生物催化緒論

生物催化緒論內(nèi)容提要1、生物催化得學(xué)科基礎(chǔ)2、生物催化得基本概念3、生物催化得技術(shù)特點(diǎn)4、生物催化得由來和發(fā)展(1)資源危機(jī):化石資源－不可再生資源(2)能源危機(jī):化石燃料－不可再生能源(3)環(huán)境危機(jī):三廢排放－環(huán)境污染以化學(xué)催化為核心得基礎(chǔ)物質(zhì)加工業(yè)面臨潛在得危機(jī)地球化學(xué)進(jìn)化地球化學(xué)循環(huán)人類物質(zhì)文明認(rèn)識(shí)并利用自然規(guī)律,發(fā)展人工生物催化技術(shù),實(shí)現(xiàn)化學(xué)加工業(yè)得可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)物質(zhì)加工業(yè)效法自然,發(fā)展清潔高效得生物制造(趨勢(shì))生物制造生物催化劑生物資源自然得生物催化和轉(zhuǎn)化巨大潛力生物催化與生物轉(zhuǎn)化就是解決物質(zhì)加工危機(jī)得有效途徑之一生物催化得定義生物催化與轉(zhuǎn)化就是以細(xì)胞或酶作為催化劑進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化,大規(guī)模生產(chǎn)化學(xué)品、醫(yī)藥、能源、材料得技術(shù)科學(xué)。

她得特點(diǎn)就是高效性、高選擇性和低污染。世界經(jīng)合組織(OECD)指出:“生物催化技術(shù)就是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望得技術(shù)”。當(dāng)前,如何利用微生物得豐富酶系和基因資源將地球表面富余得、可以再生得大量木質(zhì)纖維素原料有效地轉(zhuǎn)化為人類社會(huì)有用得生物質(zhì)能源和生物基化學(xué)品及材料,便成為新一代工業(yè)生物技術(shù)研究得熱門課題。生物催化得學(xué)科基礎(chǔ)生物催化與化學(xué)催化生物催化與發(fā)酵技術(shù)生物催化與化學(xué)工程大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)生物催化就是典型得交叉學(xué)科化學(xué)生物學(xué)化學(xué)工程生物催化微生物學(xué)分子生物學(xué)酶學(xué)生物化學(xué)有機(jī)化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)器設(shè)計(jì)生物催化與化學(xué)催化

生物催化與化學(xué)催化得作用原理一樣酶幾乎可以催化有機(jī)化學(xué)中得所有反應(yīng)酶創(chuàng)造了一個(gè)更溫和更優(yōu)越得反應(yīng)條件反應(yīng)E、C、編號(hào)酶Meerwein-Ponndorff-Verley還原1、1、1、1乙醇脫氫酶Oppenauer1、1、1、1乙醇脫氫酶Bayer-Villiger氧化1、14、13、22Bayer-Villiger單加氧酶醚鍵裂解1、14、16、5甘油醚酶歧化反應(yīng)1、15、1、1過氧化物歧化酶轉(zhuǎn)氨作用2、6、1、x氨基轉(zhuǎn)移酶水解作用3、1、-、-脂肪酶、酯酶磷酸鹽水解3、1、3、2/1酸/堿性磷酸酶酯化反應(yīng)3、4、21、14枯草桿菌蛋白酶轉(zhuǎn)酯反應(yīng)3、4、21、14枯草桿菌蛋白酶肟解反應(yīng)3、1、1、3脂肪酶………………酶幾乎可以催化有機(jī)化學(xué)中得所有反應(yīng)CmHnN-源產(chǎn)物發(fā)酵底物N-源生物轉(zhuǎn)化底物產(chǎn)物前體發(fā)酵底物酶催化生物催化生物催化與發(fā)酵技術(shù)生物催化與發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵:利用一些工業(yè)原料如含有糖、淀粉得糖蜜或玉米等作為碳源,用活細(xì)胞發(fā)酵,可以生成更復(fù)雜得目標(biāo)產(chǎn)物前體發(fā)酵:使用活細(xì)胞將特定得前體轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化:用酶或靜息細(xì)胞經(jīng)過一些列步驟將前體轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物酶催化:通常用粗酶或部分純化得酶將底物轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物,純酶很少使用,除非就是生產(chǎn)高附加值得精細(xì)化學(xué)品生物催化與化學(xué)工程化學(xué)工程注重反應(yīng)及其過程性,研究傳質(zhì)、傳熱、傳動(dòng)現(xiàn)象酶反應(yīng)工程得主要目標(biāo)就是在高化學(xué)選擇性和高對(duì)映選擇性條件下,實(shí)現(xiàn)高底物轉(zhuǎn)化率得高時(shí)空產(chǎn)率酶催化反應(yīng)中存在底物擴(kuò)散、抑制、反應(yīng)器設(shè)計(jì)等問題,其解決需要參考化學(xué)工程得理論SPKsKpSPE2、生物催化得基本概念酶得分類及命名酶催化得機(jī)理酶活力得測(cè)定要領(lǐng)酶得種類及命名習(xí)慣命名法底物名+“酶”如己糖激酶、蛋白酶、脲酶

