第六讲-典型生物催化的反应-氧化还原反应ppt课件.ppt
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1、在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确氧化还原反应氧化还原酶 Redox Enzyme 主要包括三种酶:1、脱氢酶(Dehydrogenase)2、加氧酶(Oxygenase)3、氧化酶(Oxidase)在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确1 还原反应脱氢酶广泛用于醛或者酮等羰基和脱氢酶广泛用于醛或者酮等羰基和C CC C键键 的还原反应的还原反应根 据 底 物 的 取 代 方 式,这 两 个 反 应 都 会 由根 据 底 物 的 取 代 方 式,这 两
2、 个 反 应 都 会 由 具 有 不 对 称 潜 力 的 潜 手 性 底 物 生 产具 有 不 对 称 潜 力 的 潜 手 性 底 物 生 产手 性手 性产产 物物其 逆 过 程(反 应)如 醇 的 氧 化 或 者 脱 氢 反其 逆 过 程(反 应)如 醇 的 氧 化 或 者 脱 氢 反 应 通 常 会 伴 随 着 手 性 中 心 的 破 坏,因 而 限应 通 常 会 伴 随 着 手 性 中 心 的 破 坏,因 而 限 制了它的应用制了它的应用在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确脱氢酶催化的还原反应在整堂课的教学中,刘教师
3、总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确辅酶的再生氧化还原酶的催化特点 氧化还原酶需要氧化还原辅酶,提供(或 接受)还原(或氧化)反应中的化学平衡 物质。辅酶的类型 NAD(H):80 NADP(H):10 黄素(FMN,FAD)和吡咯喹啉醌(PQQ)比较少在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确辅酶的特点 1、分子相对不稳定 2、价格昂贵(化学计量的数量)反应中辅酶仅仅是其氧化还原状态发生变化,因此可以用另外一个氧化还原反应进行原位(in situ)再生。需要加入催化计量的辅酶,降
4、低费用在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确辅酶重复利用性能的表征 TTN(Total turnover number)总转换数:代表循环过程的效率 即:在一个完整的反应过程中每mol辅酶可 以产生的产物的总mol数。辅酶分子会在循环过程中受到破坏 一般TTN需要达到103104,对于大规模生产,最好能够达到105。在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确还原反应技术应用的“瓶颈”辅酶的价格(大规模反应)认识问题深入研究解决问题 当使用完整的微生物细胞作用生
5、物催化剂时,辅酶的再生不再是一个关键问题。微生物含有代谢过程中所需的所有酶和辅酶。通过加入象糖类这些廉价易得的氧化还原平衡物质可以进行辅酶的再生。在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确还原性尼克酰胺辅酶的再生1 1、非酶的化学还原、非酶的化学还原比如用比如用NaNa2 2S S2 2O O4 4TTNTTN100100,简单,效率较低,简单,效率较低酶会由于酶会由于NaNa2 2S S2 2O O4 4而引起失活而引起失活在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很
6、明确2、电化学、光化学再生 优点:价格低廉,易于使用 缺点:反应区域控制性差,副反应多 TTN10003、酶法还原NADH和NADPH 高效,复杂,费用高在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确酶法还原再生底物偶联法 在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确方法:辅酶的再生是通过加入一种辅助底 物(Donor,供体),在同一种酶的 作用下,向相反的方向进行反应。为使反应平衡向所期望的方向进行,供体通常是过量的,TTN103缺点:1、增加了产物纯化难度 2、供体
7、的加入可能引起酶的失活 3、辅助底物浓度高,引起底物抑制 可以考虑使用气膜等进行反应与分离耦合在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确酶偶联法酶偶联法在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确方法:两个平行的氧化还原反应,分别由 两种不同的酶催化主要底物和辅酶 再生的转化过程。特点:两个酶对各自的底物有足够的专一 性,使两个酶反应可以各自独立进 行。所有的底物和辅助底物不会竞 争某一个酶的活性中心,反应效率 较高,各自独立进行转化 需要加入另外一种酶在整堂课的教
8、学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确NADH有一些进行再生的好方法,已经获得 广泛应用,各有优缺点。NADPH仅在实验室规模进行再生,对于大 规模生产尚需开始一种廉价高效的方法在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确FDH法:NADH的再生酶:酶:Formate DehydrogenaseFormate Dehydrogenase在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确优点:1、辅助底物和副产物对酶没
