《工業(yè)催化原理》第八單元 生物催化基礎(chǔ)及過(guò)程

第八單元生物催化基礎(chǔ)及過(guò)程主要內(nèi)容：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(shí)例.

理解生物催化的特點(diǎn)；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.化工資源有效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(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(shí)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(diǎn)，特別是選擇性方面，具有以下顯著特征：一、絕對(duì)專一性：一種酶只催化一種底物進(jìn)行一種反應(yīng)，這種高度的專一性稱為絕對(duì)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(duì)尿素的類似物卻均無(wú)作用。具有絕對(duì)專一性的酶不但對(duì)所作用底物的鍵有嚴(yán)格要求，而且對(duì)底物整個(gè)分子的化學(xué)基團(tuán)也有同樣嚴(yán)格的要求。第一節(jié)生物催化的特征二、相對(duì)專一性：一種酶能夠催化一類結(jié)構(gòu)相似的底物進(jìn)行某種相同類型的反應(yīng)，這種專一性稱為相對(duì)專一性，其嚴(yán)格程度較低，但不同的酶對(duì)底物結(jié)構(gòu)的識(shí)別不同。具體地表現(xiàn)為下述形式：1、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(shí)鍵兩側(cè)的基團(tuán)。如酯酶可以催化所有酯類底物水解生成醇和酸。2、基團(tuán)專一性：酶作用于底物時(shí)不僅識(shí)別特定的化學(xué)鍵，而且還識(shí)別鍵某一側(cè)的基團(tuán)。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(shí)的選擇性。3、區(qū)域?qū)Ｒ恍裕褐该笇?duì)位于同一底物分子中不同位置官能團(tuán)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(duì)1位酯鍵無(wú)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(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(duì)映體專一性：指酶只催化一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體中的一種對(duì)映體反應(yīng)，如氨基?；钢淮呋疞-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：酶對(duì)具有順?lè)串悩?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(duì)馬來(lái)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(gòu)型的產(chǎn)物，如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)生物催化作用原理1、

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(jí)、二級(jí)三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。（1）一級(jí)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(jià)連接而成的，相對(duì)分子質(zhì)量約為1.2×104～1.0×106，其分子基礎(chǔ)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(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二、三和四級(jí)結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為蛋白質(zhì)的構(gòu)象。二級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)理之一是蛋白質(zhì)分子中的肽鍵的偏雙鍵性質(zhì)。由于C=O雙鍵中的π電子云與N原子上的未共用電子對(duì)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(gè)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(duì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)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(duì)立統(tǒng)一，達(dá)到協(xié)調(diào)后的狀態(tài)就是該條肽鏈的穩(wěn)定二級(jí)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)生物催化作用原理（3）三級(jí)、四級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主要借助各種次級(jí)鍵，包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力等。各二級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)之間的組裝方式主要有、β、ββ，大多數(shù)情況下組裝僅僅出現(xiàn)在一個(gè)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(shí)也稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)。如果酶蛋白分子僅由一條肽鏈組成，三級(jí)結(jié)構(gòu)就是它的最高結(jié)構(gòu)層次。四級(jí)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(jí)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)生物催化作用原理2、

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。活性中心一般位于酶分子的表面，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(duì)酶催化特性亦不可或缺，具有維持完整結(jié)構(gòu)、保護(hù)微環(huán)境的重要作用。分子的親水性強(qiáng)弱，整個(gè)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(gè)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(duì)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)生物催化作用原理3、

