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1、化学生物学第三章生物催化第一页，讲稿共三十页哦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 生物催化的生物催化的应用用3发展前景与展望展前景与展望4第二页，讲稿共三十页哦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(主主要要是是酶或或微生物微生物)来改来改变(通常是加快通常是加快)化学反化学反应速度的作用。速度的作用。WHAT IS biocatalysis?什么是生物催化？第三页，讲稿共三十页哦生物催化的生物催化的生物催化的生物催化的产产生与生与生与生与发发展展展展远古时代远古时代酒的酝酿酒的
2、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第四页，讲稿共三十页哦生物催化的生物催化的产生与生与发展展 1857年年 Pasteur提出提出酒精酒精发酵是酵酵是酵母母细胞活胞活动的的结果。果。1897年年 Buchner兄兄弟弟证明不含明不含细胞的酵母胞的酵母汁也能汁也能进行行乙醇乙醇发酵。酵。1926年年 Sumner首首次从刀豆次
3、从刀豆中提出中提出脲酶结晶。晶。第五页，讲稿共三十页哦生物催化的生物催化的产生与生与发展展 1930年年 Northrop等等得得到到了了胃胃蛋蛋白白酶、胰胰蛋蛋白白酶和和胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶的的结晶。晶。Sumner证明了明了酶是蛋白是蛋白质。J.B.SumnerJ.H.Northrop第六页，讲稿共三十页哦生物催化的生物催化的产生与生与发展展 某些某些RNA有催化活性有催化活性（ribozyme，核，核酶）Thomas Cech University of Colorado at Boulder,USA Sidney Altman Yale University New Haven,CT
4、,USA 2人人 共共 同同获获1989年年诺诺贝贝尔尔化化学奖。学奖。第七页，讲稿共三十页哦生物催化生物催化剂的来源的来源 目目前前，少少数数生生物物催催化化剂是是从从动物物肝肝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胞胞。除除真真核核生生物物和和单细胞胞酵酵母母外外，原原核核微微生生物是生物催化物是生物催化剂的主要来源。的主要来源。第八页，讲稿共三十页哦生物催化生物催化剂的分的分类克隆克隆酶、遗传修修饰酶蛋蛋白白质工程新工程新酶生物催化生物催化剂 Biocatalyst 蛋白蛋白质类：Enzyme(天然天然酶、生物工程、生物工程酶)核酸核酸类：Ribozyme;D
5、eoxyribozyme模模拟生物催化生物催化剂核核酶脱氧核脱氧核酶Enzyme(酶)是是一一类由由活活细胞胞产生生，对特特有有底底物物具具有有高高效效催催化作用的化作用的蛋白蛋白质。第九页，讲稿共三十页哦生物催化生物催化酶的的类别生物催化生物催化酶水解水解酶氧化氧化还原原酶转移移酶异构异构酶裂合裂合酶合成合成酶单纯酶单纯酶复合酶复合酶生物催化生物催化酶第十页，讲稿共三十页哦水解水解酶 hydrolasev水解水解酶可催化底物的加水分解反可催化底物的加水分解反应。v主要包括淀粉主要包括淀粉酶、蛋白、蛋白酶、核酸、核酸酶及脂及脂酶等。等。v如，脂肪如，脂肪酶(Lipase)催化的催化的酯水解反水
6、解反应：第十一页，讲稿共三十页哦氧化氧化-还原原酶可以催化氧化可以催化氧化-还原反原反应。主要包括脱主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化和氧化酶(Oxidase)。如乳酸如乳酸(Lactate)脱脱氢酶催化乳酸的脱催化乳酸的脱氢反反应。氧化氧化还原原酶 Oxidoreductase第十二页，讲稿共三十页哦转移移酶可催化基可催化基团转移反移反应，即将一个底物分子的基，即将一个底物分子的基团或原子或原子转移移到另一个底物分子上。到另一个底物分子上。如，如，谷丙谷丙转氨氨酶催化的氨基催化的氨基转移反移反应。转移移酶 Transferase第十三页，讲稿共三十页哦异构异构酶可催化各种同分
