生物催化剂讲课文稿

生物催化剂讲课文稿第1页/共52页

相对于一般催化剂而言生物催化剂是天然来源的催化剂，它通常以完整细胞、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般的吹捧，预示着不可估量的发展前景。第2页/共52页目录1.生物催化剂的概述2.生物催化剂的特征3.生物催化剂的作用原理4.生物催化剂的应用5.生物催化剂的制备与筛选6.市场现状及前景7.结语及展望第3页/共52页1.1概念生物催化剂是由生物合成的具有催化作用的物质总称。广义上讲应包括生物体、细胞器、酶、抗体酶、模拟酶等。然而，大多情况下生物催化剂主要指酶，它是活细胞产生的具有催化功能的生物大分子。因此：生物催化剂就是指生物反指应过程中起催化作用的游离或固定化细胞各游离或固定化酶的总称。酶所催化的化学反应称为酶促反应。在酶促反应中被催化的物质叫底物；催化所产生的物质叫产物。酶的催化能力称为活力，如果酶丧失催化能力称为酶失活。酶促反应中底物为非天然有机化合物时通常将生物催化反应称为生物转化。第4页/共52页1.2认识过程

1896年buchner证明酶的存在

1926年sumner证明酶的化学本质属于蛋白质

1944年pouling发展了酶催化的过渡态互补理论

1978年分子生物学的发展促使酶的分子设计

20世纪80年代发现了由RNA组成的酶酶的分子属性进一步扩展。

R酶核糖类酶

P酶蛋白类酶第5页/共52页1.3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。由于原核微生物(细菌和古生菌)是地球上出现最早和数量最多的生命形态，经历了漫长的演变后，许多微生物为适应“恶劣”环境而具有了非常高的耐受性，从而可从中得到大量高性能的生物催化剂。现在，虽然微生物培养也有其局限性，如很多生物体用当前技术还无法进行培养，但通过微生物培养来获得生物催化剂仍是最普通和最有效的方法。这是因为微生物培养能加速生物体的新陈代谢而增加其数量，为以后的高通量筛选提供了有利条件。第6页/共52页1.4常见生物催化酶的类别（1）水解酶－使底物与水分子发生水解反应（2）氧化还原酶－加速底物氧化或还原（3）转移酶－将官能团从一个底物转到另一个底物（4）异构酶－使底物分子内的重排、构型改变（5）裂解酶－使底物分子裂解成两部分（6）连接酶－使两个底物分子连接成一个分子单纯酶：由简单蛋白质构成，如水解酶（淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等）复合酶：除蛋白质（酶蛋白）外，还有非蛋白质部分（辅因子或辅酶），酶蛋白与辅酶结合在一起才显示催化活性，分开后均无催化活性，如大多数氧化还原酶第7页/共52页2.1专一性酶的最大优势在于其无与伦比的选择性，这种高度的选择性通常用专一性来表述，指的是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。根据专一性严格程度划分：（1）绝对专一性（2）相对专一性具体表现为：键专一性基团专一性区域专一性（3）立体专一性（酶催化的最重要特征）根据具体情况可分为：对映体专一性几何专一性前手性专一性第8页/共52页2.2优势除选择性方面的绝对优势外，酶催化与化学催化相比还有以下优势（1）催化效率高过氧化氢酶比铁离子10的10次方一般都要高10的7-13次方酶用量少10-4~10-3％，普通催化剂0.1~1％（2）易于生物降解催化剂本身绿色催化剂（3）作用条件温和常温常压中性条件（4）具有相容性多酶系统（5）对底物和环境适应性好高度的耐受性第9页/共52页2.3缺点（1）不稳定这是生物催化剂最大的缺点温度PH界面作用共价作用（2）对于特定的反应，适应的生物催化剂数量不多理论上几乎都可以实际上4000能商业获得的就只有百余种（3）发现和改进的周期太长

10-20年第10页/共52页2.4形式虽然生物催化剂作用的本质是酶，但其具体应用形态是多种多样的，常有完整微生物细胞、粗酶、纯酶、固定化酶或微生物等。相应的生物催化反应亦做一下划分（1）发酵（2）前体发酵（3）生物转化（4）酶作用第11页/共52页

