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1、化学生物学第三章生物催化第一页，讲稿共三十四页哦第三章第三章 生物催化生物催化Chapter 3.Biocatalysis第四次课第四次课第二页，讲稿共三十四页哦生物催化的概述生物催化的概述1 生物催化的作用机制生物催化的作用机制2 生物催化的应用生物催化的应用3发展前景与展望发展前景与展望4第三页，讲稿共三十四页哦生物催化生物催化（biocatalysis）是利用生物催化剂）是利用生物催化剂(主要是酶或主要是酶或微生物微生物)来改变来改变(通常是加快通常是加快)化学反应速度的作用。化学反应速度的作用。WHAT IS biocatalysis?什么是生物催化？第四页，讲稿共三十四页哦远古时代远
2、古时代酒的酝酿酒的酝酿饴糖的制作饴糖的制作豆类做酱豆类做酱酵母发酵的产物，是细胞酵母发酵的产物，是细胞内酶作用的结果内酶作用的结果在霉菌蛋白酶作用下，豆类蛋白质水解得豆酱和在霉菌蛋白酶作用下，豆类蛋白质水解得豆酱和豆鼓，压榨后制得酱油豆鼓，压榨后制得酱油用麦曲含有的淀粉酶用麦曲含有的淀粉酶将淀粉降解为麦芽糖将淀粉降解为麦芽糖第五页，讲稿共三十四页哦生物催化的产生与发展生物催化的产生与发展 1857年年 Pasteur提出提出酒精发酵是酵酒精发酵是酵母细胞活动的母细胞活动的结果。结果。1897年年 Buchner兄兄弟证明不含弟证明不含细胞的酵母细胞的酵母汁也能进行汁也能进行乙醇发酵。乙醇发酵。
3、1926年年 Sumner首首次从刀豆次从刀豆中提出脲中提出脲酶结晶。酶结晶。第六页，讲稿共三十四页哦生物催化的产生与发展生物催化的产生与发展 1930年年 Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶。酶的结晶。Sumner证明了酶是蛋白质。证明了酶是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop第七页，讲稿共三十四页哦生物催化的产生与发展生物催化的产生与发展 某些某些RNA有催化活性有催化活性（ribozyme，核酶），核酶）Thomas Cech University of Colorado at Boulder,USA Si
4、dney Altman Yale University New Haven,CT,USA 2人共同获人共同获1989年诺年诺贝尔化学贝尔化学奖。奖。第八页，讲稿共三十四页哦生物催化剂的来源生物催化剂的来源 目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，多数来自于微生物细胞。除真核生物和单细胞酵母外，原核多数来自于微生物细胞。除真核生物和单细胞酵母外，原核微生物是生物催化剂的主要来源。微生物是生物催化剂的主要来源。第九页，讲稿共三十四页哦生物催化剂的分类生物催化剂的分类克隆酶、遗传修饰酶蛋克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶白质工程新酶生物催化剂生物
5、催化剂 Biocatalyst 蛋白质类：蛋白质类：Enzyme(天然酶、生物工程酶天然酶、生物工程酶)核酸类：核酸类：Ribozyme;Deoxyribozyme模拟生物催化剂模拟生物催化剂核酶核酶脱氧核酶脱氧核酶Enzyme(酶酶)是一类由活细胞产生，对特有底物具有高效催化作是一类由活细胞产生，对特有底物具有高效催化作用的用的蛋白质蛋白质。第十页，讲稿共三十四页哦生物催化酶的类别生物催化酶的类别生物催化酶生物催化酶水解酶水解酶氧化还原酶氧化还原酶转移酶转移酶异构酶异构酶裂合酶裂合酶合成酶合成酶单纯酶单纯酶复合酶复合酶生物催化酶生物催化酶第十一页，讲稿共三十四页哦水解酶水解酶 hydrola
6、sev 水解酶可催化底物的加水分解反应。水解酶可催化底物的加水分解反应。v 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。v 如，脂肪酶如，脂肪酶(Lipase)催化的酯水解反应：催化的酯水解反应：H2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH第十二页，讲稿共三十四页哦氧化氧化-还原酶可以催化氧化还原酶可以催化氧化-还原反应。还原反应。主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)。如乳酸如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCO
7、OHONADH氧化还原酶氧化还原酶 Oxidoreductase第十三页，讲稿共三十四页哦转移酶可催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移转移酶可催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物分子上。到另一个底物分子上。如，如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。CH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO转移酶转移酶 Transferase第十四页，讲稿共三十四页哦异构酶可催化各种同分异构体的相互转化，即催化底物分异构酶可催化各种同分异构体的相互转化，即催化底物分子内基团或原
8、子的重排过程。子内基团或原子的重排过程。如，如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。OCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH异构酶异构酶 Isomerase第十五页，讲稿共三十四页哦裂合酶可催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键裂合酶可催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。的反应及其逆反应。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。如，如，延胡索酸裂合酶催化的反应。延胡索酸裂合酶催化的反应。裂合酶裂合酶 LyaseHOOCHC CHCOOH+H2OHOOCH2C CHCOOHOH第十六页，讲稿共三
9、十四页哦合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及以及C-S 键的形成反应。但这类反应必须与键的形成反应。但这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi 如，丙酮酸羧化酶催化的反应。如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸丙酮酸 +CO2 草酰乙酸草酰乙酸合成酶合成酶 Ligase or Synthetase第十七页，讲稿共三十四页哦酶的作用特点酶的作用特点N2+6H+6e2NH3固氮酶固氮酶常温、常压常温、常压N2+3H22NH3Fe500,300大气压大气压 对环境条件具有敏感性：对环境条件
10、具有敏感性：酶易失活，要求的反应条件温酶易失活，要求的反应条件温和，对环境条件敏感。和，对环境条件敏感。第十八页，讲稿共三十四页哦 (2)催化作用具有高效性：催化作用具有高效性：酶具有极高的催化效率。酶具有极高的催化效率。相同条件下，以分子比表示：相同条件下，以分子比表示：酶（酶（V）高于无酶（）高于无酶（V）108 1020 倍倍 酶（酶（V）高于普通催化剂（）高于普通催化剂（V）107 1013 倍倍 催化作用具有高度专一性催化作用具有高度专一性 酶的专一性（特异性）酶的专一性（特异性）指酶对所催化的底物有严指酶对所催化的底物有严格的选择性，对所催化的反应类型有严格的规定性，格的选择性，对
11、所催化的反应类型有严格的规定性，一一种酶在一定条件下只能催化一种或一类结构相似的种酶在一定条件下只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型反应的特性。底物进行某种类型反应的特性。第十九页，讲稿共三十四页哦酶专一性酶专一性 类型类型 结构结构专一性专一性 立体异构立体异构 专一性专一性 绝对绝对专一性专一性 相对相对专一性专一性几何异构几何异构 专一性专一性光学异构光学异构 专一性专一性 基团基团专一性（族专一性）专一性（族专一性）键专一性键专一性酶催化作用专一性类型：酶催化作用专一性类型：第二十页，讲稿共三十四页哦绝对专一性绝对专一性指某些酶对底物有绝对严格的要求，即一种指某些酶对底物有绝对
12、严格的要求，即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应酶只能催化一种特定的底物进行反应。O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2ONH3+CO2 O=C脲酶脲酶结构专一性结构专一性酶对所催化的分子（底物，酶对所催化的分子（底物，Substrate）化学结）化学结构的特殊要求和选择。构的特殊要求和选择。第二十一页，讲稿共三十四页哦u 相对专一性相对专一性指酶能催化结构相似的一类底物进行反应。或指酶能催化结构相似的一类底物进行反应。或要求有一定的化学键及键两端的原子基团；或仅要求一定的化学要求有一定的化学键及键两端的原子基团；或仅要求一定的化学键。键。v 键专一性键专一性：酯酶对脂
