工業(yè)催化原理第八單元生物催化基礎(chǔ)及過程148

1、第八單元第八單元 生物催化基礎(chǔ)及過程生物催化基礎(chǔ)及過程 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： p生物催化的特征；生物催化作用原理；生物催化工生物催化的特征；生物催化作用原理；生物催化工業(yè)應(yīng)用實例業(yè)應(yīng)用實例. p理解生物催化的特點；掌握生物催化的作用原理；理解生物催化的特點；掌握生物催化的作用原理；理解一些生物催化的工業(yè)應(yīng)用理解一些生物催化的工業(yè)應(yīng)用.化工資源有效利用國家重點實驗室化工資源有效利用國家重點實驗室 1第一節(jié)第一節(jié) 生物催化的特征生物催化的特征生物催化生物催化是指生物催化劑作用下的催化反應(yīng)，生物催化劑一般包括生物酶、整體細(xì)胞、催化抗體等。然而大多數(shù)情況下生物催化劑主要指酶，它是由細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化功

2、能的生物大分子。在酶催化反應(yīng)中，被酶催化的物質(zhì)叫底物，酶的催化能力常用“酶的活力”表示，酶的活力是指在一定條件下、單位時間內(nèi)酶催化反應(yīng)底物轉(zhuǎn)化的量或產(chǎn)物生成的量。和化學(xué)催化相比，生物生物催化反應(yīng)具有反應(yīng)選擇性高、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速度快等特點，特別是選擇性方面，具有以下顯著特征特征：一、一、 絕對專一性：絕對專一性：一種酶只催化一種底物進行一種反應(yīng)，這種高度的專一性稱為絕對專一性。例如脲酶只能催化尿素水解生成二氧化碳和氨，而對尿素的類似物卻均無作用。具有絕對專一性的酶不但對所作用底物的鍵有嚴(yán)格要求，而且對底物整個分子的化學(xué)基團也有同樣嚴(yán)格的要求。第一節(jié)第一節(jié) 生物催化的特征生物催化的特征二、二

3、、相對專一性：相對專一性：一種酶能夠催化一類結(jié)構(gòu)相似的底物進行某種相同類型的反應(yīng)，這種專一性稱為相對專一性，其嚴(yán)格程度較低，但不同的酶對底物結(jié)構(gòu)的識別不同。具體地表現(xiàn)為下述形式：1、鍵專一性：、鍵專一性：酶能夠作用于具有相同化學(xué)鍵的一類底物，而不辨識鍵兩側(cè)的基團。如酯酶可以催化所有酯類底物水解生成醇和酸。2、基團專一性：、基團專一性：酶作用于底物時不僅識別特定的化學(xué)鍵，而且還識別鍵某一側(cè)的基團。例如消化道中胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、彈性蛋白酶、胰蛋白酶水解肽鍵時的選擇性。3、區(qū)域?qū)Ｒ恍裕骸^(qū)域?qū)Ｒ恍裕褐该笇ξ挥谕坏孜锓肿又胁煌恢霉倌軋F的選擇性。如磷脂酶a2僅水解3-sn-磷脂酰膽堿的2位酯鍵

4、，而對1位酯鍵無作用。第一節(jié)第一節(jié) 生物催化的特征生物催化的特征三、立體專一性：三、立體專一性：指酶只能特異性地作用于所有立體異構(gòu)體的其中一種的特性，這是酶催化的最重要特征，根據(jù)具體情況分為以下幾類。1、對映體專一性：、對映體專一性：指酶只催化一對對映異構(gòu)體中的一種對映體反應(yīng)，如氨基?；钢淮呋痩-n-乙酰氨基酸反應(yīng)生成l-氨基酸，而不催化d-n-乙酰氨基酸反應(yīng)。 2、幾何專一性：、幾何專一性：酶對具有順反異構(gòu)的底物有嚴(yán)格的選擇性，如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成l-蘋果酸，而對馬來酸則不起作用。3、前手性專一性：、前手性專一性：酶可催化前手性底物選擇性地形成具有一定立體構(gòu)型的產(chǎn)物，如