作为生物催化剂的酶产生于活细胞的生命过程，其催化功能与构成它的酶蛋白质的特殊结构密切相关，在适宜的人工环境下可以发挥期望的催化功能。第12页/共52页

3.1酶的分子结构第13页/共52页3.2结构特点与催化功能酶的分子结构是催化功能的物质基础，酶蛋白之所以异于非酶蛋白，各种酶之所以有催化活性和专一性，都是出于其分子结构的特殊性。酶蛋白分子上具有与催化有关的特定区域，称之为活性部位或活性中心。酶的活性中心具有特殊空间构型，包括两类基团催化基团：促使底物发生化学转化，形成产物结合基团：与底物结合，形成共价键或配位键多个催化基团和多个结合基团协同作用，决定了酶催化的高活性和专一性构成酶活性中心的各活性基团在一级结构中可能相距很远，甚至在一条肽链上，但由于肽链的盘旋和折叠，使彼此在空间结构上很靠近，从而形成具有特殊空间结构的活性区域酶蛋白的一级结构一般无催化活性，只有二、三、四级结构才有催化活性第14页/共52页结合点的定向效应：使底物分子间或底物各基团间彼此靠近，形成合适的空间结构基团的协同效应：通常各个基团分别发挥不同的催化作用，进行多个基元反应微环境效应：酶的活性中心处在不同的微环境中，受到微环境中的电子效应和空间效应影响中间物的诱导效应：当酶和底物结合时，酶蛋白产生扭曲变形，使底物活化，降低反应活化能第15页/共52页3.3催化作用机理第16页/共52页第17页/共52页第18页/共52页酶催化的过渡态中间物模型酶催化反应要经历一系列复杂过程：1、酶（E）与底物（S）结合2、二者互补形成过渡态中间物（ES）3、中间物向产物（P）转化4、产物释放，酶复原S+E=[ES]→P+E酶与底物过渡态中间物互补，控制步骤为中间物ES的分解第19页/共52页如图所示第20页/共52页第21页/共52页第22页/共52页4.1生物催化的应用主要方向（1）在有机合成方面的应用（2）在食品工业中的应用（3）在医学方面的应用（4）在高分子合成中的应用（5）在绿色化学和新药开发中的应用（6）在化工原料生产上的应用（7）在石油化工方面的应用（8）在染整加工方面的应用第23页/共52页4.2应用实例介绍（1）两种氧化酶可单独或顺序作用于D-葡萄糖，可高收益得到三种有用的D-葡萄糖衍生物第24页/共52页（2）食品用生物酶在食品工业中可以用来降低粘度、提高抽职效率(或分离效率)、增香、实现生物转化等。在这些应用方面也同样推广着固定酶技术，目前世界上规模最大的固定酶工艺就是用固定化葡萄糖异构酶以葡萄糖为原料生产果糖糖浆。具体方法是将葡萄糖异构酶固定在二乙胺乙基纤维素上，异构化条件是温度为20℃，PH为6—9。这种固定酶的活力可达90％，并且如果酶的皤性降低可加入新酶使之再生。第25页/共52页（3）人工细胞、人工器官

利用微囊化技术,将酶等生物大分子固定在02一3um的半透膜内,形成人工细胞。由于薄膜的隔离,囊内的酶分子不与囊外的免疫球蛋白接触,也不受水解酶的破坏,这样制成的含有一种酶的人工细胞就是第一代人工细胞。利用这种脉酶微囊即脉酶的人工细胞可以转化动物血中的尿为氨,再用固定化的吸附剂除去氨,这就是最简单的人工肾用上述微囊法制成的含有多酶系统的微囊即是第二代人工细胞,若把脉酶、谷氨酸脱氢酶、醇转氨酶等共同固定在微囊内,那么尿素和氨的代谢就可以在这种微囊的作用下周而复始地运转这种人工肾就更进了一步。另外据报导用微囊化的胰岛细胞植入诱发糖尿病的大鼠体内可以控制血糖水平治疗糖尿病,机体的排斥反应可以避免第26页/共52页（4）对5-甲基-5-苄氧基-羰基-l，3-二氧-2-酮的均聚及其与TMC共聚