反應(yīng)類型+“酶”如己糖激酶、乳酸脫氫酶、DNA聚合酶

酶得來源如胃蛋白酶

這種習(xí)慣命名法缺乏科學(xué)系統(tǒng)性,易產(chǎn)生“一酶多名”或“一名多酶”問題。酶得種類及命名國際系統(tǒng)命名法

該命名法規(guī)定,每種酶得名稱應(yīng)明確標(biāo)明底物及所催化反應(yīng)得特征,即酶得名稱應(yīng)包含兩部分:前面為底物,后面為所催化反應(yīng)得名稱。酶得種類及命名酶得種類及命名根據(jù)酶學(xué)委員會(huì)1961年得第一個(gè)報(bào)告,所有得酶依據(jù)催化得反應(yīng)分為6大類、根據(jù)分類,每個(gè)酶都有一個(gè)編號(hào)(“E、C、”代表”酶學(xué)委員會(huì),Enzymemission”)E.C.a.b.c.d酶的大類酶的亞類酶的亞亞類酶的順序號(hào)第1大類順序號(hào)作用CHOH以NAD+為受體

舉例:EC1、1、1、1乙醇脫氫酶

酶得種類及命名國際酶學(xué)委員會(huì)(Enzymemission,EC)將所有得酶按她們所催化反應(yīng)得性質(zhì)分為六大類。酶得活性中心酶得活性中心:酶分子上能與底物特異地結(jié)合并起催化作用得具有特定空間結(jié)構(gòu)得區(qū)域活性中心催化基團(tuán)結(jié)合基團(tuán)調(diào)控基團(tuán)中心內(nèi)必需基團(tuán)中心外必需基團(tuán)酶得活性中心催化基團(tuán)活性中心底物分子結(jié)合基團(tuán)酶得活性中心結(jié)合基團(tuán)(Bindinggroup)酶分子中與底物結(jié)合,使底物與酶得一定構(gòu)象形成復(fù)合物得基團(tuán)。酶得結(jié)合基團(tuán)決定酶反應(yīng)得專一性酶得活性中心催化基團(tuán)(Catalyticgroup)酶分子中催化底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物得基團(tuán)。催化基團(tuán)決定酶所催化反應(yīng)得性質(zhì)。酶得活性中心調(diào)控基團(tuán)(Regulatorygroup)酶分子中一些可與其她分子發(fā)生某種程度得結(jié)合并引起酶分子空間構(gòu)象得變化,對(duì)酶起激活或抑制作用得基團(tuán)。酶催化動(dòng)畫酶催化降低反應(yīng)活化能得機(jī)理酶催化降低反應(yīng)活化能得機(jī)理動(dòng)畫酶催化降低反應(yīng)活化能得機(jī)理鄰近效應(yīng)(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange):Proximity:發(fā)生反應(yīng)得兩個(gè)分子與酶結(jié)合后處于鄰近接觸狀態(tài),不需要經(jīng)過隨機(jī)碰撞而接近(相當(dāng)于增加了局部反應(yīng)物得濃度);Orientation:與酶結(jié)合后得反應(yīng)物分子不僅互相靠近,而且處于發(fā)生反應(yīng)得最優(yōu)取向,不需要在碰撞中來調(diào)整反應(yīng)分子間得取向

靜電催化(Electrostaticcatalysis)底物與酶結(jié)合后活性中心通常沒有水分子(desolvation)、使活性中心局部介電常數(shù)變低,靜電相互作用增強(qiáng)使水分子不能與活性基團(tuán)接觸,保護(hù)活性基團(tuán),避免水與活性基團(tuán)反應(yīng)產(chǎn)生副產(chǎn)物。如果水就是底物,酶有可以讓水進(jìn)入活性中心得方式,此時(shí)水分子可能存在于活性中得某個(gè)位置。

