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1、化学生物学第三章生物催化现在学习的是第1页，共34页第三章第三章 生物催化生物催化Chapter 3.Biocatalysis第四次课第四次课现在学习的是第2页，共34页Contents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现在学习的是第3页，共34页生物催化的定义生物催化的定义生生物物催催化化（biocatalysis）是是利利用用生生物物催催化化剂剂(主主要要是是酶酶或或微生物微生物)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 biocatalysi
2、s?什么是生物催化？现在学习的是第4页，共34页生物催化的产生与发展生物催化的产生与发展生物催化的产生与发展生物催化的产生与发展远古时代远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，是细酵母发酵的产物，是细胞内酶作用的结果胞内酶作用的结果在霉菌蛋白酶作用下，豆类蛋白质水解在霉菌蛋白酶作用下，豆类蛋白质水解得豆酱和豆鼓，压榨后制得酱油得豆酱和豆鼓，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现在学习的是第5页，共34页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
3、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。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。现在学习的是第6页，共34页生物催化的产生与发展生物催化的产生与发展 1930年年 Northrop等等得得到到了了胃胃蛋蛋白白酶酶、胰胰蛋蛋白白酶酶和和胰胰凝凝乳乳蛋白酶的结晶。蛋白酶的结晶。Sumner证明了酶是蛋白质。证明了酶是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop现在学习的是第7页，共34页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
4、有催化活性（ribozyme，核酶），核酶）Thomas Cech University of Colorado at Boulder,USA Sidney Altman Yale University New Haven,CT,USA 2人人 共共 同同获获1989年年 诺诺 贝贝尔尔 化化 学学奖。奖。现在学习的是第8页，共34页生物催化剂的来源生物催化剂的来源 目目前前，少少数数生生物物催催化化剂剂是是从从动动物物肝肝脏脏或或植植物物中中提提取取的的，多多数数来来自自于于微微生生物物细细胞胞。除除真真核核生生物物和和单单细细胞胞酵酵母母外外，原原核微生物是生物催化剂的主要来源。核微生物是
5、生物催化剂的主要来源。现在学习的是第9页，共34页生物催化剂的分类生物催化剂的分类克隆酶、遗传修饰酶蛋白克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶质工程新酶生物催化剂生物催化剂 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)是是一一类类由由活活细细胞胞产产生生，对对特特有有底底物物具具有有高高效效催化作用的催化作用的蛋白质蛋白质。现在学习的是第10页，共34页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
6、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现在学习的是第11页，共34页水解酶水解酶 hydrolasev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：现在学习的是第12页，共34页氧化氧化-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(
7、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。氧化还原酶氧化还原酶 Oxidoreductase现在学习的是第13页，共34页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。转移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。转移酶转移酶 Transferase现在学习的是第14页，共34页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子的重排过程。子内基团或原子的重排过程。如，如，6
8、-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。异构酶异构酶 Isomerase现在学习的是第15页，共34页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。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 Lyase现在学习的是第16页，共34页合成酶，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 键键的形成反应。但这类反应必须与的形成反应。但这类反应必须与A
9、TP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现在学习的是第17页，共34页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 对对环环境境条条件件具具有有敏敏感感性性：酶酶易易失失活活，要要求求的的反反应应条条件件温温和和，对环境条件敏感。对环境条件敏感。现在学习的是第18页，共34页 (2)催化作用具有高效性：催化作用具
10、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 酶酶的的专专一一性性（特特异异性性）指指酶酶对对所所催催化化的的底底物物有有严严格格的的选选择择性性，对对所所催催化化的的反反应应类类型型有有严严格格的的规规定定性性，一一种种酶酶在在一一定定条条件件下下只只能能催催化化一一种种或或一一类类结结构构相相似似的的底底物物进行某种类型反应的特性进行某种类型反应的特性
11、。现在学习的是第19页，共34页酶专一性酶专一性 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：现在学习的是第20页，共34页绝绝对对专专一一性性指指某某些些酶酶对对底底物物有有绝绝对对严严格格的的要要求求，即即一一种酶只能催化一种特定的底物进行反应种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
