第三章_生物催化剂与酶工程应用.ppt

酰基转化酶 盘尼西林的半合成
（四） 酶催化的发展
催化剂市场地域分布
美国 西欧 日本 其它
酶催化的发展
➢ 有机相酶催化 溶剂工程和蛋白质工程
➢ 极端酶
① 从生活在非常规条件下的微生物（细胞）中分 离得到的。
② 某些来源于常规微生物（细胞）中但也能在极 端条件下起催化作用的酶
③ 通过人工改良方法或借助人工全合成技术制造 出的具有新型催化活力的酶以及由新型材料构 成的酶：抗体酶
1 发酵：用活细胞将原材料(如糖、淀粉)转化成 更复杂的目标产物。 2 生物转化：是指外源化学物在机体内经多种酶 催化的代谢转化。 3 酶催化：提取粗酶或部分纯化的酶，将底物转 化成目标产物。
（1）生物转化是微生物将一种化合物转化为结构上
相关产物的过程。1864年，Pasteur发现醋酸杆菌
（Acetobacter）可氧化乙醇成为醋酸，首次以微生
用麦曲含有的淀粉酶
是细胞内酶作用的结果 将淀粉降解为麦芽糖
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;
第三章 生物催化剂与 酶工程应用
3.1 概述 3.2 酶制剂 3.3 酶在食品和饲料工业中的应用 3.4 酶在轻化工领域中的应用 3.5 酶在医药工业中的应用
一 概述
（一）生物催化的基本概念
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：
习惯名
系统名
思考题：
酶的分类有哪些？
(二）我国酶制剂现状
我国的酶制剂工业起步于 1965年，在无锡建 立了第一个专业化酶制剂厂，当时总产量只有 10t ，品种只有普通细菌 淀粉酶 。
① 研究、开发投入不足，新产品开发能力很差。
② 工艺、设备落后 ，生产技术水平较低 。
③ 剂型少、品种少 ，产品结构极不合理 ，应用范围 非常狭窄，国际上工业酶制剂一般为经过除菌除 渣提取制成的商品酶制剂，产品剂型以液体酶和 颗粒酶为主，粉状酶已经淘汰 。
物转化进行有机反应 例如:
CH3CH20H
醋酸细菌
CH3COOH
（2）生物转化与发酵的区别
发酵的含义
利用微生物，在适宜的条件下，将原料经 过特定的代谢途径转化为人类所需要的产物的 过程
区别：
发酵过程常常是有多步反应过程构成。 生物转化仅仅由一个或少数几个酶促反应 组成。 生物转化的产物是微生物细胞对底物的特定 部位的化学反应。
④ 企业规模小，重复建设，效益低下，生产能力闲 置。
迄今为止，真正形成生产规模的酶制剂 只有 a-淀粉酶 、糖化酶、碱性蛋白酶等 3-4个产品 。
工业应用 接近成熟/工业应用
开发中
石油馏分生物脱硫
• Poly(Butylene-Succinate) PBS 聚丁二酸丁二醇酯 Poly(butylene succinate-co-butylene adipate) PBSA丁 二酸丁二醇酯-己二酸丁二醇酯共聚物 poly(butylene succinate-co-terephthalate)s PBST聚丁 二酸/对苯二甲酸丁二醇酯 Soft biodegradable material technology 软性生分解材 料技术
精细化工、制药、食品等领域，正在开发 非水相介质中利用酶催化的生物催化方法
酶在有机相中进行催化反应，具有下列优点： ① 可进行酶水解的逆反应，如合成酯 R COOCH2CH3 H2O RCOOH CH3CH2OH
② 可增加非极性底物的溶解度 ③ 有利于酶和产物的分离和酶的再利用 ④ 可减少反应的副产物(水解、消旋化，聚合、分解） ⑤ 可减少底物或产物对酶的抑制 ⑥ 增加酶的热稳定性
L-赖氨酸是一种生物体必须的氨基酸, 目前 利用固定酶, 已可以从合成的化工原料环已烷 开始生产L-赖氨酸方法是：首先将环已烷转化 成D.L-a 氨基-已内酞胺。将L-a 氨基-已内酞 胺水解酶和a -氨基-已内酞胺消旋酶以离子键 方式固定在纤维素上。将这两种固定酶同时作 用于D，L-a-氨基-已内酰胺。L-a-氨基-已内酞 胺水解成L -赖氨酸, 剩下的D -a -氨基-已内 酸胺又消旋为D , L 一消旋体, 再水解为赖氨 酸, 这种方法收率儿乎达100%
• 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,它专门用于洗涤剂.
