物质进行分子异构化，分别进行外消旋、差 向异构、顺反异构、醛酮异构、分子内转移、分子内裂解等 ⒍ 接酶（合成酶）：这 类酶关系很多生命物质的合成，其特点是需要三磷酸腺苷等高 能磷酸酯作为结合能源，有的还需金属离子辅助因子。分别形成 C-O 键（与蛋白质合成有关）、 C-S 键（与脂肪酸合成有关）、C-C 键和磷酸酯键。 二、酶的组成和结构特点 ⒈ 单体酶 ⒉ 寡聚酶 ⒊ 多酶复合体 辅因子：酶蛋白中非蛋白质部分，它可以是无机离子也可以是有机化合物。 辅酶：有机辅因子与酶蛋白结合松散即为辅酶。 辅基：有机辅因子与酶蛋白结合紧密即为辅基。 三、酶的作用机制 ⒈ 酶的作用过程 酶的活性部位：是它结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是整个酶分子相当小的 部分，它是由在线性多肽中可能相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。 ⒉ 酶与底物的结合模型 锁和钥匙模型；诱导锲合模型。 ⒊ 酶的催化作用 ⑴ 研究方法： ① 从非酶系统模式获得催化作用规律，其优点是反应简单，易于探究，其缺点是非酶 系统与酶系统不同，其实验结果不一定完全适合于阐明酶的催化作用。 ② 从酶的结构与功能研究中得到催化作用机理的证据。 ⑵ 酶的催化作用 ① 广义的酸碱催化：能供给质子的物质即为酸，能接受质子的物质即为碱 例：HA=A- +H+ HA 为酸，A - 为碱 HA（酸）+A=AXH（酸催化） AXH+B- （碱）=Y+BH+A- （碱催化） 在酶蛋白中可以作为广义酸碱的功能基团见表
华东理工大学 《酶工程》讲义 共价催化:底物与酶以共价方式形成中间物。这种中间物可以很快转变为活化能大为降 低的转变态,从而提高催化反应速度。 共价催化的常见形式是酶的催化基团中亲核原子对底物的亲电子原子的攻击类似亲核 试剂与亲电子试剂 亲电试剂:一种试剂具有强烈亲和电子的原子中心。带正电离子如Mg2,NH4是亲电子 的,含有一C=0及C=N-基团的化合物也是亲电子的,其中的0及N都有吸引电子的倾向,因 而使得邻近的C原子缺乏电子。它发挥催化作用的步骤是从底物移去电子。 亲核试剂就是一种试剂具有强烈供给电子的原子中心。它发挥催化作用是由于它能供给 底物一对电子。 ③邻近效应及定向效应 所谓邻近效应就是底物的反应基团与酶的催化基团越靠近,其反应速度越快。 ④变形或张力 ⑤酶的活性中心为疏水区域 第二节藤作为催化剂的显著特点 、催化能力 二、专一性 1.对所作用的底物和催化的反应都是高度专一性 2.催化反应的立体专一性 3.调节性:①酶浓度的调节;②激素调节:③共价修饰调节;④限制性蛋白水解 作用与酶活力调控;⑥反馈调节:⑦金属离子和其他小分子化合物的调节 第三节酶作用动力学 单底物酶促反应动力学( Michaelis- Menten学说) 酶和底物的作用是通过酶和底物生成复合物而进行的。底物浓度较低时,酶的活性中 未被饱和,反应速度随底物浓度上升而呈正相关。当底物浓度较高,酶的活性中心被饱和或 趋于饱和时,反应速度增加率较小或不再增加。因为酶-底物复合物的生成速度相应较快 而分解速度相对较慢,成为整个反应的限速步骤。 二、恒态假设 在初速度范围内,酶浓度远远低于底物浓度,则酶-底物络合物浓度也很低。除了反应 和初期的瞬间,ES的变化速率相对于[P]而言可以忽略。形成的ES络合物维持恒态,即浓 度保持不变,解离的速度与形成的速度相同。 三、 King-Altman法 中间络合物超过两个以上时用此图解法,简便可靠。 