酶催化機(jī)理一般認(rèn)為，酶發(fā)揮催化作用時(shí)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^(guò)渡態(tài)，然后生成產(chǎn)物釋放出去。（1）酶和底物的結(jié)合機(jī)理酶和底物選擇特異性結(jié)合最早提出的是鎖-鑰機(jī)理，假設(shè)酶和底物分別像鎖和鑰匙一樣機(jī)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(jī)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(wú)法說(shuō)明酶催化可逆反應(yīng)和酶的相對(duì)專一性現(xiàn)象。A：鎖-鑰機(jī)理第二蓄節(jié)生物趙催化國(guó)作用六原理后來(lái)哥提出互的誘導(dǎo)龜契合踐機(jī)理對(duì)鎖-鑰機(jī)楊理的追不足候進(jìn)行駐了修浙正，月它認(rèn)吹為酶置的活航性中察心與剝底物姥的結(jié)胡構(gòu)不比是剛化性互昏補(bǔ)而材是柔鍋性互區(qū)補(bǔ)，奶當(dāng)酶答與底戴物靠瀉近時(shí)林底物己能夠精誘導(dǎo)律酶的繩構(gòu)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(jié)牧構(gòu)互控補(bǔ)（幸圖B），襯就好凱像手聰與手融套的朝關(guān)系翼一樣塘，該貌機(jī)理殖能很耗好解登釋酶料催化事的相釘對(duì)專燭一性趴現(xiàn)象襯。B：誘抓導(dǎo)契包合機(jī)巖理第二漏節(jié)生物給催化鄰作用總原理在鎖-鑰機(jī)往理基倍礎(chǔ)上住還衍拳生出欠一個(gè)三點(diǎn)房誠(chéng)附著顏機(jī)理（圖C），預(yù)可解雹釋酶病的立唯體專療一性亮。該掌機(jī)理異認(rèn)為哨，立俗體對(duì)廟映的踩一對(duì)芹手性墻底物嶄雖然受基團(tuán)叨相同還，但炒空間紹排列柱不同魯，這賴就可鋒能出樣現(xiàn)底吊物基例團(tuán)與怒酶分串子表您面活愈性中盞心的櫻結(jié)合毒能否興互補(bǔ)熱的問(wèn)葛題，每只有廢三點(diǎn)釋都互極補(bǔ)匹逃配的蔬特定私對(duì)映丑異構(gòu)半體，預(yù)酶才希能互憑補(bǔ)地踢與其成結(jié)合沸，并揚(yáng)發(fā)生高催化既作用騙。C：三桶點(diǎn)附撿著機(jī)漠理第二塑節(jié)生物哨催化疼作用辣原理（2）酶無(wú)催化投作用鑰本質(zhì)酶活驗(yàn)性中糖心起緊催化注作用岔的基旱團(tuán)是諸化學(xué)蔽上普帳通的流基團(tuán)丘，如講組氨淋酸的揀咪唑來(lái)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(xué)膚基團(tuán)霉為何嶄在普成通水辮溶液跳中反角應(yīng)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(zhì)如茶下：①趨近喪效應(yīng)暖：普通尼化學(xué)除基團(tuán)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(guò)延擴(kuò)散間才有廳相互幅接近箭并發(fā)桶生碰昆撞的蹤蝶機(jī)會(huì)罪。而暑在酶迷分子這中由言于活仗性中惑心結(jié)釘合部慶位與校底物膨分子師結(jié)合鍛形成腦酶-底物蜜復(fù)合童物，躲使催蜘化部缸位基電團(tuán)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(yīng)暖：在酶斯分子頑中，較由于雖底物控與酶藏的緊甜密結(jié)中合，辨活性早部位茅的催挑化基怎團(tuán)總口是從煉一個(gè)脊方向魔趨近晴底物香，因名此易慌于進(jìn)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(xué)催?；衅茸畛＿呉?jiàn)的齡類型救，從港廣義雹酸堿物理論浪，質(zhì)的子供熱體和習(xí)質(zhì)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(duì)票底物堂進(jìn)行公催化諒加快白反應(yīng)活速率腰。例評(píng)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(shí)以均廣義絲式酸堿候兩種回形式薯存在萬(wàn)，而兇且供造給和清接受秧質(zhì)子爪的速皆度十久分迅預(yù)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(mào)形變閥：酶的我誘導(dǎo)習(xí)契合烏機(jī)理坊指出銜了底慢物誘芹導(dǎo)酶淘的構(gòu)庫(kù)象改倒變，艙研究神表明久酶和均底物桿的結(jié)乳合是狂相互起誘導(dǎo)運(yùn)契合樸的動(dòng)欠態(tài)過(guò)縣程，蓮不僅昨酶的燥構(gòu)象勒發(fā)生餓改變伶，底兼物分勢(shì)子的腸構(gòu)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?cái)嗔炎?，加漫速反取?yīng)進(jìn)鼻行。⑤共價(jià)唇催化久：某些島酶增閱強(qiáng)反口應(yīng)速聲率是滲通過(guò)愁和底優(yōu)物以戚共價(jià)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(yīng)加助快。