《工业催化原理》第八单元 生物催化基础及过程

第八单元生物催化基础及过程主要内容：生物催化的特征；生物催化作用原理；生物催化工业应用实例.

理解生物催化的特点；掌握生物催化的作用原理；理解一些生物催化的工业应用.化工资源有效利用国家重点实验室

1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1.2×104～1.0×106，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π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α-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、Ψ，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。各二级结构结构之间的组装方式主要有、β、ββ，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-钥机理第二蓄节生物赵催化国作用六原理后来哥提出互的诱导龟契合践机理对锁-钥机杨理的追不足候进行驻了修浙正，月它认吹为酶置的活航性中察心与剥底物姥的结胡构不比是刚化性互昏补而材是柔锅性互区补，奶当酶答与底戴物靠泻近时林底物己能够精诱导律酶的绳构象我发生摔变化表，使吗其活勤性中纸心变斥得与狮底物烟的结牧构互控补（幸图B），衬就好凯像手聪与手融套的朝关系翼一样塘，该貌机理殖能很耗好解登释酶料催化事的相钉对专烛一性趴现象衬。B：诱抓导契包合机岩理第二漏节生物给催化邻作用总原理在锁-钥机往理基倍础上住还衍拳生出欠一个三点房诚附着颜机理（图C），预可解雹释酶病的立唯体专疗一性亮。该掌机理异认为哨，立俗体对庙映的踩一对芹手性墙底物崭虽然受基团叨相同还，但炒空间绍排列柱不同鲁，这赖就可锋能出样现底吊物基例团与怒酶分串子表您面活愈性中盏心的樱结合毒能否兴互补热的问葛题，每只有废三点释都互极补匹逃配的蔬特定私对映丑异构半体，预酶才希能互凭补地踢与其成结合沸，并扬发生高催化既作用骗。C：三桶点附捡着机漠理第二塑节生物哨催化疼作用辣原理（2）酶无催化投作用钥本质酶活验性中糖心起紧催化注作用岔的基旱团是诸化学蔽上普帐通的流基团丘，如讲组氨淋酸的拣咪唑来基、施半胱伪氨酸街的巯州基、悼谷氨迟酸或易天冬鸭氨酸侄的羧朴基等沟。这慕些普泄通的元化学肤基团霉为何崭在普成通水辫溶液跳中反角应效咳率很世低，屡而在思酶分昂子中阻却有医神奇年的催美化作愤用？旅其作殃用本毅质如茶下：①趋近丧效应暖：普通尼化学除基团诉在水样溶液寇中与躁底物盛分子很有一谋定距孤离，毒通过延扩散间才有厅相互幅接近箭并发桶生碰昆撞的踪蝶机会罪。而暑在酶迷分子这中由言于活仗性中惑心结钉合部庆位与校底物膨分子师结合锻形成脑酶-底物蜜复合童物，躲使催蜘化部缸位基电团与亿底物到可以琴相互特靠近锋，因猎此易灯于发椅生催欺化作哲用。②定向炒效应暖：在酶斯分子顽中，较由于虽底物控与酶藏的紧甜密结中合，辨活性早部位茅的催挑化基怎团总口是从炼一个脊方向魔趋近晴底物香，因名此易慌于进纹行催效化。第二牵节生物周催化弯作用病原理③广义稼酸碱材催化斜：酸碱障催化令是化乎学催专化中迫最常边见的龄类型救，从港广义雹酸碱物理论浪，质的子供热体和习质子乖受体绢分别作等于才酸和卸碱。伏酶活裂性中冒心的谱氨基文、羧使基、世巯基低、酚霉羟基坊和咪装唑基源等都料可作戚为酸糕或碱筒，对票底物堂进行公催化谅加快白反应活速率腰。例评如组县氨酸倡残基柿的咪家唑基朱，不店仅在久中性贫溶液滔中同乌时以均广义丝式酸碱候两种回形式薯存在万，而凶且供造给和清接受秧质子爪的速皆度十久分迅预速，毙因此纤在酶冤催化蹄中的扯作用茎极为净重要徐。④底物贸形变阀：酶的我诱导习契合乌机理坊指出衔了底慢物诱芹导酶淘的构库象改倒变，舱研究神表明久酶和均底物杆的结乳合是狂相互起诱导运契合朴的动欠态过县程，莲不仅昨酶的燥构象勒发生饿改变伶，底兼物分势子的肠构象彩也发床生变男化，探酶使哥底物断中的朝敏感轨键发敞生“张力”甚至“变形”，从奏而使旨敏感娇键更塌容易重断裂昨，加漫速反取应进鼻行。⑤共价唇催化久：某些岛酶增阅强反口应速声率是渗通过愁和底优物以戚共价糟键形惹成不筝稳定朗的中池间物妄，使民能阈俊降低仍，反填应加助快。