生物催化有机合成反应

1、第六章生物催化有机合成反应6.1生物酶催化反应一、现状与发展：酶于20世纪20年代由 Warburg发现，由于发现了酶， Warburg 于1931年获得Nobel生理医学奖。酶在生物体内起着重要的催化作用，酶的催化作用和能力远远超 过传统化学催化剂，这是人们近年得到公认的。近几年，酶和酶催化作用已经成为人们非常重视和重点研究的领 域。酶的结构、酶的催化活性、酶的催化机理、酶的结构与催化功能 的关系研究，已经成为21世纪催化研究的热点和前沿领域，相信， 也必将有很大突破。随着酶研究的深入，模拟酶催化研究以及酶催化技术及其应用方面，也将产生巨大突破。生产实例：酒曲造酒 -今后，发现新酶、深入研究

2、酶结构，仍将成为重点工作。天然酶 的结构测定，催化活性与机理的研究，亦会是21世纪催化研究的前沿领域。二、酶催化反应的特点：(1)催化活性极高。酶催化剂的催化效率比无机催化剂高110亿倍。(酶对化学反应的加速可达100亿倍，-)(2)催化作用高度专一，有严格的选择性。可达 100%勺专一性。对 底物的立体异构物具有高度选择性。(如：对旋光异构、顺反异构等都具有高度选择性）（3）催化反应条件非常温和，操作安全，环境卫生。（4）涉及的领域广泛。eg：氨基酸合成，抗生素的合成，有机酸合成，酿酒，食品，环保，医药.等均可采用酶催化技术。三、酶的构成及其作用原理（1）酶的定义：酶是具有催化作用的高分子蛋

3、白质，为高分子 化合物。20世纪后期，T.R.Cech等发现了 RNA勺酶活性，研究中发现rRNA 可以自身剪接加工，并分离出一段具有催化活性的内含子（IVS）,它 具有转磷酸、转核甘酸和催化水解等多种功能，从而打开了酶性核酸 研究新领域。酶的新定义：大多数酶是具有催化作用的高分子蛋白质， 为高分 子化合物。（2）酶的构成：酶分子由三部分构成，即：结合中心、催化中 心（两者结合又称为活性中心）及分子母体。（3）酶分子催化作用过程（机理）：酶分子通过结合中心与底物 发生结合生成活化络合物，然后通过催化中心发生催化反应。各部分的作用如下：酶由活性中心和分子母体组成，其中：活性中心：（1）结合中心：

4、决定酶的专一性。（定向、定位）（2）催化中心：决定酶的催化活性。分子母体：维持（或提供）酶蛋白体的空间构型。四、酶催化反应的影响因素:因为大多数酶是蛋白质，因此，易于引起蛋白质变性的因素均会 对酶催化作用产生影响。主要因素有：温度、酸碱度、抑制剂、激活 剂等。(1)温度影响：大多酶是蛋白质，对温度高度敏感。不同酶适合的 温度不同。一般酶催化最适合的温度约在 2060 C之间。(2)体系PH值影响：酶是极性物质，对体系 PH值敏感。通常酶均 有其最大活性的PH范围，酶的种类不同，其适合的 PH值范围 不同。(3)抑制剂和激活剂的影响：酶抑制剂和激活剂是目前和未来生物、医药领域长期研究的热点。人及

5、动物体内所有的化学反应几乎都是酶催化反应。各种疾病的产生和发展与酶密切相关，人及动物的衰老问题亦与酶催化密切相 关，酶抑制剂研究也已经成为近年医药生物领域的研究热点和学科前 沿。实例：(1)胆固醇是肝脏中HMGCOA作用的产物，-HMGCoA酶抑 制剂。(2)高血压与血管紧张素转化酶(ACE有关，-ACE抑制 剂。例如：治疗心血管药物 Enalapril (依拉普利，美国)，Benazepril (苯那普利，瑞士)(3)癌细胞中存在还原酶，如：DT-黄递酶等，-生物还原药物。例如：生物还原药物AQ4N酶抑制剂：能使酶的催化能力减弱、抑制或者破坏的物质。常见的抑制剂有：A。、Hg+、Cd+、硫化

