《工业催化原理》第八单元生物催化基础及过程.ppt

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1、第八单元 生物催化基础及过程,第一节 生物催化的特征,生物催化是指生物催化剂作用下的催化反应，生物催化剂一般包括生物酶、整体细胞、催化抗体等。然而大多数情况下生物催化剂主要指酶，它是由细胞产生的具有催化功能的生物大分子。在酶催化反应中，被酶催化的物质叫底物，酶的催化能力常用“酶的活力”表示，酶的活力是指在一定条件下、单位时间内酶催化反应底物转化的量或产物生成的量。和化学催化相比，生物催化反应具有反应选择性高、反应条件温和、反应速度快等特点，特别是选择性方面，具有以下显著特征：一、绝对专一性：一种酶只催化一种底物进行一种反应，这种高度的专一性称为绝对专一性。例如脲酶只能催化尿素水解生成二氧化碳和

2、氨，而对尿素的类似物却均无作用。具有绝对专一性的酶不但对所作用底物的键有严格要求，而且对底物整个分子的化学基团也有同样严格的要求。,第一节 生物催化的特征,二、相对专一性：一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应，这种专一性称为相对专一性，其严格程度较低，但不同的酶对底物结构的识别不同。具体地表现为下述形式：1、键专一性：酶能够作用于具有相同化学键的一类底物，而不辨识键两侧的基团。如酯酶可以催化所有酯类底物水解生成醇和酸。2、基团专一性：酶作用于底物时不仅识别特定的化学键，而且还识别键某一侧的基团。例如消化道中胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、胰蛋白酶水解肽键时的选择性。3、区

3、域专一性：指酶对位于同一底物分子中不同位置官能团的选择性。如磷脂酶A2仅水解3-sn-磷脂酰胆碱的2位酯键，而对1位酯键无作用。,第一节 生物催化的特征,三、立体专一性：指酶只能特异性地作用于所有立体异构体的其中一种的特性，这是酶催化的最重要特征，根据具体情况分为以下几类。1、对映体专一性：指酶只催化一对对映异构体中的一种对映体反应，如氨基酰化酶只催化L-N-乙酰氨基酸反应生成L-氨基酸，而不催化D-N-乙酰氨基酸反应。2、几何专一性：酶对具有顺反异构的底物有严格的选择性，如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成L-苹果酸，而对马来酸则不起作用。3、前手性专一性：酶可催化前手性底物选择性地形成

4、具有一定立体构型的产物，如乌头酸酶催化前手性分子柠檬酸转化成手性分子异柠檬酸。,第二节 生物催化作用原理,1、酶的分子结构酶是有催化功能的蛋白质，其分子结构与其它蛋白质相同，具有一级、二级三级和四级结构。（1）一级结构酶与其他蛋白质一样，是由20多种基本氨基酸按肽键形式共价连接而成的，相对分子质量约为1.21041.0106，其分子基础为多肽链，肽链的通式为：,第二节 生物催化作用原理,（2）二级结构蛋白质的二、三和四级结构统称为蛋白质的构象。二级结构产生的机理之一是蛋白质分子中的肽键的偏双键性质。由于C=O双键中的电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能

5、自由旋转；与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，称为肽单元或肽平面（图1），这是多肽链固定不变的一面。但是，由于-碳原子与其它原子之间均形成单键，故两相邻的肽键平面可以作相对旋转，旋转的角度分别叫做两面角、，这是多肽链可变的一面（图2）。固定不变的肽键和多变的两面角对立统一，达到协调后的状态就是该条肽链的稳定二级结构，即主链骨架弯曲形成的空间排列。,图1 肽平面,图2 肽平面的两面角,第二节 生物催化作用原理,（3）三级、四级结构三级结构是指多肽在二级结构的基础上进一步搭配和组装形成的具有一定规律的三维空间结构。三级结构稳定主要借助各种次级键，包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力等。各二级结构结

6、构之间的组装方式主要有、，大多数情况下组装仅仅出现在一个酶蛋白的局部，即呈现区域空间结构，在不同蛋白分子呈现的代表性区域空间结构，有时也称为超二级结构。如果酶蛋白分子仅由一条肽链组成，三级结构就是它的最高结构层次。四级结构是多亚基蛋白质的三维空间结构，是指各亚基肽链之间相互作用所形成更为复杂的寡聚物的结构形式。主要描述亚基之间相互关系，不涉及亚基内部结构。维持四级结构的作用力主要是疏水键，其他作用力仅起次要作用。,第二节 生物催化作用原理,2、酶的结构与催化功能酶的分子结构是催化功能的物质基础，各种酶之所以有催化活性和专一性，都是出于其分子结构的特殊性。酶蛋白分子上具有与催化有关的特定区域称为

