化学生物学第三章生物催化课件

第三章生物催化Chapter3.Biocatalysis第四次课第三章生物催化Chapter3.BiocatalysiContents生物催化的概述1生物催化的作用机制2生物催化的应用3发展前景与展望4Contents生物催化的概述1生物催化的作用机制2生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。WHATISbiocatalysis?

什么是生物催化？生物催化的定义生物催化（biocatalysis）是利用生物催化的产生与发展远古时代酒的酝酿饴糖的制作豆类做酱酵母发酵的产物，是细胞内酶作用的结果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远古时代酒的酝酿饴糖的制作豆类做酱酵母发生物催化的产生与发展

1857年Pasteur提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。1897年Buchner兄弟证明不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。1926年

Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶。生物催化的产生与发展1857年Pasteur提出酒生物催化的产生与发展1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶。Sumner证明了酶是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop生物催化的产生与发展1930年Northro生物催化的产生与发展某些RNA有催化活性（

ribozyme，核酶）

ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USASidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA2人共同获1989年诺贝尔化学奖。生物催化的产生与发展某些RNA有催化活性（ri生物催化剂的来源

目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，多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。生物催化剂的来源目前，少数生物催化剂是从动物生物催化剂的分类克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶……生物催化剂Biocatalyst

蛋白质类：Enzyme(天然酶、生物工程酶)核酸类：Ribozyme;Deoxyribozyme模拟生物催化剂核酶脱氧核酶Enzyme(酶)－是一类由活细胞产生，对特有底物具有高效催化作用的蛋白质。生物催化剂的分类克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶……生物催化生物催化酶的类别生物催化酶水解酶氧化还原酶转移酶异构酶裂合酶合成酶单纯酶复合酶生物催化酶生物催化酶的类别生物催化酶水解酶氧化还原酶转移酶异构酶裂合酶水解酶hydrolase水解酶可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。如，脂肪酶(Lipase)催化的酯水解反应：水解酶hydrolase水解酶可催化底物的加水分解反应。氧化-还原酶可以催化氧化-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。氧化还原酶Oxidoreductase氧化-还原酶可以催化氧化-还原反应。氧化还原酶Oxidor转移酶可催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物分子上。

如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。转移酶Transferase转移酶可催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到异构酶可催化各种同分异构体的相互转化，即催化底物分子内基团或原子的重排过程。

如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。异构酶Isomerase异构酶可催化各种同分异构体的相互转化，即催化底物分子内基团或裂合酶可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。如，延胡索酸裂合酶催化的反应。裂合酶Lyase裂合酶可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合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。但这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2

草酰乙酸合成酶LigaseorSynthetase合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C酶的作用特点N2+6H++6e2NH3固氮酶常温、常压N2+3H22NH3Fe500℃,300大气压⑴对环境条件具有敏感性：酶易失活，要求的反应条件温和，对环境条件敏感。酶的作用特点N2+6H++6e2NH3固氮酶常温、常压N2+(2)催化作用具有高效性：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）108～1020

倍酶（V）高于普通催化剂（V）107

～1013

倍⑶催化作用具有高度专一性酶的专一性（特异性）—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，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。(2)催化作用具有高效性：酶具有极高的催化效率。⑶酶专一性类型

结构专一性立体异构专一性绝对专一性相对专一性几何异构专一性光学异构专一性基团专一性（族专一性）键专一性酶催化作用专一性类型：酶专一性结构立体异构绝对相对几何异构光学异构绝对专一性——指某些酶对底物有绝对严格的要求，即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应。

O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2ONH3+CO2

O=C脲酶结构专一性——酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和选择。O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2相对专一性——指酶能催化结构相似的一类底物进行反应。或要求有一定的化学键及键两端的原子基团；或仅要求一定的化学键。键专一性：酯酶对脂肪的水解作用

基团专一性：胰蛋白酶对肽链的作用Aa1－Aa2－Aa3－Aa4－Aa5－Aa6－Aa7－Aa8-Aa4=

Lys相对专一性——指酶能催化结构相似的一类底物进行反应。或要求有立体异构专一性——指酶对催化底物的立体结构有高度选择性。即一种酶只能作用于底物立体异构中的一种。几何异构专一性延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸立体异构专一性——指酶对催化底物的立体结构有高度选择性。即一酶作用专一性的机制2锁钥学说（Lockandkeytheory)：EmilFisher(1890)提出：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。酶作用专一性的机制2锁钥学说（Lockandkeyth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，引发催化反应。诱导契合学说（inducedfithypothesis）“三点结合”催化理论认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结合的情况下，不对称催化作用才能实现。“三点结合”催化理论认为酶与底物的结合处至少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生物催化的主要应用方向医药饲料添加剂生物催化的国内应用实例1.生物催化在医药领域的应用β-内酰胺类抗生素中间体：6-APA和7-ADCA（青霉素G酰化酶）该酶已实现产业化，已占国内70％以上的份额，并出口欧美；β-内酰胺类抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因酶）国内采用一菌双酶法，已经工业化规模生产。β-阻断剂药物中间体：(S)-布洛芬系列（环氧化合物水解酶）