1992年,用于生产酶的克隆技术
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（生物分 子也具有催化活性）。
生物催化一旦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。 化学生产中酶的新用途的开发也是工业用酶 需求增长的一个重要因素。
酶催化与合成反应
酶催化剂 酯酶、脂肪酶
酰胺酶 脱氮酶 氧化酶 过氧酶
激酶 糖苷酶 转化酶 水解酶 水合酶
合成反应 酯的水解合成 氨基化合物水解合成 醇酮的氧化还原
Photodegradable Plastics光降解性塑胶 Disintegradable Plastics 崩解性塑胶 Biodegradable Materials生物可分解材料 Bio-Polymer生物高分子聚合物 Green Plastics绿色塑胶 酯)
L-赖氨酸的生产
氨基酸是食品、药物、化妆品的重要原料, 用化学方法合成的氨基酸皆为D，L -氨基酸的 消旋混合物。作为药用的氨基酸只有L 一异构 体具有生理活性, 为了得到纯的异构体, 就必 须对消旋的混合物进行光学拆分, 以前用化学 方法拆分成本高效率低, 现在可以用固定酶的 方法拆分, 将氨基酸混合通过固定化的酞化氨 基酸水解酶柱式反应器, 可将混合物转化为L异构体, 收率可达80 %
氧化 氧化、环氧化 磷酸化（ATP)
糖苷的合成 氨基酸的合成
水解 酸化、消除、加成
领域 洗涤 淀粉、燃料 纺织 有机合成
酶
应用
蛋白酶
Hale Waihona Puke 蛋白质污染清除淀粉酶
淀粉污染清除
脂肪酶
脂肪污染清除
淀粉酶
淀粉生物液化
葡萄糖异构化酶 葡萄糖果糖转化
木聚糖酶
燃料与淀粉降粘
纤维素酶
布匹修整、棉花软 化
漆虫酶
漂白
脂肪酶
手性醇与胺的分离
R ACHO2+OBCH2CHA3+BHH2O2
se)
脱氢酶、氧化酶、过 RCO氧O化H 物酶CH、3C加H2氧OH酶
2
转移酶类 (transferase)R
CAORO+CBH2CH3A+HBR2O
谷丙转氨酶、已糖激 RCOOH 酶CH3CH2OH
3
水解酶类 (hydrolase)
CH3CHCOOH
• 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。
（三）酶催化剂的应用
• 应用领域：化工、饲料、皮革、造纸、纺 织、酿造。
• 酶催化剂具有手性结构，是不对称合成的 最佳催化剂组分，在药物合成领域有非常 广阔的应用前景。
生物催化技术的应用领域
工业部门 石油炼制 大宗化学品 高分子聚合物
特殊有机中间体 医药
农用化学品 日用化学品 环境保护
应用领域 生物脱硫 乙醇/甘油 可生物降解 聚合物
手性中间体 医用蛋白/ 手性药物
生物杀虫剂 乳酸/柠檬酸 废物处理技术
成熟程度及应用情况 工业示范
已成熟/工业示范 工业应用
工业应用 工业应用
AB+NHH2O2
AHOOHO+BCHCH2C酯H2OC酶C、OO蛋H白酶酶、淀粉
CH3CCOOH HOOCCH2CH2CHCOOH
O
NH2
分类 序号
酶的类型
催化反应的性质
举例
4
裂解酶类 (lyase)
HAO－OCBCH=CAHCOBO＋HX－H2YO醛缩H酶O、OC水CH合2C酶HC、O脱OH氨
国际生化联合会酶学委员会规定，每个酶都 有唯一的特定标码，其书写方式是：
EC 数字.数字.数字.数字
酶 亚亚 顺
的 类亚 序
分
类号
类
序
号
国际酶学委员会（Enzyme Commission, EC）将所有的 酶按它们所催化的反应的性质分为六大类。
分类 序号
酶的类型
催化反应的性质
举例
1