7、异构体的相互可催化各种同分异构体的相互转化，即催化底物分子化，即催化底物分子内基内基团或原子的重排或原子的重排过程。程。如，如，6-磷酸葡萄糖异构磷酸葡萄糖异构酶催化的反催化的反应。异构异构酶 Isomerase第十四页，讲稿共三十页哦裂合裂合酶可催化从底物分子中移去一个基可催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双或原子形成双键的的反反应及其逆反及其逆反应。主要包括主要包括醛缩酶、水化、水化酶及脱氨及脱氨酶等。等。如，如，延胡索酸裂合延胡索酸裂合酶催化的反催化的反应。裂合裂合酶 Lyase第十五页，讲稿共三十页哦合成合成酶，又称，又称为连接接酶，能，能够催化催化C-C、C-O、C-N 以及以及
8、C-S 键的形成反的形成反应。但。但这类反反应必必须与与ATP分解反分解反应相互偶相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi 如，丙如，丙酮酸酸羧化化酶催化的反催化的反应。丙丙酮酸酸 +CO2 草草酰乙酸乙酸合成合成酶 Ligase or Synthetase第十六页，讲稿共三十页哦酶的作用特点的作用特点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 对环境境条条件件具具有有敏敏感感性性：酶易易失失活活，要要求求的的反反应条条件件温温和和，对环境条件敏感。境条件敏感。第十七页，讲稿共三十页哦 (2)催化作用具有高效性：
9、催化作用具有高效性：酶具有极高的催化效率。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（V）高于无）高于无酶（V）108 1020 倍倍 酶（V）高于普通催化）高于普通催化剂（V）107 1013 倍倍 催化作用具有高度催化作用具有高度专一性一性 酶的的专一一性性（特特异异性性）指指酶对所所催催化化的的底底物物有有严格格的的选择性性，对所所催催化化的的反反应类型型有有严格格的的规定定性性，一一种种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结构构相相似似的的底物底物进行某种行某种类型反型反应的特性的特性。第十八页，讲稿共三十页哦酶专一性一性 类型型
10、 结构构专一性一性 立体异构立体异构 专一性一性 绝对专一性一性 相相对专一性一性几何异构几何异构 专一性一性光学异构光学异构 专一性一性 基基团专一性（族一性（族专一性）一性）键专一性一性酶催化作用催化作用专一性一性类型：型：第十九页，讲稿共三十页哦绝对专一一性性指指某某些些酶对底底物物有有绝对严格格的的要要求求，即即一一种种酶只只能催化一种特定的底物能催化一种特定的底物进行反行反应。O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2ONH3+CO2 O=C脲酶脲酶结构构专一一性性酶对所所催催化化的的分分子子（底底物物，Substrate）化化学学结构的特殊要求和构的特殊要求和选择
11、。第二十页，讲稿共三十页哦u相相对专一性一性指指酶能催化能催化结构相似的一构相似的一类底物底物进行反行反应。或要求有一定的化学或要求有一定的化学键及及键两端的原子基两端的原子基团；或；或仅要求一定要求一定的化学的化学键。v 键专一性一性：酯酶对脂肪的水解作用脂肪的水解作用v 基基团专一性一性：胰蛋白：胰蛋白酶对肽链的作用的作用Aa1Aa2Aa3Aa4Aa5Aa6Aa7Aa8-Aa4=Lys第二十一页，讲稿共三十页哦立立体体异异构构专一一性性指指酶对催催化化底底物物的的立立体体结构构有有高高度度选择性。即一性。即一 种种酶只能作用于底物立体异构中的一种。只能作用于底物立体异构中的一种。几何异构几
12、何异构专一性一性延胡索酸延胡索酸酶：作用于反式的丁：作用于反式的丁烯二酸二酸第二十二页，讲稿共三十页哦酶作用作用专一性的机制一性的机制2锁钥学学说（Lock and key theory)：Emil Fisher(1890)提出：提出：将将酶的活性中心比的活性中心比喻作作锁孔，底物分子象孔，底物分子象钥匙，匙，底物能底物能专一性地插入到一性地插入到酶的活性中心。的活性中心。第二十三页，讲稿共三十页哦诱导契合学契合学说（induced fit hypothesis）Koshland(1958)提提出出:酶的的活活性性中中心心在在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，可可
