生物催化技術(shù)

1、生物催化技術(shù)人員分工：1.資料收集： 2.資料整理： 3.ppt制作： 4.演講者： 相對(duì)于一般催化劑而言，生物催化劑是天然來源的催化劑，他通常以完整細(xì)胞、游離酶或細(xì)胞壁的形式使用，并且已經(jīng)有上百年的歷史。自20世紀(jì)80年代以來，伴隨著生物技術(shù)的巨大進(jìn)步及化學(xué)工業(yè)所面臨的新問題，人們認(rèn)識(shí)到這種天然催化劑用于非天然有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化的巨大潛力，因而，作為一個(gè)新興領(lǐng)域受到廣泛重視。生物催化被認(rèn)為是催化技術(shù)發(fā)展的趨勢，一段時(shí)間以來掀起了淘金熱搬得吹捧，預(yù)示著不可估量的發(fā)展前景。生物催化（ biocatalysis ）是利用生物催化劑(主要是酶或微生物)來改變(通常是加快)化學(xué)反應(yīng)速度的作用。3遠(yuǎn)古時(shí)代遠(yuǎn)

2、古時(shí)代酒的醞釀酒的醞釀飴糖的制作飴糖的制作豆類做醬豆類做醬4酵母發(fā)酵的產(chǎn)物酵母發(fā)酵的產(chǎn)物,是細(xì)是細(xì)胞內(nèi)酶作用的結(jié)果胞內(nèi)酶作用的結(jié)果在霉菌蛋白酶作用下在霉菌蛋白酶作用下,豆類蛋白質(zhì)水解豆類蛋白質(zhì)水解得豆醬和豆鼓得豆醬和豆鼓,壓榨后制得醬油壓榨后制得醬油用麥曲含有的淀粉酶用麥曲含有的淀粉酶將淀粉降解為麥芽糖將淀粉降解為麥芽糖51857年 巴斯德提出酒精發(fā)酵是酵母細(xì)胞活動(dòng)的結(jié)果。1897年 畢希納兄弟證明不含細(xì)胞的酵母汁也能進(jìn)行乙醇發(fā)酵。1926年 薩姆納首次從刀豆中提出脲酶結(jié)晶。1930年 美國諾斯羅普等人得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結(jié)晶，證明了酶是蛋白質(zhì)。1989年 美國托馬斯切赫和

3、西德尼奧爾特曼發(fā)現(xiàn)某些RNA也有催化活性，兩人共獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。236 目前，少數(shù)生物催化劑是從動(dòng)物肝臟或植物中提取的，多數(shù)目前，少數(shù)生物催化劑是從動(dòng)物肝臟或植物中提取的，多數(shù)來自于微生物細(xì)胞。除真核生物和單細(xì)胞酵母外，原核微生物是來自于微生物細(xì)胞。除真核生物和單細(xì)胞酵母外，原核微生物是生物催化劑的主要來源。生物催化劑的主要來源。7.1生物催化劑的類別生物催化劑的類別生物催化劑生物催化劑 Biocatalyst 1.蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)類：天然酶；類：天然酶；生物工程酶生物工程酶2.核酸核酸類：核酶類：核酶; 脫氧核酶脫氧核酶3.模擬模擬生物催化劑生物催化劑Enzyme(酶酶)是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生的，

4、對(duì)其特有底物具有高是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生的，對(duì)其特有底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。效催化作用的蛋白質(zhì)。生物催化劑的類別與作用方式生物催化酶生物催化酶9水解酶水解酶氧化還原酶氧化還原酶轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶異構(gòu)酶異構(gòu)酶裂合酶裂合酶合成酶合成酶單純酶單純酶復(fù)合酶復(fù)合酶生物催化酶生物催化酶水解酶水解酶 hydrolase水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。水解酶催化底物的加水分解反應(yīng)。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶例如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化的脂的水解反應(yīng)：催化的脂的水解反應(yīng)：H2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH氧化-還原