5、烏頭酸酶催化前手性分子檸檬酸轉(zhuǎn)化成手性分子異檸檬酸。第二節(jié)第二節(jié) 生物催化作用原理生物催化作用原理1、 酶的分子結(jié)構(gòu)酶的分子結(jié)構(gòu)酶是有催化功能的蛋白質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)與其它蛋白質(zhì)相同，具有一級、二級三級和四級結(jié)構(gòu)。（1）一級結(jié)構(gòu)）一級結(jié)構(gòu)酶與其他蛋白質(zhì)一樣，是由20多種基本氨基酸按肽鍵形式共價連接而成的，相對分子質(zhì)量約為1.21041.0106，其分子基礎(chǔ)為多肽鏈，肽鏈的通式為：h2n chrconh ch cronhnch coohr第二節(jié)第二節(jié) 生物催化作用原理生物催化作用原理（2）二級結(jié)構(gòu)）二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二、三和四級結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為蛋白質(zhì)的構(gòu)象。二級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機理之一是蛋白質(zhì)分子中的肽鍵的偏雙鍵

6、性質(zhì)。由于c=o雙鍵中的電子云與n原子上的未共用電子對發(fā)生“電子共振”，使肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)；與肽鍵相連的六個原子構(gòu)成剛性平面結(jié)構(gòu)，稱為肽單元或肽平面（圖1），這是多肽鏈固定不變的一面。但是，由于-碳原子與其它原子之間均形成單鍵，故兩相鄰的肽鍵平面可以作相對旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度分別叫做兩面角、，這是多肽鏈可變的一面（圖2）。固定不變的肽鍵和多變的兩面角對立統(tǒng)一，達到協(xié)調(diào)后的狀態(tài)就是該條肽鏈的穩(wěn)定二級結(jié)構(gòu)，即主鏈骨架彎曲形成的空間排列。圖1 肽平面圖2 肽平面的兩面角第二節(jié)第二節(jié) 生物催化作用原理生物催化作用原理（3）三級、四級結(jié)構(gòu)）三級、四級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)是指多肽在二級結(jié)構(gòu)

7、的基礎(chǔ)上進一步搭配和組裝形成的具有一定規(guī)律的三維空間結(jié)構(gòu)。三級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主要借助各種次級鍵，包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力等。各二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)之間的組裝方式主要有、，大多數(shù)情況下組裝僅僅出現(xiàn)在一個酶蛋白的局部，即呈現(xiàn)區(qū)域空間結(jié)構(gòu)，在不同蛋白分子呈現(xiàn)的代表性區(qū)域空間結(jié)構(gòu)，有時也稱為超二級結(jié)構(gòu)。如果酶蛋白分子僅由一條肽鏈組成，三級結(jié)構(gòu)就是它的最高結(jié)構(gòu)層次。 四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)是多亞基蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)，是指各亞基肽鏈之間相互作用所形成更為復(fù)雜的寡聚物的結(jié)構(gòu)形式。主要描述亞基之間相互關(guān)系，不涉及亞基內(nèi)部結(jié)構(gòu)。維持四級結(jié)構(gòu)的作用力主要是疏水鍵，其他作用力僅起次要作用。第二節(jié)第二節(jié) 生物催化作用原理生物

8、催化作用原理2、 酶的結(jié)構(gòu)與催化功能酶的結(jié)構(gòu)與催化功能酶的分子結(jié)構(gòu)是催化功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，各種酶之所以有催化活性和專一性，都是出于其分子結(jié)構(gòu)的特殊性。酶蛋白分子上具有與催化有關(guān)的特定區(qū)域稱為活性部位或活性中心，它能同底物結(jié)合并起催化作用?；钚灾行囊话阄挥诿阜肿拥谋砻?，是由結(jié)合部位和催化部位所組成。前者直接同底物結(jié)合，決定酶的專一性，即決定同何種底物結(jié)合；后者直接參加催化，決定所催化反應(yīng)的性質(zhì)。組成活性中心的氨基酸殘基或殘基組可能位于同一條肽鏈的不同部位，也可能位于不同的肽鏈上。酶蛋白分子活性中心以外的部分對酶催化特性亦不可或缺，具有維持完整結(jié)構(gòu)、保護微環(huán)境的重要作用。分子的親水性強弱，整個分子的