9、有抑制 作用 2、辅助底物和副产物容易和产物进 行分离 3、FDH有商品酶供应,容易进行固 定化,稳定缺点:FDH价格昂贵,比活较低(3U/mg)固定化FDH可以解决上述问题最广泛使用再生NADH的方法TTN:103105,但是不能用于NADPH的再生在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确葡萄糖脱氢酶法:NAD(P)H的再生酶:酶:GDHGDH(Glucose dehydrogenaseGlucose dehydrogenase)在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的
10、问题也很明确特点:从Bacillus cereus中提取的GDH很稳 定,比活较高缺点:1、GDH价格昂贵 2、产物分离困难 如果不考虑纯化问题,此法在实验室中应用是一个很好的方法,也是再生NADPH的最简单的方法之一 在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确G6PDH也可以用于同样的反应体系从Leuconostoc mesenteroides肠链球菌中 提取的酶廉价,稳定,可以NAD(P)为底 物,而酵母中的G6PDH仅以为NADP底物缺点:G6P价格昂贵解决方法:用己糖激酶从葡萄糖利用酶法 制取,但是又涉及到ATP的再生
11、在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确可以使用6-硫酸-葡萄糖和从酿酒酵母中提 取的G6PDH再生NADPH。硫酸不会作为酸 催化剂水解NADPH,且底物比磷酸盐容易 制备。作 为Glucose/GDH方法的补充,是再生 NADH和NADPH的比较好的方法在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确乙醇脱氢酶和醇脱氢酶法乙醇脱氢酶(乙醇脱氢酶(Ethanol DHEthanol DH)醇脱氢酶(醇脱氢酶(Alcohol DHAlcohol DH)酵母中:酵母中:
12、NADH NADH L.mesenteroidesL.mesenteroides:NADPHNADPH在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确广泛用于NADH和NADPH的再生优点:1、ADH价格适中 2、乙醇、乙醛有挥发性缺点:1、只有醛或者环酮这样有活性羰基 的底物产率较高 对其他底物必须加入过量(乙)醇或者不断去除(乙)醛 方法:通入氮气,扫除乙醛 把乙醛转化为乙酸在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确 2、TTN较低 3、复杂、不稳定的多酶体系 4、
13、低浓度的乙醇和乙醛会抑制酶的活力 或者引起酶的失活在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确氢化酶(Hydrogenase enzyme)直接以分子氢作为供体,再生NADH优点:1、还原性强 2、不损伤酶和辅酶 3、没有副产物缺点:1、对氧化很敏感 2、无商品酶 3、发酵制备工作复杂 在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确氧化型尼克酰胺辅酶的再生最好也是应用最广泛的再生NAD(P)的方法 是用谷氨酸脱氢酶(Glutamate DH,GluDH)催化的-酮戊二酸
14、生成L-谷氨酸的反应NADH和NADPH都可以作为辅酶-酮己二酸可作为底物,产物为L-氨基 己二酸在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确丙酮酸和乳酸脱氢酶(Lactate dehydrogenase)再生NAD优点:1、LDH价格便宜 2、比活较高,比GluDH高缺点:氧化还原势能较低,无法再生NADP在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确在整堂课的
15、教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确乙醛和乙醛脱氢酶再生NADTTN在103104之间缺点:酶失活 优点:1、酵母来源的醛脱氢酶价格便宜 2、试剂具有挥发性在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确用酶还原醛和酮许多酮可以用脱氢酶进行立体选择性还原 获得手性仲醇产物可能为S醇或者R醇Prelog法则:根据底物的空间结构需要而决 定的立体化学反应过程可用一个简单 的模型进行判断在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出
16、的问题也很明确Prelog法则在Curvularia falcata细胞进行微生物法还原 的立体化学基础上建立脱氢酶主要是从潜手性酮的Re面释放氢大多数商品化的脱氢酶以及大多数微生物 在进行酮的立体专一性还原的时候都遵循 Prelog法则(如YADH,HLADH)获得到产物为S醇在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确Prelog法则示意图在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确脱氢酶种类脱氢酶种类选择性选择性辅酶辅酶商品酶商品酶Yeast-ADHYeast-
17、ADHPrelogPrelogNADHNADH是是Horse liver-ADHHorse liver-ADHPrelogPrelogNADHNADH是是ThermoanaerobiumThermoanaerobium brockiibrockii-ADH-ADHPrelog(Prelog(长链长链)Anti-(Anti-(短链酮短链酮)NADPHNADPH是是Hydroxysteroid-DHHydroxysteroid-DHPrelogPrelogNADHNADH是是C C.falcatafalcata-ADH-ADHPrelogPrelogNADPHNADPH否否MucorMucor j
