生物催化技术

1、生物催化技术人员分工:1贽料收集:2. 贽料整理:3. ppt制作：4演讲者：相对于一般催化剂而言，生物催化剂是天然来源的催化剂，他通常以完整细胞、游离酶或细胞壁的形式使用，并且已经有上百年的历史。自20世纪80年代以来，伴随着生物技术的巨大进步及化学工业所面临的新问题，人们认识到这种天然催化剂用于非天然有机化合物转化的巨大潜力，因而，作为一个新兴领域受到广泛重视。生物催化被认为是催化技术发展的趋势，一段时间以来掀起了淘金热搬得吹捧，预示着不可估量的发展前景。生物催化的定义生物催化（biocatalysis）是利用生物催化剂（主要是酶或微生物）来改变（通常是加快）化学反应速度的作用。生物催化的

2、产生与发展酵母发酵的产物，是细胞内酶作用的结果饴糖的制作酒的酝酿豆类做酱远古时代在霉菌蛋白酶作用下，豆类蛋白质水解得豆酱和豆鼓，压榨后制得酱油用麦曲含有的淀粉酶将淀粉降解为麦芽糖生物催化的产生与发展1857年巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。1897年毕希纳兄弟证明不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。1926年萨姆纳首次从刀豆中提出腺酶结晶。1930年美国诺斯罗普等人得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，证明了酶是蛋白质。1989年美国托马斯切赫和西德尼奥尔特曼发现某些RNA也有催化活性，两人共获得诺贝尔化学奖。71生物催化剂的类别目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，多

3、数来自于微生物细胞。除真核生物和单细胞酵母外，原核微生物是生物催化剂的主要来源。1蛋白质类：天然酶;生物工程酶生物催化剂Biocatalyst2核酸类：核酶;脱氧核酶3模拟生物催化剂Enzyme（酶）是一类由活细胞产生的，对其特有底物具有高效催化作用的蛋白质。生物催化剂的类别与作用方式项目含分离纯化酶生长细胞细胞萃取液类别休止细胞纯酶制剂冻干细胞处理活修饰处理或修饰细胞游离细胞方式微胶曩、微乳状液多酶系统游离状态微胶囊、微乳状液固定化细胞固定化酶“川宀水溶液、含有机溶液的水溶液、水有机溶水溶液、含有机溶液的水催年反应剂的双相依系、有机溶液溶液、水有机溶剂的双相相体系、水微溶的有机溶液生物催化酶

4、的类别水解酶氧化还原酶翳酶异构酶裂合酶合成酶水解酶hydrolase水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应:R-COOCH2CH3比°ARCOOH+CH3CH2OH氧化还原酶Oxidoreductase氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。CH3CHCOOH+NAD+OHACH3CCOOH+NADH+H+O转秒砾Transferase转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另

5、一个底物的分子上。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。CH3CHCOOH+HOOCCH2CH2CCOOHI一IInh20CH3CCOOH+HOOCCH9CH2CHCOOHII1Ionh2异构酶Isomerase异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。裂合酶Lyase裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸裂合酶催化的反应。合成酶LigaseorSynthetase合成酶，又称为连接酶，能够催化c-C、C-0、C-N以及C-S键的形成反应。这类反应必须与A

6、TP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=KB+ADP+Pi例如，丙酮酸竣化酶催化的反应。丙酮酸+C02草酰乙酸72酶的作用特征(1)酶对环境条件的敏感性：酶易失活，要求的反'条件温和，对环境条件敏感。N2+6H+6e固氮酶常温.常压»2NH3FeN2+3H22NH500°C5300大气压酶的作用特征（2）酶催化的高效性：酶具有极高的催化效率。相同条件下，以分子比表示：酶（V）高于无酶（V）IO*HP。倍酶（V）高于普通催化剂（V）10710】3倍（3）酶作用的高度专一性酶的专一性（特异性）一指酶对所催化的底物有严格的选择性，对所催化的反应类型有严格的规定性

7、,一种酶在一定条件下只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型反应的特性。酶专一性类型结构r专一性酶专一性类型立体异构*专一性绝对专一性1r基团相对J1专一性（族专一性）专一性11键专一性几何异构专一性光学异构专一性生物催化剂和化学催化剂的比较项目生物催化剂分子催化剂催化底物多是大分子复杂底物较简单的、纯的化合物反应模式多种催化剂同时作用催化多种反应单-催化剂催化单-化学反应反应条件比较温和原料生物基质、化工资源以化石资源为主转化效率常温下高效、高转化率、可立构专-在高温加压下也可高效转化，转化效率相对较低对环境的辦环境友好、可持续发展可对环境造成污霖也可环境友好7.3酶的命名（J、习惯命名

