《工業(yè)催化原理》第八單元 生物催化基礎及過程

第八單元生物催化基礎及過程主要內容：生物催化的特征；生物催化作用原理；生物催化工業(yè)應用實例.

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)應用.化工資源有效利用國家重點實驗室

1第一節(jié)生物催化的特征生物催化是指生物催化劑作用下的催化反應，生物催化劑一般包括生物酶、整體細胞、催化抗體等。然而大多數情況下生物催化劑主要指酶，它是由細胞產生的具有催化功能的生物大分子。在酶催化反應中，被酶催化的物質叫底物，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、單位時間內酶催化反應底物轉化的量或產物生成的量。和化學催化相比，生物催化反應具有反應選擇性高、反應條件溫和、反應速度快等特點，特別是選擇性方面，具有以下顯著特征：一、絕對專一性：一種酶只催化一種底物進行一種反應，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格要求，而且對底物整個分子的化學基團也有同樣嚴格的要求。第一節(jié)生物催化的特征二、相對專一性：一種酶能夠催化一類結構相似的底物進行某種相同類型的反應，這種專一性稱為相對專一性，其嚴格程度較低，但不同的酶對底物結構的識別不同。具體地表現為下述形式：1、鍵專一性：酶能夠作用于具有相同化學鍵的一類底物，而不辨識鍵兩側的基團。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：酶作用于底物時不僅識別特定的化學鍵，而且還識別鍵某一側的基團。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)域專一性：指酶對位于同一底物分子中不同位置官能團的選擇性。如磷脂酶A2僅水解3-sn-磷脂酰膽堿的2位酯鍵，而對1位酯鍵無作用。第一節(jié)生物催化的特征三、立體專一性：指酶只能特異性地作用于所有立體異構體的其中一種的特性，這是酶催化的最重要特征，根據具體情況分為以下幾類。1、對映體專一性：指酶只催化一對對映異構體中的一種對映體反應，如氨基?；钢淮呋疞-N-乙酰氨基酸反應生成L-氨基酸，而不催化D-N-乙酰氨基酸反應。2、幾何專一性：酶對具有順反異構的底物有嚴格的選擇性，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：酶可催化前手性底物選擇性地形成具有一定立體構型的產物，如烏頭酸酶催化前手性分子檸檬酸轉化成手性分子異檸檬酸。第二節(jié)生物催化作用原理1、

酶的分子結構酶是有催化功能的蛋白質，其分子結構與其它蛋白質相同，具有一級、二級三級和四級結構。（1）一級結構酶與其他蛋白質一樣，是由20多種基本氨基酸按肽鍵形式共價連接而成的，相對分子質量約為1.2×104～1.0×106，其分子基礎為多肽鏈，肽鏈的通式為：第二節(jié)生物催化作用原理（2）二級結構蛋白質的二、三和四級結構統(tǒng)稱為蛋白質的構象。二級結構產生的機理之一是蛋白質分子中的肽鍵的偏雙鍵性質。由于C=O雙鍵中的π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，不能自由旋轉；與肽鍵相連的六個原子構成剛性平面結構，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α-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，旋轉的角度分別叫做兩面角、Ψ，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，達到協調后的狀態(tài)就是該條肽鏈的穩(wěn)定二級結構，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)生物催化作用原理（3）三級、四級結構三級結構是指多肽在二級結構的基礎上進一步搭配和組裝形成的具有一定規(guī)律的三維空間結構。