第八章酶催化概要.doc

第八章 酶催化 章节分配 一、酶的结构和分类 二、酶的分离与纯化 三、酶活力测定 四、酶作用动力学 五、酶的抑制作用 六、pH值和温度对酶作用的影响 七、酶的作用机制 八、应用酶学 九、酶法制备L-氨基酸 十、生物催化反应器 十一、生物有机化学与生物催化 ? 生物催化的定义：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。 生物催化转化的分类： (1)发酵：用活细胞将原材料(如糖、淀粉或甲醇)转化成更复杂的目标产物。 (2)前体发酵：发酵过程中添加前体物质，并由活细胞将其转化成目标产物。 (3)生物转化：用酶或静息细胞经过一系列步骤，将前体转化成目标产物。 (4)酶催化：提取粗酶或部分纯化的酶，将底物转化成目标产物。 生物催化的产生与发展： 远古时代—— 酒的酿造：酵母发酵的产物，是细胞内酶作用的结果； 饴糖的制作：用麦曲含有的淀粉酶将淀粉讲解为麦芽糖； 豆类做酱：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。 1878年，Kuhne第一次提出“酶”(Enzyme)的概念,意为“在酵母中”(in yeast)；1894年，Emil Fischer发现了酶对底物(酶作用的物质)的专一性现象,提出了“锁和钥匙”模型；酶晶体的获得，才认识到酶是蛋白质，是由酰胺键连接的氨基酸组成；1926年，Sumner从刀豆中得到脲酶结晶，催化尿素水解,产生CO2和NH3；1967年，丝氨酸蛋白酶的发现，它专门用于洗涤剂；1992年，用于生产酶的克隆技术的诞生；最近发现除了“经典”酶以外，某些生物分子也具有催化活性。1982年Cech小组发现，四膜虫的rRNA(核糖体核糖核酸)前体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，催化得到成熟的rRNA产物。这就是说，RNA本身就是生物催化剂。20世纪80年代以来，基因工程技术用于酶学研究得到高度重视。应用DNA重组技术可以生产出高效能、高质量的酶产品，用定点突变法在指定位点突变，可以改变酶的催化活性与专一性。 生物催化研究的重要意义： (1)生物催化与生物转化是与生命活动及人类发展关系最为密切的自然规律之一； (2)基于生物催化与生物转化的物质加工新模式是人类发展的必然趋势； (3)生物催化的独特优势可以促进传统产业的升级改造； (4)生物催化对于我国的经济发展和安全具有战略意义。 生物催化的主要方式： 生物催化几乎能应用于所有化学反应，例如氧化反应、羟基化反应、脱氢反应、还原反应、水解反应、酰基化反应等。 生物催化材料有酶、微生物菌体、动植物的组织及细胞。在手性合成中应用较多的是水解酶、氧化-还原酶以及面包酵母等微生物。 生物催化的方式有添加前体发酵法、游离酶法、静息细胞法、固定化酶法、固定化细胞法。可在水相、有机相和水-有机溶剂双相等系统中进行。 生物催化反应的特点： (1)高催化效率 (2)高专一性 (3)酶活性受一些化合物调控 ? ? 酶催化能力举例 底物 催化剂 温度(K) 速度常数* 脲(水解) H+ 脲酶 335 294 7.4×10-7 5.0×105 2H2O2( 2H2O+O2 Fe2+ 过氧化氢酶 295 295 56 3.5×107 *单位：(mol·L-1)-1·s-1 NH3的合成： 在植物中通常是25℃和中性pH下由固氮酶催化完成，酶是由两个解离的蛋白质组分组成的一个复杂的系统，其中一个含金属铁，另一个含铁和钼，反应需消耗一些ATP(三磷酸腺苷)分子； 工业上由氮和氢合成氨时，需在700-900K、10-90MPa下，还要有铁及其他微量金属氧化物作催化剂才能完全反应。 酶催化的最适条件几乎都为温和的温度和非极端pH值。 专一性： 有些酶专一性很低(键专一性),如肽酶、磷酸(酯)酶、酯酶,可以作用很多底物, 只要求化学键相同,例如它们可分别作用肽、磷酸酯、羧酸酯; 具有中等程度专一性的为基团专一性,如己糖激酶可以催化很多己醛糖的磷酸化; 大多数酶呈绝对或几乎绝对的专一性，它们只催化一种底物进行快速反应。 调节性： 酸浓度的调节:诱导或抑制酶的合成,调节酶的降解; 抑制剂的调节:酶的活性受到大分子抑制剂或小分子抑制剂抑制,从而影响活力; 金属离子的调节:有些酶需要K+活化,但Na+不能活化这些酶,有时还有抑制作用。 生物催化研究的新进展： 1.生物催化一进入传统的化工领域，就给原料来源、能源消耗、经济效益、环境保护等方面带来了根本性的变化。 2.作为生物技术第三次浪潮标志的生物催化技术已成为发达国家的重要科技与产业发展战略，以生物催化技术为核心的生物制造产业正以指数规律加速发展。 3.目前，美国在酶催化剂及手性化合物合成方面已处于领先地位，其生物催化制造的化学品产值已超过生物医药的产值。 所以，新的生物催化剂是21世纪