生物催化緒論詳解

生物催化緒論詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有59頁\編輯于星期三優(yōu)選生物催化緒論現(xiàn)在是2頁\一共有59頁\編輯于星期三內(nèi)容提要1.生物催化的學(xué)科基礎(chǔ)2.生物催化的基本概念3.生物催化的技術(shù)特點4.生物催化的由來和發(fā)展現(xiàn)在是3頁\一共有59頁\編輯于星期三(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(xué)催化為核心的基礎(chǔ)物質(zhì)加工業(yè)面臨潛在的危機現(xiàn)在是4頁\一共有59頁\編輯于星期三地球化學(xué)進化地球化學(xué)循環(huán)人類物質(zhì)文明認(rèn)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(xué)加工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展基礎(chǔ)物質(zhì)加工業(yè)效法自然,發(fā)展清潔高效的生物制造(趨勢）生物制造生物催化劑生物資源自然的生物催化和轉(zhuǎn)化巨大潛力生物催化與生物轉(zhuǎn)化是解決物質(zhì)加工危機的有效途徑之一現(xiàn)在是5頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化的定義生物催化與轉(zhuǎn)化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(xué)品、醫(yī)藥、能源、材料的技術(shù)科學(xué)。

它的特點是高效性、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)是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)”。現(xiàn)在是6頁\一共有59頁\編輯于星期三現(xiàn)在是7頁\一共有59頁\編輯于星期三當(dāng)前，如何利用微生物的豐富酶系和基因資源將地球表面富余的、可以再生的大量木質(zhì)纖維素原料有效地轉(zhuǎn)化為人類社會有用的生物質(zhì)能源和生物基化學(xué)品及材料，便成為新一代工業(yè)生物技術(shù)研究的熱門課題?，F(xiàn)在是8頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化的學(xué)科基礎(chǔ)生物催化與化學(xué)催化生物催化與發(fā)酵技術(shù)生物催化與化學(xué)工程現(xiàn)在是9頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化是典型的交叉學(xué)科化學(xué)生物學(xué)化學(xué)工程生物催化微生物學(xué)分子生物學(xué)酶學(xué)生物化學(xué)有機化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)器設(shè)計現(xiàn)在是10頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化與化學(xué)催化

生物催化與化學(xué)催化的作用原理一樣酶幾乎可以催化有機化學(xué)中的所有反應(yīng)酶創(chuàng)造了一個更溫和更優(yōu)越的反應(yīng)條件現(xiàn)在是11頁\一共有59頁\編輯于星期三反應(yīng)E.C.編號酶Meerwein-Ponndorff-Verley還原乙醇脫氫酶Oppenauer乙醇脫氫酶Bayer-Villiger氧化2Bayer-Villiger單加氧酶醚鍵裂解甘油醚酶歧化反應(yīng)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/1酸/堿性磷酸酶酯化反應(yīng)4枯草桿菌蛋白酶轉(zhuǎn)酯反應(yīng)4枯草桿菌蛋白酶肟解反應(yīng)脂肪酶………………酶幾乎可以催化有機化學(xué)中的所有反應(yīng)現(xiàn)在是12頁\一共有59頁\編輯于星期三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)現(xiàn)在是13頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化與發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵：利用一些工業(yè)原料如含有糖、淀粉的糖蜜或玉米等作為碳源，用活細胞發(fā)酵，可以生成更復(fù)雜的目標(biāo)產(chǎn)物前體發(fā)酵：使用活細胞將特定的前體轉(zhuǎn)化為目標(biāo)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(biāo)產(chǎn)物酶催化：通常用粗酶或部分純化的酶將底物轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物，純酶很少使用，除非是生產(chǎn)高附加值的精細化學(xué)品現(xiàn)在是14頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化與化學(xué)工程化學(xué)工程注重反應(yīng)及其過程性，研究傳質(zhì)、傳熱、傳動現(xiàn)象酶反應(yīng)工程的主要目標(biāo)是在高化學(xué)選擇性和高對映選擇性條件下，實現(xiàn)高底物轉(zhuǎn)化率的高時空產(chǎn)率酶催化反應(yīng)中存在底物擴散、抑制、反應(yīng)器設(shè)計等問題，其解決需要參考化學(xué)工程的理論SPKsKpSPE現(xiàn)在是15頁\一共有59頁\編輯于星期三2.生物催化的基本概念酶的分類及命名酶催化的機理酶活力的測定要領(lǐng)現(xiàn)在是16頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的種類及命名習(xí)慣命名法底物名+“酶”如己糖激酶、蛋白酶、脲酶

