生物酶催化资料

酶的反应机理如下 蛋白质的空间结构去看 而不能孤立地看形成蛋白质后的氨基酸残基 因为酶一般都是具 有三级 或四级空间结构的 其中有功能的是部分氨基酸残基形成的结构域 包括底物结 合部位和催化部位 首先底物结合部位和底物结合 再由催化部位作用 形成过渡态中间 体 进而使底物发生化学变化 生物学中的酶是具有高活性的蛋白分子 它的作用机理 有很多种 如趋近作用 亲核作用 亲电子作用等 它具有高效性 专一性 条件性 条件严格 因为蛋白质容易变性 而化学里讲的催化剂只具有一般的催化作用 其作用机理是降低化学反映的活化能 生化中酶的作用机理 酶的作用机理 酶催化反应机理的研究是当代生物化学的一个重要课题 它探讨酶作用高效率的原因以及 酶反应的重要中间步骤 酶原的激活 proenzyme activation 着重研究酶在激活 由无活性的酶原转变成有活性的 酶时构象发生的变化 一 与酶的高效率有关的因素 据现在所知 重要的因素有以下几个方面 1 底物与酶的 靠近 proximity 及 定向 orientation 由于化学反应速度与反应物浓度成正比 若在反应系统的某一局部区域 底物浓度增高 则反应速度也随之增高 提高酶反应速度的最主要方法是使底物分子进入酶的活性中心区 域 亦即大大提高活性中心区域的底物有效浓度 曾测到过某底物在溶液中的浓度为 0 001mol L 而在其酶活性中心的浓度竟达 100mol L 比溶液中的浓度高十万倍 因此 可以想象在酶的活性中心区域反应速度必定是极高的 靠近 效应对提高反应速度的作用可以用一个著名的有机化学实验来说明 如表 4 12 双 羧酸的单苯基酯 在分子内催化的过程中 自由的羧基作为催化剂起作用 而连有 R 的酯 键则作为底物 受 COO 的催化 破裂成环而形成酸酐 催化基团 COO 愈靠近底物酯 键则反应速度愈快 在最靠近的情况下速度可增加 53000 倍 但是仅仅 靠近 还不够 还需要使反应的基团在反应中彼此相互严格地 定向 见图 4 19 只有既 靠近 又 定向 反应物分子才被作用 迅速形成过渡态 当底物未与酶结合时 活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近 但由于酶活性中心的 结构有一种可适应性 即当专一性底物与活性中心结合时 酶蛋白会发生一定的构象变化 使反应所需要的酶中的催化基团与结合基团正确地排列并定位 以便能与底物楔合 使底 物分子可以 靠近 及 定向 于酶 这也就是前面提到的诱导楔合 这样活性中心局部的底物 浓度才能大大提高 酶构象发生的这种改变是反应速度增大的一种很重要的原因 反应后 释放出产物 酶的构象再逆转 回到它的初始状态 对溶菌酶及羧肽酶进行的 X 衍射分析 的实验结果证实了以上的看法 Jenck 等人指出 靠近 及 定向 可能使反应速度增长 108 倍 这与许多酶催化效率的计算是很相近的 2 酶使底物分子中的敏感键发生 变形 域张力 distortion 或 strain 从而促使底物中的 敏感键更易于破裂 前面曾经提到 当酶遇到它的专一性底物时 发生构象变化以利于催化 事实上 不仅酶 构象受底物作用而变化 底物分子常常也受酶作用而变化 酶中的某些基团或离子可以使 底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低 产生 电子张力 使敏感键的 一端更加敏感 更易于发生反应 有时甚至使底物分子发生变形 见图 4 20A 这样就使 酶 底物复合物易于形成 而且往往是酶构象发生改变的同时 底物分子也发生形变 见图 4 20 B 从而形成一个互相楔合的酶 