8、冻（二丿、糸统命名冻（三丿、糸统分类命名由(_)、习惯命名法惯用名常依据酶所作用的底物和反应类型令名。原则：(V根推作用底炀：如淀粉酶、叢糖酶.蛋勺酶等。(2丿根据反应性质：如水鮮酶、脱氢酶、转氨酶等。(3丿二者结合：如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。胃蚩勺酶、(4)再加上酶的来源、特性：如木瓜蛋匂酶、确酸酯酶、喊性确酸酯酶等。（二）、系统命名法要求确切表朗底物的化学本质及酶的催化性质。原则如下：1酶的糸统令名有两部分构成：底物名称（底物1：底物2丿+反应名称如果底炀2为水，可略去不写例如：醇脱氢酶为醇：NAD+氧化还原酶L乳酸：NAD+氧化还原酶。(三)、系统分类命名毎一种酶都有一个糸统命名分类编

9、号，EC+四个数字。例如：乳酸脱氢酶序号帆一还龄类氓化基因氢受体顺序号27-CHOHNAD*乳酸脱氢酶EC(1.1.L27)/国际酹学委员会7.4酶的功能与反应动力学7.4.1H的功能扌既念：酶的功能主要是由酶的涪性中心和辅酶因子构成的。酶的话性中心：酶蛋勺中与催化扌目关的特之区域（通常在酶分子的表面，具有特走的空间结构丿必需基团：酶活性中心中特之的起催化作用的化学基团辅酶因子：通帝是酶维持空间结构和活性中心的必须基团II催化的作用专一14机制锁钥学说2诱导契合学说A3“三点结合"催化理爲锁钥学说(Lockandkeytheory): EmilFisher(1890)提出：将酶的活性

10、中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物的活性中心。 1902年，EmilFisher成为第一位生物化学领域的诺贝尔获得者诱导契合学说(Inducedfithypothesis)Koshland(1958)提出：酶的活性中心在结构上具柔性，当底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，使酶活性中心有关的基团正确排列和定向，使酶与底物契合而结合成中间产物，引起催化反应进行。“三点结合”催化理论认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结合情况下，不对称催化作用才能实现。酶催化的作用专一性机制中间产物学说：1913年生杨化学家Michaelic和Menten提出：酶降低活化能的虑因是酶参加了反应，

11、即酶分子与底炀分子先结合形成不稔定的中i可尹物（中间结合炀丿,这个中间产炀不仅彖易生成，而且容易分解出产物，猝敖出原来的酶，这样就把原来活化能较离的一步反应变成了活化能较低的两步反应O7/E*E：WES；中间产物乩底物P：产物ES742H催化反应动力学概念：酶催化反应动力学主要研克反应速率及其影响因素。酶催化与非酶催化相同，受温度、介质pH值、反应賜1底賜丿浓度、酶用量以及抑制利等因素的影响米氏方程（米-曼方程）1913年，Michaelis和Menten对中间产物学说提出四点假设，建立了酶催化反应的动力学方程一米氏方程（MM方程）。四点假设：1、反应中，酶的浓度保持恒定；2、酶的浓度远小于底

12、物的浓度；彳、产物的浓度很低，可以忽略其对反应的影响；q4、生成产物的速度要慢于底物与酶予复合物的可逆反应速度,是整个反应速度的决定回可逆反应在反应一开始就快速达到平衡，“快速平衡学说”+CECS-CESV反应速度乂“一最大反应速度VP=c$底j物农度Ce酶浓度CES酶:农度瓦一米氏常数VP,maxC£+CV为解离常数(moi/L)7.5影响酶催化反应的因素温度温度和pH对酶的活性有显著的影响，使反应速度达到最丸反应值对的温度称为禁种酶作用的最迨温度。大多数动物酶的最迨温度为37°C-40°C,植炀酶的最迨温度为50°C-60°Co温度对酶的反