7、活性部位或活性中心，它能同底物结合并起催化作用。活性中心一般位于酶分子的表面，是由结合部位和催化部位所组成。前者直接同底物结合，决定酶的专一性，即决定同何种底物结合；后者直接参加催化，决定所催化反应的性质。组成活性中心的氨基酸残基或残基组可能位于同一条肽链的不同部位，也可能位于不同的肽链上。酶蛋白分子活性中心以外的部分对酶催化特性亦不可或缺，具有维持完整结构、保护微环境的重要作用。分子的亲水性强弱，整个分子的电性、电荷分布，以及活性中心周围的微环境都由整个酶蛋白分子决定。有些酶还具有与非底物物质结合的部位，结合后对反应速率具有调节作用，称之为别构部位或调节部位，具有别构部位的酶称别构酶。与别构

8、部位结合的物质称调节剂或别构剂，如激活剂和抑制剂。调节剂与酶别构部位结合后，引起酶构象改变，从而影响酶活性中心，改变催化反应速率。,第二节 生物催化作用原理,3、酶催化机理一般认为，酶发挥催化作用时活性中心的结合部位与底物分子结合，形成酶-底物复合物，催化部位则与底物分子作用，首先将其转变为过渡态，然后生成产物释放出去。（1）酶和底物的结合机理酶和底物选择特异性结合最早提出的是锁-钥机理，假设酶和底物分别像锁和钥匙一样机械地匹配，底物比酶要小得多，而且酶的结构是刚性的（图A）。该机理可解释酶的专一性，但不能解释酶为什么能催化比自身大的底物，也无法说明酶催化可逆反应和酶的相对专一性现象。,A：锁

9、-钥机理,第二节 生物催化作用原理,后来提出的诱导契合机理对锁-钥机理的不足进行了修正，它认为酶的活性中心与底物的结构不是刚性互补而是柔性互补，当酶与底物靠近时底物能够诱导酶的构象发生变化，使其活性中心变得与底物的结构互补（图B），就好像手与手套的关系一样，该机理能很好解释酶催化的相对专一性现象。,B：诱导契合机理,第二节 生物催化作用原理,在锁-钥机理基础上还衍生出一个三点附着机理（图C），可解释酶的立体专一性。该机理认为，立体对映的一对手性底物虽然基团相同，但空间排列不同，这就可能出现底物基团与酶分子表面活性中心的结合能否互补的问题，只有三点都互补匹配的特定对映异构体，酶才能互补地与其结合

10、，并发生催化作用。,C：三点附着机理,第二节 生物催化作用原理,（2）酶催化作用本质酶活性中心起催化作用的基团是化学上普通的基团，如组氨酸的咪唑基、半胱氨酸的巯基、谷氨酸或天冬氨酸的羧基等。这些普通的化学基团为何在普通水溶液中反应效率很低，而在酶分子中却有神奇的催化作用？其作用本质如下：趋近效应：普通化学基团在水溶液中与底物分子有一定距离，通过扩散才有相互接近并发生碰撞的机会。而在酶分子中由于活性中心结合部位与底物分子结合形成酶-底物复合物，使催化部位基团与底物可以相互靠近，因此易于发生催化作用。定向效应：在酶分子中，由于底物与酶的紧密结合，活性部位的催化基团总是从一个方向趋近底物，因此易于进

11、行催化。,第二节 生物催化作用原理,广义酸碱催化：酸碱催化是化学催化中最常见的类型，从广义酸碱理论，质子供体和质子受体分别等于酸和碱。酶活性中心的氨基、羧基、巯基、酚羟基和咪唑基等都可作为酸或碱，对底物进行催化加快反应速率。例如组氨酸残基的咪唑基，不仅在中性溶液中同时以广义酸碱两种形式存在，而且供给和接受质子的速度十分迅速，因此在酶催化中的作用极为重要。底物形变：酶的诱导契合机理指出了底物诱导酶的构象改变，研究表明酶和底物的结合是相互诱导契合的动态过程，不仅酶的构象发生改变，底物分子的构象也发生变化，酶使底物中的敏感键发生“张力”甚至“变形”，从而使敏感键更容易断裂，加速反应进行。共价催化：某

12、些酶增强反应速率是通过和底物以共价键形成不稳定的中间物，使能阈降低，反应加快。,第三节 生物催化的工业应用实例,1、水解反应（1）生物柴油生产生物柴油是由动物、植物或微生物油脂与甲醇经过酯交换反应而得到的可替代柴油的混合脂肪酸甲酯。用脂肪酶作催化剂具有工艺简单、反应条件温和、无污染等优点。,（2）D-泛酸合成D-泛酸又称维生素B5，通常以钙盐与其它B族维生素复合用于补充营养，在医药、食品、饲料方面用途广泛。以尖镰孢霉菌产内酯酶催化D,L-泛解酸内酯不对称水解，实现消旋物的光学拆分，可制备出光学纯度高的D-泛酸。,第三节 生物催化的工业应用实例,（3）阿斯巴甜生产阿斯巴甜是由天冬氨酸和苯丙氨酸甲