其他药物合成前体

维生素B6的合成原料：L-丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶）目前以该酶为催化剂、使L-天冬氨酸脱羧制备的L-丙氨酸，成本（<2万元/吨）低于化学合成的DL-丙氨酸，并已形成了万吨的生产规模。生物催化的国内应用实例1.生物催化在医药领域的应用β-内酰胺2.生物催化在农药领域的应用

手性农药中间体：S-生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶）

S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245倍，不仅用量大大减少，而且残留极少，产品的质量好于国外同类产品，已形成2亿元的年产值，取得了很好的经济效益。3.生物催化在食品添加剂领域的应用

甜味剂原料：L－天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸转移酶）

L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制性原料，国内开发了以氨基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线，具有自主知识产权，已实现了产业化生产，工艺水平和经济技术指标均达到了国际先进水平。2.生物催化在农药领域的应用手性农药中间体：S-生物丙烯菊4.生物催化剂在有机酸领域的应用L-苹果酸（水合酶）

L-苹果酸目前稳定在年产500吨左右，是国际上的主要生产厂，其生产成本低于化学合成的DL-苹果酸；L-酒石酸（水解酶）

L（+）-酒石酸2000年年产近3000吨，是国际上唯一的应用酶工程技术生产该产品的国家。5.生物催化剂在饲料添加剂领域的应用

D-泛酸（D-泛酸内酯水解酶）以D-泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆分得到光学纯的D-泛解酸内酯，成功地用于D-泛酸钙及D-泛醇的生产，已进入产业化阶段。4.生物催化剂在有机酸领域的应用L-苹果酸（水合酶）5.生6.生物催化在化工领域的应用聚丙烯酰胺前体的制备：丙烯酰胺（腈水解酶）以人工筛选的腈水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转化为丙烯酰胺的生产中已获得了巨大成功，已形成了万吨的生产规模；高吸水性、可降解材料的制备：聚谷氨酸（转肽酶）通过具有高活性转肽酶的菌株筛选，可将廉价的L-谷氨酸转化为尼龙类高聚物，作为一种可完全降解的高分子材料，具有优良的吸水性（2000倍）;6.生物催化在化工领域的应用聚丙烯酰胺前体的制备：丙烯酰胺7.生物催化在轻工和日化工业的应用淀粉酶：水解淀粉和糖源类化合物的总称酶目前国内最大的酶制剂产业，用于葡萄糖制备和淀粉降解；葡萄糖异构酶：果葡糖浆生产国内已实现工业化生产，形成了较大的规模产业;

蛋白酶：水解肽键的酶，有酸性、中性和碱性蛋白酶用于皮革加工，纺织行业，洗涤行业;

脂肪酶：水解酯键的酶总称目前酶最大的用途在洗涤助剂上、但更多的来源于进口。7.生物催化在轻工和日化工业的应用淀粉酶：水解淀粉和糖源类化发展前景与展望23

生物催化剂具有催化效率高、专一性强和污染少等特点，生物催化已经和化学方法一样，被大量应用于药物的研究开发。但生物催化剂由于具有热稳定性差、易受pH影响、有机溶剂耐受性差等缺点，限制了生物催化剂的大规模工业化应用。不过随着新的生物技术，如定向进化等的出现，利用生物技术对生物催化剂进行改造优化已成为现实。相信在不久的将来，生物催化一定能在制药工业中发挥更大的作用，给人类的健康事业作出新的贡献。生物催化的广泛应用，将会给人们提供性能更佳的材料和能源。以可再生的生物原料为基础的生物生产过程，将逐步取代石化原料生产过程，必将成为21世纪化工生产的主体，从而实现绿色化工、绿色生产的目标。发展前景与展望23生物催化剂具有催化效率高、Thankyou!THEENDOFCHAP3!Thankyou!THEENDOFCHAP3!第三章生物催化Chapter3.Biocatalysis第四次课第三章生物催化Chapter3.BiocatalysiContents生物催化的概述1生物催化的作用机制2生物催化的应用3发展前景与展望4Contents生物催化的概述1生物催化的作用机制2生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。WHATISbiocatalysis?

什么是生物催化？生物催化的定义生物催化（biocatalysis）是利用生物催化的产生与发展远古时代酒的酝酿饴糖的制作豆类做酱酵母发酵的产物，是细胞内酶作用的结果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远古时代酒的酝酿饴糖的制作豆类做酱酵母发生物催化的产生与发展

1857年Pasteur提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。1897年Buchner兄弟证明不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。1926年

Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶。生物催化的产生与发展1857年Pasteur提出酒生物催化的产生与发展1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶。Sumner证明了酶是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop生物催化的产生与发展1930年Northro生物催化的产生与发展某些RNA有催化活性（

ribozyme，核酶）

ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USASidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA2人共同获1989年诺贝尔化学奖。生物催化的产生与发展某些RNA有催化活性（ri生物催化剂的来源

目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，多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。生物催化剂的来源目前，少数生物催化剂是从动物生物催化剂的分类克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶……生物催化剂Biocatalyst