13、应主要体现在两方面：一是升温加速酶催化反应,降温反应速率减慢；二是温度加速蛋匂质变性。pH环境过酸、过碱会影响酶蛋匂构象，使酶本身变性失活。pH影响酶分子側链上极性基团的解富，改变它们的带电状态,从而使酶活性中心的结构发生变化。在最迨pH肘，酶分子上活性中心上的有关基团的鮮寫状态最迨于与底物结合，pH當于或低于最迨pH肘，涪性中心上的有关基团的解寫状态发生改变，酶和底物的结合力降低,ApH能影响底物分子的鮮寓。可以设想底物分子上禁些基团只有在一文的鮮寫状态下，才迨于与酶结合发生反应。若pH的改变影响了这些基团的鮮寫，使之不迨于与酶结合，当然反应速度亦会减慢。激活剂对酶促反应速度的影响凡是能提壽

14、酶活性的炀质，都称激活剂，其中大部分是离子或简单的疽机化合杨。激活剂种类很多，甫无机阳需子，如钠离子、钾雷子.铜畜子.钙离子等；无机阴禽子，如氯禽子、渙雷子.碘禽手、硫酸盐需子确鹼盘需子等；有机花合炀，如维生素C、半胚氨酸、还原性谷胱甘肽等。许多酶只甫当禁一种适当的激活剂存蛊对，才表现出催化活性或强化其催化活性，这称为对酶的激活作用。而韦些酶彼合成后呈现无活性状态，这种酶称为酶原。它必须经过迨多的激活剂激活后才具活底。抑制剂对酶促反应速度的影响能减弱、抑制芯至玻坏酶活性的杨质称为酶的抑制剂。它可降低酶促反应速度。酶的抑制剂有重全属需子.一氧化破、炀.碘化力鹼、生物覇.染料.对-氣汞笨甲破、硫化

15、氢.氢氟酸、二异丙基氟曉酸.氟化乙二胺田乙酸、表面活性剂等O对酶促反应的抑制可分为克争性抑制和非克争性抑制。与底杨结构类似的扬质争丸与酶的活性中心结合,从而降低酶促及应速度，这种作用称为克争性抑制。克争性抑制是可送性抑制，通过增加底物浓度最终可解除抑制，咬复酶的活性。与底炀结构美似的物质称为克争性抑制対。抑制刹与酶活性中心以外的住A结合后，底杨彳乃可与酶活性中心结合，但酶不显示活性，这种作用称为非克争性抑制。非克争性抑制是不可送的,增加底扬浓度并不能解除对酶活性的抑制。与酶活性中心以外的住点结合的抑制剂，称为非克争薩抑制剂。有的扬质既可作为一种酶的抑制剂，又可作为另一种酶的激活剂。7.6生物催

16、化的应用生物催化技术的应用方面催化剂的应用生杨傕化过程技术的应用生物催化的主要应用方向医药农药食品添加剂有机酸饲料添加剂化工轻工日化工业应用卖例除氧保鮮葡萄糖氧化酶可以去除果汁、饮料、維头制醃和果蔬干制品中的氧宅。防止产氧化雯质，抑制微生物生长，延长食保质期。用葡萄糖氧化酶除去脱水蔬菓的糖分可防止贮藏过程申发生褐雯。瓶裝桔汁贮藏时因氧化而使色香味变劣，采用葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶去氧即可保持果汁原甫的色香味。水果冷冻保藏肘，由于果卖自身的酶作用而发酵炙质，也可用葡萄糖氧化酶保鮮。【应用果胶酶】【应用果胶酶】【或坏果胶酶】【应用果胶酶】果胶酶的应用：1保持混迪果汁稳定性（番茄汁、番茄酱丿【玻坏果胶酶】2生产潦淸果汁3 提高果计榨汁率4 加工水果罐头5 防止果汁混浊糕点、饮料:用卩-淀粉酶强化面粉可防止糕点老化。糕点馅心常以淀粉为填料，添加卩-淀粉酶可以改善馅心风味。義籃制作使用转化酶可使蔗糖水解为转化糖，从而防止糖。*晦$宠瞋杂总鬃如蟻畫題$刪刪冬疼吉H0c>g制浆、老纸!原料的处理木质素酶提當纸J的质量木聚糖酶、半纤维素酶、木质过氧化炀素酶一一漂自纤维素酶再生纨处理蛋自酶可以去除血迹等污杨脂肪酶去油淀粉酶去粥，面条之类的污物纤维素酶可以去除织杨表面的微毛和绒球7.7发畏前景:由于生杨催化利具有催化效率富.专