12、脲酶结结构构专专一一性性酶酶对对所所催催化化的的分分子子（底底物物，Substrate）化化学学结结构的特殊要求和选择。构的特殊要求和选择。现在学习的是第21页，共34页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。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键。定的化学键。v 键专一性键专一性：酯酶对脂肪的水解作用：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现在学习的是
13、第22页，共34页立立体体异异构构专专一一性性指指酶酶对对催催化化底底物物的的立立体体结结构构有有高高度度选选择性。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现在学习的是第23页，共34页酶作用专一性的机制酶作用专一性的机制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，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。底物能专一
14、性地插入到酶的活性中心。现在学习的是第24页，共34页诱导契合学说（诱导契合学说（induced fit hypothesis）Koshland(1958)提提出出:酶酶的的活活性性中中心心在在结结构构上上具具柔柔性性，当当底底物物接接近近活活性性中中心心时时，可可诱诱导导酶酶蛋蛋白白构构象象发发生生变变化化，使使酶酶活活性性中中心心有有关关的的基基团团正正确确排排列列和和定定向向，使使酶酶与与底底物物契契合合而而结结合合成成中中间间产产物物，引引发发催化反应。催化反应。现在学习的是第25页，共34页“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，只有在完全结认为酶与底
15、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。合的情况下，不对称催化作用才能实现。现在学习的是第26页，共34页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日化工业日化工业现在学习的是第27页，共34页生物催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
16、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）目目前前以以该该酶酶为为催催化化剂剂、使使L-天天冬冬氨氨酸酸脱脱羧羧制制备备的的L-丙丙氨氨酸酸，成成本本（2 万万元元/吨）低于化学合成的吨）低于化学合成的
17、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。现在学习的是第28页，共34页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-生生物物丙丙烯烯菊菊酯酯生生物物活活性性是是普普通通丙丙烯烯菊菊酯酯的的245倍倍，不不仅仅用用量量大大大大减减少少，而而且且残残留留极极少少，产产品品的的质质量量好好于于国国外外同同类类产产品品，已已形形成成2亿亿元元的的年年产产值值，取取得得了了很很好的经济效益。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
18、 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-苯苯丙丙氨氨酸酸是是无无糖糖甜甜味味剂剂阿阿斯斯巴巴甜甜的的限限制制性性原原料料，国国内内开开发发了了以以氨氨基基转转移移酶酶为为催催化化剂剂的的海海因因酶酶法法制制备备路路线线，具具有有自自主主知知识识产产权权，已已实实现现了了产产业业化化生生产产，工工艺艺水水平平和和经经济济技技术术指指标标均均达达到到了了国国际际先先进进水水平。平。现在学习的是第29页，共34页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-苹苹果果酸酸目目前前稳稳定
19、定在在年年产产500吨吨左左右右，是是国国际际上上的的主主要要生生产产厂厂，其其生生产产成本低于化学合成的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（+）-酒酒石石酸酸2000年年年年产产近近3000吨吨，是是国国际际上上唯唯一一的的应应用用酶酶工工程程技技术生产该产品的国家。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
20、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。现在学习的是第30页，共34页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
21、通过具有高活性转肽酶的菌株筛选，可将廉价的L-谷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，具有优良的吸水性（料，具有优良的吸水性（2000倍）倍）;现在学习的是第31页，共34页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 酶酶目目前前国国内内最最大大的的酶酶制制剂剂产产业业，用用于于葡葡萄萄糖糖制制备备和和淀淀粉粉降解；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
22、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助剂上、但更多的来源于进口。现在学习的是第32页，共34页发展前景与展望发展前景与展望23 生生物物催催化化剂剂具具有有催催化化效效率率高高、专专一一性性强强和和污污染染少少等等特特点点，生生物物催催化化已已经经和化学方法一样，被大量应用于药物的研究开发。和化学方法一样，被大量应用于药物
23、的研究开发。但但生生物物催催化化剂剂由由于于具具有有热热稳稳定定性性差差、易易受受pH影影响响、有有机机溶溶剂剂耐耐受受性性差等缺点，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。不不过过随随着着新新的的生生物物技技术术，如如定定向向进进化化等等的的出出现现，利利用用生生物物技技术术对对生生物物催催化化剂剂进进行行改改造造优优化化已已成成为为现现实实。相相信信在在不不久久的的将将来来，生生物物催催化化一一定定能能在在制制药药工工业业中中发发挥挥更更大大的的作作用用，给给人人类类的的健健康康事事业业作作出出新新的的贡贡献献。生生物物催催化化的的广广泛泛应应用用，将将会会给给人人们们提提供供性性能能更更佳佳的的材材料料和和能能源源。以以可可再再生生的的生生物物原原料料为为基基础础的的生生物物生生产产过过程程，将将逐逐步步取取代代石石化化原原料料生生产产过过程程，必必将将成成为为21世世纪纪化化工工生生产产的的主主体体，从从而而实实现现绿绿色色化工、绿色生产的目标化工、绿色生产的目标。现在学习的是第33页，共34页THE END OF CHAP 3!现在学习的是第34页，共34页