6、物、生物碱等。酶激活剂：能使酶的催化作用加强、活力提高的物质。常用的激活齐Ij:K、Na、McjCeT、Zn+、Mri+、Fe+、Cl-、NO、SO=等(4)其他引起蛋白质变性的因素：例如：热处理、X射线、紫外线照射、超声波、振荡、强酸、 强碱等。五、酶催化反应实例：(1)抗癌新药：口、 JOTESPh制备中关键中间体合成：OMa一产厂肥牛肝(酹1HN-I,N-CH 1 A选择性水解OLAcO OAc(2)爸体化合物的反应：采用酶催化反应，可使爸体骨架上一定部 位发生许多有价值的转换反应，如羟基化、脱氢、侧链降解等。例如：11-%羟基化T根tu国R. Nigricans 11-(1羟基化11匕

7、羟基孕酮梨头常茵gh2ch co可的松A.Orchidis 11千建基化六、酶催化存在的问题和局限性:(1)酶是一种蛋白质，对酸、碱、热、有机溶剂，水等均不稳定。(稳定性差，易失去活性)(2)酶与底物作用一般只作用一次，因此不经济有机物。(3)工业酶制剂大多纯度较低，反应液中易带入各种杂蛋白和有色物，造成产物分离困难，产品收率低。(4)反应体积大，处理困难。上述问题，造成酶催化应用受到限制，需要研究解决6.2固相酶技术: 一、概况：固相酶概念：固相酶又称水不溶性酶，它是将水溶剂酶或含酶细 胞固定在某种载体上，成为不溶于水，但仍具有酶活性的酶的衍生物。固相酶的特点：(1)具有酶的高度专一性和温和

8、条件下高效催化的特点。(2)具有离子交换树脂的优点：有一定机械强度，可用搅拌或装柱形式作用于底物溶液，生产可连续化、自动化。(3)不带入杂质酶，产物容易分离精制，产品收率高。(4)固相酶可以反复多次使用，也可较长时间贮存。二、固相酶制备：酶催化依赖于它的结构和活性中心 (结合中心+催化中心)，制备 固相酶的关键是不使酶结构及活性中心发生变化。因此，制备过程中应避免导致酶蛋白高级结构破坏的任何操作(如：高温、高压、强酸、强碱等)。酶的固相化方法主要有四类：(1)吸附法：将酶吸附在惰性固体载体上。常用载体：活性炭、氧化铝、酸性白土、多孔玻璃、硅胶、离子交换树脂、CM千维素、DEAE千维素、DEAE

9、葡聚糖凝胶等。该法优缺点：操作简单、反应温和，载体可反复使用，但结合不牢、酶易脱落。(2)载体偶联法：将酶的非必需的氨基酸残基以化学共价键连接于经化学活化的载体上。常用载体：纤维素、玻璃、合成高聚物（eg：甲基苯烯酸共聚物, 乙烯共聚物，聚苯乙烯等）优缺点：结合牢固，但固相化操作较复杂，反应条件不易控制。常用制备方法：根据采用的反应不同，分为：重氮法、肽法、载 体交联法、烷化法等。重氮化法：将水不溶载体的氨基，用亚钠重氮化制成重氮基后，与蛋白质（酶）中的活性基发生偶联反应。r-nh2NaNO2HCIR-HN* 1- R-N=N-E（3）交联法：通过双功能基团试剂使酶蛋白间发生交联，形成网状结

10、构而成为水不溶性酶。常用交联试剂：戊二醛作用方式：与酶中游离氨基反应而交联。OHC(CH2)3-CHO + NH； -号一N二C-C C C C=N-E- TOC o 1-5 h z ENMCHCHCH2ch2ch2ch2ch2CHNNAFE-（4）包埋法（或微胶囊法）：将酶包埋在包埋剂中做成微囊。常用的包埋剂：聚丙烯酰胺凝胶、淀粉凝胶、硅橡胶、尼龙胶、 火棉胶等。包埋后的固相酶可以根据需要作成柱状、 膜状、管状、纤维状等。三、固相酶的应用：目前由于固定化酶技术的发展，使酶法合成在实际应用中取得巨 大效益。不少氨基酸、抗生素、有机酸、酒精等重要化工、医药产品 都可以用固定化酶技术生产。固定化酶技术在环保等方面的研究也已 取得重要进展。酶学研究及其催化功能的实际应用在21世纪会有重 大突破和广泛应用。(1)半合成抗菌素的生产青霉素钾盐的水解：固定酶制备：将大肠杆菌的菌体细胞用聚丙烯酰胺包埋，再用戊 二醛处理使之凝聚，进而加工成粒状、装柱。水解反应:固化