13、肪的水解作用：酯酶对脂肪的水解作用v 基团专一性基团专一性：胰蛋白酶对肽链的作用：胰蛋白酶对肽链的作用Aa1Aa2Aa3Aa4Aa5Aa6Aa7Aa8-Aa4=Lys第二十二页，讲稿共三十四页哦立体异构专一性立体异构专一性指酶对催化底物的立体结构有高度选指酶对催化底物的立体结构有高度选择性。即一择性。即一 种酶只能作用于底物立体异构中的一种。种酶只能作用于底物立体异构中的一种。几何异构专一性几何异构专一性COOHCH2CH2COOHHOOCCOOHCCHH+FAD+FADH2SDH延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸第二十三页，讲稿共三十四页哦酶作用专一性的机制酶作
14、用专一性的机制2锁钥学说（锁钥学说（Lock and key theory)：Emil Fisher(1890)提出：提出：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。一性地插入到酶的活性中心。第二十四页，讲稿共三十四页哦诱导契合学说（诱导契合学说（induced fit hypothesis）Koshland(1958)提出提出:酶的活性中心在结构上具柔性，当底酶的活性中心在结构上具柔性，当底物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，使酶活性中心物接近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生变化，使酶活性中心有关的基
15、团正确排列和定向，使酶与底物契合而结合成中间产物有关的基团正确排列和定向，使酶与底物契合而结合成中间产物，引发催化反应。，引发催化反应。第二十五页，讲稿共三十四页哦“三点结合三点结合”催化理论催化理论 认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结合认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结合的情况下，不对称催化作用才能实现。的情况下，不对称催化作用才能实现。第二十六页，讲稿共三十四页哦生物催化的主要应用方向生物催化的主要应用方向v 医药医药v 农药农药v 食品添加剂食品添加剂v 有机酸有机酸v饲料添加剂饲料添加剂v化工化工v 轻工轻工v 日化工业日化工业第二十七页，讲稿共三十四页哦生物催
16、化的国内应用实例生物催化的国内应用实例1.生物催化在医药领域的应用生物催化在医药领域的应用-内酰胺类抗生素中间体：内酰胺类抗生素中间体：6-APA和和7-ADCA（青霉素（青霉素G酰化酶）酰化酶）该酶已实现产业化，已占国内该酶已实现产业化，已占国内70以上的份额，并出口欧美；以上的份额，并出口欧美；-内酰胺类抗生素侧链：内酰胺类抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因酶）对羟基苯甘氨酸（海因酶）国内采用一菌双酶法，已经工业化规模生产。国内采用一菌双酶法，已经工业化规模生产。-阻断剂药物中间体：阻断剂药物中间体：(S)-布洛芬系列（环氧化合物水解酶）布洛芬系列（环氧化合物水解酶）其他药物合成前体其他
17、药物合成前体 维生素维生素B6的合成原料：的合成原料：L-丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶）丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶）目前以该酶为催化剂、使目前以该酶为催化剂、使L-天冬氨酸脱羧制备的天冬氨酸脱羧制备的L-丙氨酸，成本（丙氨酸，成本（2 万万元元/吨）低于化学合成的吨）低于化学合成的DL-丙氨酸，并已形成了万吨的生产规模。丙氨酸，并已形成了万吨的生产规模。第二十八页，讲稿共三十四页哦2.生物催化在农药领域的应用生物催化在农药领域的应用 手性农药中间体：手性农药中间体：S-生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶）生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶）S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的24
18、5倍，不仅用量大大减少倍，不仅用量大大减少，而且残留极少，产品的质量好于国外同类产品，已形成，而且残留极少，产品的质量好于国外同类产品，已形成2亿元的年产值亿元的年产值，取得了很好的经济效益。，取得了很好的经济效益。3.生物催化在食品添加剂领域的应用生物催化在食品添加剂领域的应用 甜味剂原料：甜味剂原料：L天冬氨酸和天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸转移酶）苯丙氨酸（氨基酸转移酶）L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制性原料，国内开发了以氨苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制性原料，国内开发了以氨基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线，具有自主知识产权，已实现了基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线，具有自
