生物催化技术-PPT.ppt

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1、生物催化技术人员分工：1.资料收集：2.资料整理：3.ppt制作：4.演讲者：相对于一般催化剂而言，生物催化剂是天然来源的催化剂，他通常以完整细胞、游离酶或细胞壁的形式使用，并且已经有上百年的历史。自20世纪80年代以来，伴随着生物技术的巨大进步及化学工业所面临的新问题，人们认识到这种天然催化剂用于非天然有机化合物转化的巨大潜力，因而，作为一个新兴领域受到广泛重视。生物催化被认为是催化技术发展的趋势，一段时间以来掀起了淘金热搬得吹捧，预示着不可估量的发展前景。生物催化的定义生物催化（biocatalysis）是利用生物催化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快)化学反应速度的作用。3生物催化

2、的产生与发展远古时代酒的酝酿饴糖的制作豆类做酱4酵母发酵的产物,是细胞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豆鼓,压榨后制得酱油用麦曲含有的淀粉酶将淀粉降解为麦芽糖生物催化的产生与发展51857年 巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。1897年 毕希纳兄弟证明不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。1926年 萨姆纳首次从刀豆中提出脲酶结晶。1930年 美国诺斯罗普等人得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，证明了酶是蛋白质。1989年 美国托马斯切赫和西德尼奥尔特曼发现某些RNA也有催化活性，两人共获得诺贝尔化学奖。生物催化剂的来源236 目前，少数生物催化剂是从动物肝

3、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，原核微生物是生物催化剂的主要来源。7.1生物催化剂的类别生物催化剂 Biocatalyst 1.蛋白质类：天然酶；生物工程酶2.核酸类：核酶;脱氧核酶3.模拟生物催化剂Enzyme(酶)是一类由活细胞产生的，对其特有底物具有高效催化作用的蛋白质。生物催化剂的类别与作用方式生物催化酶的类别生物催化酶9水解酶氧化还原酶转移酶异构酶裂合酶合成酶单纯酶复合酶生物催化酶水解酶 hydrolase水解酶催化底物的加水分解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：氧化-还原酶催化氧化-还原反

4、应。主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。氧化还原酶 Oxidoreductase 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。例如，谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。转移酶 Transferase 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内基团或原子的重排过程。例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。异构酶 Isomerase 裂合酶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。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，延胡索酸裂合酶催化的反应。裂合酶 Lyase

5、 合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮酸+CO2 草酰乙酸合成酶 Ligase or Synthetase7.2酶的作用特征N2+6H+6e 2NH3固氮酶常温、常压N2+3H22NH3Fe500,300大气压 酶对环境条件的敏感性：酶易失活，要求的反应条件温和，对环境条件敏感。(2)酶催化的高效性：酶具有极高的催化效率。相同条件下，以分子比表示：酶（V）高于无酶（V）108 1020 倍 酶（V）高于普通催化剂（V）107 10

6、13 倍 酶作用的高度专一性酶的专一性（特异性）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，一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。酶的作用特征酶专一性 类型 结构专一性 立体异构 专一性 绝对专一性 相对专一性几何异构 专一性光学异构 专一性 基团专一性（族专一性）键专一性酶专一性类型生物催化剂和化学催化剂的比较7.3 酶的命名（一）、习惯命名法（二）、系统命名法（三）、系统分类命名法（一）、习惯命名法惯用名 常依据酶所作用的底物和反应类型命名。原则：（1）根据作用底物：如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。（2）根据反应性质：如水解酶、脱氢酶

7、、转氨酶等。（3）二者结合：如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。（4）再加上酶的来源、特性：如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶等。（二）、系统命名法要求确切表明底物的化学本质及酶的催化性质。原则如下：1、酶的系统命名有两部分构成：底物名称（底物1：底物2）反应名称 如果底物2为水，可略去不写例如：醇脱氢酶为醇：NAD+氧化还原酶L乳酸：NAD+氧化还原 酶。（三）、系统分类命名 每一种酶都有一个系统命名分类编号，EC+四个数字。例如：乳酸脱氢酶7.4 酶的功能与反应动力学7.4.1 酶的功能概念：酶的功能主要是由酶的活性中心和辅酶因子构成的。酶的活性中心：酶蛋白中与催化相关的特定区域（

8、通常在酶分子的表面，具有特定的空间结构）必需基团：酶活性中心中特定的起催化作用的化学基团辅酶因子：通常是酶维持空间结构和活性中心的必须基团酶催化的作用专一性机制1.锁钥学说2.诱导契合学说3.“三点结合”催化理论锁钥学说（Lock and key theory)：Emil Fisher(1890)提出：将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物能专一性地插入到酶的活性中心。1902年，Emil Fisher成为第一位生物化学领域的诺贝尔获得者。诱导契合学说（Induced fit hypothesis）Koshland(1958)提出: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

9、导酶蛋白构象发生变化，使酶活性中心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，引起催化反应进行。“三点结合”催化理论认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结合情况下，不对称催化作用才能实现。酶催化的作用专一性机制中间产物学说：1913年生物化学家 Michaelic和 Menten提出：酶降低活化能的原因是酶参加了反应，即酶分子与底物分子先结合形成不稳定的中间产物（中间结合物），这个中间产物不仅容易生成，而且容易分解出产物，释放出原来的酶，这样就把原来活化能较高的一步反应变成了活化能较低的两步反应。7.4.2 酶催化反应动力学概念：酶催化反应动力学主要研究反应速率及其影响因