9、電性、電荷分布，以及活性中心周圍的微環(huán)境都由整個酶蛋白分子決定。 有些酶還具有與非底物物質(zhì)結(jié)合的部位，結(jié)合后對反應(yīng)速率具有調(diào)節(jié)作用，稱之為別構(gòu)部位或調(diào)節(jié)部位，具有別構(gòu)部位的酶稱別構(gòu)酶。與別構(gòu)部位結(jié)合的物質(zhì)稱調(diào)節(jié)劑或別構(gòu)劑，如激活劑和抑制劑。調(diào)節(jié)劑與酶別構(gòu)部位結(jié)合后，引起酶構(gòu)象改變，從而影響酶活性中心，改變催化反應(yīng)速率。第二節(jié)第二節(jié) 生物催化作用原理生物催化作用原理3、 酶催化機理酶催化機理一般認(rèn)為，酶發(fā)揮催化作用時活性中心的結(jié)合部位與底物分子結(jié)合，形成酶-底物復(fù)合物，催化部位則與底物分子作用，首先將其轉(zhuǎn)變?yōu)檫^渡態(tài)，然后生成產(chǎn)物釋放出去。（1）酶和底物的結(jié)合機理）酶和底物的結(jié)合機理酶和底物選擇特

10、異性結(jié)合最早提出的是鎖鎖-鑰機理鑰機理，假設(shè)酶和底物分別像鎖和鑰匙一樣機械地匹配，底物比酶要小得多，而且酶的結(jié)構(gòu)是剛性的（圖a）。該機理可解釋酶的專一性，但不能解釋酶為什么能催化比自身大的底物，也無法說明酶催化可逆反應(yīng)和酶的相對專一性現(xiàn)象。a：鎖-鑰機理第二節(jié)第二節(jié) 生物催化作用原理生物催化作用原理后來提出的誘導(dǎo)契合機理誘導(dǎo)契合機理對鎖-鑰機理的不足進行了修正，它認(rèn)為酶的活性中心與底物的結(jié)構(gòu)不是剛性互補而是柔性互補，當(dāng)酶與底物靠近時底物能夠誘導(dǎo)酶的構(gòu)象發(fā)生變化，使其活性中心變得與底物的結(jié)構(gòu)互補（圖b），就好像手與手套的關(guān)系一樣，該機理能很好解釋酶催化的相對專一性現(xiàn)象。b：誘導(dǎo)契合機理第二節(jié)第二

11、節(jié) 生物催化作用原理生物催化作用原理在鎖-鑰機理基礎(chǔ)上還衍生出一個三點附著機理三點附著機理（圖c），可解釋酶的立體專一性。該機理認(rèn)為，立體對映的一對手性底物雖然基團相同，但空間排列不同，這就可能出現(xiàn)底物基團與酶分子表面活性中心的結(jié)合能否互補的問題，只有三點都互補匹配的特定對映異構(gòu)體，酶才能互補地與其結(jié)合，并發(fā)生催化作用。c：三點附著機理第二節(jié)第二節(jié) 生物催化作用原理生物催化作用原理（2）酶催化作用本質(zhì)）酶催化作用本質(zhì)酶活性中心起催化作用的基團是化學(xué)上普通的基團，如組氨酸的咪唑基、半胱氨酸的巰基、谷氨酸或天冬氨酸的羧基等。這些普通的化學(xué)基團為何在普通水溶液中反應(yīng)效率很低，而在酶分子中卻有神奇的催

12、化作用？其作用本質(zhì)如下： 趨近效應(yīng)：趨近效應(yīng)：普通化學(xué)基團在水溶液中與底物分子有一定距離，通過擴散才有相互接近并發(fā)生碰撞的機會。而在酶分子中由于活性中心結(jié)合部位與底物分子結(jié)合形成酶-底物復(fù)合物，使催化部位基團與底物可以相互靠近，因此易于發(fā)生催化作用。 定向效應(yīng)：定向效應(yīng)：在酶分子中，由于底物與酶的緊密結(jié)合，活性部位的催化基團總是從一個方向趨近底物，因此易于進行催化。第二節(jié)第二節(jié) 生物催化作用原理生物催化作用原理 廣義酸堿催化：廣義酸堿催化：酸堿催化是化學(xué)催化中最常見的類型，從廣義酸堿理論，質(zhì)子供體和質(zhì)子受體分別等于酸和堿。酶活性中心的氨基、羧基、巰基、酚羥基和咪唑基等都可作為酸或堿，對底物進行

