(完整)生物催化绪论课件

生物催化工程讲课教师:许建和(生物工程学院)第一章绪论内容提要1.生物催化的学科基础2.生物催化的基本概念3.生物催化的技术特点4.生物催化的由来和发展(1）资源危机：化石资源－不可再生资源(2）能源危机：化石燃料－不可再生能源(3）环境危机：三废排放－环境污染以化学催化为核心的基础物质加工业面临潜在的危机地球化学进化地球化学循环人类物质文明认识并利用自然规律，发展人工生物催化技术，实现化学加工业的可持续发展基础物质加工业效法自然,发展清洁高效的生物制造(趋势）生物制造生物催化剂生物资源自然的生物催化和转化巨大潜力生物催化与生物转化是解决物质加工危机的有效途径之一生物催化的定义生物催化与转化是以细胞或酶作为催化剂进行物质转化，大规模生产化学品、医药、能源、材料的技术科学。

它的特点是高效性、高选择性和低污染。世界经合组织(OECD)指出：“生物催化技术是工业可持续发展最有希望的技术”。不对称催化反应研究的成功为手性药物工业注入了强大的活力，2001年的诺贝尔化学奖就授予了三位从事不对称催化反应的科学家(3）环境危机：三废排放－环境污染Tof=turnoverfrequency邻近效应(proximityeffect)与定向排列(orientationarrange)：生物催化的由来和发展1908年，罗森贝格（Rosenberg）用杏仁（D-醇氰酶）作催化剂合成具有光学活性的氰醇。基础物质加工业面临潜在的危机2002年,Staathof的报告涵盖134种工业级生物转化，其规模在100kg以上(Curr.日本政府也从2001年起，制定实施了“创造基于生物机能的循环产业体系”的计划，开发用于化学物质生产的细胞体系。欲将可得的底物转化成目标产物时，能适合所需反应的生物催化剂不多，随着生命科学的发展，目前生物催化剂的数量已有明显增长新生物催化剂的发现与改造酶几乎可以催化有机化学中的所有反应(2）能源危机：化石燃料－不可再生能源生物催化与化学催化的作用原理一样体积活力:单位体积催化剂的活力生物催化的最新技术进展可用酶消耗数(enzymeconsumptionnumber,)，即用生产一定量的产物所需的酶量表示：“Wechemistsareproudofourabilitytocreatehighvaluesfromalmostnothingonthebasisofaccumulatedscientificknowledge”当前，如何利用微生物的丰富酶系和基因资源将地球表面富余的、可以再生的大量木质纤维素原料有效地转化为人类社会有用的生物质能源和生物基化学品及材料，便成为新一代工业生物技术研究的热门课题。生物催化的学科基础生物催化与化学催化

生物催化与发酵技术生物催化与化学工程生物催化是典型的交叉学科化学生物学化学工程生物催化微生物学分子生物学酶学生物化学有机化学动力学反应工程反应器设计生物催化与化学催化

生物催化与化学催化的作用原理一样酶几乎可以催化有机化学中的所有反应酶创造了一个更温和更优越的反应条件反应E.C.编号酶Meerwein-Ponndorff-Verley还原乙醇脱氢酶Oppenauer乙醇脱氢酶Bayer-Villiger氧化2Bayer-Villiger单加氧酶醚键裂解甘油醚酶歧化反应过氧化物歧化酶转氨作用2.6.1.x氨基转移酶水解作用3.1.-.-脂肪酶、酯酶磷酸盐水解/1酸/碱性磷酸酶酯化反应4枯草杆菌蛋白酶转酯反应4枯草杆菌蛋白酶肟解反应脂肪酶………………酶几乎可以催化有机化学中的所有反应CmHnN-源产物发酵底物N-源生物转化底物产物前体发酵底物酶催化生物催化生物催化与发酵技术生物催化与发酵技术发酵：利用一些工业原料如含有糖、淀粉的糖蜜或玉米等作为碳源，用活细胞发酵，可以生成更复杂的目标产物前体发酵：使用活细胞将特定的前体转化为目标产物生物转化：用酶或静息细胞经过一些列步骤将前体转化成目标产物酶催化：通常用粗酶或部分纯化的酶将底物转化成目标产物，纯酶很少使用，除非是生产高附加值的精细化学品生物催化与化学工程化学工程注重反应及其过程性，研究传质、传热、传动现象酶反应工程的主要目标是在高化学选择性和高对映选择性条件下，实现高底物转化率的高时空产率酶催化反应中存在底物扩散、抑制、反应器设计等问题，其解决需要参考化学工程的理论SPKsKpSPE酶的分类及命名酶催化的机理酶活力的测定要领酶的种类及命名习惯命名法底物名+“酶”如己糖激酶、蛋白酶、脲酶

