生物與仿生催化

生物與仿生催化姓名：葉守陳專業(yè)：有機(jī)化學(xué)

2134定義與原理發(fā)展過(guò)程應(yīng)用展望近年來(lái)，隨著基因組學(xué)、蛋白質(zhì)等生物技術(shù)的飛速發(fā)展，大大推動(dòng)了生物的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。世界經(jīng)濟(jì)合作組織(OECD)指出：“生物催化技術(shù)是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)”生物催化？生物催化（biocatalysis）是指利用酶或者生物有機(jī)體（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織等）作為催化劑進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化的過(guò)程。生物催化中常用的有機(jī)體主要是微生物，其本質(zhì)是利用微生物細(xì)胞內(nèi)的酶進(jìn)行催化，促進(jìn)生物轉(zhuǎn)化的進(jìn)程。原理：酶促反應(yīng)機(jī)制在無(wú)酶催化的情況下，底物需要越過(guò)一個(gè)較高的活化能才能發(fā)生反應(yīng)，變成產(chǎn)物。酶作為催化劑所起的作用就是降低活化能，從而使反應(yīng)速度加快。現(xiàn)在一般認(rèn)為，從底物角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)孜镞M(jìn)入活性區(qū)域得到集中、濃縮后，由于酶與底物的相互作用，致使二者的構(gòu)象發(fā)生了變化，此時(shí)底物分子內(nèi)某些基團(tuán)電子密度發(fā)生了變化，形成所謂電子張力，使與之相連的敏感鍵一端變得更加敏感，更易斷裂。穩(wěn)定的酶-底物共價(jià)中間物，此中間物很容易變成過(guò)渡態(tài)。使反應(yīng)活化能大為降低，這樣底物就可以越過(guò)較低活化能屏障形成產(chǎn)物。同時(shí)酶和底物的相互作用時(shí)要釋放一些結(jié)合能，以使酶-底物復(fù)合物穩(wěn)定，同時(shí)可用來(lái)降低化學(xué)反應(yīng)所需的活化能了。酶與底物作用機(jī)制鎖鑰學(xué)說(shuō)（Lockandkeytheory)：EmilFisher(1890)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的活性中心。誘導(dǎo)契合學(xué)說(shuō)（inducedfithypothesis）Koshland(1958)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)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。

“三點(diǎn)結(jié)合”催化理論認(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)。生物催化的發(fā)展過(guò)程1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結(jié)晶。J.B.SumnerJ.H.Northrop證明了酶是蛋白質(zhì)1949年,用液體深層培養(yǎng)法進(jìn)行細(xì)菌淀粉酶的發(fā)酵生產(chǎn),揭開(kāi)了近代酶工業(yè)的序幕。50年代以后,隨著生化工程的發(fā)展,大多數(shù)酶制劑的生產(chǎn)已轉(zhuǎn)向微生物流體深層發(fā)酵的方法。酶的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。50年代：開(kāi)始了酶固定化研究。1953年德國(guó)科學(xué)家首先將聚氨基苯乙烯樹(shù)脂與淀粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等結(jié)合,制成了固定化酶。60年代，是固定化酶技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)期。1969年,日本的千煙一郎首次在工業(yè)上應(yīng)用固定化氨基?；笍腄L-氨基酸生產(chǎn)L-氨基酸。出現(xiàn)了“酶工程”這個(gè)名詞來(lái)代表有效利用酶的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。當(dāng)前酶的應(yīng)用已滲透到人類(lèi)的各個(gè)領(lǐng)域，包括醫(yī)藥、輕化工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源環(huán)保等等。應(yīng)用與展望醫(yī)藥農(nóng)藥食品添加劑有機(jī)酸飼料添加劑化工輕工日化工業(yè)1.生物催化在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素中間體：6-APA和7-ACA（青霉素G?；福┰撁敢褜?shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，已占國(guó)內(nèi)70％以上的份額，并出口歐美

β-內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素側(cè)鏈：D-對(duì)羥基苯甘氨酸（海因酶）國(guó)內(nèi)采用一菌雙酶法，已經(jīng)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

2.生物催化在農(nóng)藥領(lǐng)域的應(yīng)用手性農(nóng)藥中間體：S-生物丙烯菊酯（特異性脂肪酶）S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245倍，不僅用量大大減少，而且殘留極少，產(chǎn)品的質(zhì)量好于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，已形成2億元的年產(chǎn)值，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.生物催化在食品添加劑領(lǐng)域的應(yīng)用甜味劑原料：L－天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸轉(zhuǎn)移酶）