要求将反应写成循环形式,使所有的含酶种类(包括E在内)互相转变展示出来,每步 都用K表示,K是这步速度常数和有关游离底物浓度的乘积,如不涉及底物,那么只有速度 常数,所以上式最后推导成 A,kskLAXsJCE k(k2+k-1)+k 般来讲,这个方法大体包含下列几步: 第一,写出其反应历程的方程式,将品种不同的酶存在形成( Enzyme Specles)安排成 封闭的几何图形,每一种酶存在形式作为几何图形的一角 第二,写出n-1线的所有可能的图形,n为几何图形的角数(即酶存在形式的数目), 它的n1线图形的总数应为:m!/(n-1)!/(m-n+1)!式中m为完整的几何图形的线段数目。注 意当反应历程构成的基本图形包含有不止一个封闭圈时,在写出n-1线图形时,必须把这些 含有各种各样的封闭圈的图形除去。 第三,按照King- Altman图形可以写出每种酶存在形式的浓度和总酶浓度的比例,它们
华东理工大学 《酶工程》讲义 6 共价催化：底物与酶以共价方式形成中间物。这种中间物可以很快转变为活化能大为降 低的转变态，从而提高催化反应速度。 共价催化的常见形式是酶的催化基团中亲核原子对底物的亲电子原子的攻击类似亲核 试剂与亲电子试剂。 亲电试剂：一种试剂具有强烈亲和电子的原子中心。带正电离子如 Mg2+,NH3 4+是亲电子 的，含有-C=O 及-C=N-基团的化合物也是亲电子的，其中的 O 及 N 都有吸引电子的倾向，因 而使得邻近的 C 原子缺乏电子。它发挥催化作用的步骤是从底物移去电子。 亲核试剂就是一种试剂具有强烈供给电子的原子中心。它发挥催化作用是由于它能供给 底物一对电子。 ③ 邻近效应及定向效应 所谓邻近效应就是底物的反应基团与酶的催化基团越靠近，其反应速度越快。 ④ 变形或张力 ⑤ 酶的活性中心为疏水区域 第二节 酶作为催化剂的显著特点 一、催化能力 二、专一性 ⒈ 对所作用的底物和催化的反应都是高度专一性 ⒉ 催化反应的立体专一性 ⒊ 调节性：① 酶浓度的调节；② 激素调节；③ 共价修饰调节；④ 限制性蛋白水解 作用与酶活力调控；⑥ 反馈调节；⑦ 金属离子和其他小分子化合物的调节。 第三节 酶作用动力学 一、单底物酶促反应动力学（Michaelis-Menten 学说） 酶和底物的作用是通过酶和底物生成复合物而进行的。底物浓度较低时，酶的活性中心 未被饱和，反应速度随底物浓度上升而呈正相关。当底物浓度较高，酶的活性中心被饱和或 趋于饱和时，反应速度增加率较小或不再增加。因为酶-底物复合物的生成速度相应较快， 而分解速度相对较慢，成为整个反应的限速步骤。 二、恒态假设 在初速度范围内，酶浓度远远低于底物浓度，则酶-底物络合物浓度也很低。除了反应 和初期的瞬间，ES 的变化速率相对于[P]而言可以忽略。形成的 ES 络合物维持恒态，即浓 度保持不变，解离的速度与形成的速度相同。 三、King-Altman 法 中间络合物超过两个以上时用此图解法，简便可靠。 要求将反应写成循环形式，使所有的含酶种类（包括 E 在内）互相转变展示出来，每步 都用К表示，К是这步速度常数和有关游离底物浓度的乘积，如不涉及底物，那么只有速度 常数，所以上式最后推导成： 一般来讲，这个方法大体包含下列几步： 第一，写出其反应历程的方程式，将品种不同的酶存在形成（Enzyme Specles）安排成 封闭的几何图形，每一种酶存在形式作为几何图形的一角。 第二，写出 n-1 线的所有可能的图形，n 为几何图形的角数（即酶存在形式的数目）， 它的 n-1 线图形的总数应为：m!/(n-1)!/(m-n+1)!式中 m 为完整的几何图形的线段数目。注 意当反应历程构成的基本图形包含有不止一个封闭圈时，在写出 n-1 线图形时，必须把这些 含有各种各样的封闭圈的图形除去。 第三，按照 King-Altman 图形可以写出每种酶存在形式的浓度和总酶浓度的比例，它们
