化學(xué)生物學(xué)第三章生物催化

化學(xué)生物學(xué)第三章生物催化第1頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三Contents生物催化的概述1生物催化的作用機(jī)制2生物催化的應(yīng)用3發(fā)展前景與展望4第2頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化的定義生物催化（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。WHATISbiocatalysis?

什么是生物催化？第3頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化的產(chǎn)生與發(fā)展遠(yuǎn)古時(shí)代酒的醞釀飴糖的制作豆類做醬酵母發(fā)酵的產(chǎn)物，是細(xì)胞內(nèi)酶作用的結(jié)果在霉菌蛋白酶作用下，豆類蛋白質(zhì)水解得豆醬和豆鼓，壓榨后制得醬油用麥曲含有的淀粉酶將淀粉降解為麥芽糖第4頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化的產(chǎn)生與發(fā)展

1857年P(guān)asteur提出酒精發(fā)酵是酵母細(xì)胞活動(dòng)的結(jié)果。1897年Buchner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

Sumner首次從刀豆中提出脲酶結(jié)晶。第5頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化的產(chǎn)生與發(fā)展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。Sumner證明了酶是蛋白質(zhì)。J.B.SumnerJ.H.Northrop第6頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化的產(chǎn)生與發(fā)展某些RNA有催化活性（

ribozyme，核酶）

ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USASidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA2人共同獲1989年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。第7頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化劑的來源

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，原核微生物是生物催化劑的主要來源。第8頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化劑的分類克隆酶、遺傳修飾酶蛋白質(zhì)工程新酶……生物催化劑Biocatalyst

蛋白質(zhì)類：Enzyme(天然酶、生物工程酶)核酸類：Ribozyme;Deoxyribozyme模擬生物催化劑核酶脫氧核酶Enzyme(酶)－是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生，對特有底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。第9頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化酶的類別生物催化酶水解酶氧化還原酶轉(zhuǎn)移酶異構(gòu)酶裂合酶合成酶單純酶復(fù)合酶生物催化酶第10頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三水解酶hydrolase水解酶可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。如，脂肪酶(Lipase)催化的酯水解反應(yīng)：第11頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三氧化-還原酶可以催化氧化-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)。氧化還原酶Oxidoreductase第12頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三轉(zhuǎn)移酶可催化基團(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)底物分子上。

如，谷丙轉(zhuǎn)氨酶催化的氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。轉(zhuǎn)移酶Transferase第13頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三異構(gòu)酶可催化各種同分異構(gòu)體的相互轉(zhuǎn)化，即催化底物分子內(nèi)基團(tuán)或原子的重排過程。

如，6-磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)。異構(gòu)酶Isomerase第14頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三裂合酶可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。如，延胡索酸裂合酶催化的反應(yīng)。裂合酶Lyase第15頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三合成酶，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)。但這類反應(yīng)必須與ATP分解反應(yīng)相互偶聯(lián)。A+B+ATP+H-O-H===AB+ADP+Pi如，丙酮酸羧化酶催化的反應(yīng)。丙酮酸+CO2

草酰乙酸合成酶LigaseorSynthetase第16頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三酶的作用特點(diǎn)N2+6H++6e2NH3固氮酶常溫、常壓N2+3H22NH3Fe500℃,300大氣壓⑴對環(huán)境條件具有敏感性：酶易失活，要求的反應(yīng)條件溫和，對環(huán)境條件敏感。第17頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三(2)催化作用具有高效性：酶具有極高的催化效率。相同條件下，以分子比表示：酶（V）高于無酶（V）108～1020

倍酶（V）高于普通催化劑（V）107

～1013

倍⑶催化作用具有高度專一性酶的專一性（特異性）—指酶對所催化的底物有嚴(yán)格的選擇性，對所催化的反應(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)相似的底物進(jìn)行某種類型反應(yīng)的特性。第18頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三酶專一性類型

結(jié)構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性絕對專一性相對專一性幾何異構(gòu)專一性光學(xué)異構(gòu)專一性基團(tuán)專一性（族專一性）鍵專一性酶催化作用專一性類型：第19頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三絕對專一性——指某些酶對底物有絕對嚴(yán)格的要求，即一種酶只能催化一種特定的底物進(jìn)行反應(yīng)。

O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2ONH3+CO2

O=C脲酶結(jié)構(gòu)專一性——酶對所催化的分子（底物，Substrate）化學(xué)結(jié)構(gòu)的特殊要求和選擇。第20頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三相對專一性——指酶能催化結(jié)構(gòu)相似的一類底物進(jìn)行反應(yīng)?；蛞笥幸欢ǖ幕瘜W(xué)鍵及鍵兩端的原子基團(tuán)；或僅要求一定的化學(xué)鍵。鍵專一性：酯酶對脂肪的水解作用

基團(tuán)專一性：胰蛋白酶對肽鏈的作用Aa1－Aa2－Aa3－Aa4－Aa5－Aa6－Aa7－Aa8-Aa4=

Lys第21頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三立體異構(gòu)專一性——指酶對催化底物的立體結(jié)構(gòu)有高度選擇性。即一種酶只能作用于底物立體異構(gòu)中的一種。幾何異構(gòu)專一性延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸第22頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三酶作用專一性的機(jī)制2鎖鑰學(xué)說（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。第23頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三誘導(dǎo)契合學(xué)說（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，引發(fā)催化反應(yīng)。第24頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三“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)合的情況下，不對稱催化作用才能實(shí)現(xiàn)。第25頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化的主要應(yīng)用方向醫(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)第26頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三生物催化的國內(nèi)應(yīng)用實(shí)例1.生物催化在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用β-內(nèi)酰胺類抗生素中間體：6-APA和7-ADCA（青霉素G?；福┰撁敢褜?shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，已占國內(nèi)70％以上的份額，并出口歐美；β-內(nèi)酰胺類抗生素側(cè)鏈：D-對羥基苯甘氨酸（海因酶）國內(nèi)采用一菌雙酶法，已經(jīng)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。β-阻斷劑藥物中間體：(S)-布洛芬系列（環(huán)氧化合物水解酶）

其他藥物合成前體

維生素B6的合成原料：L-丙氨酸（天冬氨酸脫羧酶）目前以該酶為催化劑、使L-天冬氨酸脫羧制備的L-丙氨酸，成本（<2萬元/噸）低于化學(xué)合成的DL-丙氨酸，并已形成了萬噸的生產(chǎn)規(guī)模。第27頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三2.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)量好于國外同類產(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-苯丙氨酸是無糖甜味劑阿斯巴甜的限制性原料，國內(nèi)開發(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)到了國際先進(jìn)水平。第28頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三4.生物催化劑在有機(jī)酸領(lǐng)域的應(yīng)用L-蘋果酸（水合酶）

L-蘋果酸目前穩(wěn)定在年產(chǎn)500噸左右，是國際上的主要生產(chǎn)廠，其生產(chǎn)成本低于化學(xué)合成的DL-蘋果酸；L-酒石酸（水解酶）

L（+）-酒石酸2000年年產(chǎn)近3000噸，是國際上唯一的應(yīng)用酶工程技術(shù)生產(chǎn)該產(chǎn)品的國家。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。第29頁，共30頁，2023年，2月20日，星期三6.