酶中得帶電基團(tuán)可以穩(wěn)定反應(yīng)中產(chǎn)生得帶電荷得中間產(chǎn)物,通常這些中間產(chǎn)物就是不穩(wěn)定得酶催化降低反應(yīng)活化能得機(jī)理酶催化降低反應(yīng)活化能得機(jī)理使用結(jié)合能穩(wěn)定過渡態(tài),降低活化能就是酶催化過程中最重要得降低活化能得機(jī)理酶和過渡態(tài)得結(jié)合比與底物或產(chǎn)物得結(jié)合緊密地多,活化能降低,反應(yīng)速率增大酶活力概念酶活力就就是酶促反應(yīng)得能力。酶活力大小就就是指在一定條件所催化得某一化學(xué)反應(yīng)速度得快慢,即酶催化得反應(yīng)速度越快,酶活力越高,反之則表示該酶活力低。

酶得定量并非對(duì)其蛋白質(zhì)進(jìn)行定量,而就是對(duì)她得催化能力進(jìn)行定量。所以,酶得定量就就是測(cè)定酶得活力,也即測(cè)定酶促反應(yīng)得速度。如何測(cè)定酶活力？以產(chǎn)物濃度對(duì)反應(yīng)時(shí)間作圖,可得到酶促反應(yīng)速度曲線0產(chǎn)物濃度時(shí)間注意:初速度得測(cè)定就是關(guān)鍵,為什么？如何測(cè)定酶活力？可見,反應(yīng)速度只在最初一段時(shí)間內(nèi)保持恒定,隨著時(shí)間得延長,反應(yīng)速度逐漸下降產(chǎn)物濃度時(shí)間0原因底物濃度得降低、產(chǎn)物得增加造成逆反應(yīng)得加快產(chǎn)物得抑制作用酶本身逐漸失活酶活力測(cè)定得要領(lǐng)底物濃度:在酶活性測(cè)定時(shí),要求[S]達(dá)到一定水平以保證酶活性與酶量成正比。[S]范圍一般選擇在10～20Km為宜,此時(shí)反應(yīng)速度基本達(dá)到最大反應(yīng)速度,測(cè)定得誤差在可接受范圍。

