生物催化緒論詳解

生物催化緒論詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點優(yōu)選生物催化緒論目前二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點內(nèi)容提要1.生物催化的學科基礎2.生物催化的基本概念3.生物催化的技術(shù)特點4.生物催化的由來和發(fā)展目前三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(1）資源危機：化石資源－不可再生資源(2）能源危機：化石燃料－不可再生能源(3）環(huán)境危機：三廢排放－環(huán)境污染以化學催化為核心的基礎物質(zhì)加工業(yè)面臨潛在的危機目前四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點地球化學進化地球化學循環(huán)人類物質(zhì)文明認識并利用自然規(guī)律，發(fā)展人工生物催化技術(shù)，實現(xiàn)化學加工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展基礎物質(zhì)加工業(yè)效法自然,發(fā)展清潔高效的生物制造(趨勢）生物制造生物催化劑生物資源自然的生物催化和轉(zhuǎn)化巨大潛力生物催化與生物轉(zhuǎn)化是解決物質(zhì)加工危機的有效途徑之一目前五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化的定義生物催化與轉(zhuǎn)化是以細胞或酶作為催化劑進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，大規(guī)模生產(chǎn)化學品、醫(yī)藥、能源、材料的技術(shù)科學。

它的特點是高效性、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)是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)”。目前六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點目前七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點當前，如何利用微生物的豐富酶系和基因資源將地球表面富余的、可以再生的大量木質(zhì)纖維素原料有效地轉(zhuǎn)化為人類社會有用的生物質(zhì)能源和生物基化學品及材料，便成為新一代工業(yè)生物技術(shù)研究的熱門課題。目前八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化的學科基礎生物催化與化學催化生物催化與發(fā)酵技術(shù)生物催化與化學工程目前九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化是典型的交叉學科化學生物學化學工程生物催化微生物學分子生物學酶學生物化學有機化學動力學反應工程反應器設計目前十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化與化學催化

生物催化與化學催化的作用原理一樣酶幾乎可以催化有機化學中的所有反應酶創(chuàng)造了一個更溫和更優(yōu)越的反應條件目前十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點反應E.C.編號酶Meerwein-Ponndorff-Verley還原乙醇脫氫酶Oppenauer乙醇脫氫酶Bayer-Villiger氧化2Bayer-Villiger單加氧酶醚鍵裂解甘油醚酶歧化反應過氧化物歧化酶轉(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/1酸/堿性磷酸酶酯化反應4枯草桿菌蛋白酶轉(zhuǎn)酯反應4枯草桿菌蛋白酶肟解反應脂肪酶………………酶幾乎可以催化有機化學中的所有反應目前十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點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)目前十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化與發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵：利用一些工業(yè)原料如含有糖、淀粉的糖蜜或玉米等作為碳源，用活細胞發(fā)酵，可以生成更復雜的目標產(chǎn)物前體發(fā)酵：使用活細胞將特定的前體轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物生物轉(zhuǎn)化：用酶或靜息細胞經(jīng)過一些列步驟將前體轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物酶催化：通常用粗酶或部分純化的酶將底物轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物，純酶很少使用，除非是生產(chǎn)高附加值的精細化學品目前十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化與化學工程化學工程注重反應及其過程性，研究傳質(zhì)、傳熱、傳動現(xiàn)象酶反應工程的主要目標是在高化學選擇性和高對映選擇性條件下，實現(xiàn)高底物轉(zhuǎn)化率的高時空產(chǎn)率酶催化反應中存在底物擴散、抑制、反應器設計等問題，其解決需要參考化學工程的理論SPKsKpSPE目前十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點2.生物催化的基本概念酶的分類及命名酶催化的機理酶活力的測定要領目前十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的種類及命名習慣命名法底物名+“酶”如己糖激酶、蛋白酶、脲酶

反應類型+“酶”如己糖激酶、乳酸脫氫酶、DNA聚合酶

酶的來源如胃蛋白酶

這種習慣命名法缺乏科學系統(tǒng)性，易產(chǎn)生“一酶多名”或“一名多酶”問題。目前十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的種類及命名國際系統(tǒng)命名法

