生物催化劑專業(yè)知識市公開課獲獎?wù)n件

1、 振 國 光 鴻 組 第1頁第1頁生物催化劑歷史：背景：第2頁第2頁第3頁第3頁第4頁第4頁生物催化是利用生物催化劑（是酶或微生物）來改變（通常是加速）化學(xué)反應(yīng)速率。生物催化劑是指生物反指應(yīng)過程中起催化作用游離或固定化細(xì)胞各游離或固定化酶總稱。第5頁第5頁第6頁第6頁特點一、效率極高。二、高度專一。三、條件溫和。四、清潔環(huán)境保護(hù)。第7頁第7頁生物催化劑應(yīng)用當(dāng)前，生物催化工藝對化學(xué)工業(yè)已產(chǎn)生重大影響，全球酶市場規(guī)模約1O億美元。在老式方面，微生物和酶工藝已被用于生物衍生原料，現(xiàn)在開始擴(kuò)展到石油衍生材料領(lǐng)域，且手性酶在有機(jī)藥物合成及柴油微生物脫硫中得到廣泛應(yīng)用，在反應(yīng)中作歧化劑。在生產(chǎn)小分子藥物及

2、中間體時，生物轉(zhuǎn)化和老式化學(xué)辦法最明顯區(qū)別就是能非常有效地不對稱合成手性化合物。由于生物催化劑是一類以蛋白質(zhì)為主體催化劑，其催化活性易受溫度及pH 影響。伴隨溫度上升，反應(yīng)速度加快，但達(dá)到某一溫度以上(普通455O)，蛋白質(zhì)就會變性失活，其反應(yīng)速度就會急速下降；同樣它也只在有限pH 值范圍內(nèi)起反應(yīng)，故每種酶都有其最佳溫度和pH 值。而有些工業(yè)生產(chǎn)過程需在一定溫度、壓力、pH 值或有機(jī)溶劑條件下進(jìn)行，因此要求所用生物催化劑含有較高耐受力，以適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)需要。當(dāng)前生物催化技術(shù)應(yīng)用主要局限于有無適當(dāng)生物催化劑 ，應(yīng)用當(dāng)代篩選技術(shù)可取得抱負(fù)生物催化劑。第8頁第8頁生物催化劑篩選生物催化劑廣泛應(yīng)用有賴

3、于對大量生物分子有效篩選和檢驗。不同菌株和不同酶催化專一性、活力及穩(wěn)定性有很大差異，因此相關(guān)菌種分離、篩選、選育等工作不可缺乏。在實際工作中，要擴(kuò)大生物催化劑應(yīng)用必須處理生物催化中一些經(jīng)典困難和操作上限制，如溫度、pH值、產(chǎn)物克制、反應(yīng)速度及處理物料濃度等。要處理這些問題必須以保持催化劑高效選擇性和特異性為前提。在生物催化劑篩選中已打破傳統(tǒng)方法 ，當(dāng)前，將生物誘變技術(shù)和高通篩選技術(shù)相結(jié)合是取得理想生物催化劑有效方法。第9頁第9頁生物催化劑起源當(dāng)前，少數(shù)生物催化劑是從動物肝臟或植物 中提取，多數(shù)來自于微生物細(xì)胞。除真核生物。 和單細(xì)胞酵母(如從南極假絲酵母中得到了高效脂肪酶CalB)外，原核微生

4、物是生物催化劑主要起源。由于原核微生物(細(xì)菌和古生菌)是地球上出現(xiàn)最早和數(shù)量最多生命形態(tài)，經(jīng)歷了漫長演變后，許多微生物為適應(yīng)“惡劣”環(huán)境而含有了非常高耐受性，從而可從中得到大量高性能生物催化劑。現(xiàn)在，即使微生物培養(yǎng)也有其不足，如諸多生物體用當(dāng)前技術(shù)還無法進(jìn)行培養(yǎng)，但通過微生物培養(yǎng)來取得生物催化劑仍是最普通和最有效辦法。這是由于微生物培養(yǎng)能加速生物體新陳代謝而增長其數(shù)量，為以后高通量篩選提供了有利條件。第10頁第10頁生物催化劑缺點生物催化劑本質(zhì)是酶，即使含有催化效率 高、專一性強(qiáng)和污染少等長處，但在有機(jī)溶劑中生物催化劑穩(wěn)定性和耐受性都很低，易受到有機(jī)溶劑破壞，另外它催化活性還受到溶劑pH和反應(yīng)

5、溫度影響。第11頁第11頁在有機(jī)合成方面應(yīng)用生物催化劑應(yīng)用于取代反應(yīng) 許多酶都能夠用來催化丙氨酸、絲氨酸、半胱氨酸衍生物b一碳上取代反應(yīng)以及蛋氨酸等化合物r一碳上取代反應(yīng) 。如O一乙?；z氨酸在酶作用下，發(fā)生b一碳原子上取代反應(yīng)，得到L二分之一胱氨酸 ，再如，L二分之一胱氮酸與L一高絲氮酸反應(yīng)，在酶作用下， r一碳上羥基被取代，生成L一胱硫醚 ：第12頁第12頁在食品工業(yè)中應(yīng)用在食品工業(yè)中能夠用來減少粘度、提升抽職效率(或分離效率)、增香、實現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化等。在這些應(yīng)用方面也同樣推廣著固定酶技術(shù)， 當(dāng)前世界上規(guī)模最大固定酶工藝就是用固定化葡萄糖異構(gòu)酶以葡萄糖為原料生產(chǎn)果糖糖漿。詳細(xì)辦法是將葡萄糖異