5、酶催化氧化-還原反應(yīng)。主要包括脫氫酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如乳酸(Lactate)脫氫酶催化乳酸的脫氫反應(yīng)。CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH氧化還原酶氧化還原酶 Oxidoreductase轉(zhuǎn)移酶催化基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)，即將一個(gè)底物分子的基團(tuán)或原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)底物的分子上。例如， 谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。CH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶 TransferaseTransferase異構(gòu)酶催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的

6、重排過程。例如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。OCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH異構(gòu)酶異構(gòu)酶 IsomeraseIsomerase裂合酶催化從底物分子中移去一個(gè)基團(tuán)或原子形成雙鍵的反應(yīng)及其逆反應(yīng)。主要包括醛縮酶、水化酶及脫氨酶等。例如， 延胡索酸裂合酶催化的反應(yīng)。HOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH裂合酶裂合酶 LyaseLyase合成酶，又稱為連接酶，能夠催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 鍵的形成反應(yīng)。這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A + B + ATP + H-O-H =A B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化

7、的反應(yīng)。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸合成酶合成酶 Ligase or SynthetaseLigase or Synthetase7.2酶的作用特征酶的作用特征N2+6H+6e2NH3固氮酶固氮酶常溫、常壓常溫、常壓N2+3H22NH3Fe500,300大氣壓大氣壓 酶對(duì)環(huán)境條件的敏感性：酶對(duì)環(huán)境條件的敏感性：酶易失活，要求的反應(yīng)酶易失活，要求的反應(yīng)條件溫和，對(duì)環(huán)境條件敏感。條件溫和，對(duì)環(huán)境條件敏感。 (2) 酶催化的高效性：酶催化的高效性：酶具有極高的催化效率。酶具有極高的催化效率。 相同條件下，以分子比表示：相同條件下，以分子比表示： 酶（酶（V）高于無酶（）高于無酶（V）108 102

8、0 倍倍 酶（酶（V）高于普通催化劑（）高于普通催化劑（V）107 1013 倍倍 酶作用的高度專一性酶作用的高度專一性酶的專一性（特異性）酶的專一性（特異性）指酶對(duì)所催化的底物有嚴(yán)指酶對(duì)所催化的底物有嚴(yán)格的選擇性，對(duì)所催化的反應(yīng)類型有嚴(yán)格的規(guī)定性，格的選擇性，對(duì)所催化的反應(yīng)類型有嚴(yán)格的規(guī)定性，一種酶在一定條件下只能催化一種或一類結(jié)構(gòu)相似的一種酶在一定條件下只能催化一種或一類結(jié)構(gòu)相似的底物進(jìn)行某種類型反應(yīng)的特性底物進(jìn)行某種類型反應(yīng)的特性。酶的作用特征酶的作用特征酶專一性酶專一性 類型類型 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)專一性專一性 立體異構(gòu)立體異構(gòu) 專一性專一性 絕對(duì)絕對(duì)專一性專一性 相對(duì)相對(duì)專一性專一性幾何異構(gòu)幾

9、何異構(gòu) 專一性專一性光學(xué)異構(gòu)光學(xué)異構(gòu) 專一性專一性 基團(tuán)基團(tuán)專一性（族專一性）專一性（族專一性）鍵專一性鍵專一性酶專一性類型酶專一性類型生物催化劑和化學(xué)催化劑的比較7.3 酶的命名（一）、習(xí)慣命名法（二）、系統(tǒng)命名法（三）、系統(tǒng)分類命名法（一）、習(xí)慣命名法慣用名 常依據(jù)酶所作用的底物和反應(yīng)類型命名。原則：（1）根據(jù)作用底物：如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。（2）根據(jù)反應(yīng)性質(zhì)：如水解酶、脫氫酶、轉(zhuǎn)氨酶等。（3）二者結(jié)合：如乳酸脫氫酶、谷丙轉(zhuǎn)氨酶等。（4）再加上酶的來源、特性：如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性磷酸酯酶、堿性磷酸酯酶等。（二）、系統(tǒng)命名法要求確切表明底物的化學(xué)本質(zhì)及酶的催化性質(zhì)。原則如下：1

