生物与仿生催化

生物与仿生催化姓名：叶守陈专业：有机化学

2134定义与原理发展过程应用展望近年来，随着基因组学、蛋白质等生物技术的飞速发展，大大推动了生物的基础研究和应用研究。世界经济合作组织(OECD)指出：“生物催化技术是工业可持续发展最有希望的技术”生物催化？生物催化（biocatalysis）是指利用酶或者生物有机体（细胞、细胞器、组织等）作为催化剂进行化学转化的过程。生物催化中常用的有机体主要是微生物，其本质是利用微生物细胞内的酶进行催化，促进生物转化的进程。原理：酶促反应机制在无酶催化的情况下，底物需要越过一个较高的活化能才能发生反应，变成产物。酶作为催化剂所起的作用就是降低活化能，从而使反应速度加快。现在一般认为，从底物角度来说，当底物进入活性区域得到集中、浓缩后，由于酶与底物的相互作用，致使二者的构象发生了变化，此时底物分子内某些基团电子密度发生了变化，形成所谓电子张力，使与之相连的敏感键一端变得更加敏感，更易断裂。稳定的酶-底物共价中间物，此中间物很容易变成过渡态。使反应活化能大为降低，这样底物就可以越过较低活化能屏障形成产物。同时酶和底物的相互作用时要释放一些结合能，以使酶-底物复合物稳定，同时可用来降低化学反应所需的活化能了。酶与底物作用机制锁钥学说（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。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。生物催化的发展过程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。J.B.SumnerJ.H.Northrop证明了酶是蛋白质1949年,用液体深层培养法进行细菌淀粉酶的发酵生产,揭开了近代酶工业的序幕。50年代以后,随着生化工程的发展,大多数酶制剂的生产已转向微生物流体深层发酵的方法。酶的应用越来越广泛。50年代：开始了酶固定化研究。1953年德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树脂与淀粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等结合,制成了固定化酶。60年代，是固定化酶技术迅速发展的时期。1969年,日本的千烟一郎首次在工业上应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸。出现了“酶工程”这个名词来代表有效利用酶的科学技术领域。当前酶的应用已渗透到人类的各个领域，包括医药、轻化工业、农业、能源环保等等。应用与展望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-ACA（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。

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。

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。

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）。

青霉素酰化酶与抗生素改造6-APA仿生催化由于酶具有对热敏感，稳定性较差和来源有限等特点，从而限制了它的规模开发和直接利用。如果我们能够通过分析检测，确定酶催化剂中的生物活性部位，而加以分子及过程模拟的话，就有可能找到结构与酶的活性基团相似，而催化性能接近的化合物作为非生物催化剂，加以规模合成及工业利用。仿生催化？是一门介于化学与生物学之间的边缘科学，是用化学方法在分子水平上模拟生物体功能的一门科学。其研究内容主要为：模拟生物体内的化学反应过程，模拟生物体内的物质输送过程，以及模拟生物体内的能量转换等过程。目前较为理想的小分子仿酶体系主要有环糊精、冠醚、环番、环芳烃和卟啉等大环化合物等，大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分子印模型和胶束酶模型。金属卟啉催化空气氧化环己烷制备KA油。金属卟啉催化空气氧化苯酚制备苯二酚。属卟啉催化空气氧化对二甲苯制备对苯二甲酸。属卟啉催化空气氧化烯烃制备醛、环氧化合物。金属卟啉催化空气氧化甲苯联产苯甲醛和苯甲酸。金属卟啉催化空气氧化环己烷联产环己酮和己二酸。展望基于微生物的生物催化和仿生催化技术具有生物安全性相对较好、研发投入较少、周期较短的优势，且中国已形成良好的产业基础，是参与生物技术国际竞争的一个良好的机遇和难得的切入点，应成为我国生物技术应用研究的一个战略重点。发展生