13、催化加快反應(yīng)速率。例如組氨酸殘基的咪唑基，不僅在中性溶液中同時以廣義酸堿兩種形式存在，而且供給和接受質(zhì)子的速度十分迅速，因此在酶催化中的作用極為重要。 底物形變：底物形變：酶的誘導(dǎo)契合機理指出了底物誘導(dǎo)酶的構(gòu)象改變，研究表明酶和底物的結(jié)合是相互誘導(dǎo)契合的動態(tài)過程，不僅酶的構(gòu)象發(fā)生改變，底物分子的構(gòu)象也發(fā)生變化，酶使底物中的敏感鍵發(fā)生“張力”甚至“變形”，從而使敏感鍵更容易斷裂，加速反應(yīng)進行。 共價催化：共價催化：某些酶增強反應(yīng)速率是通過和底物以共價鍵形成不穩(wěn)定的中間物，使能閾降低，反應(yīng)加快。第三節(jié)第三節(jié) 生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例1、 水解反應(yīng)水解反應(yīng)（1）生物柴油生產(chǎn)）生物

14、柴油生產(chǎn)生物柴油是由動物、植物或微生物油脂與甲醇經(jīng)過酯交換反應(yīng)而得到的可替代柴油的混合脂肪酸甲酯。用脂肪酶作催化劑脂肪酶作催化劑具有工藝簡單、反應(yīng)條件溫和、無污染等優(yōu)點。c h o o cr2c h2o o cr1r o hc h2o o cr3c h2o hc h o hc h2o hr1c o o r r2c o o r r3c o o r +3+脂 肪 酶油 脂醇甘 油生 物 柴 油（2）d-泛酸合成泛酸合成d-泛酸又稱維生素b5，通常以鈣鹽與其它b族維生素復(fù)合用于補充營養(yǎng)，在醫(yī)藥、食品、飼料方面用途廣泛。以尖鐮孢霉菌產(chǎn)內(nèi)酯酶內(nèi)酯酶催化d,l-泛解酸內(nèi)酯不對稱水解，實現(xiàn)消旋物的光學(xué)拆分，

15、可制備出光學(xué)純度高的d-泛酸。oo ho+h2oo hhooo hooo h內(nèi) 酯 酶dl-泛 解 酸 內(nèi) 酯d-泛 酸l-泛 解 酸 內(nèi) 酯消 旋第三節(jié)第三節(jié) 生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例（3）阿斯巴甜生產(chǎn)）阿斯巴甜生產(chǎn)阿斯巴甜是由天冬氨酸和苯丙氨酸甲酯縮合而成的二肽甲酯，是一種低熱量、非糖甜味劑，其甜度是蔗糖的200倍，廣泛用于飲料、乳品、食品及藥品方面。其生產(chǎn)工藝以來源于芽孢桿菌菌株的嗜熱菌蛋白酶嗜熱菌蛋白酶催化二肽，經(jīng)脫保護基生成產(chǎn)物阿斯巴甜。（4）半合成）半合成-內(nèi)酰胺抗生素內(nèi)酰胺抗生素青霉素?；甘前牒铣煽股氐闹匾福纱呋嗝顾豨和v、頭孢菌素的側(cè)鏈酰胺鍵水解

16、，分別生成母核6-氨基青霉烷酸和7-氨基頭孢烷酸（7-aca），改變ph等條件又可由母核合成多種半合成的青霉素或頭孢菌素。的側(cè)鏈水解和合成nh2coomehooccoohhnxnh2coomenhcoohcoomeohnx+嗜 熱 菌 蛋 白 酶dl-苯 丙 氨 酸 甲 酯x=保 護 基l-天 東 氨 酸 （ 氨 基 被 保 護 ）l-苯 丙 氨 酸 甲 酯二 肽ohnonsc o o h+h2oh2nonsc o o hoo h+青 霉 素 酰 化 酶頭 孢 菌 素 g7-ac a苯 乙 酸or2nh2r1h2nonsr3cooh-r2hohnonsr3coohr1青霉素?；?d-氨基酸衍