华东理工大学 《酶工程》讲义 具有基本上相似的表达式 Ex/Et=若干项的加和/相同的分母 分子的每一项都由一个King- Altman图形构成,对于某一种特定的酶的存在形式,它的 分子的每一项可以由King- Altman图形中每一根线所表示的由其他酶形式转变为这种形式 的速度常数,或速度常数与配基浓度彼此相乘而得到。 第四节影响反应速度的因素 酶浓度对反应速度的影响 在酶反应中,如果底物浓度足以使酶饱和,则反应速度与酶浓度成正比。由米氏方程推 导:v=V[S]/(Km+[S])又V=K2[E]所以v=K2[S]/(Km+[S])*[E] 当[S]维持不变时,v正比于[E]。这里使用的酶必须是纯酶制剂或不含抑制剂的粗酶制 剂。 二、P对酶反应速度的影响 大部分酶的活性受其环境p的影响,有最适pH。 用酶活对p作图,可得到钟罩形的曲线。酶的最适p目前还只能用实验方法测得,随 底物的浓度,温度和其它条件的变化而变化。PH对酶活的影响主要表现在以下几个方面: 1.pH的改变可以破坏酶的空间构象,引起酶活的丧失。这种失活作用或者是可逆的 或者是不可逆的 2.PH的改变影响酶活性中心催化基团的解离,从而使得底物转变成产物的过程受到影 3.PH的改变影响活性中心结合基团的解离状态,使得底物不能与其结合。 4.P的改变影响底物的解离状态,或者使底物不能和酶结合,或者结合后不能生成产 PH可以对游离酶或酶-底物复合物产生一定的效应,从而导致对酶反应的速度产生显著 的影响,其机理相当复杂 三、温度对醇反应速度的影响 当温度升高时,与一般的化学反应一样,反应速度加快。随着温度升高而使酶蛋白逐步 变性,反应速度随之下降。酶反应存在着一个最适温度,反应速度对温度作图,所得曲线为 钟罩形,顶点为最适温度,它受到作用时间、酶的浓度、底物、激活剂或抑制剂等因素的影 响。在变性温度以内,温度对酶催化反应速度的影响也服从 Arrhenius方程。温度每增加 10℃,酶催化反应的速度增加1-2倍。 四、抑制剂对酶反应速度的影响 第五节釀抑制作用的概念和分类 、概念 能降低酶催化反应速度的因素很多,通常将其分为失活作用和抑制剂作用两类 1.失活作用是指由于一些物理因素和化学试剂部分或全部破坏了酶的三维结构,即引 起酶蛋白变性,导致部分或全部丧失活性。 2.抑制作用是指在酶不变性的情况下,由于必需基团或活性中心化学性质的改变而引 起的酶活性的降低或丧失 3.去激活作用,某些酶只有在金属离子存在下才有活性,去除金属离子也会引起这些 酶活性的降低或丧失。抑制剂分子的全部或一部分通过非共价见键或共价键和酶结合,直接 影响酶的催化作用。去激活作用通过去除金属离子而间接地影响酶的活性。当金属离子去除 后,底物与酶的结合减少,实际上是降低了底物的有效浓度 4.阻遏作用指某些因素(如激素或药物等)使细胞内酶蛋白的合成减少,反应速度的 降低是由于酶分子数量的减少,每分子酶的催化效力并无变化,而抑制作用是指一定量酶分
华东理工大学 《酶工程》讲义 7 具有基本上相似的表达式： Ex/Et=若干项的加和/相同的分母 分子的每一项都由一个 King-Altman 图形构成，对于某一种特定的酶的存在形式，它的 分子的每一项可以由 King-Altman 图形中每一根线所表示的由其他酶形式转变为这种形式 的速度常数，或速度常数与配基浓度彼此相乘而得到。 第四节 影响反应速度的因素 一、酶浓度对反应速度的影响 在酶反应中，如果底物浓度足以使酶饱和，则反应速度与酶浓度成正比。由米氏方程推 导：v=V[S]/(Km+[S])又 V=K2[E]所以 v=K2[S]/(Km+[S])*[E] 当[S]维持不变时，v 正比于[E]。这里使用的酶必须是纯酶制剂或不含抑制剂的粗酶制 剂。 二、PH 对酶反应速度的影响 大部分酶的活性受其环境 pH 的影响，有最适 pH。 用酶活对 pH 作图，可得到钟罩形的曲线。酶的最适 pH 目前还只能用实验方法测得，随 底物的浓度，温度和其它条件的变化而变化。