反應(yīng)類型+“酶”如己糖激酶、乳酸脫氫酶、DNA聚合酶

酶的來源如胃蛋白酶

這種習(xí)慣命名法缺乏科學(xué)系統(tǒng)性，易產(chǎn)生“一酶多名”或“一名多酶”問題。現(xiàn)在是17頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的種類及命名國際系統(tǒng)命名法

該命名法規(guī)定，每種酶的名稱應(yīng)明確標(biāo)明底物及所催化反應(yīng)的特征，即酶的名稱應(yīng)包含兩部分：前面為底物，后面為所催化反應(yīng)的名稱。

現(xiàn)在是18頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的種類及命名現(xiàn)在是19頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的種類及命名根據(jù)酶學(xué)委員會1961年的第一個報告,所有的酶依據(jù)催化的反應(yīng)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(xué)委員會,EnzymeCommission”)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

現(xiàn)在是20頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的種類及命名國際酶學(xué)委員會(EnzymeCommission,EC)將所有的酶按它們所催化反應(yīng)的性質(zhì)分為六大類。現(xiàn)在是21頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的活性中心酶的活性中心:酶分子上能與底物特異地結(jié)合并起催化作用的具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(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現(xiàn)在是22頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的活性中心催化基團活性中心底物分子結(jié)合基團現(xiàn)在是23頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的活性中心結(jié)合基團(Bindinggroup)酶分子中與底物結(jié)合，使底物與酶的一定構(gòu)象形成復(fù)合物的基團。酶的結(jié)合基團決定酶反應(yīng)的專一性現(xiàn)在是24頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的活性中心催化基團(Catalyticgroup)酶分子中催化底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物的基團。催化基團決定酶所催化反應(yīng)的性質(zhì)?，F(xiàn)在是25頁\一共有59頁\編輯于星期三酶的活性中心調(diào)控基團(Regulatorygroup)酶分子中一些可與其他分子發(fā)生某種程度的結(jié)合并引起酶分子空間構(gòu)象的變化，對酶起激活或抑制作用的基團?，F(xiàn)在是26頁\一共有59頁\編輯于星期三酶催化動畫現(xiàn)在是27頁\一共有59頁\編輯于星期三酶催化降低反應(yīng)活化能的機理現(xiàn)在是28頁\一共有59頁\編輯于星期三酶催化降低反應(yīng)活化能的機理動畫現(xiàn)在是29頁\一共有59頁\編輯于星期三酶催化降低反應(yīng)活化能的機理鄰近效應(yīng)(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange)：Proximity:發(fā)生反應(yīng)的兩個分子與酶結(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(dāng)于增加了局部反應(yīng)物的濃度）；Orientation:與酶結(jié)合后的反應(yīng)物分子不僅互相靠近，而且處于發(fā)生反應(yīng)的最優(yōu)取向，不需要在碰撞中來調(diào)整反應(yīng)分子間的取向

現(xiàn)在是30頁\一共有59頁\編輯于星期三靜電催化(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(yīng)產(chǎn)生副產(chǎn)物。如果水是底物，酶有可以讓水進入活性中心的方式，此時水分子可能存在于活性中的某個位置。酶中的帶電基團可以穩(wěn)定反應(yīng)中產(chǎn)生的帶電荷的中間產(chǎn)物，通常這些中間產(chǎn)物是不穩(wěn)定的酶催化降低反應(yīng)活化能的機理現(xiàn)在是31頁\一共有59頁\編輯于星期三酶催化降低反應(yīng)活化能的機理使用結(jié)合能穩(wěn)定過渡態(tài)，降低活化能是酶催化過程中最重要的降低活化能的機理酶和過渡態(tài)的結(jié)合比與底物或產(chǎn)物的結(jié)合緊密地多，活化能降低，反應(yīng)速率增大現(xiàn)在是32頁\一共有59頁\編輯于星期三酶活力概念酶活力就是酶促反應(yīng)的能力。酶活力大小就是指在一定條件所催化的某一化學(xué)反應(yīng)速度的快慢，即酶催化的反應(yīng)速度越快，酶活力越高，反之則表示該酶活力低。