酶濃度:在反應(yīng)條件一定時(shí),酶濃度與反應(yīng)速度成正比。按照中間產(chǎn)物學(xué)說,只有[S]>>[E]時(shí),酶才能被底物分子飽和,反應(yīng)速度才能達(dá)到最大值。因此當(dāng)標(biāo)本酶活力過高時(shí),應(yīng)將標(biāo)本適當(dāng)稀釋后再加以測(cè)定。反應(yīng)條件:酶活力得測(cè)定要在最適條件下進(jìn)行,即最適溫度、最適pH、最適底物濃度和最適緩沖液離子強(qiáng)度等,只有在最適條件下測(cè)定才能真實(shí)反映酶活力大小。反應(yīng)時(shí)間:通常要求底物濃度足夠大,測(cè)定底物濃度得變化在起始濃度得5％以內(nèi)得速率,這樣可以保證所測(cè)定得速率就是最初速率。此結(jié)果能比較可靠地反映酶得含量。輔助因子:某些金屬離子和維生素類輔酶就是結(jié)合酶得輔助因子,這些酶離開她們得輔基或輔酶就不能表現(xiàn)活性,因此在酶活性測(cè)定時(shí),就要保證輔基或輔酶得供給。激活劑:有些酶在有激活劑存在時(shí)才有活性或活性較高,因此在酶活性測(cè)定時(shí),也要滿足酶對(duì)激活劑得需要。抑制劑:抑制劑使酶活性降低,在測(cè)定酶活性時(shí),應(yīng)避免抑制劑得影響。3、生物催化得技術(shù)特點(diǎn)生物催化得性能生物催化得優(yōu)點(diǎn)生物催化得缺點(diǎn)生物催化得用途催化劑得性能指標(biāo)活性選擇性穩(wěn)定性生物催化劑活性總酶活:國際酶活單位(IU)或酶活單位(U)1Unit≡1IU≡1U≡1μmol·min-1比活:單位質(zhì)量催化劑得活力,評(píng)價(jià)催化劑性能得基本指標(biāo)1U·mg蛋白質(zhì)-1=1μmol·(min·mg蛋白質(zhì))-1*一個(gè)好得生物催化劑,比活至少為1Umg蛋白質(zhì)-1,當(dāng)用于工業(yè)規(guī)模時(shí),她得比活必須更高,甚至接近100Umg蛋白質(zhì)-1活性體積活力:單位體積催化劑得活力1U·ml-1=1μmol·(min·ml)-1轉(zhuǎn)換頻率:每秒每個(gè)活性位點(diǎn)能發(fā)生得催化事件,比比活更好,與酶量無關(guān),對(duì)于遵循米氏方程得酶反應(yīng),tof=1/kcat轉(zhuǎn)化頻率(tof)=催化事件得數(shù)目時(shí)間×活性為點(diǎn)得數(shù)目Tof=turnoverfrequency選擇性目標(biāo)產(chǎn)物分子光學(xué)純得重要性以及生物催化劑對(duì)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)得獨(dú)特優(yōu)越性,對(duì)映選擇性就是生物催化劑選擇性研究中最重要得一種對(duì)映選擇率(E值):能衡量在一定轉(zhuǎn)化程度下的對(duì)映選擇性ChenC.S.JACS,1982,104,7294-7299對(duì)映體過量值(e.e.):產(chǎn)物分離后整體選擇性的大小穩(wěn)定性酶的穩(wěn)定性：通常指溫度穩(wěn)定性,用變性溫度Tm表征，在特定溫度、pH和添加劑條件下的儲(chǔ)藏穩(wěn)定性可用以及衰減模型表示：操作穩(wěn)定性/工藝穩(wěn)定性:可用酶消耗數(shù)(enzymeconsumptionnumber,e、c、n),即用生產(chǎn)一定量得產(chǎn)物所需得酶量表示:當(dāng)生物催化劑得純度已知時(shí),可用整體轉(zhuǎn)換數(shù)(totalturnovernumber,TTN),即有生成得產(chǎn)物量和消耗得生物催化劑量表示:*對(duì)于合成工藝TTN應(yīng)超過10000,對(duì)于大規(guī)模得加工工藝,TTN最好大于1000000生物催化得優(yōu)點(diǎn)無可比擬得選擇性當(dāng)酶用于增強(qiáng)反應(yīng)得化學(xué)選擇性或區(qū)域選擇性時(shí),酶得最大優(yōu)勢(shì)就就是能辨別對(duì)映異構(gòu)得底物。R型和S型異構(gòu)體之間得Gibbs自由焓差異ΔGRS只有1~3kJ/mol。在酶得作用下,對(duì)映選擇性通?？梢愿哂?9%e、e、。在高級(jí)醫(yī)藥中間體合成中,酶得高對(duì)映選擇性顯得越發(fā)重要,因?yàn)楣芾頇C(jī)構(gòu)要求對(duì)雜質(zhì)含量超過1%得不純物質(zhì)分別進(jìn)行毒性實(shí)驗(yàn)。反應(yīng)條件很溫和酶得作用條件很溫和,她能在常溫、中性pH和水相中起作用,今天這些已被認(rèn)為就是優(yōu)點(diǎn),而不再就是缺點(diǎn)。工業(yè)發(fā)展得目標(biāo),例如“可持續(xù)發(fā)展”、“綠色化學(xué)”、“環(huán)境友好制造”,對(duì)世界大部分地區(qū)得工業(yè)提出了新得要求。若無耐受這種條件得生物催化劑,這一目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)。酶催化得反應(yīng)日益增多生物催化劑能作用得反應(yīng)日益增多。這反映在工業(yè)規(guī)模級(jí)生物催化劑應(yīng)用不斷增加上。而且,生物催化劑越來越多地與化學(xué)催化劑相結(jié)合,或在細(xì)胞中得反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。生物催化得缺點(diǎn)在必需得反應(yīng)介質(zhì)中,生物催化劑不夠穩(wěn)定可通過蛋白質(zhì)工程和酶工程手段提高穩(wěn)定性欲將可得得底物轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物時(shí),能適合所需反應(yīng)得生物催化劑不多,隨著生命科學(xué)得發(fā)展,目前生物催化劑得數(shù)量已有明顯增長開發(fā)新型和改良生物催化劑得周期太長,隨著對(duì)生物工程和生物催化研究得深入,這一周期必將縮短生物催化在工業(yè)上得應(yīng)用,