底物复合物 羧肽酶 A 的 X 衍射分析结果就为这种 电子张力 理论提供了证据 3 共价催化 covalent catalysis 还有一些酶以另一种方式来提高催化反应的速度 即共价催化 这种方式是底物与酶形成 一个反应活性很高的共价中间物 这个中间物很易变成过渡态 因此反应的活化能大大降 低 底物可以越过较低的 能阈 而形成产物 共价催化可以提高反应速度的原因需要从有机模式反应的某些原理谈起 共价催化的最一 般形式是催化剂的亲核基团 nucleophilic group 对底物中亲电子的碳原子进行攻击 亲核 基团含有多电子的原子 可以提供电子 它是十分有效的催化剂 亲核基团作为强有力的 催化剂对提高反应速度的作用可由下面亲核基团催化酰基的反应中看出 第一步 亲核基 团 催化剂 Y 攻击含有酰基的分子 形成了带有亲核基团的酰基衍生物 这种催化剂的酰 基衍生物作为一个共价中间物再起作用 第二步 酰基从亲核的催化剂上再转移到最终的 酰基受体上 1 亲核基团 Y 催化的反应 2 非催化的反应 这种受体分子可能是某些醇或水 第一步反应有催化剂参加 因此必然比没有催化剂时底 物与酰基受体的反应更快一些 而且 因为催化剂是易变的亲核基团 因此如此形成的酰 化催化剂与最终的酰基受体的反应也必然地要比无催化剂时的底物与酰基受体的反应更快 一些 此两步催化的总速度要比非催化反应大得多 因此形成不稳定的共价中间物可以大 大加速反应 酶反应中可以进行共价催化的 强有力的亲核基团很多 酶蛋白分子上至少 就有三种 即图 4 21 中所指出的丝氨酸羟基 半胱氨酸巯基及组氨酸的咪唑基 此外 辅 酶中还含有另外一些亲核中心 共价结合也可以被亲电子基团 electrophilic group 催化 最典型的亲电子 等也都属于此类 它们可以接受电子或供出电子 下面将通过共价催化而提高反应速度的酶 按提供亲核 或亲电子 基团的氨基酸种类 分 别归纳如表 4 13 丝氨酸类酶与酰基形成酰基 酶 或与磷酸基形成磷酸酶 如磷酸葡萄糖变位酶 半胱氨酸 类酶活性中心的半胱氨酸巯基与底物酰基形成含共价硫酯键的中间物 组氨酸类酶活性中 心的组氨酸咪唑基在反应中被磷酸化 赖氨酸类酶的赖氨酸 氨基与底物羰基形成西佛碱 中间物 4 酸碱催化 acid base ctatlysis 有机模式反应指出 酸碱催化剂是催化有机反应的最普遍的最有效的催化剂 有两种酸碱催化剂 一是狭义的酸碱催化剂 specific acid base catalyst 即 H 与 OH 由于酶反应的最适 pH 一般接近于中性 因此 H 及 OH 的催化在酶反应中的重要性是比较 有限的 另一种是广义的酸碱催化剂 general acid base catalyst 指的是质子供体及质子 受体的催化 它们在酶反应中的重要性大得多 发生在细胞内的许多种类型的有机反应都 是受广义的酸碱催化的 例如将水加到羰基上 羧酸酯及磷酸酯的水解 从双键上脱水 各种分子重排以及许多取代反应等 酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的功能基 如氨基 羧基 硫氢基 酚羟基 及咪唑基等 见表 4 14 其中组氨酸的咪唑基值得特别注意 因为它既是一个很强的亲核 基团 又是一个有效的广义酸碱功能基 影响酸碱催化反应速度的因素有两个 第一个是酸碱的强度 在这些功能基中 组氨酸咪 唑基的解离常数约为 6 0 这意味着由咪唑基上解离下来的质子的浓度与水中的 H 相近 因此它在接近于生物体液 pH 的条件下 即在中性条件下 有一半以酸形式存在 另一半 以碱形式存在 也就是说咪唑基既可以作为质子供体 