第三绕节鉴生物芳催化校的工魂业应难用实灶例1、水解钞反应（1）生孝物柴悉油生辰产生物令柴油以是由皱动物将、植似物或因微生歪物油否脂与些甲醇荷经过驴酯交携换反帖应而涌得到盈的可勇替代温柴油纸的混聪合脂肝肪酸贴甲酯惑。用脂肪则酶作近催化虎剂具有编工艺多简单忆、反咏应条机件温换和、罢无污肯染等蝇优点厅。（2）D-泛酸专合成D-泛酸数又称丢维生吼素B5，通窄常以挂钙盐慰与其云它B族维座生素宣复合机用于扫补充假营养咸，在车医药寄、食佳品、扬饲料欠方面离用途款广泛阀。以眠尖镰阿孢霉衫菌产内酯狡酶催化D,觉L-泛解纠酸内限酯不纵对称误水解绍，实辛现消蕉旋物招的光妖学拆列分，宽可制让备出啦光学跟纯度购高的D-泛酸姓。第三谅节案生物透催化被的工各业应壤用实丹例（3）阿减斯巴库甜生底产阿斯脂巴甜控是由修天冬挖氨酸市和苯烟丙氨匹酸甲史酯缩竭合而趁成的央二肽辫甲酯灵，是王一种昂低热婆量、绞非糖勤甜味铁剂，葬其甜碧度是驰蔗糖狱的20财0倍，旱广泛坦用于芒饮料叹、乳乱品、递食品切及药推品方六面。当其生倘产工爪艺以坡来源鸭于芽泉孢杆双菌菌灭株的嗜热智菌蛋许白酶催化惕二肽哀，经剂脱保榨护基理生成简产物葱阿斯社巴甜洪。（4）半唉合成β-内酰躬胺抗李生素青霉结素酰致化酶魂是半味合成鸡抗生寺素的策重要娇酶，奖它可子催化妻青霉浩素G和V、头美孢菌有素的亡侧链鞋酰胺画键水蜻解，苏分别歇生成依母核6-氨基龙青霉蜡烷酸爹和7-氨基桃头孢届烷酸井（7-猪AC察A），眯改变pH等条倒件又巴可由讲母核华合成飞多种执半合孩成的嚷青霉睡素或肌头孢州菌素沙。的侧细链水字解和替合成第三腊节伟生物框催化紧的工贤业应弓用实址例（5）D-对羟盖苯甘顺氨酸孝合成半合飘成β-内酰佩胺抗挠生素兔均需婚要非却天然伸的D-氨基代酸衍羡生物避作原形料，搅其中撑重要矮的有D-对羟滑苯甘纲氨酸仔。D-对羟姑苯甘咐氨酸嘱合成久的关路键步鬼骤为海因忍酶催化发的立孔体选分择性C-挣N键水鉴解反际应。（6）R-苯乙稀醇酸求生产R-苯乙辨醇酸嗓又名R-扁桃乘酸、R-苦杏扁仁酸槽，是挡重要疏的精姿细化贞工原宴料。套由腈水僻解酶立体乞选择走性水搁解苯乏乙醇炉腈能辽高收汽率、竿高对域映选蒙择性秤地生剃成R-苯乙格醇酸环。第三丧节逆生物并催化睛的工翠业应首用实词例2、还原叙反应（1）羰创基还鱼原反竞应面包义酵母劝是催魂化羰椒基还哨原应捐用最唇广泛雁的微煮生物葱，简治单的滥脂肪熟及芳象香酮遇被酵泽母催酬化还烧原得夫到较板高纯习度的S-醇。区一个砍例子另是由倡鲁氏盾接合些酵母浸的乙醇亦脱氢粥酶催化植生产S-肥4-棉(3颗,4践-亚甲才基二裂氧苯授基)-菠2-丙醇摩，该皮化合秧物对宰肌萎纸缩性近脊髓梯侧索呼硬化吓具有膨疗效倡，还雾可合造成其泡他药食物。（2）C=涌C还原生物挖催化C=嚷C前手熊性还骆原具蔽有很卫高的籍立体歌选择告性，剑发挥明催化沉作用懒的是恋烯醇宪酯还折原酶遭，很闻多微唐生物闪都具线有此睛酶，节包括搂面包阅酵母径。由拦面包横酵母炒还原漂得到摸的R-折2,任2,掩6-三甲毯基-1确,4墓-环己落二酮蔬是合看成天缠然3-羟基两类胡单萝卜搁素的保中间处体。第三豆节佛生物示催化慌的工丽业应味用实产例3、氧化统反应（1）米围格列虏醇关忘键中凡间体哈合成由氧化火葡萄点糖酸封杆菌D-山梨菊醇脱碗氢酶序催化烫山梨跳醇C-吩5位特拦异性煮脱氢防氧化堤，生姐成N-烷基-6升-氨基-L必-山梨渐糖，追它是善糖尿踪蝶病药活物米炎格列尾醇的法关键佛中间丹体。（2）单两加氧患酶反神应单加讲氧酶睡催化残氧分磨子中的洋一个失氧原效子加充入底道物，苏而另纪一个垒氧原浊子通枯过消翠耗一利分子摩氢供抖体被便还原辈成水掌，可尾获得件许多张有价瓦值的最环氧纷化物非，如克液晶擦手性扰中间度体、摇前列俯腺素小原料食等，坡单加锤氧酶茫由珊头瑚色尸诺卡须氏菌偷细胞卡提供务。第三盘节娃生物睡催化尺的工泽业应拒用实液例（3）双扒加氧订酶反竟应通过烘形成呢过氧庸化物双加马氧酶可将库氧气绿的两杠个原宁子同然时加规入到镜底物亲中，拒例如稻恶臭您假单望胞菌哈的安师息香算酸双盲加氧搁酶催阵化苯息及取壁代基窝苯羟播基化徒合成R,抓S-1显,2捞-二羟妥儿茶烤酚，芬它是刑抗病克毒β-内酰呆胺的抬手性自中间绘体。（4）氧饮化酶娃反应氧化梯酶主折要催黎化电藏子转诉移至司分子该氧，年副产毙物为差过氧筛化氢碧或水尽。如粒球孢飞白僵版菌氧粮化酶锦生产2-尺(4球΄-羟基反苯氧蚊基)丙酸酒（HP草OP煌S），菜它是背除草辛剂的厚重要犁中间肠体。第三浅节总