酶的定量并非對其蛋白質(zhì)進行定量，而是對它的催化能力進行定量。所以，酶的定量就是測定酶的活力，也即測定酶促反應(yīng)的速度?，F(xiàn)在是33頁\一共有59頁\編輯于星期三如何測定酶活力？以產(chǎn)物濃度對反應(yīng)時間作圖，可得到酶促反應(yīng)速度曲線0產(chǎn)物濃度時間注意：初速度的測定是關(guān)鍵，為什么？現(xiàn)在是34頁\一共有59頁\編輯于星期三如何測定酶活力？可見，反應(yīng)速度只在最初一段時間內(nèi)保持恒定，隨著時間的延長，反應(yīng)速度逐漸下降產(chǎn)物濃度時間0原因底物濃度的降低、產(chǎn)物的增加造成逆反應(yīng)的加快產(chǎn)物的抑制作用酶本身逐漸失活現(xiàn)在是35頁\一共有59頁\編輯于星期三酶活力測定的要領(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(yīng)速度基本達到最大反應(yīng)速度，測定的誤差在可接受范圍。

酶濃度:在反應(yīng)條件一定時，酶濃度與反應(yīng)速度成正比。按照中間產(chǎn)物學(xué)說，只有[S]>>[E]時，酶才能被底物分子飽和，反應(yīng)速度才能達到最大值。因此當(dāng)標(biāo)本酶活力過高時，應(yīng)將標(biāo)本適當(dāng)稀釋后再加以測定。反應(yīng)條件:酶活力的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。現(xiàn)在是36頁\一共有59頁\編輯于星期三反應(yīng)時間:通常要求底物濃度足夠大，測定底物濃度的變化在起始濃度的5％以內(nèi)的速率，這樣可以保證所測定的速率是最初速率。此結(jié)果能比較可靠地反映酶的含量。輔助因子：某些金屬離子和維生素類輔酶是結(jié)合酶的輔助因子，這些酶離開它們的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的供給。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的需要。抑制劑：抑制劑使酶活性降低，在測定酶活性時，應(yīng)避免抑制劑的影響?，F(xiàn)在是37頁\一共有59頁\編輯于星期三3.生物催化的技術(shù)特點生物催化的性能生物催化的優(yōu)點生物催化的缺點生物催化的用途現(xiàn)在是38頁\一共有59頁\編輯于星期三催化劑的性能指標(biāo)活性選擇性穩(wěn)定性生物催化劑現(xiàn)在是39頁\一共有59頁\編輯于星期三活性總酶活: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)量催化劑的活力,評價催化劑性能的基本指標(biāo)1U·mg蛋白質(zhì)-1=1μmol·(min·mg蛋白質(zhì))-1*一個好的生物催化劑,比活至少為1Umg蛋白質(zhì)-1,當(dāng)用于工業(yè)規(guī)模時,它的比活必須更高,甚至接近100Umg蛋白質(zhì)-1現(xiàn)在是40頁\一共有59頁\編輯于星期三活性體積活力:單位體積催化劑的活力1U·ml-1=1μmol·(min·ml)-1轉(zhuǎn)換頻率:每秒每個活性位點能發(fā)生的催化事件,比比活更好,與酶量無關(guān),對于遵循米氏方程的酶反應(yīng),tof=1/kcat轉(zhuǎn)化頻率(tof)=催化事件的數(shù)目時間×活性為點的數(shù)目Tof=turnoverfrequency現(xiàn)在是41頁\一共有59頁\編輯于星期三選擇性目標(biāo)產(chǎn)物分子光學(xué)純的重要性以及生物催化劑對實現(xiàn)這一目標(biāo)的獨特優(yōu)越性,對映選擇性是生物催化劑選擇性研究中最重要的一種對映選擇率(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現(xiàn)在是42頁\一共有59頁\編輯于星期三穩(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,)，即用生產(chǎn)一定量的產(chǎn)物所需的酶量表示：當(dāng)生物催化劑的純度已知時，可用整體轉(zhuǎn)換數(shù)(totalturnovernumber,TTN),即有生成的產(chǎn)物量和消耗的生物催化劑量表示：*對于合成工藝TTN應(yīng)超過10000，對于大規(guī)模的加工工藝，TTN最好大于1000000現(xiàn)在是43頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化的優(yōu)點無可比擬的選擇性當(dāng)酶用于增強反應(yīng)的化學(xué)選擇性或區(qū)域選擇性時，酶的最大優(yōu)勢就是能辨別對映異構(gòu)的底物。R型和S型異構(gòu)體之間的Gibbs自由焓差異ΔGRS只有1~3kJ/mol。在酶的作用下，對映選擇性通?？梢愿哂?9%e.e.。在高級醫(yī)藥中間體合成中，酶的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%的不純物質(zhì)分別進行毒性實驗。現(xiàn)在是44頁\一共有59頁\編輯于星期三反應(yīng)條件很溫和酶的作用條件很溫和，它能在常溫、中性pH和水相中起作用，今天這些已被認(rèn)為是優(yōu)點，而不再是缺點。工業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，例如“可持續(xù)發(fā)展”、“綠色化學(xué)”、“環(huán)境友好制造”，對世界大部分地區(qū)的工業(yè)提出了新的要求。若無耐受這種條件的生物催化劑，這一目標(biāo)很難實現(xiàn)。現(xiàn)在是45頁\一共有59頁\編輯于星期三酶催化的反應(yīng)日益增多生物催化劑能作用的反應(yīng)日益增多。這反映在工業(yè)規(guī)模級生物催化劑應(yīng)用不斷增加上。而且，生物催化劑越來越多地與化學(xué)催化劑相結(jié)合，或在細胞中的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。現(xiàn)在是46頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化的缺點在必需的反應(yīng)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)定性欲將可得的底物轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物時，能適合所需反應(yīng)的生物催化劑不多，隨著生命科學(xué)的發(fā)展，目前生物催化劑的數(shù)量已有明顯增長開發(fā)新型和改良生物催化劑的周期太長，隨著對生物工程和生物催化研究的深入，這一周期必將縮短現(xiàn)在是47頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化在工業(yè)上的應(yīng)用,