三級結構穩(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。各二級結構結構之間的組裝方式主要有、β、ββ，大多數情況下組裝僅僅出現在一個酶蛋白的局部，即呈現區(qū)域空間結構，在不同蛋白分子呈現的代表性區(qū)域空間結構，有時也稱為超二級結構。如果酶蛋白分子僅由一條肽鏈組成，三級結構就是它的最高結構層次。四級結構是多亞基蛋白質的三維空間結構，是指各亞基肽鏈之間相互作用所形成更為復雜的寡聚物的結構形式。主要描述亞基之間相互關系，不涉及亞基內部結構。維持四級結構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)生物催化作用原理2、

酶的結構與催化功能酶的分子結構是催化功能的物質基礎，各種酶之所以有催化活性和專一性，都是出于其分子結構的特殊性。酶蛋白分子上具有與催化有關的特定區(qū)域稱為活性部位或活性中心，它能同底物結合并起催化作用?；钚灾行囊话阄挥诿阜肿拥谋砻?，是由結合部位和催化部位所組成。前者直接同底物結合，決定酶的專一性，即決定同何種底物結合；后者直接參加催化，決定所催化反應的性質。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，具有維持完整結構、保護微環(huán)境的重要作用。分子的親水性強弱，整個分子的電性、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結合的部位，結合后對反應速率具有調節(jié)作用，稱之為別構部位或調節(jié)部位，具有別構部位的酶稱別構酶。與別構部位結合的物質稱調節(jié)劑或別構劑，如激活劑和抑制劑。調節(jié)劑與酶別構部位結合后，引起酶構象改變，從而影響酶活性中心，改變催化反應速率。第二節(jié)生物催化作用原理3、

酶催化機理一般認為，酶發(fā)揮催化作用時活性中心的結合部位與底物分子結合，形成酶-底物復合物，催化部位則與底物分子作用，首先將其轉變?yōu)檫^渡態(tài)，然后生成產物釋放出去。（1）酶和底物的結合機理酶和底物選擇特異性結合最早提出的是鎖-鑰機理，假設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，而且酶的結構是剛性的（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和酶的相對專一性現象。A：鎖-鑰機理第二蓄節(jié)生物趙催化國作用六原理后來哥提出互的誘導龜契合踐機理對鎖-鑰機楊理的追不足候進行駐了修浙正，月它認吹為酶置的活航性中察心與剝底物姥的結胡構不比是剛化性互昏補而材是柔鍋性互區(qū)補，奶當酶答與底戴物靠瀉近時林底物己能夠精誘導律酶的繩構象我發(fā)生摔變化表，使嗎其活勤性中紙心變斥得與獅底物煙的結牧構互控補（幸圖B），襯就好凱像手聰與手融套的朝關系翼一樣塘，該貌機理殖能很耗好解登釋酶料催化事的相釘對專燭一性趴現象襯。B：誘抓導契包合機巖理第二漏節(jié)生物給催化鄰作用總原理在鎖-鑰機往理基倍礎上住還衍拳生出欠一個三點房誠附著顏機理（圖C），預可解雹釋酶病的立唯體專療一性亮。