反应类型+“酶”如己糖激酶、乳酸脱氢酶、DNA聚合酶

酶的来源如胃蛋白酶

这种习惯命名法缺乏科学系统性，易产生“一酶多名”或“一名多酶”问题。酶的种类及命名国际系统命名法

该命名法规定，每种酶的名称应明确标明底物及所催化反应的特征，即酶的名称应包含两部分：前面为底物，后面为所催化反应的名称。

酶的种类及命名酶的种类及命名根据酶学委员会1961年的第一个报告,所有的酶依据催化的反应分为6大类.根据分类,每个酶都有一个编号(“E.C.”代表”酶学委员会,EnzymeCommission”)E.C.a.b.c.d酶的大类酶的亚类酶的亚亚类酶的顺序号第1大类顺序号作用CHOH以NAD+为受体

举例:EC1.1.1.1乙醇脱氢酶

酶的种类及命名国际酶学委员会(EnzymeCommission,EC)将所有的酶按它们所催化反应的性质分为六大类。酶的活性中心酶的活性中心:酶分子上能与底物特异地结合并起催化作用的具有特定空间结构的区域活性中心催化基团结合基团调控基团中心内必需基团中心外必需基团酶的活性中心催化基团活性中心底物分子结合基团酶的活性中心结合基团(Bindinggroup)酶分子中与底物结合，使底物与酶的一定构象形成复合物的基团。酶的结合基团决定酶反应的专一性酶的活性中心催化基团(Catalyticgroup)酶分子中催化底物发生化学反应并将其转变为产物的基团。催化基团决定酶所催化反应的性质。酶的活性中心调控基团(Regulatorygroup)酶分子中一些可与其他分子发生某种程度的结合并引起酶分子空间构象的变化，对酶起激活或抑制作用的基团。酶催化动画酶催化降低反应活化能的机理酶催化降低反应活化能的机理动画酶催化降低反应活化能的机理邻近效应(proximityeffect)与定向排列(orientationarrange)：Proximity:发生反应的两个分子与酶结合后处于邻近接触状态，不需要经过随机碰撞而接近（相当于增加了局部反应物的浓度）；Orientation:与酶结合后的反应物分子不仅互相靠近，而且处于发生反应的最优取向，不需要在碰撞中来调整反应分子间的取向

静电催化(Electrostaticcatalysis)底物与酶结合后活性中心通常没有水分子(desolvation).使活性中心局部介电常数变低，静电相互作用增强使水分子不能与活性基团接触，保护活性基团，避免水与活性基团反应产生副产物。如果水是底物，酶有可以让水进入活性中心的方式，此时水分子可能存在于活性中的某个位置。酶中的带电基团可以稳定反应中产生的带电荷的中间产物，通常这些中间产物是不稳定的酶催化降低反应活化能的机理酶催化降低反应活化能的机理使用结合能稳定过渡态，降低活化能是酶催化过程中最重要的降低活化能的机理酶和过渡态的结合比与底物或产物的结合紧密地多，活化能降低，反应速率增大酶活力概念酶活力就是酶促反应的能力。酶活力大小就是指在一定条件所催化的某一化学反应速度的快慢，即酶催化的反应速度越快，酶活力越高，反之则表示该酶活力低。

酶的定量并非对其蛋白质进行定量，而是对它的催化能力进行定量。所以，酶的定量就是测定酶的活力，也即测定酶促反应的速度。如何测定酶活力？以产物浓度对反应时间作图，可得到酶促反应速度曲线0产物浓度时间注意：初速度的测定是关键，为什么？如何测定酶活力？可见，反应速度只在最初一段时间内保持恒定，随着时间的延长，反应速度逐渐下降产物浓度时间0原因底物浓度的降低、产物的增加造成逆反应的加快产物的抑制作用酶本身逐渐失活酶活力测定的要领底物浓度:在酶活性测定时，要求[S]达到一定水平以保证酶活性与酶量成正比。[S]范围一般选择在10～20Km为宜，此时反应速度基本达到最大反应速度，测定的误差在可接受范围。