蛋白质类：Enzyme(天然酶、生物工程酶)核酸类：Ribozyme;Deoxyribozyme模拟生物催化剂核酶脱氧核酶Enzyme(酶)－是一类由活细胞产生，对特有底物具有高效催化作用的蛋白质。生物催化剂的分类克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶……生物催化生物催化酶的类别生物催化酶水解酶氧化还原酶转移酶异构酶裂合酶合成酶单纯酶复合酶生物催化酶生物催化酶的类别生物催化酶水解酶氧化还原酶转移酶异构酶裂合酶水解酶hydrolase水解酶可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。如，脂肪酶(Lipase)催化的酯水解反应：水解酶hydrolase水解酶可催化底物的加水分解反应。氧化-还原酶可以催化氧化-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。氧化还原酶Oxidoreductase氧化-还原酶可以催化氧化-还原反应。氧化还原酶Oxidor转移酶可催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物分子上。

如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。转移酶Transferase转移酶可催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到异构酶可催化各种同分异构体的相互转化，即催化底物分子内基团或原子的重排过程。

如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。异构酶Isomerase异构酶可催化各种同分异构体的相互转化，即催化底物分子内基团或裂合酶可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。如，延胡索酸裂合酶催化的反应。裂合酶Lyase裂合酶可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合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C-S键的形成反应。但这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2

草酰乙酸合成酶LigaseorSynthetase合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N以及C酶的作用特点N2+6H++6e2NH3固氮酶常温、常压N2+3H22NH3Fe500℃,300大气压⑴对环境条件具有敏感性：酶易失活，要求的反应条件温和，对环境条件敏感。酶的作用特点N2+6H++6e2NH3固氮酶常温、常压N2+(2)催化作用具有高效性：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）108～1020

倍酶（V）高于普通催化剂（V）107

～1013

倍⑶催化作用具有高度专一性酶的专一性（特异性）—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，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。(2)催化作用具有高效性：酶具有极高的催化效率。⑶酶专一性类型

结构专一性立体异构专一性绝对专一性相对专一性几何异构专一性光学异构专一性基团专一性（族专一性）键专一性酶催化作用专一性类型：酶专一性结构立体异构绝对相对几何异构光学异构绝对专一性——指某些酶对底物有绝对严格的要求，即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应。

O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2ONH3+CO2

O=C脲酶结构专一性——酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结构的特殊要求和选择。O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2相对专一性——指酶能催化结构相似的一类底物进行反应。或要求有一定的化学键及键两端的原子基团；或仅要求一定的化学键。键专一性：酯酶对脂肪的水解作用

基团专一性：胰蛋白酶对肽链的作用Aa1－Aa2－Aa3－Aa4－Aa5－Aa6－Aa7－Aa8-Aa4=

Lys相对专一性——指酶能催化结构相似的一类底物进行反应。或要求有立体异构专一性——指酶对催化底物的立体结构有高度选择性。即一种酶只能作用于底物立体异构中的一种。几何异构专一性延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸立体异构专一性——指酶对催化底物的立体结构有高度选择性。即一酶作用专一性的机制2锁钥学说（Lockandkeytheory)：EmilFisher(1890)提出：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。酶作用专一性的机制2锁钥学说（Lockandkeyth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，引发催化反应。诱导契合学说（inducedfithypothesis）“三点结合”催化理论认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结合的情况下，不对称催化作用才能实现。“三点结合”催化理论认为酶与底物的结合处至少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生物催化的主要应用方向医药饲料添加剂生物催化的国内应用实例1.生物催化在医药领域的应用β-内酰胺类抗生素中间体：6-APA和7-ADCA（青霉素G酰化酶）该酶已实现产业化，已占国内70％以上的份额，并出口欧美；β-内酰胺类抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因酶）国内采用一菌双酶法，已经工业化规模生产。β-阻断剂药物中间体：(S)-布洛芬系列（环氧化合物水解酶）

其他药物合成前体

维生素B6的合成原料：L-丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶）目前以该酶为催化剂、使L-天冬氨酸脱羧制备的L-丙氨酸，成本（<2万元/吨）低于化学合成的DL-丙氨酸，并已形成了万吨的生产规模。生物催化的国内应用实例1.生物催化在医药领域的应用β-内酰胺2.生物催化在农药领域的应用

手性农药中间体：S-生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶）

S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245倍，不仅用量大大减少，而且残留极少，产品的质量好于国外同类产品，已形成2亿元的年产值，取得了很好的经济效益。3.生物催化在食品添加剂领域的应用

甜味剂原料：L－天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸转移酶）

L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制性原料，国内开发了以氨基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线，具有自主知识产权，已实现了产业化生产，工艺水平和经济技术指标均达到了国际先进水平。2.生物催化在农药领域的应用手性农药中间体：S-生物丙烯菊4.生物催化剂在有机酸领域的应用L-苹果酸（水合酶）

L-苹果酸目前稳定在年产500吨左右，是国际上的主要生产厂，其生产成本低于化学合成的DL-苹果酸；L-酒石酸（水解酶）

L（+）-酒石酸200