又可以作为质子受体在酶反应中发 挥催化作用 因此 咪唑基是催化中最有效最活泼的一个催化功能基 第二个是这种功能 基供出质子或接受质子的速度 在这方面 咪唑基又是特别突出 它供出或接受质子的速 度十分迅速 其半寿期小于 10 10 秒 而且 供出或接受质子的速度几乎相等 由于咪唑 基有如此的优点 所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少 却很重要 推测它很可能 在生物进化过程中 不是作为一般的结构蛋白成分 而是被选择作为酶分子中的催化结构 而存在下来的 广义的酸碱催化与共价催化可使酶反应速度大大提高 但是比起前面两种方式来 它们提 供的速度增长较小 尽管如此 还必须看到它们在提高酶反应速度中起的重要作用 尤其 是广义酸碱催化还有独到之处 它为在近于中性的 pH 下进行催化创造了有利条件 因为 在这种接近中性 pH 的条件下 H 及 OH 的浓度太低 不足以起到催化剂的作用 例如牛 胰核糖核酸酶及牛凝乳蛋白酶等都是通过广义的酸碱催化而提高酶反应速度的 制药废水处理中生物酶催化技术 2017 10 15 14 44 28 转 载 标签 制药废水 生物酶催化技术 处理效率 分类 废水处理 1 制药废水的水质特性 一般情况下 医药化工行业中所产生的制药废水都属于高 浓度的有机废水 对其处理的难度较大 不同类型的药品 其生产 工艺就会有所区别 同 时药品的组成成分也有着较大的差异 药 物产品具有生产反应复杂 时间长以及生成的副 产物多等特点 反应的原料通常都采用环状结构的化合物或是溶剂类的物质 而 这也就直接导致了制药废 水中污染物的组成成分十分复杂 有机 污染物的浓度高并且种类多 难以生物降解的物质 也较多 废水 中 BOD5 值和 COD 值偏高并且都具有一定的波动性 含盐量很 高 同 时可能具有一定的毒性 我国的医药化工企业几乎都采用 间歇式的生产方式 在短时间内 所生产的药品种类也会有很大变 化 这也是导致制药废水的水量 水质以及污染物的种类 变化很 大的重要原因 另外 制药废水的一个重要缺点就是其具有非常 差的生化性 因 此 要想降低治理有很大的难度 并且治理成本较 高 这类废水属于治理难度非常大的一 类工业废水 2 生物酶催化技术的概述 在治理制药废水的过程中 我们发现只是采用传统的生化 法和物化法进行治理工作时并没有取得理想的治理效果 治理后 的废水也并没有真正符合 国家要求的排放标准 这就要求我们应 尽快探索出更加低耗 高效并且投资成本更低的制 药废水处理新 技术 环境污染保护和防治工程中一个重要的研究方向就是将生 物技术与 环境工程技术紧密的结合起来 而生物酶催化技术就是 环境生物技术中的一项关键内容 其作为一种新兴的技术 在治 理制药废水时是可以取得理想效果的 2 1 生物酶催化技术去除污染物的机理 采用生物酶催化技术治理废水等各类污染物时 其作用的 原理就是借助于不同种类普通微生物菌的系列生物酶结合技术 酶可以将各类污染物质中 的化学键打开 将大分子的有机物降解 成了小分子的有机物或是降解成水和二氧化碳等无 机物 COD 值也随之降低 能够取得较好的污染物清除效果 废水的处理费 用也得到了 很大程度降低 1 接近定向效应 酶的浓度与酶催化 反应是成正比例关系的 也就是 说酶的浓度越高 那么酶催化反 应就越激烈 其能够将反应物全部集中到分子周围 这样 它们之 间发生碰撞的几率就是非常大的了 2 形变效应 酶分子能够有 效拉长反应 物分子中的化学键 并促使其发生变形和扭曲等变 化 这样反应物分子就很容易被水解 生物酶催化技术处理制药 废水时对设备的情况以及废水的质量都没有太高的要求 