13、酯缩合而成的二肽甲酯，是一种低热量、非糖甜味剂，其甜度是蔗糖的200倍，广泛用于饮料、乳品、食品及药品方面。其生产工艺以来源于芽孢杆菌菌株的嗜热菌蛋白酶催化二肽，经脱保护基生成产物阿斯巴甜。,（4）半合成-内酰胺抗生素青霉素酰化酶是半合成抗生素的重要酶，它可催化青霉素G和V、头孢菌素的侧链酰胺键水解，分别生成母核6-氨基青霉烷酸和7-氨基头孢烷酸（7-ACA），改变pH等条件又可由母核合成多种半合成的青霉素或头孢菌素。的侧链水解和合成,第三节 生物催化的工业应用实例,（5）D-对羟苯甘氨酸合成半合成-内酰胺抗生素均需要非天然的D-氨基酸衍生物作原料，其中重要的有D-对羟苯甘氨酸。D-对羟苯甘氨

14、酸合成的关键步骤为海因酶催化的立体选择性C-N键水解反应。,（6）R-苯乙醇酸生产R-苯乙醇酸又名R-扁桃酸、R-苦杏仁酸，是重要的精细化工原料。由腈水解酶立体选择性水解苯乙醇腈能高收率、高对映选择性地生成R-苯乙醇酸。,第三节 生物催化的工业应用实例,2、还原反应（1）羰基还原反应面包酵母是催化羰基还原应用最广泛的微生物，简单的脂肪及芳香酮被酵母催化还原得到较高纯度的S-醇。一个例子是由鲁氏接合酵母的乙醇脱氢酶催化生产S-4-(3,4-亚甲基二氧苯基)-2-丙醇，该化合物对肌萎缩性脊髓侧索硬化具有疗效，还可合成其他药物。,（2）C=C还原生物催化C=C前手性还原具有很高的立体选择性，发挥催化

15、作用的是烯醇酯还原酶，很多微生物都具有此酶，包括面包酵母。由面包酵母还原得到的R-2,2,6-三甲基-1,4-环己二酮是合成天然3-羟基类胡萝卜素的中间体。,第三节 生物催化的工业应用实例,3、氧化反应（1）米格列醇关键中间体合成由氧化葡萄糖酸杆菌D-山梨醇脱氢酶催化山梨醇C-5位特异性脱氢氧化，生成N-烷基-6-氨基-L-山梨糖，它是糖尿病药物米格列醇的关键中间体。,（2）单加氧酶反应单加氧酶催化氧分子中的一个氧原子加入底物，而另一个氧原子通过消耗一分子氢供体被还原成水，可获得许多有价值的环氧化物，如液晶手性中间体、前列腺素原料等，单加氧酶由珊瑚色诺卡氏菌细胞提供。,第三节 生物催化的工业应

16、用实例,（3）双加氧酶反应通过形成过氧化物双加氧酶可将氧气的两个原子同时加入到底物中，例如恶臭假单胞菌的安息香酸双加氧酶催化苯及取代基苯羟基化合成R,S-1,2-二羟儿茶酚，它是抗病毒-内酰胺的手性中间体。,（4）氧化酶反应氧化酶主要催化电子转移至分子氧，副产物为过氧化氢或水。如球孢白僵菌氧化酶生产2-(4-羟基苯氧基)丙酸（HPOPS），它是除草剂的重要中间体。,第三节 生物催化的工业应用实例,4、加成反应（1）不饱和键水和反应富马酸水合酶催化富马酸水合生产L-苹果酸，酶来自谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌。全世界年L-苹果酸用量达40000吨，在食品、化妆品、医药行业用途较多。,（2）环连接反应吲哚和L-丝氨酸在色氨酸合酶作用下可合成L-色氨酸，形成了与环C-C连接。,第三节 生物催化的工业应用实例,（3）腈水合反应腈水合酶催化腈转化为酰胺，最有名的应用是由丙烯腈合成丙烯酰胺，这是生物催化剂生产大宗化工产品的成功应用。,（4）氨合反应L-苯丙氨酸裂合酶催化反式肉桂酸氨合生产L-苯丙氨酸，以深红酵母细胞作为酶。,第八单元 生物催化基础及过程（思考题）,1、生物催化剂、底物、酶的活力？2、酶的 绝对专一性？3、酶的相对专一性包括哪些？4、简述酶和底物的三种结合机理。5、简述酶催化作用的本质。,工业催化与反应工程研究室 22,化工资源有效利用国家重点实验室 22,