該命名法規(guī)定，每種酶的名稱應明確標明底物及所催化反應的特征，即酶的名稱應包含兩部分：前面為底物，后面為所催化反應的名稱。

目前十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的種類及命名目前十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的種類及命名根據(jù)酶學委員會1961年的第一個報告,所有的酶依據(jù)催化的反應分為6大類.根據(jù)分類,每個酶都有一個編號(“E.C.”代表”酶學委員會,EnzymeCommission”)E.C.a.b.c.d酶的大類酶的亞類酶的亞亞類酶的順序號第1大類順序號作用CHOH以NAD+為受體

舉例:EC1.1.1.1乙醇脫氫酶

目前二十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的種類及命名國際酶學委員會(EnzymeCommission,EC)將所有的酶按它們所催化反應的性質(zhì)分為六大類。目前二十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的活性中心酶的活性中心:酶分子上能與底物特異地結(jié)合并起催化作用的具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域活性中心催化基團結(jié)合基團調(diào)控基團中心內(nèi)必需基團中心外必需基團目前二十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的活性中心催化基團活性中心底物分子結(jié)合基團目前二十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的活性中心結(jié)合基團(Bindinggroup)酶分子中與底物結(jié)合，使底物與酶的一定構(gòu)象形成復合物的基團。酶的結(jié)合基團決定酶反應的專一性目前二十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的活性中心催化基團(Catalyticgroup)酶分子中催化底物發(fā)生化學反應并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的基團。催化基團決定酶所催化反應的性質(zhì)。目前二十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶的活性中心調(diào)控基團(Regulatorygroup)酶分子中一些可與其他分子發(fā)生某種程度的結(jié)合并引起酶分子空間構(gòu)象的變化，對酶起激活或抑制作用的基團。目前二十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶催化動畫目前二十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶催化降低反應活化能的機理目前二十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶催化降低反應活化能的機理動畫目前二十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶催化降低反應活化能的機理鄰近效應(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange)：Proximity:發(fā)生反應的兩個分子與酶結(jié)合后處于鄰近接觸狀態(tài)，不需要經(jīng)過隨機碰撞而接近（相當于增加了局部反應物的濃度）；Orientation:與酶結(jié)合后的反應物分子不僅互相靠近，而且處于發(fā)生反應的最優(yōu)取向，不需要在碰撞中來調(diào)整反應分子間的取向

目前三十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點靜電催化(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，靜電相互作用增強使水分子不能與活性基團接觸，保護活性基團，避免水與活性基團反應產(chǎn)生副產(chǎn)物。如果水是底物，酶有可以讓水進入活性中心的方式，此時水分子可能存在于活性中的某個位置。酶中的帶電基團可以穩(wěn)定反應中產(chǎn)生的帶電荷的中間產(chǎn)物，通常這些中間產(chǎn)物是不穩(wěn)定的酶催化降低反應活化能的機理目前三十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶催化降低反應活化能的機理使用結(jié)合能穩(wěn)定過渡態(tài)，降低活化能是酶催化過程中最重要的降低活化能的機理酶和過渡態(tài)的結(jié)合比與底物或產(chǎn)物的結(jié)合緊密地多，活化能降低，反應速率增大目前三十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶活力概念酶活力就是酶促反應的能力。酶活力大小就是指在一定條件所催化的某一化學反應速度的快慢，即酶催化的反應速度越快，酶活力越高，反之則表示該酶活力低。

酶的定量并非對其蛋白質(zhì)進行定量，而是對它的催化能力進行定量。所以，酶的定量就是測定酶的活力，也即測定酶促反應的速度。目前三十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點如何測定酶活力？以產(chǎn)物濃度對反應時間作圖，可得到酶促反應速度曲線0產(chǎn)物濃度時間注意：初速度的測定是關(guān)鍵，為什么？目前三十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點如何測定酶活力？可見，反應速度只在最初一段時間內(nèi)保持恒定，隨著時間的延長，反應速度逐漸下降產(chǎn)物濃度時間0原因底物濃度的降低、產(chǎn)物的增加造成逆反應的加快產(chǎn)物的抑制作用酶本身逐漸失活目前三十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶活力測定的要領底物濃度:在酶活性測定時，要求[S]達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，此時反應速度基本達到最大反應速度，測定的誤差在可接受范圍。