PH 对酶活的影响主要表现在以下几个方面： ⒈ pH 的改变可以破坏酶的空间构象，引起酶活的丧失。这种失活作用或者是可逆的， 或者是不可逆的。 ⒉ PH 的改变影响酶活性中心催化基团的解离，从而使得底物转变成产物的过程受到影 响。 ⒊ PH 的改变影响活性中心结合基团的解离状态，使得底物不能与其结合。 ⒋ PH 的改变影响底物的解离状态，或者使底物不能和酶结合，或者结合后不能生成产 物。 PH 可以对游离酶或酶-底物复合物产生一定的效应，从而导致对酶反应的速度产生显著 的影响，其机理相当复杂。 三、温度对酶反应速度的影响 当温度升高时，与一般的化学反应一样，反应速度加快。随着温度升高而使酶蛋白逐步 变性，反应速度随之下降。酶反应存在着一个最适温度，反应速度对温度作图，所得曲线为 钟罩形，顶点为最适温度，它受到作用时间、酶的浓度、底物、激活剂或抑制剂等因素的影 响。在变性温度以内，温度对酶催化反应速度的影响也服从 Arrhenius 方程。温度每增加 10℃，酶催化反应的速度增加 1-2 倍。 四、抑制剂对酶反应速度的影响 第五节 酶抑制作用的概念和分类 一、概念 能降低酶催化反应速度的因素很多，通常将其分为失活作用和抑制剂作用两类。 ⒈ 失活作用是指由于一些物理因素和化学试剂部分或全部破坏了酶的三维结构，即引 起酶蛋白变性，导致部分或全部丧失活性。 ⒉ 抑制作用是指在酶不变性的情况下，由于必需基团或活性中心化学性质的改变而引 起的酶活性的降低或丧失。 ⒊ 去激活作用，某些酶只有在金属离子存在下才有活性，去除金属离子也会引起这些 酶活性的降低或丧失。抑制剂分子的全部或一部分通过非共价见键或共价键和酶结合，直接 影响酶的催化作用。去激活作用通过去除金属离子而间接地影响酶的活性。当金属离子去除 后，底物与酶的结合减少，实际上是降低了底物的有效浓度。 ⒋ 阻遏作用指某些因素（如激素或药物等）使细胞内酶蛋白的合成减少，反应速度的 降低是由于酶分子数量的减少，每分子酶的催化效力并无变化，而抑制作用是指一定量酶分
华东理工大学 《酶工程》讲义 子催化效力的减少,不涉及酶分子合成的问题 二、抑制程度的表示 一般用反应速度的变化来表示。若以不加抑制剂时的反应速度为Vo,加入抑制剂后的 反应速度为V,则酶的抑制程度有下列几种表示方法: 1.相对活力分数(残余活力分数)a=Vi/Vo 2.相对活力百分数(残余活力百分数)a%=Vi/Vo*100% 3.抑制分数,指被抑制而失去活力的分数i=1-a=1-vi/Vo 4.抑制百分数i%=(1-a)*100%=(1-Vi/Vo)*100% 通常所谓抑制率是指抑制分数或抑制百分数。 抑制作用的分类 不可逆抑制作用(非专一性不可逆抑制作用:专一性不可逆抑制作用) 可逆抑制作用(竞争性抑制作用,非竞争性抑制作用,反竞争性抑制作用,混合型抑制) 四、抑制作用的定义 1.不可逆抑制作用 抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活性丧失,不能用透析,超滤或凝胶过滤 等物理方法去除抑制剂而使酶复活者,称为不可逆抑制作用。由于被抑制的酶分子受到不同 程度的修饰,故不可逆抑制也就是酶的修饰抑制 2.可逆抑制作用 抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活性的降低或丧失,能用物理的方法除去抑制剂而 使酶复活者称为可逆抑制作用。这种抑制剂又可通过两种不同的方式与酶结合而抑制酶的活 性 (1)抑制剂与酶的活性中心相结合,阻断酶分子的结合基团或催化基团,或与酶一底物中 间复合体结合,从而阻止底物形成产物。这类抑制剂在酶分子上的结合部位基本上和底物相 同或相近,故称为同位抑制剂,这种抑制作用也就叫做同位抑制作用。 (2)抑制剂和酶分子活性中心以外的部位相结合,通过酶分子空间构象的改变,从而影 响底物与酶的结合与酶的结合或酶的催化效率。由于抑制剂与酶的结合部位不同于底物的结 合部位,故这种抑制剂称为别位抑制剂。为了表示其可引起酶的变构,也可译作别构抑制剂 这类抑制作用也就叫作别构抑制作用。可引起别构作用的酶称位别构酶,别构酶大多是有 个亚基的寡聚体酶,将在下章予以详细介绍。而本章主要介绍同位抑制作用 五、可逆抑制和不可逆抑制作用的鉴别 除了根据上述透析,过滤等物理方法视其能否去除抑制剂来区别不可逆抑制和可逆抑制 作用外,还可以利用下列两种动力学方法来加鉴别 1.将不同量的酶加入含有等量底物和抑制剂的试管中,使各管的体积相等,测定酶促 反应的初速度,并用酶浓度[E对初速度V作图。当反应系统中不加抑制剂时,可得到一条 通过零点得直线(直线a)。当反应系统中有一定量的不可 逆抑制剂时,后者可抑制一定量的酶,只有当加入酶的摩尔 数超过抑制剂的摩尔数,即尚有剩余的酶分子时,才能表现 活力。而一旦具有活力后,其反应的初速度随酶量的增高程 度应和无抑制剂时一样,故[E]对V作图时得到一条原点向 右移而与直线a平行的直线b。当反应系统中含有一定量的 可逆性抑制剂时,因抑制剂的量是恒定的,对酶的抑制分数 也是恒定的,因此可得一通过零点但斜率较低的直线C。 2.一定量的抑制剂先与一定量的酶保温一定时间后 取出不同量的混合液加至等量的底物中,各管的体积也保持 围s-2不可抛制与可进律制的鉴 无制b,有不可制阳有可制
华东理工大学 《酶工程》讲义 8 子催化效力的减少，不涉及酶分子合成的问题。 二、抑制程度的表示 一般用反应速度的变化来表示。若以不加抑制剂时的反应速度为 Vo，加入抑制剂后的 反应速度为 Vi，则酶的抑制程度有下列几种表示方法： ⒈ 相对活力分数（残余活力分数）a=Vi/Vo ⒉ 相对活力百分数（残余活力百分数） a%==Vi/Vo*100% ⒊ 抑制分数，指被抑制而失去活力的分数 i=1-a=1-Vi/Vo ⒋ 抑制百分数 i%=(1-a)*100%==(1-Vi/Vo)*100% 通常所谓抑制率是指抑制分数或抑制百分数。 三、抑制作用的分类 不可逆抑制作用（非专一性不可逆抑制作用；专一性不可逆抑制作用） 可逆抑制作用（竞争性抑制作用，非竞争性抑制作用，反竞争性抑制作用，混合型抑制） 四、抑制作用的定义 ⒈ 不可逆抑制作用 抑制剂与酶的必需基团以共价键结合而引起酶活性丧失，不能用透析，超滤或凝胶过滤 等物理方法去除抑制剂而使酶复活者，称为不可逆抑制作用。由于被抑制的酶分子受到不同 程度的修饰，故不可逆抑制也就是酶的修饰抑制。 ⒉ 可逆抑制作用： 抑制剂与酶以非共价键结合而引起酶活性的降低或丧失，能用物理的方法除去抑制剂而 使酶复活者称为可逆抑制作用。这种抑制剂又可通过两种不同的方式与酶结合而抑制酶的活 性。 ⑴ 抑制剂与酶的活性中心相结合，阻断酶分子的结合基团或催化基团，或与酶-底物中 间复合体结合，从而阻止底物形成产物。这类抑制剂在酶分子上的结合部位基本上和底物相 同或相近，故称为同位抑制剂，这种抑制作用也就叫做同位抑制作用。 ⑵ 抑制剂和酶分子活性中心以外的部位相结合，通过酶分子空间构象的改变，从而影 响底物与酶的结合与酶的结合或酶的催化效率。由于抑制剂与酶的结合部位不同于底物的结 合部位，故这种抑制剂称为别位抑制剂。为了表示其可引起酶的变构，也可译作别构抑制剂。 这类抑制作用也就叫作别构抑制作用。可引起别构作用的酶称位别构酶，别构酶大多是有一 个亚基的寡聚体酶，将在下章予以详细介绍。而本章主要介绍同位抑制作用。 五、可逆抑制和不可逆抑制作用的鉴别 除了根据上述透析，过滤等物理方法视其能否去除抑制剂来区别不可逆抑制和可逆抑制 作用外，还可以利用下列两种动力学方法来加鉴别。 ⒈ 将不同量的酶加入含有等量底物和抑制剂的试管中，使各管的体积相等，测定酶促 反应的初速度，并用酶浓度[E]对初速度 V 作图。当反应系统中不加抑制剂时，可得到一条 通过零点得直线（直线 a）。当反应系统中有一定量的不可 逆抑制剂时，后者可抑制一定量的酶，只有当加入酶的摩尔 数超过抑制剂的摩尔数，即尚有剩余的酶分子时，才能表现 活力。而一旦具有活力后，其反应的初速度随酶量的增高程 度应和无抑制剂时一样，故[E]对 V 作图时得到一条原点向 右移而与直线 a 平行的直线 b。当反应系统中含有一定量的 可逆性抑制剂时，因抑制剂的量是恒定的，对酶的抑制分数 也是恒定的，因此可得一通过零点但斜率较低的直线 C。 ⒉ 一定量的抑制剂先与一定量的酶保温一定时间后， 取出不同量的混合液加至等量的底物中，各管的体积也保持
华东理工大学 《酶工程》讲义 相等,测定反应的初速度,也用酶浓度[E]对反应初速度V作图(图)。如果保温混合物中不 加抑制剂,也得到一条通过零点的直线a。而当保温混合物中含有不可逆抑制剂时,后者使 一定比例的酶受抑制,相当于减少混合物中酶的浓度,即使测活的各管中加入混合物的量不 等,但其中有活性和无活性酶的比例相同,且因抑制剂不可逆,已灭活的酶不会因抑制剂的 稀释而复活,故其抑制分数不变,[E]对V的作图仍为一直线,唯其斜率较低(直线b) 但当保温混合物中含有可逆抑制剂时,抑制剂和酶在测活系统中受到同样程度的稀释,加入 混合物的体积逾大,稀释的倍数逾小,则抑制剂的浓度逾大,抑制程度也逾大,故可得到 条下弯的曲线C 第六节可逆抑制作用 竞争性抑制作用 和底物S对游离酶E的结合有竞争作用,互相排斥。已结E+S→B,g+P 1.含义:较常见而重要的可逆性抑制,指抑制剂I 合S的ES复合体不能再结合I,已结合I的EI复合体也/=Er 不能再结合S,故不可能存在IES三联复合体。可用右上的反应式表示: 当反应体系中加入I时,可破坏E和ES的平衡,使ES→E→EI,此时再增加S的浓度 又可逆转而使EI→E→ES,故再酶量恒定的条件下,反应速度与[S]和[的比值有关 2.竞争性抑制的机理 竞争性抑制剂之所以能和底物竞争与酶结合并与底物互相排斥,常常由于抑制剂与底物 在结构上有类似之处。当它与酶结合时,很可能结合在底物所结合的位点(如结合基团)上, 从而阻断了底物和酶的结合,降低酶和底物的亲和力,即Ks增大。同样,底物和酶结合后, 也可阻碍抑制剂与酶蛋白上相同的基团结合。这就是抑制剂和底物互相竞争的原因。例如丙 二酸和琥珀酸竞争而抑制琥珀酸脱氢酶,赖氨酸和精氨酸酶,都是由于抑制剂与底物结构相 似的缘故。 3.举例 某些药物或体内代谢物对酶的竞争性抑制作用 药物(抑制剂) 被抑制的酶 竞争底物 临床应用及机理 磺胺药 二氢叶酸合成酶(细菌) 苯甲酸 抗菌作用 (抑制四氢叶酸) 氨基蝶呤 二氢叶酸还原酶 二氢叶酸 抗白血病 5-氟尿嘧啶 尿嘧啶核苷磷酸化酶 尿嘧啶 抗癌作用 (5-FU) (胸腺嘧啶核苷磷酸化酶)(胸腺嘧啶) (抑制核苷酸合成) 抗通风 别嘌呤醇 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤,次黄嘌呤 (抑制尿酸生成) 6-氨基已酸 纤溶酶 赖氨酸-氨基酰 (抑制纤溶酶) 苯丙胺(麻黄素) 肾上腺素 单胺氧化酶 中枢兴奋,抗哮喘 (去甲肾上腺素) 4.过渡态的类似物作为竞争性的抑制剂 所谓过渡态底物是指底物和酶结合成中间复合体后被活化的过渡形式,一般用S*表示, 由于其能障小,和酶结合就紧密得多。如抑制剂的化学结构能类似过渡态底物,则其对酶的 亲和力就会远大于底物,从而引起酶的强烈抑制。过渡态底物的类似物,它们大多数是竞争 性抑制剂,对相应酶的Ki要比底物的Km小2-5个数量级,故其抑制效率比基态底物类似物 高得多