酶浓度:在反应条件一定时，酶浓度与反应速度成正比。按照中间产物学说，只有[S]>>[E]时，酶才能被底物分子饱和，反应速度才能达到最大值。因此当标本酶活力过高时，应将标本适当稀释后再加以测定。反应条件:酶活力的测定要在最适条件下进行，即最适温度、最适pH、最适底物浓度和最适缓冲液离子强度等，只有在最适条件下测定才能真实反映酶活力大小。反应时间:通常要求底物浓度足够大，测定底物浓度的变化在起始浓度的5％以内的速率，这样可以保证所测定的速率是最初速率。此结果能比较可靠地反映酶的含量。辅助因子：某些金属离子和维生素类辅酶是结合酶的辅助因子，这些酶离开它们的辅基或辅酶就不能表现活性，因此在酶活性测定时，就要保证辅基或辅酶的供给。激活剂：有些酶在有激活剂存在时才有活性或活性较高，因此在酶活性测定时，也要满足酶对激活剂的需要。抑制剂：抑制剂使酶活性降低，在测定酶活性时，应避免抑制剂的影响。3.生物催化的技术特点生物催化的性能生物催化的优点生物催化的缺点生物催化的用途催化剂的性能指标活性选择性稳定性生物催化剂活性总酶活:国际酶活单位(IU)或酶活单位(U)1Unit≡1IU≡1U≡1μmol·min-1比活:单位质量催化剂的活力,评价催化剂性能的基本指标

1U·mg蛋白质-1=1μmol·(min·mg蛋白质)-1*一个好的生物催化剂,比活至少为1Umg蛋白质-1,当用于工业规模时,它的比活必须更高,甚至接近100Umg蛋白质-1活性体积活力:单位体积催化剂的活力

1U·ml-1=1μmol·(min·ml)-1转换频率:每秒每个活性位点能发生的催化事件,比比活更好,与酶量无关,对于遵循米氏方程的酶反应,tof=1/kcat

转化频率(tof)=催化事件的数目时间×活性为点的数目Tof=turnoverfrequency选择性目标产物分子光学纯的重要性以及生物催化剂对实现这一目标的独特优越性,对映选择性是生物催化剂选择性研究中最重要的一种对映选择率(E值):能衡量在一定转化程度下的对映选择性ChenC.S.JACS,1982,104,7294-7299对映体过量值(e.e.):产物分离后整体选择性的大小稳定性酶的稳定性：通常指温度稳定性,用变性温度Tm表征，在特定温度、pH和添加剂条件下的储藏稳定性可用以及衰减模型表示：操作稳定性/工艺稳定性：可用酶消耗数(enzymeconsumptionnumber,)，即用生产一定量的产物所需的酶量表示：当生物催化剂的纯度已知时，可用整体转换数(totalturnovernumber,TTN),即有生成的产物量和消耗的生物催化剂量表示：*对于合成工艺TTN应超过10000，对于大规模的加工工艺，TTN最好大于1000000生物催化的优点无可比拟的选择性当酶用于增强反应的化学选择性或区域选择性时，酶的最大优势就是能辨别对映异构的底物。R型和S型异构体之间的Gibbs自由焓差异ΔGRS只有1~3kJ/mol。在酶的作用下，对映选择性通常可以高于99%.。在高级医药中间体合成中，酶的高对映选择性显得越发重要,因为管理机构要求对杂质含量超过1%的不纯物质分别进行毒性实验。反应条件很温和酶的作用条件很温和，它能在常温、中性pH和水相中起作用，今天这些已被认为是优点，而不再是缺点。工业发展的目标，例如“可持续发展”、“绿色化学”、“环境友好制造”，对世界大部分地区的工业提出了新的要求。若无耐受这种条件的生物催化剂，这一目标很难实现。酶催化的反应日益增多生物催化剂能作用的反应日益增多。这反映在工业规模级生物催化剂应用不断增加上。而且，生物催化剂越来越多地与化学催化剂相结合，或在细胞中的反应网络中得到应用。生物催化的缺点在必需的反应介质中，生物催化剂不够稳定

可通过蛋白质工程和酶工程手段提高稳定性欲将可得的底物转化成目标产物时，能适合所需反应的生物催化剂不多，随着生命科学的发展，目前生物催化剂的数量已有明显增长开发新型和改良生物催化剂的周期太长，随着对生物工程和生物催化研究的深入，这一周期必将缩短生物催化在工业上的应用,

掀起生物技术的第三次浪潮！微生物学分子生物学酶学生物化学有机化学过程化学动力学反应工程反应器设计化学品造纸和纸浆植物保护动物饲料食品,营养药物工业生物技术生物催化医用诊断分析采矿生物产业被列为国家七大战略性新兴产业之一4.

