生物催化剂讲课课件 王海波 演示文稿

生物催化剂主讲人：王海波化学工程402012160037

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。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应过程中起催化作用的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。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。1.4酶的命名法习惯命名法：一般采用底物加反应类型而命名。如乳酸脱氢酶、磷酸己糖异构酶。水解酶类则只用底物名，可省去反应类型，如蛋白酶、核酸酶、蔗糖酶等。有时在底物名前冠以酶的来源，如胃蛋白酶、胰蛋白酶等。

系统命名法..酶的习惯命名比较混乱，为改变这种状况1961年国际酶学委员会给酶规定了系统名。..系统名是由酶催化的底物名称加上该酶催化反应的性质组成。如果是双底物反应，则两个底物都要列出，中间用一个“：”冒号分开。..例如生物催化中常用的脂肪酶是一个习惯名，它催化甘油三酯的水解反应，因此它的系统名是甘油三酯：水水解酶，若底物之一为水可略去不写,故脂肪酶的系统名为甘油三酯水解酶。1.5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CH→C—OH,CH(OH)→C=O（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形成C=C,C=O和C=N键（6）连接酶－使两个底物分子连接成一个分子形成C-O,C-S和C-N键单纯酶：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？？？？3.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。

3.1酶的分子结构？？？？酶的一级结构酶蛋白是由20种氨基酸残基组成的生物大分子。氨基酸间通过脱水形成酰胺键，在蛋白质化学中又称肽键。肽键将氨基酸连接形成长链聚合物称为多肽链，链中的氨基酸称为残基。不同的蛋白质具有不同的氨基酸组成和排列顺序。蛋白质多肽链中氨基酸残基的组成和排列顺序称为蛋白质的一级结构。酶的二级结构蛋白质一级结构主链骨架上原子在空间的排列称为二级结构。二级结构主要有：螺旋和折叠两种主要的构象形式。氢键是维持二级结构稳定的主要作用力。酶的三级结构三级结构是指蛋白质多肽链上所有原子的空间排列，即单链多肽蛋白质的立体构象。稳定蛋白质三级结构的主要作用力有氢键、疏水键和二硫键等。酶蛋白中每条完整的肽链被称为亚基。酶的四级结构四级结构是指多亚基蛋白质的空间立体构象，涉及具有三级结构的亚基间相互作用和空间排列。稳定四级结构的主要作用力是肽链间的非共价作用，如氢键、盐键、疏水键等。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3.3催化作用机理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的分解如图所示Vmax=K2[E0]Ks=K-1+K2/K14.1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（2）食品用生物酶在食品工业中可以用来降低粘度、提高抽滤效率(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％，并且如果酶的活性降低可加入新酶使之再生。（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。（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．（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,N—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。（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