华东理工大学 《酶工程》讲义 9 相等，测定反应的初速度，也用酶浓度[E]对反应初速度 V 作图（图）。如果保温混合物中不 加抑制剂，也得到一条通过零点的直线 a。而当保温混合物中含有不可逆抑制剂时，后者使 一定比例的酶受抑制，相当于减少混合物中酶的浓度，即使测活的各管中加入混合物的量不 等，但其中有活性和无活性酶的比例相同，且因抑制剂不可逆，已灭活的酶不会因抑制剂的 稀释而复活，故其抑制分数不变，[E] 对 V 的作图仍为一直线，唯其斜率较低（直线 b）。 但当保温混合物中含有可逆抑制剂时，抑制剂和酶在测活系统中受到同样程度的稀释，加入 混合物的体积逾大，稀释的倍数逾小，则抑制剂的浓度逾大，抑制程度也逾大，故可得到一 条下弯的曲线 C。 第六节 可逆抑制作用 一、竞争性抑制作用 ⒈ 含义：较常见而重要的可逆性抑制，指抑制剂 I 和底物 S 对游离酶 E 的结合有竞争作用，互相排斥。已结 合 S 的 ES 复合体不能再结合 I，已结合 I 的 EI 复合体也 不能再结合 S，故不可能存在 IES 三联复合体。可用右上的反应式表示： 当反应体系中加入 I 时，可破坏 E 和 ES 的平衡，使 ES→E→EI，此时再增加 S 的浓度， 又可逆转而使 EI→E→ES，故再酶量恒定的条件下，反应速度与[S]和[I]的比值有关。 ⒉ 竞争性抑制的机理 竞争性抑制剂之所以能和底物竞争与酶结合并与底物互相排斥，常常由于抑制剂与底物 在结构上有类似之处。当它与酶结合时，很可能结合在底物所结合的位点（如结合基团）上， 从而阻断了底物和酶的结合，降低酶和底物的亲和力，即 Ks 增大。同样，底物和酶结合后， 也可阻碍抑制剂与酶蛋白上相同的基团结合。这就是抑制剂和底物互相竞争的原因。例如丙 二酸和琥珀酸竞争而抑制琥珀酸脱氢酶，赖氨酸和精氨酸酶，都是由于抑制剂与底物结构相 似的缘故。 ⒊ 举例 某些药物或体内代谢物对酶的竞争性抑制作用: 药物（抑制剂） 被抑制的酶 竞争底物 临床应用及机理 抗菌作用 磺胺药 二氢叶酸合成酶（细菌） 苯甲酸 （抑制四氢叶酸） 氨基蝶呤 二氢叶酸还原酶 二氢叶酸 抗白血病 5-氟尿嘧啶 尿嘧啶核苷磷酸化酶 尿嘧啶 抗癌作用 （5-FU） （胸腺嘧啶核苷磷酸化酶） （胸腺嘧啶） （抑制核苷酸合成） 抗通风 别嘌呤醇 黄嘌呤氧化酶 黄嘌呤，次黄嘌呤 （抑制尿酸生成） 止血，抗纤溶 6-氨基已酸 纤溶酶 -赖氨酸-氨基酰 （抑制纤溶酶） 肾上腺素 苯丙胺（麻黄素） 单胺氧化酶 （去甲肾上腺素） 中枢兴奋，抗哮喘 ⒋ 过渡态的类似物作为竞争性的抑制剂 所谓过渡态底物是指底物和酶结合成中间复合体后被活化的过渡形式，一般用 S*表示， 由于其能障小，和酶结合就紧密得多。如抑制剂的化学结构能类似过渡态底物，则其对酶的 亲和力就会远大于底物，从而引起酶的强烈抑制。过渡态底物的类似物，它们大多数是竞争 性抑制剂，对相应酶的 Ki 要比底物的 Km 小 2-5 个数量级，故其抑制效率比基态底物类似物 高得多
华东理工大学 《酶工程》讲义 二、反竞争性抑制 ES中间复合物结合成EIs,但EIS不能释出产物。S和E+sEES→E+P 1.概念:这类抑制剂Ⅰ不和游离酶结合,只能和 E的结合不但不排斥I,反而促进了I和E的结合,可 EIS 表示如右: 2.举例:单底物酶的反竞争性抑制作用非常罕见,如芳香基硫酸基的肼解。氰化物抑 制芳香硫酸酯酶的作用也属于反竞争性抑制。而多底物 中反竞争抑制现象非常重要,,如双底物乒乓机制中 任何一个底物的竞争性抑制剂也是另一底物的反竞争 性抑制剂。 次雪母 别嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的竞争性抑制剂,可抑制 次黄嘌呤转变成黄嘌呤及尿酸。但别嘌呤也是黄嘌呤氧 化酶的底物,可受此酶催化而变成氧嘌呤醇又称别黄嘌 呤,后者是黄嘌呤氧化酶的非竞争性抑制剂。