10、 、酶的系統(tǒng)命名有兩部分構(gòu)成：底物名稱（底物1：底物2） 反應(yīng)名稱 如果底物2為水，可略去不寫例如：醇脫氫酶為醇：NAD+氧化還原酶L乳酸：NAD+ 氧化還原 酶。（三）、系統(tǒng)分類命名每一種酶都有一個(gè)系統(tǒng)命名分類編號(hào)，EC+四個(gè)數(shù)字。例如：乳酸脫氫酶7.4 酶的功能與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)7.4.1 7.4.1 酶的功能酶的功能概念：酶的功能主要是由酶的活性中心和輔酶因子構(gòu)成的。酶的活性中心：酶蛋白中與催化相關(guān)的特定區(qū)域（通常在酶分子的表面，具有特定的空間結(jié)構(gòu)）必需基團(tuán)：酶活性中心中特定的起催化作用的化學(xué)基團(tuán)輔酶因子：通常是酶維持空間結(jié)構(gòu)和活性中心的必須基團(tuán)酶催化的作用專一性機(jī)制酶催化的作用專一性機(jī)制1.

11、鎖鑰學(xué)說2.誘導(dǎo)契合學(xué)說3.“三點(diǎn)結(jié)合”催化理論鎖鑰學(xué)說（鎖鑰學(xué)說（Lock and key theory)Lock and key theory)：Emil Fisher(1890)Emil Fisher(1890)提出：提出：將酶的活性中心比喻作鎖孔，底物分子象鑰匙，底物能專一性地插入到酶將酶的活性中心比喻作鎖孔，底物分子象鑰匙，底物能專一性地插入到酶的活性中心。的活性中心。 19021902年，年，Emil FisherEmil Fisher成為第一位生物化學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾獲得者。成為第一位生物化學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾獲得者。誘導(dǎo)契合學(xué)說誘導(dǎo)契合學(xué)說Koshland(1958)Koshland(1

12、958)提出提出: : 酶的活性中心在結(jié)構(gòu)上具柔性，當(dāng)?shù)孜锝咏钚灾行臅r(shí)，可誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象發(fā)酶的活性中心在結(jié)構(gòu)上具柔性，當(dāng)?shù)孜锝咏钚灾行臅r(shí)，可誘導(dǎo)酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，使酶活性中心有關(guān)的基團(tuán)正確排列和定向，使酶與底物契合而結(jié)合成中間生變化，使酶活性中心有關(guān)的基團(tuán)正確排列和定向，使酶與底物契合而結(jié)合成中間產(chǎn)物，引起催化反應(yīng)進(jìn)行。產(chǎn)物，引起催化反應(yīng)進(jìn)行。認(rèn)為酶與底物的結(jié)合處至少有三個(gè)點(diǎn)，只有在完全結(jié)合情況下，不對(duì)稱催化作認(rèn)為酶與底物的結(jié)合處至少有三個(gè)點(diǎn)，只有在完全結(jié)合情況下，不對(duì)稱催化作用才能實(shí)現(xiàn)。用才能實(shí)現(xiàn)。酶催化的作用專一性機(jī)制中間產(chǎn)物學(xué)說：1913年生物化學(xué)家 Michaelic和 Ment