19、主知识产权，已实现了产业化生产，工艺水平和经济技术指标均达到了国际先进水平。产业化生产，工艺水平和经济技术指标均达到了国际先进水平。第二十九页，讲稿共三十四页哦4.生物催化剂在有机酸领域的应用生物催化剂在有机酸领域的应用L-苹果酸苹果酸（水合酶）（水合酶）L-苹果酸目前稳定在年产苹果酸目前稳定在年产500吨左右，是国际上的主要生产厂，其生吨左右，是国际上的主要生产厂，其生产成本低于化学合成的产成本低于化学合成的DL-苹果酸；苹果酸；L-酒石酸酒石酸 （水解酶）（水解酶）L（+）-酒石酸酒石酸2000年年产近年年产近3000吨，是国际上唯一的应用酶工程技吨，是国际上唯一的应用酶工程技术生产该产品
20、的国家。术生产该产品的国家。5.生物催化剂在饲料添加剂领域的应用生物催化剂在饲料添加剂领域的应用 D-泛酸泛酸（D-泛酸内酯水解酶）泛酸内酯水解酶）以以D-泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆分得到光学纯的泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆分得到光学纯的D-泛解酸内泛解酸内酯，成功地用于酯，成功地用于D-泛酸钙及泛酸钙及D-泛醇的生产，已进入产业化阶段。泛醇的生产，已进入产业化阶段。第三十页，讲稿共三十四页哦6.生物催化在化工领域的应用生物催化在化工领域的应用聚丙烯酰胺前体的制备：聚丙烯酰胺前体的制备：丙烯酰胺（丙烯酰胺（腈水解酶腈水解酶）以人工筛选的腈水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转以人工筛选的腈
21、水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转化为丙烯酰胺的生产中已获得了巨大成功，已形成了万吨化为丙烯酰胺的生产中已获得了巨大成功，已形成了万吨的生产规模；的生产规模；高吸水性、可降解材料的制备：高吸水性、可降解材料的制备：聚谷氨酸（聚谷氨酸（转肽酶转肽酶）通过具有高活性转肽酶的菌株筛选，可将廉价的通过具有高活性转肽酶的菌株筛选，可将廉价的L-谷氨酸转谷氨酸转化为尼龙类高聚物，作为一种可完全降解的高分子材料，具有化为尼龙类高聚物，作为一种可完全降解的高分子材料，具有优良的吸水性（优良的吸水性（2000倍）倍）;第三十一页，讲稿共三十四页哦7.生物催化在轻工和日化工业的应用生物催化在轻工和日化工业的应用淀粉
22、酶：淀粉酶：水解淀粉和糖源类化合物的总称水解淀粉和糖源类化合物的总称 酶目前国内最大的酶制剂产业，用于葡萄糖制备和淀酶目前国内最大的酶制剂产业，用于葡萄糖制备和淀粉降解；粉降解；葡萄糖异构酶：葡萄糖异构酶：果葡糖浆生产果葡糖浆生产 国内已实现工业化生产，形成了较大的规模产业国内已实现工业化生产，形成了较大的规模产业;蛋白酶：蛋白酶：水解肽键的酶，有酸性、中性和碱性蛋白酶水解肽键的酶，有酸性、中性和碱性蛋白酶 用于皮革加工，纺织行业，洗涤行业用于皮革加工，纺织行业，洗涤行业;脂肪酶：脂肪酶：水解酯键的酶总称水解酯键的酶总称 目前酶最大的用途在洗涤助剂上、但更多的来源于进口。目前酶最大的用途在洗涤
23、助剂上、但更多的来源于进口。第三十二页，讲稿共三十四页哦发展前景与展望发展前景与展望23 生物催化剂具有催化效率高、专一性强和污染少等特点，生物催化已经和化生物催化剂具有催化效率高、专一性强和污染少等特点，生物催化已经和化学方法一样，被大量应用于药物的研究开发。学方法一样，被大量应用于药物的研究开发。但生物催化剂由于具有热稳定性差、易受但生物催化剂由于具有热稳定性差、易受pH影响、有机溶剂耐受性影响、有机溶剂耐受性差等缺点，限制了生物催化剂的大规模工业化应用。差等缺点，限制了生物催化剂的大规模工业化应用。不过随着新的生物技术，如定向进化等的出现，利用生物技术对生物催不过随着新的生物技术，如定向
24、进化等的出现，利用生物技术对生物催化剂进行改造优化已成为现实。相信在不久的将来，生物催化一定能在制药化剂进行改造优化已成为现实。相信在不久的将来，生物催化一定能在制药工业中发挥更大的作用，给人类的健康事业作出新的贡献。生物催化的广泛工业中发挥更大的作用，给人类的健康事业作出新的贡献。生物催化的广泛应用，将会给人们提供性能更佳的材料和能源。以可再生的生物原料为基础应用，将会给人们提供性能更佳的材料和能源。以可再生的生物原料为基础的生物生产过程，将逐步取代石化原料生产过程，必将成为的生物生产过程，将逐步取代石化原料生产过程，必将成为21世纪化工生产世纪化工生产的主体，从而实现绿色化工、绿色生产的目标的主体，从而实现绿色化工、绿色生产的目标。第三十三页，讲稿共三十四页哦vTHE END OF CHAP 3!第三十四页，讲稿共三十四页哦