10、素。酶催化与非酶催化相同，受温度、介质pH值、反应物（底物）浓度、酶用量以及抑制剂等因素的影响米氏方程（米-曼方程）1913年，Michaelis 和 Menten 对中间产物学说提出四点假设，建立了酶催化反应的动力学方程-米氏方程（M-M方程）。四点假设：1、反应中，酶的浓度保持恒定；2、酶的浓度远小于底物的浓度；3、产物的浓度很低，可以忽略其对反应的影响；4、生成产物的速度要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应速度，是整个反应速度的决定因素。可逆反应在反应一开始就快速达到平衡，“快速平衡学说”Vm0cSKSv 反应速度Vm最大反应速度cS 底物浓度cE 酶浓度cE0 初酶浓度cES 酶浓度KS

11、米氏常数7.5影响酶催化反应的因素温度 温度和pH对酶的活性有显著的影响，使反应速度达到最大反应值时的温度称为某种酶作用的最适温度。大多数动物酶的最适温度为37-40，植物酶的最适温度为50-60。温度对酶的反应主要体现在两方面：一是升温加速酶催化反应，降温反应速率减慢；二是温度加速蛋白质变性。pH 环境过酸、过碱会影响酶蛋白构象，使酶本身变性失活。pH影响酶分子侧链上极性基团的解离，改变它们的带电状态，从而使酶活性中心的结构发生变化。在最适pH时，酶分子上活性中心上的有关基团的解离状态最适于与底物结合，pH高于或低于最适pH时，活性中心上的有关基团的解离状态发生改变，酶和底物的结合力降低，因

12、而酶反应速度降低。pH能影响底物分子的解离。可以设想底物分子上某些基团只有在一定的解离状态下，才适于与酶结合发生反应。若pH的改变影响了这些基团的解离，使之不适于与酶结合，当然反应速度亦会减慢。激活剂对酶促反应速度的影响 凡是能提高酶活性的物质，都称激活剂，其中大部分是离子或简单的有机化合物。激活剂种类很多，有无机阳离子，如钠离子、钾离子、铜离子、钙离子等；无机阴离子，如氯离子、溴离子、碘离子、硫酸盐离子磷酸盐离子等；有机化合物，如维生素C、半胱氨酸、还原性谷胱甘肽等。许多酶只有当某一种适当的激活剂存在时，才表现出催化活性或强化其催化活性，这称为对酶的激活作用。而有些酶被合成后呈现无活性状态，

13、这种酶称为酶原。它必须经过适当的激活剂激活后才具活性。抑制剂对酶促反应速度的影响 能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。它可降低酶促反应速度。酶的抑制剂有重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物碱、染料、对-氯汞苯甲酸、二异丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性剂等。对酶促反应的抑制可分为竞争性抑制和非竞争性抑制。与底物结构类似的物质争先与酶的活性中心结合，从而降低酶促反应速度，这种作用称为竞争性抑制。竞争性抑制是可逆性抑制，通过增加底物浓度最终可解除抑制，恢复酶的活性。与底物结构类似的物质称为竞争性抑制剂。抑制剂与酶活性中心以外的位点结合后，底物仍可与酶活性中心结合

14、，但酶不显示活性，这种作用称为非竞争性抑制。非竞争性抑制是不可逆的，增加底物浓度并不能解除对酶活性的抑制。与酶活性中心以外的位点结合的抑制剂，称为非竞争性抑制剂。有的物质既可作为一种酶的抑制剂，又可作为另一种酶的激活剂。7.6生物催化的应用生物催化技术的应用方面催化剂的应用生物催化过程技术的应用医药农药食品添加剂有机酸饲料添加剂化工轻工日化工业生物催化的主要应用方向应用实例除氧保鲜葡萄糖氧化酶可以去除果汁、饮料、罐头制品和果蔬干制品中的氧气，防止产品氧化变质，抑制微生物生长，延长食品保质期。用葡萄糖氧化酶除去脱水蔬菜的糖分可防止贮藏过程中发生褐变。瓶装桔汁贮藏时因氧化而使色香味变劣，采用葡萄糖

15、氧化酶、过氧化氢酶去氧即可保持果汁原有的色香味。水果冷冻保藏时，由于果实自身的酶作用而发酵变质，也可用葡萄糖氧化酶保鲜。果胶酶的应用：1.保持混浊果汁稳定性（番茄汁、番茄酱）【破坏果胶酶】2.生产澄清果汁【应用果胶酶】3.提高果汁榨汁率【应用果胶酶】4.加工水果罐头【破坏果胶酶】5.防止果汁混浊【应用果胶酶】糕点、饮料v用-淀粉酶强化面粉可防止糕点老化。糕点馅心常以淀粉为填料，添加-淀粉酶可以改善馅心风味。v糕点制作使用转化酶可使蔗糖水解为转化糖，从而防止糖浆析晶。乳品加工时添加适量的脂肪酶可增加干酪和黄油的香味。制浆、造纸原料的处理木质素酶提高纸的质量木聚糖酶、半纤维素酶、木质过氧化物素酶漂

16、白纤维素酶再生纸处理蛋白酶可以去除血迹等污物脂肪酶去油淀粉酶去粥，面条之类的污物纤维素酶可以去除织物表面的微毛和绒球7.7发展前景：由于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。生物催化剂的热稳定性差、易受pH的影响和有机溶剂耐受性差等缺点，限制了生物催化剂用于大规模的工业化生产。不过随着新的生物技术如定向进化的出现，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，将逐步取代化石原料生产过程，成为21世纪化工生产的主体，从而实现绿色化工、绿色生产的目标。