13、en提出：酶降低活化能的原因是酶參加了反應(yīng)，即酶分子與底物分子先結(jié)合形成不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物（中間結(jié)合物），這個(gè)中間產(chǎn)物不僅容易生成，而且容易分解出產(chǎn)物，釋放出原來的酶，這樣就把原來活化能較高的一步反應(yīng)變成了活化能較低的兩步反應(yīng)。7.4.2 7.4.2 酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)概念：酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)主要研究反應(yīng)速率及其影響因素。酶催化與非酶催化相同，受溫度、介質(zhì)pH值、反應(yīng)物（底物）濃度、酶用量以及抑制劑等因素的影響米氏方程（米-曼方程）1913年，Michaelis 和 Menten 對(duì)中間產(chǎn)物學(xué)說提出四點(diǎn)假設(shè)，建立了酶催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程-米氏方程（M-M方程）。四點(diǎn)假設(shè)： 1、反應(yīng)中

14、，酶的濃度保持恒定； 2、酶的濃度遠(yuǎn)小于底物的濃度； 3、產(chǎn)物的濃度很低，可以忽略其對(duì)反應(yīng)的影響； 4、生成產(chǎn)物的速度要慢于底物與酶生成復(fù)合物的可逆反應(yīng)速度，是整個(gè)反應(yīng)速度的決定因素?？赡娣磻?yīng)在反應(yīng)一開始就快速達(dá)到平衡，“快速平衡學(xué)說”Vm0cSKS011 2 ESESEEESPPESk c ck ccccdcvk cdtv 反應(yīng)速度Vm最大反應(yīng)速度cS 底物濃度cE 酶濃度cE0 初酶濃度cES 酶濃度KS米氏常數(shù)02,maxEsPsPssssk c cvcvKcKc1s1kmolkK為解離常數(shù)（/L）7.5影響酶催化反應(yīng)的因素溫度 溫度和pH對(duì)酶的活性有顯著的影響，使反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)值

15、時(shí)的溫度稱為某種酶作用的最適溫度。大多數(shù)動(dòng)物酶的最適溫度為37-40，植物酶的最適溫度為50-60。溫度對(duì)酶的反應(yīng)主要體現(xiàn)在兩方面：一是升溫加速酶催化反應(yīng)，降溫反應(yīng)速率減慢；二是溫度加速蛋白質(zhì)變性。pH環(huán)境過酸、過堿會(huì)影響酶蛋白構(gòu)象，使酶本身變性失活。 pH影響酶分子側(cè)鏈上極性基團(tuán)的解離，改變它們的帶電狀態(tài)，從而使酶活性中心的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。在最適pH時(shí)，酶分子上活性中心上的有關(guān)基團(tuán)的解離狀態(tài)最適于與底物結(jié)合，pH高于或低于最適pH時(shí)，活性中心上的有關(guān)基團(tuán)的解離狀態(tài)發(fā)生改變，酶和底物的結(jié)合力降低，因而酶反應(yīng)速度降低。 pH能影響底物分子的解離?？梢栽O(shè)想底物分子上某些基團(tuán)只有在一定的解離狀態(tài)下，才

16、適于與酶結(jié)合發(fā)生反應(yīng)。若pH的改變影響了這些基團(tuán)的解離，使之不適于與酶結(jié)合，當(dāng)然反應(yīng)速度亦會(huì)減慢。 激活劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 凡是能提高酶活性的物質(zhì)，都稱激活劑，其中大部分是離子或簡單的有機(jī)化合物。激活劑種類很多，有無機(jī)陽離子，如鈉離子、鉀離子、銅離子、鈣離子等；無機(jī)陰離子，如氯離子、溴離子、碘離子、硫酸鹽離子磷酸鹽離子等；有機(jī)化合物，如維生素C、半胱氨酸、還原性谷胱甘肽等。許多酶只有當(dāng)某一種適當(dāng)?shù)募せ顒┐嬖跁r(shí)，才表現(xiàn)出催化活性或強(qiáng)化其催化活性，這稱為對(duì)酶的激活作用。而有些酶被合成后呈現(xiàn)無活性狀態(tài)，這種酶稱為酶原。它必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)募せ顒┘せ詈蟛啪呋钚浴?抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速度的影響 能減弱、抑