6、構(gòu)酶固定在二乙胺乙基纖維素上，異構(gòu)化條件是溫度為20，PH為69。這種固定酶活力可達(dá)90 ，并且假如酶皤性減少可加入新酶使之再生。第13頁第13頁第14頁第14頁生物催化劑應(yīng)用于加成與消除反應(yīng)一 碳碳雙鍵加成 H-EHogberg及P Berglund等人系統(tǒng)地研究了碳碳雙鍵在酵母粉下加成反應(yīng) 第15頁第15頁二 碳氧雙鍵加成 醛縮合酶能夠催化羥醛縮合反應(yīng)。在這一類酶中，以果糖一1，6一二磷醛縮酶(FDPA)在有機(jī)合成中應(yīng)用研究最為進(jìn)一步。舉例來說，在二羥基丙酮與2一羥基丙醛反應(yīng)中，以果糖一1，6-二磷醛縮酶催化，得到Furaneol第16頁第16頁生物催化劑應(yīng)用于酯合成及水解反應(yīng)一 酯合成

7、酯合成慣用羧酸和醇作原料，比如Pseudomomasfragi脂肪酶經(jīng)PEG修飾后能溶于苯中，可在25有效催化萜烯醇香料(香茅醇、香葉醇、金合歡醇、植醇)和短鏈羧酸(25碳酸)酯化反應(yīng)，產(chǎn)率80 95 ” ，酶也能夠完畢單脂肪酸甘油酯合成 以及增進(jìn)內(nèi)酯合成 等。另外酯互換反應(yīng)也是制備酯一個主要辦法，當(dāng)采用此法合成新酯時，也能夠用酶作催化劑，下列例所表示第17頁第17頁第18頁第18頁二 酯水解反應(yīng) 由于酯在酸性或堿性條件下水解，都也許引起碳架改變，得到副產(chǎn)物。而酶催化水解反應(yīng)，條件溫和，不會影響碳架結(jié)構(gòu)，因此酯水解反應(yīng)用酶來催化顯得尤為主要。比如在酸性或堿性條件下水解環(huán)丙酵乙酸酯，都會發(fā)生開環(huán)

8、反應(yīng)，生成丙醛和一個羥醛縮合產(chǎn)物，而用豬肝酯酶作催化劑，在pH為75條件下水解才得到環(huán)丙醇第19頁第19頁生物催化劑應(yīng)用于酰胺合成及水解反應(yīng)一 酰胺和肽合成 酶催化反應(yīng)在青霉索和頭孢菌素酰胺鍵生成中，起著極為主要作用。比如在酶作用下，7一氨基去乙酰氧基頭孢菌素酸(7一ADAc)和D一苯基甘氮酸能夠轉(zhuǎn)變?yōu)轭^孢菌素。第20頁第20頁 當(dāng)?shù)孜锓肿雍懈鞣N不同反應(yīng)能力官能團(tuán)時，若想得到單一目標(biāo)產(chǎn)物選取酶作催化劑是最正確，比如天冬門酰胺合成第21頁第21頁生物催化劑應(yīng)用于氧化和還原反應(yīng) 一 氧化反應(yīng) 酶催化氧化反應(yīng)包括醇氧化、醛氧化以及酮氧化成酯反應(yīng)。如伯醇與仲醇氧化普通采用醇脫氫酶，馬肝脫氫酶(HLA

9、D)就是其中之一；新型 環(huán)糊精衍生物催化糠醛制糠酸 ；環(huán)己酮氧化成環(huán)己內(nèi)酯；酶還能夠用來催化脫氫氧化反應(yīng)，CHCH鍵脫氫反應(yīng)，用微生物細(xì)胞將烯烴轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)氧化物 ，氨基酸氧化反應(yīng)，氮、硫、硒等原子氧化反應(yīng)等。第22頁第22頁二 醛和酮還原反應(yīng) 除甲醛之外，所有醛都是潛手性。因此在酶催化下，醛還原得到a- 碳為手性伯醇。比如 a一甲基苯丙醛在酵母粉作用下可還原成伯醇酮生物催化還原也是一類主要反應(yīng)，而且還原產(chǎn)物通常含有光學(xué)活性。比如 ：第23頁第23頁在食品工業(yè)中應(yīng)用在食品工業(yè)中能夠用來減少粘度、提升抽職效率(或分離效率)、增香、實現(xiàn)生物轉(zhuǎn)化等。在這些應(yīng)用方面也同樣推廣著固定酶技術(shù)， 當(dāng)前世界上規(guī)模