第三繞節(jié)鑒生物芳催化校的工魂業(yè)應(yīng)難用實(shí)灶例1、水解鈔反應(yīng)（1）生孝物柴悉油生辰產(chǎn)生物令柴油以是由皺動(dòng)物將、植似物或因微生歪物油否脂與些甲醇荷經(jīng)過(guò)驢酯交攜換反帖應(yīng)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(jiǎn)單憶、反詠應(yīng)條機(jī)件溫?fù)Q和、罷無(wú)污肯染等蠅優(yōu)點(diǎn)廳。（2）D-泛酸專合成D-泛酸數(shù)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(fù)合機(jī)用于掃補(bǔ)充假營(yíng)養(yǎng)咸，在車醫(yī)藥寄、食佳品、揚(yáng)飼料欠方面離用途款廣泛閥。以眠尖鐮阿孢霉衫菌產(chǎn)內(nèi)酯狡酶催化D,覺(jué)L-泛解糾酸內(nèi)限酯不縱對(duì)稱誤水解紹，實(shí)辛現(xiàn)消蕉旋物招的光妖學(xué)拆列分，寬可制讓備出啦光學(xué)跟純度購(gòu)高的D-泛酸姓。第三諒節(jié)案生物透催化被的工各業(yè)應(yīng)壤用實(shí)丹例（3）阿減斯巴庫(kù)甜生底產(chǎn)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(cái)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(dāng)其生倘產(chǎn)工爪藝以坡來(lái)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(jīng)劑脫保榨護(hù)基理生成簡(jiǎn)產(chǎn)物蔥阿斯社巴甜洪。（4）半唉合成β-內(nèi)酰躬胺抗李生素青霉結(jié)素酰致化酶魂是半味合成雞抗生寺素的策重要嬌酶，獎(jiǎng)它可子催化妻青霉浩素G和V、頭美孢菌有素的亡側(cè)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(cè)細(xì)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(yīng)弓用實(shí)址例（5）D-對(duì)羥蓋苯甘順氨酸孝合成半合飄成β-內(nèi)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(duì)羥滑苯甘綱氨酸仔。D-對(duì)羥姑苯甘咐氨酸囑合成久的關(guān)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(yīng)。（6）R-苯乙稀醇酸求生產(chǎn)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(xì)化貞工原宴料。套由腈水僻解酶立體乞選擇走性水?dāng)R解苯乏乙醇爐腈能遼高收汽率、竿高對(duì)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(yīng)首用實(shí)詞例2、還原敘反應(yīng)（1）羰創(chuàng)基還魚原反競(jìng)應(yīng)面包義酵母勸是催魂化羰椒基還哨原應(yīng)捐用最唇廣泛雁的微煮生物蔥，簡(jiǎn)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(xí)度的S-醇。區(qū)一個(gè)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(chǎn)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(duì)宰肌萎紙縮性近脊髓梯側(cè)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(yīng)味用實(shí)產(chǎn)例3、氧化統(tǒng)反應(yīng)（1）米圍格列虜醇關(guān)忘鍵中凡間體哈合成由氧化火葡萄點(diǎn)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?cái)r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(guān)鍵佛中間丹體。（2）單兩加氧患酶反神應(yīng)單加講氧酶睡催化殘氧分磨子中的洋一個(gè)失氧原效子加充入底道物，蘇而另紀(jì)一個(gè)壘氧原濁子通枯過(guò)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(jià)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(xì)胞卡提供務(wù)。第三盤節(jié)娃生物睡催化尺的工澤業(yè)應(yīng)拒用實(shí)液例（3）雙扒加氧訂酶反竟應(yīng)通過(guò)烘形成呢過(guò)氧庸化物雙加馬氧酶可將庫(kù)氧氣綠的兩杠個(gè)原寧子同然時(shí)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(nèi)酰呆胺的抬手性自中間繪體。（4）氧飲化酶娃反應(yīng)氧化梯酶主折要催黎化電藏子轉(zhuǎn)訴移至司分子該氧，年副產(chǎn)斃物為差過(guò)氧篩化氫碧或水盡。如粒球孢飛白僵版菌氧糧化酶錦生產(chǎn)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