17、制甚至破壞酶活性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。它可降低酶促反應(yīng)速度。酶的抑制劑有重金屬離子、一氧化碳、硫化氫、氫氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物堿、染料、對(duì)-氯汞苯甲酸、二異丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性劑等。 對(duì)酶促反應(yīng)的抑制可分為競爭性抑制和非競爭性抑制。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)爭先與酶的活性中心結(jié)合，從而降低酶促反應(yīng)速度，這種作用稱為競爭性抑制。競爭性抑制是可逆性抑制，通過增加底物濃度最終可解除抑制，恢復(fù)酶的活性。與底物結(jié)構(gòu)類似的物質(zhì)稱為競爭性抑制劑。抑制劑與酶活性中心以外的位點(diǎn)結(jié)合后，底物仍可與酶活性中心結(jié)合，但酶不顯示活性，這種作用稱為非競爭性抑制。非競爭性抑制是不可逆的，增加底物濃度并不能解除

18、對(duì)酶活性的抑制。與酶活性中心以外的位點(diǎn)結(jié)合的抑制劑，稱為非競爭性抑制劑。 有的物質(zhì)既可作為一種酶的抑制劑，又可作為另一種酶的激活劑。 7.6生物催化的應(yīng)用生物催化技術(shù)的應(yīng)用方面催化劑的應(yīng)用生物催化過程技術(shù)的應(yīng)用醫(yī)藥醫(yī)藥農(nóng)藥農(nóng)藥食品添加劑食品添加劑有機(jī)酸有機(jī)酸飼料添加劑飼料添加劑化工化工輕工輕工日化工業(yè)日化工業(yè)生物催化的主要應(yīng)用方向應(yīng)用實(shí)例除氧保鮮葡萄糖氧化酶可以去除果汁、飲料、罐頭制品和果蔬干制品中的氧氣，防止產(chǎn)品氧化變質(zhì)，抑制微生物生長，延長食品保質(zhì)期。用葡萄糖氧化酶除去脫水蔬菜的糖分可防止貯藏過程中發(fā)生褐變。瓶裝桔汁貯藏時(shí)因氧化而使色香味變劣，采用葡萄糖氧化酶、過氧化氫酶去氧即可保持果汁原

19、有的色香味。水果冷凍保藏時(shí)，由于果實(shí)自身的酶作用而發(fā)酵變質(zhì)，也可用葡萄糖氧化酶保鮮。 果膠酶的應(yīng)用：1.保持混濁果汁穩(wěn)定性（番茄汁、番茄醬）【破壞果膠酶】2.生產(chǎn)澄清果汁 【應(yīng)用果膠酶】3.提高果汁榨汁率 【應(yīng)用果膠酶】4.加工水果罐頭 【破壞果膠酶】5.防止果汁混濁 【應(yīng)用果膠酶】糕點(diǎn)糕點(diǎn)、飲料、飲料v用用-淀粉酶強(qiáng)化面粉可防止糕點(diǎn)老化。糕點(diǎn)餡心常以淀粉淀粉酶強(qiáng)化面粉可防止糕點(diǎn)老化。糕點(diǎn)餡心常以淀粉為填料，添加為填料，添加-淀粉酶可以改善餡心風(fēng)味。淀粉酶可以改善餡心風(fēng)味。v糕點(diǎn)制作使用轉(zhuǎn)化酶可使蔗糖水解為轉(zhuǎn)化糖，從而防止糖糕點(diǎn)制作使用轉(zhuǎn)化酶可使蔗糖水解為轉(zhuǎn)化糖，從而防止糖漿析晶。漿析晶。乳品加工時(shí)添加適量的脂肪酶可增加干酪和黃油的香味。制漿、造紙?jiān)系奶幚砟举|(zhì)素酶提高紙的質(zhì)量木聚糖酶、半纖維素酶、木質(zhì)過氧化物素