反应速 度快 反应条件十分温和 对浓度 温度和有毒物质都有着很广的 适用范围 并且是可以 重复处理废水的 2 2 生物酶催化技术的特点生物酶催化技术与产品作为一类环境友好型产品 其具有 去除 COD 除磷脱氮和脱色除臭等多种功能 能有效分解各类污 染物 生物酶能打开制药废 水中的各类大分子有机物 制药废水 的可生化性得到了很大提升 1 替代了现有的传 统药剂 处理成 本降低 30 以上 2 能够快速 高效的去除废水中的各特征污染 物 3 生物酶催化技术使用效果稳定 并且容易操作 对环境无 不良影响 4 处理量 和处理效率都得到了改进 同时出水水质能 够稳定达到国家排放标准 3 生物酶催化技术在制药废水处理中的应用实例 由于现阶段对制药废水并未取得理想的处理效果 我国的一些环保企业已经开始将环境科 学技术和生物工程技术有机结 合起来了 同时深入研究了生物酶类的选用和开发工作 力 求更 加低耗 高效并且简单安全地解决制药废水的处理问题 制药废 水的可生化性很差 并且色度深 浓度高 而如果能在制药废水处 理过程中较好应用生物酶催化技术 那么就 能够大大提升废水的 可生化性 将难于降解的污染物直接分解 特殊的生物酶具有很 好 的催化作用 出水就能够达到国家相关部门所要求的排放标 准 应用这一技术处理制药废 水后 切实降低了制药企业的运行 成本 同时也真正保护了环境 伴随着生命酶解技术的新突破 现代生物酶解技术将广泛地应用于工业 农牧业 医药 环保等众多领域 产生了巨大的经济和社会效益 生物酶解技术是未来生物活性物质提取 技术的重要发展道路 浙江大学生物系统工程与食品科学学院以食品科学与营养系食品科 学专业研究人员在不断的攻克运用各个领域的技术难题 生物酶解技术的发展将会拥有美 好的未来 技术优势 生物酶解技术的优势在于通过酶的催化作用让物质自体分解 酶催化化学反应的能力 叫酶活力 或称酶活性 酶活力可受多种因素的调节控制 从而使生物体能适应外界条件 的变化 维持生命活动 利用不同酶的不同催化作用 掌握物质不同活性成分的特性 能 够提取物质的活性物质 传统的物质提取采用高温连解或者低温速冻 这样会使大部分的 物质活性物质得到破坏 使得提取物活性散失 影响功效的发挥 生物体由细胞构成 每个细胞由于酶的存在才表现出种种生命活动 体内的新陈代谢 才能进行 酶是人体内新陈代谢的催化剂 只有酶存在 人体内才能进行各项生化反应 人体内酶越多 越完整 其生命就越健康 当人体内没有了活性酶 生命也就结束 人类 的疾病 大多数均与酶缺乏或合成障碍有关 生物酶解技术能够让物质提取物富含活性酶 促进人体新陈代谢 运用于人类健康工程效果十分显著 生物酶技术在中药提取中的应用 中国的中药文化有着数千年的历史 智慧勤劳的中国人在运用中药解除病痛 救治生 命的同时 积累了丰富的中药理论 发明创造了许多中药的提取方法 提高了中药材的利 用率和治疗效果 目前 生物酶技术在现代中药提取中正展示着其独特的优势 引起了许 多企业和科研单位的关注 并已经开始了在这一领域的探索和应用 世界上广泛开展了有 关酶的性质的研究 至今已从动物 植物中发现了两千多种酶 并有两百多种酶已得到结 晶 如今 工业化用酶已广泛涉及到医药 食品 饮料 酿酒 饲料 纺织 洗涤 造纸 皮革及污水处理等众多领域 在化学制剂方面各类助消化药 溶菌酶逐渐广泛的用于临床 酶类抗肿瘤制剂亦有应用 1 1 中药提取现状中药提取现状 1 11 1传统中药提取方法 目前中药提取较为常用的方法有煎煮法 水蒸馏法 溶剂浸 提法等 其优点为操作简便 对工艺 设备的要求不是很高 应用较为广泛 但它同时也 存在一些缺点 如 提取时间长 