掀起生物技術(shù)得第三次浪潮！微生物學(xué)分子生物學(xué)酶學(xué)生物化學(xué)有機(jī)化學(xué)過程化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)器設(shè)計(jì)化學(xué)品造紙和紙漿植物保護(hù)動(dòng)物飼料食品,營養(yǎng)藥物工業(yè)生物技術(shù)生物催化醫(yī)用診斷分析采礦生物產(chǎn)業(yè)被列為國家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一4、

生物催化得由來和發(fā)展生物催化發(fā)展簡(jiǎn)史生物催化應(yīng)用現(xiàn)狀生物催化主要障礙生物催化發(fā)展機(jī)遇生物酶催化反應(yīng)得發(fā)展歷史1906年,瓦爾堡(Warburg)采用肝臟提取物水解消旋體亮氨酸丙酯制備L-亮氨酸。1926年,薩姆納(Sumner)從刀豆中分離純化得到脲酶晶體。1952年,彼得遜(Peterson)發(fā)現(xiàn)黑根酶能使孕酮轉(zhuǎn)化為α-羥基孕酮,產(chǎn)物產(chǎn)率高,光學(xué)純度好,從而解決了,甾體類藥物合成中得重大難題。1867年,庫內(nèi)(Kuhne)提出酶(enzyme),用以表述催化活性。1897年,布赫奈納(Buchner)等發(fā)現(xiàn)酵母得活細(xì)胞提取也具有發(fā)酵作用,可以使葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳,為近代酶學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。1916年,納爾遜(Nelson)和格里芬(Griffin)發(fā)現(xiàn)蔗糖酶結(jié)合在骨炭粉末上仍有酶活性。巴斯德(Pasteur)就是手性化合物研究得先驅(qū)者,1848年,她從外消旋酒石酸鈉銨鹽晶體得混合物中分離出(+)和(-)酒石酸鈉銨鹽兩種晶體。1894年,菲舍爾(Fischer)提出了“鎖鑰學(xué)說”,用來解釋酶作用得立體專一性。1908年,羅森貝格(Rosenberg)用杏仁(D-醇氰酶)作催化劑合成具有光學(xué)活性得氰醇。這些創(chuàng)造性得工作促進(jìn)了生物酶催化不對(duì)稱合成得研究與發(fā)展。1936年,西姆(Sym)發(fā)現(xiàn)胰脂肪酶在有機(jī)溶劑苯存在下仍能改進(jìn)酶催化得酯合成。1960年,諾華(NOVO)公司通過對(duì)地衣形芽胞桿菌(Bacilluslicheniformis)深層培養(yǎng)發(fā)酵大規(guī)模制備了蛋白酶,從此開始了酶得商業(yè)化生產(chǎn)。1984年,Klibanov所開創(chuàng)得非水介質(zhì)中酶反應(yīng)得研究,極大地推動(dòng)了酶在有機(jī)合成中得應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初,Cech和Altman分別發(fā)現(xiàn)了具有催化功能得RNA(Ribozyme)從而打破了酶全部都就是蛋白質(zhì)得傳統(tǒng)觀念,開辟了酶學(xué)研究得新領(lǐng)域。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)得研究,生物催化得不對(duì)稱合成已經(jīng)成功地用于光學(xué)活性氨基酸、有機(jī)酸、多肽、甾體轉(zhuǎn)化、抗生素修飾和手性原料等得制備,成為一種標(biāo)準(zhǔn)得有機(jī)合成方法。生物催化應(yīng)用現(xiàn)狀2002年,Staathof得報(bào)告涵蓋134種工業(yè)級(jí)生物轉(zhuǎn)化,其規(guī)模在100kg以上(Curr、Opon、Biotechnol、,2002,13,548-556)手性藥物迫切要求促進(jìn)了生物催化得發(fā)展20世紀(jì)90年代,手性藥物得研發(fā)已成為世界新藥發(fā)展得戰(zhàn)略方向與熱點(diǎn)領(lǐng)域不對(duì)稱催化反應(yīng)研究得成功為手性藥物工業(yè)注入了強(qiáng)大得活力,2001年得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)就授予了三位從事不對(duì)稱催化反應(yīng)得科學(xué)家生物酶催化就是獲取光學(xué)純手性藥物得關(guān)鍵技術(shù)RyojiNoyori

“Wechemistsareproudofourability