該掌機理異認為哨，立俗體對廟映的踩一對芹手性墻底物嶄雖然受基團叨相同還，但炒空間紹排列柱不同魯，這賴就可鋒能出樣現底吊物基例團與怒酶分串子表您面活愈性中盞心的櫻結合毒能否興互補熱的問葛題，每只有廢三點釋都互極補匹逃配的蔬特定私對映丑異構半體，預酶才希能互憑補地踢與其成結合沸，并揚發(fā)生高催化既作用騙。C：三桶點附撿著機漠理第二塑節(jié)生物哨催化疼作用辣原理（2）酶無催化投作用鑰本質酶活驗性中糖心起緊催化注作用岔的基旱團是諸化學蔽上普帳通的流基團丘，如講組氨淋酸的揀咪唑來基、施半胱偽氨酸街的巰州基、悼谷氨遲酸或易天冬鴨氨酸侄的羧樸基等溝。這慕些普泄通的元化學膚基團霉為何嶄在普成通水辮溶液跳中反角應效咳率很世低，屢而在思酶分昂子中阻卻有醫(yī)神奇年的催美化作憤用？旅其作殃用本毅質如茶下：①趨近喪效應暖：普通尼化學除基團訴在水樣溶液寇中與躁底物盛分子很有一謀定距孤離，毒通過延擴散間才有廳相互幅接近箭并發(fā)桶生碰昆撞的蹤蝶機會罪。而暑在酶迷分子這中由言于活仗性中惑心結釘合部慶位與校底物膨分子師結合鍛形成腦酶-底物蜜復合童物，躲使催蜘化部缸位基電團與億底物到可以琴相互特靠近鋒，因獵此易燈于發(fā)椅生催欺化作哲用。②定向炒效應暖：在酶斯分子頑中，較由于雖底物控與酶藏的緊甜密結中合，辨活性早部位茅的催挑化基怎團總口是從煉一個脊方向魔趨近晴底物香，因名此易慌于進紋行催效化。第二牽節(jié)生物周催化彎作用病原理③廣義稼酸堿材催化斜：酸堿障催化令是化乎學催?；衅茸畛＿呉姷凝g類型救，從港廣義雹酸堿物理論浪，質的子供熱體和習質子乖受體絹分別作等于才酸和卸堿。伏酶活裂性中冒心的譜氨基文、羧使基、世巰基低、酚霉羥基坊和咪裝唑基源等都料可作戚為酸糕或堿筒，對票底物堂進行公催化諒加快白反應活速率腰。例評如組縣氨酸倡殘基柿的咪家唑基朱，不店僅在久中性貧溶液滔中同烏時以均廣義絲式酸堿候兩種回形式薯存在萬，而兇且供造給和清接受秧質子爪的速皆度十久分迅預速，斃因此纖在酶冤催化蹄中的扯作用莖極為凈重要徐。④底物貿形變閥：酶的我誘導習契合烏機理坊指出銜了底慢物誘芹導酶淘的構庫象改倒變，艙研究神表明久酶和均底物桿的結乳合是狂相互起誘導運契合樸的動欠態(tài)過縣程，蓮不僅昨酶的燥構象勒發(fā)生餓改變伶，底兼物分勢子的腸構象彩也發(fā)床生變男化，探酶使哥底物斷中的朝敏感軌鍵發(fā)敞生“張力”甚至“變形”，從奏而使旨敏感嬌鍵更塌容易重斷裂昨，加漫速反取應進鼻行。⑤共價唇催化久：某些島酶增閱強反口應速聲率是滲通過愁和底優(yōu)物以戚共價糟鍵形惹成不箏穩(wěn)定朗的中池間物妄，使民能閾俊降低仍，反填應加助快。第三繞節(jié)鑒生物芳催化校的工魂業(yè)應難用實灶例1、水解鈔反應（1）生孝物柴悉油生辰產生物令柴油以是由皺動物將、植似物或因微生歪物油否脂與些甲醇荷經過驢酯交攜換反帖應而涌得到盈的可勇替代溫柴油紙的混聰合脂肝肪酸貼甲酯惑。用脂肪則酶作近催化虎劑具有編工藝多簡單憶、反詠應條機件溫換和、罷無污肯染等蠅優(yōu)點廳。（2）D-泛酸專合成D-泛酸數又稱丟維生吼素B5，通窄常以掛鈣鹽慰與其云它B族維座生素宣復合機用于掃補充假營養(yǎng)咸，在車醫(yī)藥寄、食佳品、揚飼料欠方面離用途款廣泛閥。以眠尖鐮阿孢霉衫菌產內酯狡酶催化D,覺L-泛解糾酸內限酯不縱對稱誤水解紹，實辛現消蕉旋物招的光妖學拆列分，寬可制讓備出啦光學跟純度購高的D-泛酸姓。第三諒節(jié)案生物透催化被的工各業(yè)應壤用實丹例（3）阿減斯巴庫甜生底產阿斯脂巴甜控是由修天冬挖氨酸市和苯煙丙氨匹酸甲史酯縮竭合而趁成的央二肽辮甲酯靈，是王一種昂低熱婆量、絞非糖勤甜味鐵劑，葬其甜碧度是馳蔗糖獄的20財0倍，旱廣泛坦用于芒飲料嘆、乳亂品、遞食品切及藥推品方六面。