10、最大固定酶工藝就是用固定化葡萄糖異構(gòu)酶以葡萄糖為原料生產(chǎn)果糖糖漿。詳細(xì)辦法是將葡萄糖異構(gòu)酶固定在二乙胺乙基纖維素上，異構(gòu)化條件是溫度為20，PH為69。這種固定酶活力可達(dá)90 ，并且假如酶皤性減少可加入新酶使之再生。第24頁第24頁第25頁第25頁在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用生物摧化劑在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用已引出人玉細(xì)胞、人工器官等新概念。如利用微囊化技術(shù)，將酶等生物大分子固定在0.2-3um半透膜內(nèi)，形成人工細(xì)胞。由于薄膜隔離，囊內(nèi)酶分子不與囊外免 球蛋白接觸， 也不受水解酶破壞，這樣制成含有一個酶人工細(xì)胞就是第一代人工細(xì)胞。利用這種脲酶微囊即脲酶人工細(xì)胞能夠轉(zhuǎn)化動物血中尿為氨，再用固定化吸附劑除去氨，這就是最簡

11、樸人工腎。用上述徽囊法制成韻含有多酶系統(tǒng)微囊即是第二代人-工細(xì)胞，者把脲酶、谷氨陵脫氫酶、醇轉(zhuǎn)氨酶等共同固定在微囊內(nèi)， 那么尿素和氨代謝就能夠在這種微囊作用下周而復(fù)始地運轉(zhuǎn)。這種人工腎就更進(jìn)了一步 另外據(jù)報導(dǎo)用微囊化胰島細(xì)胞植入誘發(fā)糖尿病大鼠體內(nèi)能夠控制血糖水平治療糖尿病，機(jī)體排斥反應(yīng)能夠避免。第26頁第26頁市場現(xiàn)實狀況當(dāng)前， 用在精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)上生物催化荊市場不超出2 0002 500萬美元， 僅為藕制荊總市場5 (見表1)。第27頁第27頁 生物催化劑市場很大部分是壟斷或半壟斷。這些催化劑常被提供應(yīng)某個獨家用戶。倒如，意大利Do Bi-Sclavo公司就專為該國Recordati公司生產(chǎn)

12、能拆分DL一對羥苯基甘氨酸乙內(nèi)酰脲酶系統(tǒng)。相對于酶制刺工業(yè)其它部分，生物催化劑產(chǎn)品銷售極為零碎， 幾乎還沒有某種生物催化劑產(chǎn)品市場超出10O萬美元。只有B-內(nèi)酰胺酶類(如青霉素或頭孢菌素酰胺酶)是個突出倒外， 其市場約為8 OOl 000萬美元， 占生物催化劑市場5O 。第28頁第28頁前景 近年來，生物催化劑在精細(xì)化學(xué)品市場中顯現(xiàn)強(qiáng)大增長率。預(yù)計用于精細(xì)化學(xué)工業(yè)和制藥工業(yè)生物催化劑在1億美元到13億美元，預(yù)計年增長率達(dá)8-9。已工業(yè)化酶法合成有類固醇及甾醇合成、生物堿合成、有機(jī)酸類合成、糖轉(zhuǎn)化、藥用多肽及蛋白質(zhì)合成、氨基酸類合成、核苷酸類合成。世界經(jīng)合組織(OECD)認(rèn)為“生物催化技術(shù)是工業(yè)

13、可連續(xù)發(fā)展最有希望技術(shù)”，它高速發(fā)展將帶來技術(shù)上創(chuàng)新，也將推動生產(chǎn)力高速發(fā)展。在過去十年中，由于開發(fā)了現(xiàn)在廣泛使用必要分子生物科技工具和高通量篩選技術(shù)，生物催化劑已經(jīng)取得了很大注重。由于上述特點，生物催化劑將會受到業(yè)界生產(chǎn)商進(jìn)一步青睞。到年，生物技術(shù)在全球精細(xì)化學(xué)工業(yè)份額將會由當(dāng)前15%躍升至年6O，增長速度十分驚人，并且實現(xiàn)也許性很大。生物技術(shù)在有機(jī)精細(xì)化學(xué)工業(yè)合成領(lǐng)域份額將會快速增長，并將完全取代老式合成生產(chǎn)工藝在該領(lǐng)域使用。生物催化劑酶技術(shù)應(yīng)用不但僅局限于合成手性分子，并且還可用于生產(chǎn)手性聚合物，尤其是在化妝品工業(yè)和食品工業(yè)應(yīng)用前景更為光明。 第29頁第29頁結(jié)語與展望 由于生物催化劑具有催化效率高、專一性強(qiáng)和污染少等特點，生物催化已經(jīng)和化學(xué)辦法同樣，被大量應(yīng)用于藥物研究開發(fā)。但生物催化劑熱穩(wěn)定性差、易受pH影響和有機(jī)溶劑耐受性差等缺點，限制了生物催化劑用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。但是隨著新生物技術(shù)如定向進(jìn)化出現(xiàn)，利用