Bisht和AL-Azemi对5-甲基-5-苄氧基-羰基-l，3-二氧-2-酮的均聚及其与TMC共聚的化学及酶合成条件进行了比较，并对酶及反应条件作了优化．TMC与5-甲基-5-苄氧基-羰基-1，3-二氧-2-酮共聚，产生具有不同组分的随机共聚物．脂肪酶用作催化剂，聚合物产率在任何情况下都很高．第27页/共52页（5）青霉素酰化酶在β-2内酰胺类抗生素生产中的应用

Β-2内酰胺类抗生素主要由6-氨基青霉烷酸(6-APA)或者氨基去乙酰氧基头孢霉烷酸(7-ADCA)衍生合成。目前世界上6-APA和7-ADCA的年产量分别是8000吨和600吨。但直到最近,这两种中间体一直由青霉素G通过化学脱酰基法制备。在该工艺中,青霉素G的羧基首先需硅烷化以进行保护,随后进行选择性脱羧,最后除去保护基团(以6-APA为例说明,R=H或OH)。该方法需要化学计量的硅烷化试剂,氯化磷,N,N2二甲基苯胺和大量的二氯甲烷;而且,反应在-40℃中进行。相比之下,青霉素G酰化酶催化的脱酰基反应在室温水溶液中进行,无须引入保护和去保护步骤。而且,通过反应工程的研究和酶固定化,青霉素G酰化酶催化6-APA与氨基酯或氨基酰胺进行酰化反应可合成众多的半合成β-2内酰胺类抗生素,如青霉素,阿莫西林,头孢克洛,头孢氨苄和头孢羟氨等。类似的方法也可应用于7-ADCA及其衍生抗生素的合成。第28页/共52页第29页/共52页（6）L-赖氨酸的生产氨基酸是食品、药物、化妆品的重要原料,用化学方法合成的氨基酸皆为D，L-氨基酸的消旋混合物。作为药用的氨基酸只有L一异构体具有生理活性,为了得到纯的异构体,就必须对消旋的混合物进行光学拆分,以前用化学方法拆分成本高效率低,现在可以用固定酶的方法拆分,将氨基酸混合通过固定化的酞化氨基酸水解酶柱式反应器,可将混合物转化为L-异构体,收率可达80%L-赖氨酸是一种生物体必须的氨基酸,目前利用固定酶,已可以从合成的化工原料环已烷开始生产L-赖氨酸方法是：首先将环已烷转化成D.L-a氨基-已内酞胺。将L-a氨基-已内酞胺水解酶和a-氨基-已内酞胺消旋酶以离子键方式固定在纤维素上。将这两种固定酶同时作用于D，L-a-氨基-已内酰胺。L-a-氨基-已内酞胺水解成L-赖氨酸,剩下的D-a-氨基-已内酸胺又消旋为D,L一消旋体,再水解为赖氨酸,这种方法收率儿乎达100%第30页/共52页（7）石油馏分生物脱硫第31页/共52页（8）印染用生物酶生物酶在纺织工业中的应用，最初是将仅淀粉酶应用于棉织物的退浆工艺，后来发展到纤维素酶应用于牛仔布水洗和生物抛光工艺，如今又发展到果胶酶的生物精练技术，双氧水酶的催化分解技术，蛋白酶在蚕丝和羊毛纤维上的应用等。目前在纺织加工中使用较广泛的酶制剂主要是纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、果胶酶、脂肪酶、过氧化酶、漆酶、葡萄糖氧化酶八类。在纺织品精加工中开发生物酶的新用途，开发低能耗的生物酶净洗剂，在纺织加工中采用各种生物酶处理以取代粗放式、高能耗、重污染的化学处理工艺，是国外助剂行业和印染加工行业的技术发展趋势。目前国内各印染厂采用较多的有丹麦诺维信公司和美国杰能科公司生产的淀粉酶、纤维素酶、双氧水酶、蛋白酶和碱陛果胶酶等。国内也有不少化工企业研制开发了部分生物酶品种，如上海永光化工贸易公司开发的SKD系列煮练酶伪基因改性生物复合酶制剂)，可适用于不同类型纺织品的前处理领域；上海市纺织科学研究院研制开发的生物酶制剂清棉师Sco-lase100T由生物复合酶和螯合分散剂复合而成。但总的看来，国内品种单一，应用效果不够理想。第32页/共52页4.3应用的化学反应（1）水解反应（2）还原反应（3）氧化反应（4）加成反应（5）转移反应（6）异构反应第33页/共52页特殊反应实例：（1）生物催化剂应用于取代反应许多酶都可以用来催化丙氨酸、丝氨酸、半胱氨酸衍生物b一碳上的取代反应以及蛋氨酸等化合物r一碳上的取代反应。如O一乙酰基丝氨酸在酶的作用下，发生b一碳原子上的取代反应，得到L一半胱氨酸，再如，L一半胱氮酸与L一高丝氮酸反应，在酶的作用下，r一碳上的羟基被取代，生成L一胱硫醚：（2）生物催化剂应用于加成与消除反应一碳碳双键的加成H．-E．Hogberg及PBerglund等人系统地研究了碳碳双键在酵母粉下的加成反应二碳氧双键的加成醛缩合酶可以催化羟醛缩合反应。在这一类酶中，以果糖一1，6一二磷醛缩酶(FDPA)在有机合成中的应用研究最为深入。举例来说，在二羟基丙酮与2一羟基丙醛的反应中，以果糖一1，6-二磷醛缩酶催化，得到Furaneol 第34页/共52页（3）生物催化剂应用于酯的合成及水解反应一酯的合成酯的合成常用羧酸和醇作原料，例如Pseu—domomasfragi的脂肪酶经PEG修饰后能溶于苯中，可在25℃有效催化萜烯醇香料(香茅醇、香叶醇、金合欢醇、植醇)和短链羧酸(2—5碳酸)的酯化反应，产率80～95”，酶也可以完成单脂肪酸甘油酯的合成以及促进内酯的合成等。另外酯交换反应也是制备酯的一个重要方法，当采用此法合成新酯时，也可以用酶作催化剂，如下例所示二酯的水解反应由于酯在酸性或碱性条件下水解，都可能引起碳架的改变，得到副产物。而酶催化的水解反应，条件温和，不会影响碳架结构，因此酯的水解反应用酶来催化显得尤为重要。例如在酸性或碱性条件下水解环丙酵乙酸酯，都会发生开环反应，生成丙醛和一个羟醛缩合产物，而用猪肝酯酶作催化剂，在pH为7．5的条件下水解才得到环丙醇