當其生倘產工爪藝以坡來源鴨于芽泉孢桿雙菌菌滅株的嗜熱智菌蛋許白酶催化惕二肽哀，經劑脫保榨護基理生成簡產物蔥阿斯社巴甜洪。（4）半唉合成β-內酰躬胺抗李生素青霉結素酰致化酶魂是半味合成雞抗生寺素的策重要嬌酶，獎它可子催化妻青霉浩素G和V、頭美孢菌有素的亡側鏈鞋酰胺畫鍵水蜻解，蘇分別歇生成依母核6-氨基龍青霉蠟烷酸爹和7-氨基桃頭孢屆烷酸井（7-豬AC察A），瞇改變pH等條倒件又巴可由講母核華合成飛多種執(zhí)半合孩成的嚷青霉睡素或肌頭孢州菌素沙。的側細鏈水字解和替合成第三臘節(jié)偉生物框催化緊的工賢業(yè)應弓用實址例（5）D-對羥蓋苯甘順氨酸孝合成半合飄成β-內酰佩胺抗撓生素兔均需婚要非卻天然伸的D-氨基代酸衍羨生物避作原形料，攪其中撐重要矮的有D-對羥滑苯甘綱氨酸仔。D-對羥姑苯甘咐氨酸囑合成久的關路鍵步鬼驟為海因忍酶催化發(fā)的立孔體選分擇性C-掙N鍵水鑒解反際應。（6）R-苯乙稀醇酸求生產R-苯乙辨醇酸嗓又名R-扁桃乘酸、R-苦杏扁仁酸槽，是擋重要疏的精姿細化貞工原宴料。套由腈水僻解酶立體乞選擇走性水擱解苯乏乙醇爐腈能遼高收汽率、竿高對域映選蒙擇性秤地生剃成R-苯乙格醇酸環(huán)。第三喪節(jié)逆生物并催化睛的工翠業(yè)應首用實詞例2、還原敘反應（1）羰創(chuàng)基還魚原反競應面包義酵母勸是催魂化羰椒基還哨原應捐用最唇廣泛雁的微煮生物蔥，簡治單的濫脂肪熟及芳象香酮遇被酵澤母催酬化還燒原得夫到較板高純習度的S-醇。區(qū)一個砍例子另是由倡魯氏盾接合些酵母浸的乙醇亦脫氫粥酶催化植生產S-肥4-棉(3顆,4踐-亞甲才基二裂氧苯授基)-菠2-丙醇摩，該皮化合秧物對宰肌萎紙縮性近脊髓梯側索呼硬化嚇具有膨療效倡，還霧可合造成其泡他藥食物。（2）C=涌C還原生物挖催化C=嚷C前手熊性還駱原具蔽有很衛(wèi)高的籍立體歌選擇告性，劍發(fā)揮明催化沉作用懶的是戀烯醇憲酯還折原酶遭，很聞多微唐生物閃都具線有此睛酶，節(jié)包括摟面包閱酵母徑。由攔面包橫酵母炒還原漂得到摸的R-折2,任2,掩6-三甲毯基-1確,4墓-環(huán)己落二酮蔬是合看成天纏然3-羥基兩類胡單蘿卜擱素的保中間處體。第三豆節(jié)佛生物示催化慌的工麗業(yè)應味用實產例3、氧化統(tǒng)反應（1）米圍格列虜醇關忘鍵中凡間體哈合成由氧化火葡萄點糖酸封桿菌D-山梨菊醇脫碗氫酶序催化燙山梨跳醇C-吩5位特攔異性煮脫氫防氧化堤，生姐成N-烷基-6升-氨基-L必-山梨漸糖，追它是善糖尿蹤蝶病藥活物米炎格列尾醇的法關鍵佛中間丹體。（2）單兩加氧患酶反神應單加講氧酶睡催化殘氧分磨子中的洋一個失氧原效子加充入底道物，蘇而另紀一個壘氧原濁子通枯過消翠耗一利分子摩氫供抖體被便還原輩成水掌，可尾獲得件許多張有價瓦值的最環(huán)氧紛化物非，如克液晶擦手性擾中間度體、搖前列俯腺素小原料食等，坡單加錘氧酶茫由珊頭瑚色尸諾卡須氏菌偷細胞卡提供務。第三盤節(jié)娃生物睡催化尺的工澤業(yè)應拒用實液例（3）雙扒加氧訂酶反竟應通過烘形成呢過氧庸化物雙加馬氧酶可將庫氧氣綠的兩杠個原寧子同然時加規(guī)入到鏡底物親中，拒例如稻惡臭您假單望胞菌哈的安師息香算酸雙盲加氧擱酶催陣化苯息及取壁代基窩苯羥播基化徒合成R,抓S-1顯,2撈-二羥妥兒茶烤酚，芬它是刑抗病克毒β-內酰呆胺的抬手性自中間繪體。（4）氧飲化酶娃反應氧化梯酶主折要催黎化電藏子轉訴移至司分子該氧，年副產斃物為差過氧篩化氫碧或水盡。如粒球孢飛白僵版菌氧糧化酶錦生產2-尺(4球?-羥基反苯氧蚊基)丙酸酒（HP草OP煌S），菜它是背除草辛劑的厚重要犁中間腸體。第三淺節(jié)總