生物催化緒論

生物催化緒論內(nèi)容提要1、生物催化得學科基礎(chǔ)2、生物催化得基本概念3、生物催化得技術(shù)特點4、生物催化得由來和發(fā)展(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得基礎(chǔ)物質(zhì)加工業(yè)面臨潛在得危機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)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)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、材料得技術(shù)科學。

她得特點就是高效性、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)化為人類社會有用得生物質(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)研究得熱門課題。生物催化得學科基礎(chǔ)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，但要小聲點生物催化就是典型得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生物催化與化學催化

生物催化與化學催化得作用原理一樣酶幾乎可以催化有機化學中得所有反應酶創(chuàng)造了一個更溫和更優(yōu)越得反應條件反應E、C、編號酶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3、4、21、14枯草桿菌蛋白酶轉(zhuǎn)酯反應3、4、21、14枯草桿菌蛋白酶肟解反應3、1、1、3脂肪酶………………酶幾乎可以催化有機化學中得所有反應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,用活細胞發(fā)酵,可以生成更復雜得目標產(chǎn)物前體發(fā)酵:使用活細胞將特定得前體轉(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得酶將底物轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物,純酶很少使用,除非就是生產(chǎn)高附加值得精細化學品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)象酶反應工程得主要目標就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)化率得高時空產(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理酶活力得測定要領(lǐng)酶得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

酶得來源如胃蛋白酶

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。酶得種類及命名國際系統(tǒng)命名法

該命名法規(guī)定,每種酶得名稱應明確標明底物及所催化反應得特征,即酶得名稱應包含兩部分:前面為底物,后面為所催化反應得名稱。酶得種類及命名酶得種類及命名根據(jù)酶學委員會1961年得第一個報告,所有得酶依據(jù)催化得反應分為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,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

酶得種類及命名國際酶學委員會(Enzymemission,EC)將所有得酶按她們所催化反應得性質(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酶得活性中心催化基團活性中心底物分子結(jié)合基團酶得活性中心結(jié)合基團(Bindinggroup)酶分子中與底物結(jié)合,使底物與酶得一定構(gòu)象形成復合物得基團。酶得結(jié)合基團決定酶反應得專一性酶得活性中心催化基團(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)物得基團。催化基團決定酶所催化反應得性質(zhì)。酶得活性中心調(diào)控基團(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,對酶起激活或抑制作用得基團。酶催化動畫酶催化降低反應活化能得機理酶催化降低反應活化能得機理動畫酶催化降低反應活化能得機理鄰近效應(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange):Proximity:發(fā)生反應得兩個分子與酶結(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得濃度);Orientation:與酶結(jié)合后得反應物分子不僅互相靠近,而且處于發(fā)生反應得最優(yōu)取向,不需要在碰撞中來調(diào)整反應分子間得取向

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。如果水就是底物,酶有可以讓水進入活性中心得方式,此時水分子可能存在于活性中得某個位置。

酶中得帶電基團可以穩(wěn)定反應中產(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活化能得機理酶催化降低反應活化能得機理使用結(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,反應速率增大酶活力概念酶活力就就是酶促反應得能力。酶活力大小就就是指在一定條件所催化得某一化學反應速度得快慢,即酶催化得反應速度越快,酶活力越高,反之則表示該酶活力低。

酶得定量并非對其蛋白質(zhì)進行定量,而就是對她得催化能力進行定量。所以,酶得定量就就是測定酶得活力,也即測定酶促反應得速度。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:初速度得測定就是關(guān)鍵,為什么？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,隨著時間得延長,反應速度逐漸下降產(chǎn)物濃度時間0原因底物濃度得降低、產(chǎn)物得增加造成逆反應得加快產(chǎn)物得抑制作用酶本身逐漸失活酶活力測定得要領(lǐng)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,測定得誤差在可接受范圍。

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:酶活力得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。反應時間:通常要求底物濃度足夠大,測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,因此在酶活性測定時,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得需要。抑制劑:抑制劑使酶活性降低,在測定酶活性時,應避免抑制劑得影響。3、生物催化得技術(shù)特點生物催化得性能生物催化得優(yōu)點生物催化得缺點生物催化得用途催化劑得性能指標活性選擇性穩(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,評價催化劑性能得基本指標1U·mg蛋白質(zhì)-1=1μmol·(min·mg蛋白質(zhì))-1*一個好得生物催化劑,比活至少為1Umg蛋白質(zhì)-1,當用于工業(yè)規(guī)模時,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:每秒每個活性位點能發(fā)生得催化事件,比比活更好,與酶量無關(guān),對于遵循米氏方程得酶反應,tof=1/kcat轉(zhuǎn)化頻率(tof)=催化事件得數(shù)目時間×活性為點得數(shù)目Tof=turnoverfrequency選擇性目標產(chǎn)物分子光學純得重要性以及生物催化劑對實現(xiàn)這一目標得獨特優(yōu)越性,對映選擇性就是生物催化劑選擇性研究中最重要得一種對映選擇率(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,e、c、n),即用生產(chǎn)一定量得產(chǎn)物所需得酶量表示:當生物催化劑得純度已知時,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:*對于合成工藝TTN應超過10000,對于大規(guī)模得加工工藝,TTN最好大于1000000生物催化得優(yōu)點無可比擬得選擇性當酶用于增強反應得化學選擇性或區(qū)域選擇性時,酶得最大優(yōu)勢就就是能辨別對映異構(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,對映選擇性通?？梢愿哂?9%e、e、。在高級醫(yī)藥中間體合成中,酶得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%得不純物質(zhì)分別進行毒性實驗。反應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,今天這些已被認為就是優(yōu)點,而不再就是缺點。工業(yè)發(fā)展得目標,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)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,這一目標很難實現(xiàn)。酶催化得反應日益增多生物催化劑能作用得反應日益增多。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,或在細胞中得反應網(wǎng)絡中得到應用。生物催化得缺點在必需得反應介質(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)定性欲將可得得底物轉(zhuǎn)化成目標產(chǎn)物時,能適合所需反應得生物催化劑不多,隨著生命科學得發(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)上得應用,

掀起生物技術(shù)得第三次浪潮！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)之一4、

生物催化得由來和發(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)展機遇生物酶催化反應得發(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(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活性得氰醇。這些創(chuàng)造性得工作促進了生物酶催化不對稱合成得研究與發(fā)展。1936年,西姆(Sym)發(fā)現(xiàn)胰脂肪酶在有機溶劑苯存在下仍能改進酶催化得酯合成。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)中酶反應得研究,極大地推動了酶在有機合成中得應用。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,開辟了酶學研究得新領(lǐng)域。經(jīng)過近半個世紀得研究,生物催化得不對稱合成已經(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得制備,成為一種標準得有機合成方法。生物催化應用現(xiàn)狀2002年,Staathof得報告涵蓋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)手性藥物迫切要求促進了生物催化得發(fā)展20世紀90年代,手性藥物得研發(fā)已成為世界新藥發(fā)展得戰(zhàn)略方向與熱點領(lǐng)域不對稱催化反應研究得成功為手性藥物工業(yè)注入了強大得活力,2001年得諾貝爾化學獎就授予了三位從事不對稱催化反應得科學家生物酶催化就是獲取光學純手性藥物得關(guān)鍵技術(shù)RyojiNoyori

“Wechemistsareproudofourability