氧化还原酶类 (oxidoreducta
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。
（3）生物催化的特点
A 专一性强，具有独特、高效的底物选择性； B 环境友好，通常用水作为反应媒介(水是最绿色的溶
剂)； C 通常在室温和常压下进行，减少了能源的使用，降
低了反应的不可控性； D 减少了保护、脱保护步骤，原子经济性好，并能完
成一些化学合成难以进行的反应。
基于绿色化学的十二条准则，生物催化成为当前 国际公认最绿色的化学转化技术之一。
• 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。
酶的国际习惯用名和系统命名的应用实例
习惯用名 乙醇脱氢酶 谷丙转氨酶 (GPT) 过氧化物酶
系统命名 乙醇∶NAD+氧化还原酶 丙氨酸∶α-酮戊二酸氨基转移酶 H2O2∶邻甲氧基酚氧化酶
催化的反应 乙醇 NAD+
乙醛 丙氨酸
NADH + H+ α-酮戊二酸
丙酮酸 H2O2
谷氨酸 邻甲氧基酚
H2O
四邻甲氧基酚
二 酶制剂
蛋白质是构成人体的基础物质
酶是蛋白质
酶由长链氨基酸组成
酶是三维结构
酶结构的4个层次
溶菌酶(lysozyme)的一级结构图
溶菌酶(lysozyme)的一级结构图
蛋白溶菌酶的三级结构图
溶菌酶部分四级结构示意图
氨基酸的排序决定酶的功能
（一） 酶的分类及编号
1. 酶的命名 (1). 习惯命名法
XY
酶、脱羧OH酶
CH2OH
CH2OH
CH2OH
5
异构酶类 (isomerase)
O OH
A OH
OH
O O差H 向异构酶、顺反异构
A'
OH 酶、酮醛异构酶
OH
OH
6
合成酶类(连接酶 类)(ligase)
ATP ADP＋Pi 羧化酶、氨酰-tRNA合
A＋B
AB成酶、天冬酰胺合成酶
乙醇脱氢酶的编码是： EC1.1.1.1
对于淀粉酶来说，强调的是底物；对淀粉水解酶来 说，既强调底物又指出酶催化反应的性质；而细菌淀 粉酶强调的是酶的来源。
(2). 国际系统命名法
该命名法规定，每种酶的名称应明确标明底物 及所催化反应的特征，即酶的名称应包含两部分： 前面为底物，后面为所催化反应的名称。
若前面底物有两个，则两个底物都写上，并在两 个底物之间用“：”分开，若底物之一是水，则可 略去。
1961年以前，人们根据酶作用的底物名称、反 应、性质及酶来源，对该酶冠名。
底物名 + “酶”
如 淀粉酶、蛋白酶、脲酶
反应类型 + “酶”
如 氧化酶、乳酸脱氢酶、DNA聚合酶、转氨酶
酶的来源
如 胃蛋白酶
问题
这种命名法缺乏科学系统性，易产生“一酶多名” 或“一名多酶”问题。如分解淀粉的酶，若按这种命 名法则有三种名称，如淀粉酶、淀粉水解酶和细菌淀 粉酶。
手性农药中间体：S-生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶） S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245
2
倍，不仅用量大大减少，而且残留极少，产品的质 量好于国外同3类产品，已形成2亿元的年产值，取得 了很好的经济效益。
17
(二）生物催化的产生与发展
远古时代：酒的酿造,饴糖的制作,豆类做酱
酵母发酵的产物,
第一个“1”—— 第1大类，即氧化还原酶类； 第二个“1”—— 第1亚类，供氢体为CHOH； 第三个“1”—— 第1亚亚类，受氢体为NAD+； 第四个“1”—— 在亚亚类中的顺序号。
乳酸脱氢酶的编码是： EC1.1.1.27
国际系统命名法看起来科学而严谨，但使用起 来不太方便.
国际酶学委员会建议： 每个酶都给予 2 个名称