生物催化論文-李滔

舉例說明單加氧酶

在生物催化中的應(yīng)用應(yīng)用化學(xué)0803班李滔學(xué)號：U202310319舉例

甲烷單加氧酶在生物催化中的應(yīng)用

甲烷是重要的化工原料和化學(xué)能源，在石油資源日益減少的今天，有可能成為另一種有效能源；甲烷是地球上僅次CO2的溫室氣體，溫室效應(yīng)是同等質(zhì)量二氧化碳的20~30倍。

因此有效、合理地利用甲烷，必將對全球能源利用、環(huán)境保護(hù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大的影響。

甲烷是一種非常穩(wěn)定的小分子，具有很高的C-H鍵能?，F(xiàn)有的通過甲烷催化氧化制甲醇的工藝所需反響條件非?？量?，通常在高溫高壓下進(jìn)行，反響的選擇性和轉(zhuǎn)化率都較低。而甲烷單加氧酶(methanemonooxygenase簡稱MM0)能夠在溫和條件下活化分子氧并催化氧化甲烷生成甲醇，受到我們的重視。MMO能斷裂非常穩(wěn)定的C-H鍵將分子氧中的一個氧原子插入C-H中另一個氧原子那么生成水反響方程見式：

甲烷單加氧酶的催化活性中心為氧橋、羧基橋聯(lián)的雙核鐵結(jié)構(gòu).因此人們合成了許多其化學(xué)模擬酶，主要是以含氮雜環(huán)化合物為配體的單氧橋及氧橋、羧基橋聯(lián)的雙核鐵配合物.其中局部能夠在常溫下以有機(jī)過氧化物作為氧化劑催化氧化烷烴.但將其應(yīng)用于催化反響卻存在以下問題：在均相催化中產(chǎn)物與催化劑不易別離催化劑難以重復(fù)使用;不能像生物體系一樣利用水作為反響溶劑而必須用易產(chǎn)生環(huán)境問題的有機(jī)溶劑.雙核鐵活性中心一般以三種形式存在氧化態(tài)Fe〔III〕Fe〔III〕混合態(tài)Fe〔III〕Fe〔II〕和復(fù)原態(tài)Fe〔II〕Fe〔II〕甲烷氧化菌中存在兩種MMO

一種是分泌在周質(zhì)空間中的可溶性甲烷單加氧酶〔sMMO〕一種是與細(xì)胞膜結(jié)合的顆粒性甲烷單加氧酶(pMMO)MMO作為甲烷氧化菌最關(guān)鍵的酶，對它的研究是利用甲烷氧化菌作為高效生物催化劑的關(guān)鍵sMMO具有更廣泛的底物選擇性，目前研究比較深入的是sMMO，sMMO是一種三組分的復(fù)合酶體系。三組分蛋白分別是羥基化酶MMOH復(fù)原酶、MMOR和蛋白調(diào)節(jié)酶MMOB

1.MMOH是MMO的催化活性單元

2.MMOR接受NADH的電子并將電子傳遞到MMOH

3.MMOB在MMOH和MMOR之間的電子傳遞中起到調(diào)節(jié)作用，而NADH在催化過程中作為MMO的電子給體每轉(zhuǎn)化一分子底物需要消耗一分子NADH。MMOH催化反響機(jī)理的研究主要集中在兩個方面：(1)分子氧的活化(2)烷烴的活化分子氧的活化機(jī)理分子氧的異裂機(jī)制：

在催化反響過程中需要兩個質(zhì)子氧分子先與雙鐵核中心形成一個過氧橋形成中間體P此時參加一個質(zhì)子使其中一個氧原子質(zhì)子化形成單齒的過氧化態(tài)中間體TS1另一個質(zhì)子作用于中間體TS1向Q轉(zhuǎn)換過程中使O-O鍵發(fā)生異裂形成高價態(tài)雙核鐵簇此時一個氧原子作為雙核鐵中心的氧橋另一個氧原子形成了水。分子氧的均裂機(jī)制均裂機(jī)制大局部的理論主要是利用理論化學(xué)的方法對中間體P和中間體Q模型化合物及其相互間轉(zhuǎn)化的研究通過使用模擬酶對水溶性醇類氧化過程中出現(xiàn)的氧化劑如特丁基過氧化氫的自由基的類型從而驗證了均裂機(jī)制。分子氧的異裂機(jī)制

分子氧的均裂機(jī)制

烷烴C-H的活化機(jī)理自由基回彈機(jī)制

協(xié)調(diào)的氧插入機(jī)制MMOR的催化機(jī)理及電子傳遞過程近年來在MMO的研究方面取得了很大的進(jìn)展，通過動力學(xué)理論化學(xué)和光譜動力學(xué)等方法MMO的催化機(jī)理正被逐步深入了解，MMO催化反響高效、條件溫和無污染，催化烷烴的羥基化、烯烴的環(huán)氧化和鹵代烴、芳烴的降解反響使得MMO在工業(yè)應(yīng)用醫(yī)藥和環(huán)境治理上有著廣泛的應(yīng)用前景，只有更加清晰的了解MMO的催化機(jī)制才能盡快地使MMO得到應(yīng)用造福人類，然而目前存在影響MMO進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用的問題主要有1.MMO需要輔酶如NADH作為反響過程中氫或電子的傳遞體,而輔酶價格昂貴且不穩(wěn)定將成為工業(yè)應(yīng)用中的瓶頸因素.2.菌種的來源不同酶的催化機(jī)理可能不同,目前還沒有統(tǒng)一的機(jī)理來解釋MMO的反響過程,因此對MMO的催化機(jī)理的研究有待深入,同時MMO催化過程中輔酶的循環(huán)問題還有待解決。參考文獻(xiàn)：1.沈潤南尉遲力李樹本等甲烷單加氧酶的催化機(jī)理[J].催化學(xué)報199718(4)310-315.2.RYLEMJ,HAUSINGERRP.Non-hemeironoxygenases[J].CurrOpinChemBiol,2002,6(2):193-2013.FEIGAL,LIPPARDSJ.Reactionsofnon-hemeiron(II)centerswithdioxygeninbiologyandchemistry[J].ChemRev,1994,94(3):759-805.4.劉一靜，劉瑾．天然氣制甲醇合成氣工藝及進(jìn)展．化工時刊。2007．2l(5)：64-67．5.梁戰(zhàn)備，史奕。岳進(jìn)．甲烷氧化菌研究進(jìn)展．生態(tài)學(xué)雜志，2004，23(5)：198-2056.KoppDA，LippardSJ．Solublemethanemonooxygenase：activationofdioxygenandmethane．CurrtOpinChemBiol,2002，6(5)：568-576．7.羅明芳。吳昊，王磊．邢新會．含有甲烷氧化菌的混合菌群特性研究．微生物學(xué)報，2007，47(I)：103—109．8.BodrossyL，MurrellJC，DaltonH，ela1．Heat-tolerantmethanotrophicbacteriafromthehot-watereffluentofanatural-gasfield．ApplEnvironMicrobiol,1995。61(10)：3549-3555．9．IPCC．SpecialReportonEmissionsScenarios．Cambrid