17、生物7-aca衍生物半合成頭孢菌素第三節(jié)第三節(jié) 生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例（5）d-對羥苯甘氨酸合成對羥苯甘氨酸合成半合成-內(nèi)酰胺抗生素均需要非天然的d-氨基酸衍生物作原料，其中重要的有d-對羥苯甘氨酸。d-對羥苯甘氨酸合成的關(guān)鍵步驟為海因酶海因酶催化的立體選擇性c-n鍵水解反應(yīng)。（6） r-苯乙醇酸生產(chǎn)苯乙醇酸生產(chǎn)r-苯乙醇酸又名r-扁桃酸、r-苦杏仁酸，是重要的精細(xì)化工原料。由腈水解酶腈水解酶立體選擇性水解苯乙醇腈能高收率、高對映選擇性地生成r-苯乙醇酸。hohnnhoohohnnhoo+h20hohncoohnh2o+h20-co(nh2)2h2nhocooh消旋海因酶

18、氨甲酰水解酶dl-5-對羥基苯-己內(nèi)酰脲d-n-氨甲酰基對羥基苯甘氨酸d-對羥基苯甘氨酸cnohcnohcoohoh+腈水解酶外消旋物消旋（s）-苯乙醇腈（r）-苦杏仁酸第三節(jié)第三節(jié) 生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例2、 還原反應(yīng)還原反應(yīng)（1）羰基還原反應(yīng)）羰基還原反應(yīng)面包酵母是催化羰基還原應(yīng)用最廣泛的微生物，簡單的脂肪及芳香酮被酵母催化還原得到較高純度的s-醇。一個例子是由魯氏接合酵母的乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶催化生產(chǎn)s-4-(3,4-亞甲基二氧苯基)-2-丙醇，該化合物對肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化具有療效，還可合成其他藥物。（2）c=c還原還原生物催化c=c前手性還原具有很高的立體選擇性

19、，發(fā)揮催化作用的是烯醇酯還原酶，很多微生物都具有此酶，包括面包酵母。由面包酵母還原得到的r-2,2,6-三甲基-1,4-環(huán)己二酮是合成天然3-羥基類胡蘿卜素的中間體。ooo魯氏接合酵母(s)ohoos-醇第三節(jié)第三節(jié) 生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例3、 氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)（1）米格列醇關(guān)鍵中間體合成）米格列醇關(guān)鍵中間體合成由氧化葡萄糖酸桿菌氧化葡萄糖酸桿菌d-山梨醇脫氫酶催化山梨醇c-5位特異性脫氫氧化，生成n-烷基-6-氨基-l-山梨糖，它是糖尿病藥物米格列醇的關(guān)鍵中間體。（2）單加氧酶反應(yīng)）單加氧酶反應(yīng)單加氧酶催化氧分子單加氧酶催化氧分子中的一個氧原子加入底物，而另一個氧原子通

20、過消耗一分子氫供體被還原成水，可獲得許多有價值的環(huán)氧化物，如液晶手性中間體、前列腺素原料等，單加氧酶由珊瑚色諾卡氏菌細(xì)胞提供。hoohnhrohohoh-h2hoohnhrohoho氧化葡萄糖酸桿菌1-氨基-d-山梨醇6-氨基-l-山梨醇ro2ro+單加氧酶烯烴環(huán)氧化物第三節(jié)第三節(jié) 生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例生物催化的工業(yè)應(yīng)用實例（3）雙加氧酶反應(yīng)）雙加氧酶反應(yīng)通過形成過氧化物雙加氧酶雙加氧酶可將氧氣的兩個原子同時加入到底物中，例如惡臭假單胞菌的安息香酸雙加氧酶催化苯及取代基苯羥基化合成r,s-1,2-二羥兒茶酚，它是抗病毒-內(nèi)酰胺的手性中間體。（4）氧化酶反應(yīng)）氧化酶反應(yīng)氧化酶主要催化電子轉(zhuǎn)移至分子氧，副產(chǎn)物為過氧化氫或水。如球孢白僵菌氧化酶生產(chǎn)2-(4-羥基苯氧基)丙酸（hpops），它是除草劑的重要中間體。ro22nadh2nad+(s)(r)rohoh(z)(e)+苯或取代苯r=h,f,me,cf3安息香酸雙加氧酶(r,s)-1,2-二羥兒茶酚o(r)cooh+o2o(r)coohho氧化酶2-苯氧基丙酸2-（4-羥基苯氧基）丙酸 （hpops）第三節(jié)