18、avanicusjavanicus-ADH-ADHAnti-PrelogAnti-PrelogNADPHNADPH否否LactobacillusLactobacillus kefirkefir-ADH-ADHAnti-PrelogAnti-PrelogNADPHNADPH否否PseudomonasPseudomonas ADH ADHAnti-PrelogAnti-PrelogNADHNADH否否在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确各种脱氢酶的底物范围在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的
19、梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确酵母醇脱氢酶(YADH)底物专一性范围较窄,一般仅以醛和甲基 酮为底物,碳链长于一个甲基的酮不能作 为底物其他没有商品酶供应的ADH应用受限制HLADH是一种常见酶,具有广泛的的底物 专一性,较好的立体专一性,因此是生物 转化中应用最广的脱氢酶在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确HLADH由两个几乎相同,各含有两个锌原 子的亚基组成的二聚体 X衍射对其三维结构研究表明,HLADH的一 级结构虽然和YADH相差很大,但是它们的 三维结构很相似 主要用于对中间单环酮(49个C)和双环 酮的还
20、原。大于10个C的环酮不易作为底 物,无环酮还原时,对映体选择性较低在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确HLADH拆分双、多环酮在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确X Xe.e.Ketone(%)e.e.Ketone(%)e.e.Alcohol(%)e.e.Alcohol(%)O O60609797S S53539797在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确含N杂环酮会使酶失活,和含
21、锌活性中心发 生作用HLADH催化2-烷基噻喃-4-酮的还原反应,转化率可达100,以非对映体选择性方式 进行,得到顺,反-S-醇的混合物。后者经 色谱分离后再氧化,可以得到光学纯度很 高的酮。在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确HLADH催化的非对映体还原在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确潜手性萘烷二酮的选择性还原在整堂课的教学中,刘教师总是
22、让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确YADH和HLADH不能用于开环酮的不对称还 原,而TBADH可以还原开环甲基、乙基酮,带杂环取代基的-卤代烷基、甲基或三氟 乙基酮,得到相应的仲醇,立体选择性很 高,-不饱和酮和取代基大于乙基的酮不能 作为底物在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确TBADH对映体选择性还原酮TBADH遵循Prelog法则,得到的是S-醇对于小分子底物,得到的是R-醇在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的
23、问题也很明确R R1 1R R2 2选择性选择性构型构型e.e./%e.e./%CHCH3 3C C2 2H H5 5Anti-PrelogAnti-PrelogR R4848CHCH3 3CH(CHCH(CH3 3)2 2Anti-PrelogAnti-PrelogR R8686CHCH3 3cyclo-Ccyclo-C3 3H H5 5Anti-PrelogAnti-PrelogR R4444CHCH3 3n-Cn-C3 3H H7 7PrelogPrelogS S7979CFCF3 3PhPhPrelogPrelogR R9494CHCH3 3CCHCCHPrelogPrelogS S8
24、686CHCH3 3CHCH2 2-CH(CH-CH(CH3 3)2 2PrelogPrelogS S9595CHCH3 3(CH(CH2 2)3 3-Cl-ClPrelogPrelogS S9898CHCH3 3(CH(CH2 2)5 5-Cl-ClPrelogPrelogS S9999在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确TBADH最大的缺陷在于需要NADP(H)作为辅酶NAD(H)V可以代替NADP(H)NAD(H)V用NAD(H)和无机钒酸盐(HVO42-)在溶液中合成由于加入钒酸盐引起的副反应由咪唑缓冲 体系来抑制
25、在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确羟基甾体脱氢酶(HSDH)HSDH适用于还原大型单环和双环酮天然底物为甾体类化合物,类似的空间结 构产物可以用Prelog法则判断小分子底物也可以还原,但是选择性就会 比较差在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也
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