酶濃度:在反應條件一定時，酶濃度與反應速度成正比。按照中間產(chǎn)物學說，只有[S]>>[E]時，酶才能被底物分子飽和，反應速度才能達到最大值。因此當標本酶活力過高時，應將標本適當稀釋后再加以測定。反應條件:酶活力的測定要在最適條件下進行，即最適溫度、最適pH、最適底物濃度和最適緩沖液離子強度等，只有在最適條件下測定才能真實反映酶活力大小。目前三十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點反應時間:通常要求底物濃度足夠大，測定底物濃度的變化在起始濃度的5％以內(nèi)的速率，這樣可以保證所測定的速率是最初速率。此結(jié)果能比較可靠地反映酶的含量。輔助因子：某些金屬離子和維生素類輔酶是結(jié)合酶的輔助因子，這些酶離開它們的輔基或輔酶就不能表現(xiàn)活性，因此在酶活性測定時，就要保證輔基或輔酶的供給。激活劑：有些酶在有激活劑存在時才有活性或活性較高，因此在酶活性測定時，也要滿足酶對激活劑的需要。抑制劑：抑制劑使酶活性降低，在測定酶活性時，應避免抑制劑的影響。目前三十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點3.生物催化的技術(shù)特點生物催化的性能生物催化的優(yōu)點生物催化的缺點生物催化的用途目前三十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點催化劑的性能指標活性選擇性穩(wěn)定性生物催化劑目前三十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點活性總酶活: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)量催化劑的活力,評價催化劑性能的基本指標1U·mg蛋白質(zhì)-1=1μmol·(min·mg蛋白質(zhì))-1*一個好的生物催化劑,比活至少為1Umg蛋白質(zhì)-1,當用于工業(yè)規(guī)模時,它的比活必須更高,甚至接近100Umg蛋白質(zhì)-1目前四十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點活性體積活力:單位體積催化劑的活力1U·ml-1=1μmol·(min·ml)-1轉(zhuǎn)換頻率:每秒每個活性位點能發(fā)生的催化事件,比比活更好,與酶量無關(guān),對于遵循米氏方程的酶反應,tof=1/kcat轉(zhuǎn)化頻率(tof)=催化事件的數(shù)目時間×活性為點的數(shù)目Tof=turnoverfrequency目前四十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點選擇性目標產(chǎn)物分子光學純的重要性以及生物催化劑對實現(xiàn)這一目標的獨特優(yōu)越性,對映選擇性是生物催化劑選擇性研究中最重要的一種對映選擇率(E值):能衡量在一定轉(zhuǎn)化程度下的對映選擇性ChenC.S.JACS,1982,104,7294-7299對映體過量值(e.e.):產(chǎn)物分離后整體選擇性的大小目前四十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點穩(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,)，即用生產(chǎn)一定量的產(chǎn)物所需的酶量表示：當生物催化劑的純度已知時，可用整體轉(zhuǎn)換數(shù)(totalturnovernumber,TTN),即有生成的產(chǎn)物量和消耗的生物催化劑量表示：*對于合成工藝TTN應超過10000，對于大規(guī)模的加工工藝，TTN最好大于1000000目前四十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化的優(yōu)點無可比擬的選擇性當酶用于增強反應的化學選擇性或區(qū)域選擇性時，酶的最大優(yōu)勢就是能辨別對映異構(gòu)的底物。R型和S型異構(gòu)體之間的Gibbs自由焓差異ΔGRS只有1~3kJ/mol。在酶的作用下，對映選擇性通?？梢愿哂?9%e.e.。在高級醫(yī)藥中間體合成中，酶的高對映選擇性顯得越發(fā)重要,因為管理機構(gòu)要求對雜質(zhì)含量超過1%的不純物質(zhì)分別進行毒性實驗。目前四十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點反應條件很溫和酶的作用條件很溫和，它能在常溫、中性pH和水相中起作用，今天這些已被認為是優(yōu)點，而不再是缺點。工業(yè)發(fā)展的目標，例如“可持續(xù)發(fā)展”、“綠色化學”、“環(huán)境友好制造”，對世界大部分地區(qū)的工業(yè)提出了新的要求。若無耐受這種條件的生物催化劑，這一目標很難實現(xiàn)。目前四十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點酶催化的反應日益增多生物催化劑能作用的反應日益增多。這反映在工業(yè)規(guī)模級生物催化劑應用不斷增加上。而且，生物催化劑越來越多地與化學催化劑相結(jié)合，或在細胞中的反應網(wǎng)絡中得到應用。目前四十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化的缺點在必需的反應介質(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)定性欲將可得的底物轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物時，能適合所需反應的生物催化劑不多，隨著生命科學的發(fā)展，目前生物催化劑的數(shù)量已有明顯增長開發(fā)新型和改良生物催化劑的周期太長，隨著對生物工程和生物催化研究的深入，這一周期必將縮短目前四十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化在工業(yè)上的應用,