药效成分破坏严重 提取液中含有较多杂质 给下一步 精制带来不便 从而影响有效成分提出率 1 21 2现代中药提取法 随着现代科学的发展 越来越多的先进技术被应用到中药提取 中来 如 大孔树脂吸附提取技术 超临界萃取技术 超声波提取技术及生物酶提取技术 在中药生产中的应用 较传统的提取方法而言 中药中有效成分的提取利用率更高 方法 更加简便 对优化中药剂型和工艺 变 有效的粗体物 为 有效的精提物 提供了有 利的技术支持 2 2 酶技术酶技术 2 12 1酶的定义 酶是由生物细胞产生的 受多种因素调节控制的具有催化能力的生物 催化剂 与一般催化剂相比有其共同性 但又有显著的特点 酶的催化效率高 具有高度 的专一性 酶的活性受多种因素调节控制 酶作用条件温和 但不够稳定 2 22 2酶的分类 国际酶学委员会 根据各种酶所催化反应的类型 把酶分为 6 大类 即氧化还原酶类 转移酶类 水解酶类 聚合酶类 异构酶类和连接酶类 此外 DNA 合 成技术的迅速发展为酶的遗传设计开创了令人鼓舞的美好前景 只要有遗传设计蓝图 就 能人工合成酶基因 从而合成某一类酶 酶遗传设计的主要目的是创造优质酶 用于生产 昂贵特殊的药品以满足人们的特殊需要 3 3 生物酶技术在中药提取中的应用生物酶技术在中药提取中的应用 3 13 1酶技术应用现状 酶具有催化效率高 作用专一性强和催化条件温和等特点 用 于工业可提高生产率 降低耗能 改善劳动条件 减少污染 简化工艺程序 还可以生产 出其他方法难以得到的产品 20 世纪 90 年代中期以后我国也陆续有研究报道将其用语中 药的提取制备中 并取得较好的效果 3 23 2酶技术在中药提取中应用的特点 实现中药现代化 应解决好中药产品的 三小 服用剂量小 毒性小 副作用小 三效 高效 速效 长效 等问题 因此 借 助现代高新技术 改革传统的制药工艺 以获得高质量的有效活性的药效成分 使之符合 现代医药的严格要求 已成为当务之急 由于酶制剂具有专一性 特异性 在常温 常压 条件下就能起催化作用 能有效提高动植物药中稀有有效活性成分的含量 且减少了污染 物排放 实现了 绿色中药工业 中草药成分复杂 有活性成分 也有如蛋白质 果胶 淀粉 植物纤维等非活性成分 这些成分既影响植物细胞中活性成分的浸出 又影响中药液体制剂的澄清度 3 33 3酶技术在中药提取中应用的具体实例 1 目前 对酶法在中药提取中的应用主 要体现在纤维素酶的作用上 由于大部分中药材的细胞壁都是有纤维素构成的 有效成分 往往包裹在细胞壁内 用纤维素酶可以破坏 B D 葡萄糖链 有利于有效成分的提取 再用 黄柏 黄连提取小檗碱之前 以纤维素酶预处理去除细胞壁后 可显著提高小檗碱的收率 将纤维素酶用于穿心莲的提取 可提高穿心莲内酯的含量和提取量 用于补骨脂的提取中 则可使补骨脂素收率提高 23 利用纤维素酶和果胶酶的复合酶液 在 50 左右 pH4 5 的条件下酶解 120min 然后浸提 可提高总黄酮提取率 16 9 2 其他各种酶在中药中 也有极广阔的应用前景 用复合酶酶解和热水浸提法分离纯化香菇中多糖蛋白 能显著提 高香菇有效成分的浸提效果 总氨基酸和必需氨基酸的含量均提高 2 倍以上 香菇多糖的 含量提高了 4 倍 一些特殊成分及较高分子量的葡聚糖物含量也明显提高日本学者用酶法 转化银杏叶所含的油溶性或难溶或不溶于水的有效成分时 通过加入葡聚糖苷酶或转糖苷 酶进行生物转化 使总黄酮含量增加 且在体内的吸收率大为提高 此外 用一些蛋白水 解酶处理一些动物类中药材 含蛋白质成分较多的药材 更显示出了酶法的优越性 例 如 用蛋白水解酶酶解处理中药材水蛭 其水蛭中药效成分的提