这是别嘌 (制吧 呤醇用于治疗痛风症(血中尿酸过多,沉积于软骨、肌日对青的前制作月 腱等组织而引起关节炎的一种疾病)的原理 三、混合型抑制 1.含义:基本上和非竞争性抑制剂相似,S或I和E的结合 互不相关,ES可再接I,IE也可再接S,但Ks不等于K′s,Ki·,k1 IILN 也不等于K 2.反应速度公式及作图 1/v=Km/Vm(1+[I]/Ki)*1/[S]+1/Vm(1+[1/Ki)如左图 3.动力学特点 (1)当有I存在时,V 减小,Km可大可小,在V 和Km均减小的情况下,Vm 的减小甚于Km的减小,故 5(· Km/Vm增大。 (2)Km和Vm的改变程 度均与[I]成正比 (3)抑制分数与[成正比,与[S]成正比 (KiK′i)或反比(Ki<K′i) 四、其他可逆抑制 亡 1.部分抑制:以上讨论的都是形成死端络合 物的抑制,而这些复合物不会释放产物。假如混 合型抑制中ESI复合物也能释放产物即为部分抑 围11合性制动力学图 4“,世“:(41(43,L (为为学年建学性09),(4为学与也学作 2.底物抑制:高浓度的底物会抑制自身转化为产物 如琥珀酸脱氢酶,该反应需要底物的两个羧基同时与酶分子结合: 当底物浓度很高时,可能会产生以下情形: 所以反应不能发生,除非有一个分子解离, cut.t-D.C+CH,CH:cO 反应才能进行,底物抑制特征 0CCH“CH2CO 3产物抑制:产物对酶反应的抑制作用在 物体中较为常见,在细胞内,酶反应的产物虽然不断被另外的酶作用,但S和P总是同时存
华东理工大学 《酶工程》讲义 10 二、反竞争性抑制 ⒈ 概念：这类抑制剂 I 不和游离酶结合，只能和 ES 中间复合物结合成 EIS，但 EIS 不能释出产物。S 和 E 的结合不但不排斥 I，反而促进了 I 和 E 的结合，可 表示如右： ⒉ 举例：单底物酶的反竞争性抑制作用非常罕见，如芳香基硫酸基的肼解。氰化物抑 制芳香硫酸酯酶的作用也属于反竞争性抑制。而多底物 中反竞争抑制现象非常重要，，如双底物乒乓机制中， 任何一个底物的竞争性抑制剂也是另一底物的反竞争 性抑制剂。 别嘌呤醇是黄嘌呤氧化酶的竞争性抑制剂，可抑制 次黄嘌呤转变成黄嘌呤及尿酸。但别嘌呤也是黄嘌呤氧 化酶的底物，可受此酶催化而变成氧嘌呤醇又称别黄嘌 呤，后者是黄嘌呤氧化酶的非竞争性抑制剂。这是别嘌 呤醇用于治疗痛风症（血中尿酸过多，沉积于软骨、肌 腱等组织而引起关节炎的一种疾病）的原理。 三、混合型抑制 ⒈ 含义：基本上和非竞争性抑制剂相似，S 或 I 和 E 的结合 互不相关，ES 可再接 I，IE 也可再接 S，但 Ks 不等于 K′s，Ki 也不等于 K′i. ⒉ 反应速度公式及作图 1/v=Km/Vm（1+[I]/Ki）*1/[S]+1/Vm（1+[I]/ Ki） 如左图 ⒊ 动力学特点 ⑴ 当有 I 存在时，Vm 减小，Km 可大可小，在 Vm 和 Km 均减小的情况下，Vm 的减小甚于 Km 的减小，故 Km/Vm 增大。 ⑵ Km 和 Vm 的改变程 度均与[I]成正比。 ⑶ 抑制分数与[I]成正比，与[S]成正比 （Ki>K′i）或反比（Ki<K′i） 四、其他可逆抑制 ⒈ 部分抑制：以上讨论的都是形成死端络合 物的抑制，而这些复合物不会释放产物。假如混 合型抑制中 ESI 复合物也能释放产物即为部分抑 制。 ⒉ 底物抑制：高浓度的底物会抑制自身转化为产物。 如琥珀酸脱氢酶，该反应需要底物的两个羧基同时与酶分子结合： 当底物浓度很高时，可能会产生以下情形： 所以反应不能发生，除非有一个分子解离， 反应才能进行，底物抑制特征： ⒊ 产物抑制：产物对酶反应的抑制作用在 生 物体中较为常见，在细胞内，酶反应的产物虽然不断被另外的酶作用，但 S 和 P 总是同时存