掀起生物技術(shù)的第三次浪潮！微生物學分子生物學酶學生物化學有機化學過程化學動力學反應工程反應器設計化學品造紙和紙漿植物保護動物飼料食品,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)之一目前四十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點4.

生物催化的由來和發(fā)展生物催化發(fā)展簡史生物催化應用現(xiàn)狀生物催化主要障礙生物催化發(fā)展機遇目前四十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物酶催化反應的發(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，光學純度好，從而解決了，甾體類藥物合成中的重大難題。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)酵母的活細胞提取也具有發(fā)酵作用，可以使葡萄糖轉(zhuǎn)化為乙醇和二氧化碳，為近代酶學研究奠定了基礎。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）是手性化合物研究的先驅(qū)者，1848年，他從外消旋酒石酸鈉銨鹽晶體的混合物中分離出（+）和（-）酒石酸鈉銨鹽兩種晶體。1894年，菲舍爾（Fischer）提出了“鎖鑰學說”，用來解釋酶作用的立體專一性。1908年，羅森貝格（Rosenberg）用杏仁（D-醇氰酶）作催化劑合成具有光學活性的氰醇。這些創(chuàng)造性的工作促進了生物酶催化不對稱合成的研究與發(fā)展。1936年，西姆（Sym）發(fā)現(xiàn)胰脂肪酶在有機溶劑苯存在下仍能改進酶催化的酯合成。1960年，諾華（NOVO）公司通過對地衣形芽胞桿菌（Bacilluslicheniformis）深層培養(yǎng)發(fā)酵大規(guī)模制備了蛋白酶，從此開始了酶的商業(yè)化生產(chǎn)。1984年，Klibanov所開創(chuàng)的非水介質(zhì)中酶反應的研究，極大地推動了酶在有機合成中的應用。20世紀80年代初，Cech和Altman分別發(fā)現(xiàn)了具有催化功能的RNA（Ribozyme）從而打破了酶全部都是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念,開辟了酶學研究的新領域。經(jīng)過近半個世紀的研究，生物催化的不對稱合成已經(jīng)成功地用于光學活性氨基酸、有機酸、多肽、甾體轉(zhuǎn)化、抗生素修飾和手性原料等的制備，成為一種標準的有機合成方法。目前五十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點生物催化應用現(xiàn)狀2002年,Staathof的報告涵蓋134種工業(yè)級生物轉(zhuǎn)化，其規(guī)模在100kg以上(Curr.Opon.Biotechnol.,2002,13,548-556)目前五十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點手性藥物迫切要求促進了生物催化的發(fā)展20世紀90年代，手性藥物的研發(fā)已成為世界新藥發(fā)展的戰(zhàn)略方向與熱點領域不對稱催化反應研究的成功為手性藥物工業(yè)注入了強大的活力，2001年的諾貝爾化學獎就授予了三位從事不對稱催化反應的科學家生物酶催化是獲取光學純手性藥物的關(guān)鍵技術(shù)RyojiNoyori

“Wechemistsareproudofourabilitytocreatehighvaluesfromalmostnothingonthebas