13、诱导酶蛋蛋白白构构象象发生生变化化，使使酶活活性性中中心心有有关关的的基基团正正确确排排列列和和定定向向，使使酶与与底底物物契契合合而而结合成中合成中间产物，引物，引发催化反催化反应。第二十四页，讲稿共三十页哦“三点三点结合合”催化理催化理论 认为酶与底物的与底物的结合合处至少有三个点，只有在完全至少有三个点，只有在完全结合合的情况下，不的情况下，不对称催化作用才能称催化作用才能实现。第二十五页，讲稿共三十页哦生物催化的主要生物催化的主要应用方向用方向v医医药v农药v食品添加食品添加剂v有机酸有机酸v饲料添加料添加剂v化工化工v轻工工v日化工日化工业第二十六页，讲稿共三十页哦生物催化的国内生物
14、催化的国内应用用实例例1.生物催化在医生物催化在医药领域的域的应用用-内内酰胺胺类抗生素中抗生素中间体：体：6-APA和和7-ADCA（青霉素（青霉素G酰化化酶）该酶已已实现产业化，已占国内化，已占国内70以上的份以上的份额，并出口欧美；，并出口欧美；-内内酰胺胺类抗生素抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因基苯甘氨酸（海因酶）国内采用一菌双国内采用一菌双酶法，已法，已经工工业化化规模生模生产。-阻断阻断剂药物中物中间体：体：(S)-布洛芬系列（布洛芬系列（环氧化合物水解氧化合物水解酶）其他其他药物合成前体物合成前体 维生素生素B6的合成原料：的合成原料：L-丙氨酸（天冬氨酸脱丙氨酸（天冬氨酸脱
15、羧酶）目目前前以以该酶为催催化化剂、使使L-天天冬冬氨氨酸酸脱脱羧制制备的的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DL-丙氨酸，并已形成了万吨的生丙氨酸，并已形成了万吨的生产规模。模。第二十七页，讲稿共三十页哦2.生物催化在生物催化在农药领域的域的应用用 手性手性农药中中间体：体：S-生物丙生物丙烯菊菊酯（特异性脂肪（特异性脂肪酶）S-生生物物丙丙烯菊菊酯生生物物活活性性是是普普通通丙丙烯菊菊酯的的245倍倍，不不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，产品品的的质量量好好于于国国外外同同类产品品，已已形形成成2亿元元的的年年产值，取取得得
16、了很好的了很好的经济效益。效益。3.生物催化在食品添加生物催化在食品添加剂领域的域的应用用 甜味甜味剂原料：原料：L天冬氨酸和天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸苯丙氨酸（氨基酸转移移酶）L-苯苯丙丙氨氨酸酸是是无无糖糖甜甜味味剂阿阿斯斯巴巴甜甜的的限限制制性性原原料料，国国内内开开发了了以以氨氨基基转移移酶为催催化化剂的的海海因因酶法法制制备路路线，具具有有自自主主知知识产权，已已实现了了产业化化生生产，工工艺水水平平和和经济技技术指指标均均达达到到了了国国际先先进水平。水平。第二十八页，讲稿共三十页哦4.生物催化生物催化剂在有机酸在有机酸领域的域的应用用L-苹果酸苹果酸（水合（水合酶）L-苹苹果
17、果酸酸目目前前稳定定在在年年产500吨吨左左右右，是是国国际上上的的主主要要生生产厂厂，其其生生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（水解酶）L（+）-酒酒石石酸酸2000年年年年产近近3000吨吨，是是国国际上上唯唯一一的的应用用酶工工程程技技术生生产该产品的国家。品的国家。5.生物催化生物催化剂在在饲料添加料添加剂领域的域的应用用 D-泛酸泛酸（D-泛酸内泛酸内酯水解水解酶）以以D-泛解酸内泛解酸内酯水解水解酶为催化催化剂，水解拆分得到光学，水解拆分得到光学纯的的D-泛解酸内泛解酸内酯，成功地用于成功地用于D-泛酸泛酸钙及及D-泛醇的生泛醇的
18、生产，已，已进入入产业化化阶段。段。第二十九页，讲稿共三十页哦6.生物催化在化工生物催化在化工领域的域的应用用聚丙聚丙烯酰胺前体的制胺前体的制备：丙丙烯酰胺（胺（腈水解水解酶）以人工以人工筛选的的腈水解水解酶为催化催化剂，在，在酶法将丙法将丙烯腈转化化为丙丙烯酰胺的生胺的生产中已中已获得了巨大成功，已形成了万吨的生得了巨大成功，已形成了万吨的生产规模；模；高吸水性、可降解材料的制高吸水性、可降解材料的制备：聚谷氨酸（聚谷氨酸（转肽酶）通通过具有高活性具有高活性转肽酶的菌株的菌株筛选，可将廉价的，可将廉价的L-谷氨酸谷氨酸转化化为尼尼龙类高聚物，作高聚物，作为一种可完全降解的高分子材料，具有一种可完全降解的高分子材料，具有优良的吸水性（良的吸水性（2000倍）倍）;第三十页，讲稿共三十页哦