第35页/共52页（4）生物催化剂应用于酰胺和肽的合成酶催化反应在青霉索和头孢菌素的酰胺键生成中，起着极为重要的作用。例如在酶的作用下，7一氨基去乙酰氧基头孢菌素酸(7一ADAc)和D一苯基甘氮酸可以转变为头孢菌素。当底物分子含有多种不同反应能力的官能团时，若想得到单一的目标产物．选用酶作催化剂是最佳的，例如天冬门酰胺的合成（5）

生物催化剂应用于氧化和还原反应一氧化反应酶催化的氧化反应包括醇氧化、醛氧化以及酮氧化成酯的反应。如伯醇与仲醇的氧化一般采用醇脱氢酶，马肝脱氢酶(HLAD)就是其中之一；新型环糊精衍生物催化糠醛制糠酸；环己酮氧化成环己内酯；酶还可以用来催化脱氢氧化反应，CH—CH键的脱氢反应，用微生物细胞将烯烃转变为环氧化物，氨基酸的氧化反应，氮、硫、硒等原子的氧化反应等。二醛和酮的还原反应除甲醛之外，所有醛都是潜手性的。因此在酶催化下，醛还原得到a-碳为手性的伯醇。例如a一甲基苯丙醛在酵母粉的作用下可还原成伯醇酮的生物催化还原也是一类重要的反应，而且还原产物通常具有光学活性。第36页/共52页4.4关于仿生酶及其催化的研究化学模拟生物酶催化：结构性模拟功能性模拟仿生酶催化的关键技术：确定生物酶及其活性中心的结构确定催化作用机理化学模拟合成方法及技巧仿生酶催化的主要内容：酶的局部结构、功能的模拟金属酶的模拟—高分子金属催化剂第37页/共52页第38页/共52页第39页/共52页仿生酶最典型的例子是化学模拟生物固氮工业铁催化剂（350～400℃）的合成氨数量占化肥产量的大部分，而常温常压下每年生物固定成氨的数量是工业合成氨的三倍研究表明，固氮酶主要由钼铁蛋白和铁蛋白组成，钼铁蛋白含有催化活性中心，铁蛋白则起电子载体的作用，尽管含Mo-Fe-S的固氮酶与工业铁催化剂的化学性质很不相同，但氨合成机理，即N≡N三键活化和加氢成氨仍有相同之处