L-苯丙氨酸是無(wú)糖甜味劑阿斯巴甜的限制性原料，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了以氨基轉(zhuǎn)移酶為催化劑的海因酶法制備路線，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，工藝水平和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

4.生物催化劑在有機(jī)酸領(lǐng)域的應(yīng)用L-蘋(píng)果酸（水合酶）L-蘋(píng)果酸目前穩(wěn)定在年產(chǎn)500噸左右，是國(guó)際上的主要生產(chǎn)廠，其生產(chǎn)成本低于化學(xué)合成的DL-蘋(píng)果酸；L-酒石酸（水解酶）L（+）-酒石酸2000年年產(chǎn)近3000噸，是國(guó)際上唯一的應(yīng)用酶工程技術(shù)生產(chǎn)該產(chǎn)品的國(guó)家。5.生物催化劑在飼料添加劑領(lǐng)域的應(yīng)用D-泛酸（D-泛酸內(nèi)酯水解酶）以D-泛解酸內(nèi)酯水解酶為催化劑，水解拆分得到光學(xué)純的D-泛解酸內(nèi)酯，成功地用于D-泛酸鈣及D-泛醇的生產(chǎn)，已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

6.生物催化在化工領(lǐng)域的應(yīng)用聚丙烯酰胺前體的制備：丙烯酰胺（腈水解酶）以人工篩選的腈水解酶為催化劑，在酶法將丙烯腈轉(zhuǎn)化為丙烯酰胺的生產(chǎn)中已獲得了巨大成功，已形成了萬(wàn)噸的生產(chǎn)規(guī)模；

高吸水性、可降解材料的制備：聚谷氨酸（轉(zhuǎn)肽酶）通過(guò)具有高活性轉(zhuǎn)肽酶的菌株篩選，可將廉價(jià)的L-谷氨酸轉(zhuǎn)化為尼龍類(lèi)高聚物，作為一種可完全降解的高分子材料，具有優(yōu)良的吸水性（2000倍）。

青霉素酰化酶與抗生素改造6-APA仿生催化由于酶具有對(duì)熱敏感，穩(wěn)定性較差和來(lái)源有限等特點(diǎn)，從而限制了它的規(guī)模開(kāi)發(fā)和直接利用。如果我們能夠通過(guò)分析檢測(cè)，確定酶催化劑中的生物活性部位，而加以分子及過(guò)程模擬的話，就有可能找到結(jié)構(gòu)與酶的活性基團(tuán)相似，而催化性能接近的化合物作為非生物催化劑，加以規(guī)模合成及工業(yè)利用。仿生催化？是一門(mén)介于化學(xué)與生物學(xué)之間的邊緣科學(xué)，是用化學(xué)方法在分子水平上模擬生物體功能的一門(mén)科學(xué)。其研究?jī)?nèi)容主要為：模擬生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，模擬生物體內(nèi)的物質(zhì)輸送過(guò)程，以及模擬生物體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換等過(guò)程。目前較為理想的小分子仿酶體系主要有環(huán)糊精、冠醚、環(huán)番、環(huán)芳烴和卟啉等大環(huán)化合物等，大分子仿酶體系有聚合物酶模型，分子印模型和膠束酶模型。金屬卟啉催化空氣氧化環(huán)己烷制備KA油。金屬卟啉催化空氣氧化苯酚制備苯二酚。屬卟啉催化空氣氧化對(duì)二甲苯制備對(duì)苯二甲酸。屬卟啉催化空氣氧化烯烴制備醛、環(huán)氧化合物。金屬卟啉催化空氣氧化甲苯聯(lián)產(chǎn)苯甲醛和苯甲酸。金屬卟啉催化空氣氧化環(huán)己烷聯(lián)產(chǎn)環(huán)己酮和己二酸。展望基于微生物的生物催化和仿生催化技術(shù)具有生物安全性相對(duì)較好、研發(fā)投入較少、周期較短的優(yōu)勢(shì)，且中國(guó)已形成良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，是參與生物技術(shù)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)良好的機(jī)遇和難得的切入點(diǎn)，應(yīng)成為我國(guó)生物技術(shù)應(yīng)用研究的一個(gè)戰(zhàn)略重點(diǎn)。發(fā)展生