掀起生物技術(shù)的第三次浪潮！微生物學(xué)分子生物學(xué)酶學(xué)生物化學(xué)有機化學(xué)過程化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)工程反應(yīng)器設(shè)計化學(xué)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)之一現(xiàn)在是48頁\一共有59頁\編輯于星期三4.

生物催化的由來和發(fā)展生物催化發(fā)展簡史生物催化應(yīng)用現(xiàn)狀生物催化主要障礙生物催化發(fā)展機遇現(xiàn)在是49頁\一共有59頁\編輯于星期三生物酶催化反應(yīng)的發(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(xué)純度好，從而解決了，甾體類藥物合成中的重大難題。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)酵母的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(xué)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）是手性化合物研究的先驅(qū)者，1848年，他從外消旋酒石酸鈉銨鹽晶體的混合物中分離出（+）和（-）酒石酸鈉銨鹽兩種晶體。1894年，菲舍爾（Fischer）提出了“鎖鑰學(xué)說”，用來解釋酶作用的立體專一性。1908年，羅森貝格（Rosenberg）用杏仁（D-醇氰酶）作催化劑合成具有光學(xué)活性的氰醇。這些創(chuàng)造性的工作促進了生物酶催化不對稱合成的研究與發(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的酯合成。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，從此開始了酶的商業(yè)化生產(chǎn)。1984年，Klibanov所開創(chuàng)的非水介質(zhì)中酶反應(yīng)的研究，極大地推動了酶在有機合成中的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初，Cech和Altman分別發(fā)現(xiàn)了具有催化功能的RNA（Ribozyme）從而打破了酶全部都是蛋白質(zhì)的傳統(tǒng)觀念,開辟了酶學(xué)研究的新領(lǐng)域。經(jīng)過近半個世紀(jì)的研究，生物催化的不對稱合成已經(jīng)成功地用于光學(xué)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的制備，成為一種標(biāo)準(zhǔn)的有機合成方法?，F(xiàn)在是50頁\一共有59頁\編輯于星期三生物催化應(yīng)用現(xiàn)狀2002年,Staathof的報告涵蓋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)現(xiàn)在是51頁\一共有59頁\編輯于星期三手性藥物迫切要求促進了生物催化的發(fā)展20世紀(jì)90年代，手性藥物的研發(fā)已成為世界新藥發(fā)展的戰(zhàn)略方向與熱點領(lǐng)域不對稱催化反應(yīng)研究的成功為手性藥物工業(yè)注入了強大的活力，2001年的諾貝爾化學(xué)獎就授予了三位從事不對稱催化反應(yīng)的科學(xué)家生物酶催化是獲取光學(xué)純手性藥物的關(guān)鍵技術(shù)RyojiNoyori

“Wechemistsareproudofourabilitytocreatehighvaluesfromalmostnothingonthebas