生物催化的由来和发展生物催化发展简史生物催化应用现状生物催化主要障碍

生物催化发展机遇生物酶催化反应的发展历史1906年，瓦尔堡（Warburg）采用肝脏提取物水解消旋体亮氨酸丙酯制备L-亮氨酸。1926年，萨姆纳（Sumner）从刀豆中分离纯化得到脲酶晶体。1952年，彼得逊（Peterson）发现黑根酶能使孕酮转化为α-羟基孕酮，产物产率高，光学纯度好，从而解决了，甾体类药物合成中的重大难题。1867年，库内（Kuhne）提出酶（enzyme），用以表述催化活性。1897年，布赫奈纳（Buchner）等发现酵母的活细胞提取也具有发酵作用，可以使葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳，为近代酶学研究奠定了基础。1916年，纳尔逊（Nelson）和格里芬（Griffin）发现蔗糖酶结合在骨炭粉末上仍有酶活性。巴斯德（Pasteur）是手性化合物研究的先驱者，1848年，他从外消旋酒石酸钠铵盐晶体的混合物中分离出（+）和（-）酒石酸钠铵盐两种晶体。1894年，菲舍尔（Fischer）提出了“锁钥学说”，用来解释酶作用的立体专一性。1908年，罗森贝格（Rosenberg）用杏仁（D-醇氰酶）作催化剂合成具有光学活性的氰醇。这些创造性的工作促进了生物酶催化不对称合成的研究与发展。1936年，西姆（Sym）发现胰脂肪酶在有机溶剂苯存在下仍能改进酶催化的酯合成。1960年，诺华（NOVO）公司通过对地衣形芽胞杆菌（Bacilluslicheniformis）深层培养发酵大规模制备了蛋白酶，从此开始了酶的商业化生产。1984年，Klibanov所开创的非水介质中酶反应的研究，极大地推动了酶在有机合成中的应用。20世纪80年代初，Cech和Altman分别发现了具有催化功能的RNA（Ribozyme）从而打破了酶全部都是蛋白质的传统观念,开辟了酶学研究的新领域。经过近半个世纪的研究，生物催化的不对称合成已经成功地用于光学活性氨基酸、有机酸、多肽、甾体转化、抗生素修饰和手性原料等的制备，成为一种标准的有机合成方法。生物催化应用现状2002年,Staathof的报告涵盖134种工业级生物转化，其规模在100kg以上(Curr.Opon.Biotechnol.,2002,13,548-556)手性药物迫切要求促进了生物催化的发展20世纪90年代，手性药物的研发已成为世界新药发展的战略方向与热点领域不对称催化反应研究的成功为手性药物工业注入了强大的活力，2001年的诺贝尔化学奖就授予了三位从事不对称催化反应的科学家生物酶催化是获取光学纯手性药物的关键技术RyojiNoyori

“Wechemistsareproudofourabilitytocreatehighvaluesfromalmostnothingonthebasisofaccumulatedscientificknowledge”——RyojiNoyori

单一对映体药物全球销售持续快速增长

生物催化对手性产业的贡献率年份传统技术(手性源和分离)化学催化生物催化200255%35%10%200549%36%15%200941%36%22%(Chemical&EngineeringNews,2006)美国的目标是：到2020年，要通过生物催化技术，降低化学加工业的原料消耗、水资源消耗、能量消耗各30%，减少污染物的排放和污染扩散30%。日本政府也从2001年起，制定实施了“创造基于生物机能的循环产业体系”的计划，开发用于化学物质生产的细胞体系。生物催化主要障碍过去20年中，对生物催化剂的疑问不绝于耳：①酶的底物专一性太强；②可用的酶太少；③存在的酶的数量太少；④生物催化剂的稳定性受限制；⑤酶反应的时空收率低；⑥酶需要复杂的辅底物，如辅因子。生物催化发展机遇

生物技术已经悄然进入生物信息学和合成生物学的时代,生物化工学科也必须进行相应的技术变革!生物催化的最新技术进展新生物催化剂的发现与改造

高通量筛选和平行实验技术使得寻找一种能完成特定反应的生物催化剂变得更加容易定向进化与基因重组技术在新生物催化剂的筛选中担当了重要的角色生物催化反应工程主底物辅底物酶催化剂反应介质主产品副产物生物催化反应体系选择率生产率底物工程催化剂工程介质工程生物催化与化学催化的结