研究比较酶与非酶固氮成氨催化剂的活性中心和作用机理，将有助于解释过渡金属或原子簇配合物的配位与催化作用的密切关系，并为温和条件下工业固氮成氨催化剂的设计开发提供有用的信息目前已开发出钌羰基配合物、多金属中心负载型氨合成催化剂，活性提高，反应温度降低（250℃），突破了近一个世纪的铁催化剂时代，但由于生产成本以及性价比的关系，在一定时期内，熔铁仍是氨合成的主要催化剂。尽管几代科学家都为化学模拟生物固氮付出了不懈的努力，但距离人工合成出真正由实用价值的固氮酶化学模拟催化剂还有相当长的路要走第40页/共52页5.1制备方法

酶，不受气候和地理条件限制，一般酶的制备成本很高酶可从生物界提取，目前工业上大多采用微生物发酵法制取酶的分离提纯与一般蛋白质的分离提纯方法相似选择性吸附、沉淀、盐析、凝胶过滤绝大多数酶都是水溶性的，酶催化反应在水介质中间歇操作反应后需要将酶分离与回收再利用将酶有效地用于工业化生产时，需要解决两个问题：

1、提高稳定性

2、易于回收循环使用第41页/共52页（关键）优良菌种的要求第42页/共52页5.2固定化（固载）与一般催化剂相比，酶的稳定性太差，在热、酸碱和有机溶剂等环境下容易变质失活，因此需要对酶进行改性。例如，在工业化运用过程中，提高酶的热稳定性尤为重要，因为提高反应温度有利于加快反应速度、缩短工时、降低成本.

酶的固载有利于：提高酶的稳定性，反复利用，循环操作物理吸附：载体与酶结合力弱，酶结构和活性中心不易破坏，但吸附量小，酶易脱落偶联合：载体与酶之间化学交联，酶与载体结合力强，但易影响酶分子的结构截留法：将酶截留在膜上制成膜反应器包埋法：酶包在高分子凝胶或半透膜微胶囊中交联法：利用交联剂将酶分子聚集成网状结构第43页/共52页第44页/共52页第45页/共52页5.3筛选生物催化剂的广泛应用有赖于对大量生物分子的有效筛选和检验。不同菌株和不同酶的催化专一性、活力及稳定性有很大差异，因此有关菌种分离、筛选、选育等工作不可缺少。在实际工作中，要扩大生物催化剂的应用必须解决生物催化中的一些典型困难和操作上的限制，如温度、pH值、产物抑制、反应速度及处理的物料浓度等。要解决这些问题必须以保持催化剂的高效选择性和特异性为前提。在生物催化剂的筛选中已打破传统方法，当前，将生物诱变技术和高通筛选技术相结合是获得理想生物催化剂的有效方法。第46页/共52页6.1市场现状

Staathof报道中提到目前有134种工业级生物转化，其中水解酶（44%）和氧化还原酶（30%）在工业生物催化应用中占主导地位；生物催化的平均效率为：产物浓度：100g/l，得率：69.5%。目前，用在精细化学品生产上的生物催化剂市场不超过2000-2500万美元，仅为藕制荆总市场的5％生物催化剂市场的很大部分是垄断或半垄断的。这些催化剂常被提供给某个独家用户。倒如，意大利的DoBi-Sclavo公司就专为该国的Recordati公司生产能拆分D／L一对羟苯基甘氨酸的乙内酰脲酶系统。相对于酶制刺工业的其它部分，生物催化剂产品的销售极为零散，几乎还没有某种生物催化剂产品的市场超过10O万美元的。只有B-内酰胺酶类(如青霉素或头孢菌素酰胺酶)是个突出的倒外，其市场约为8OO～l000万美元，占生物催化剂市场的5O。第47页/共52页6.2前景进入90年代以来，毒副作用小，生物利用度高的手性药物（光学药物）发展速度极其迅速，市场年销售额已超过百亿美元。与此同时，生产手性药物必不可少的生物催化剂即工业酶制剂的生产也迅速崛起，成为一项充满活力的新兴高科技产业。在市场需求的推动下，品种繁多的新