《工业催化原理》第八单元生物催化基础及过程

（4）半合 成β-内酰胺 抗生素
苯 乙 酸
R 1
N H 2
H 2 N
R 2
+
O
O
S
青 霉 素 酰 化 酶
N
R 3 -R 2H
R 1
C O O H
D -氨 基 酸 衍 生 物
7 -A C A 衍 生 物
H
N
S
O
N
OR 3C Fra bibliotek O H半 合 成 头 孢 菌 素
第三节 生物催化的工业应用实例
O
O
O
HN NH
03
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。
04
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
（ 6 ）HN R -N 苯H乙 醇 酸 生 产HN NH2
H2N COOH
HO
O
01
COOH
消 旋 半 合 成 物作原
HO
甘氨酸
料合β -，成内其的酰O 中关胺重键抗海 +H 因 要步生20 酶 的骤素有为H 均O 海D需-因要对酶非羟催天苯化然甘的氨 的氨甲 立+ -D酸C 酰 H O -2 体水 0 。(氨N 解 H 选D酶 基2)2 择-酸对H 性O 衍羟C生苯- N
酸 （ 7 - A C A ） ， 改 变 pN H 等 条 件 又S可 由 母 核 合 成 多 种 半H 合2N 成 的 青 霉 素S或
头 孢 菌 素 。 的 侧 链 水O 解 和 合 成N
O
青 霉 素 酰 化 酶 + H 2O
N O
+
C O O H
C O O H
头 孢 菌 素 G
7-A C A
O H O
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。
底物形变：
酶的诱导契合机理指出了底物诱导酶的构 象改变，研究表明酶和底物的结合是相互 诱导契合的动态过程，不仅酶的构象发生 改变，底物分子的构象也发生变化，酶使 底物中的敏感键发生“张力”甚至“变 形”，从而使敏感键更容易断裂，加速反 应进行。
共价催化：
某些酶增强反应速率是通过和底物以共价 键形成不稳定的中间物，使能阈降低，反 应加快。
第三节 生物催化的工业应用实例
水解反应
CH2O O C R1
脂 肪 酶 CH2O H
R1 CO O R'
CHO O CR2 + 3R' O H
CHO H + R2 CO O R'
CH2O O C R3
CH2O H
R3 CO O R'
1. 生物柴油生产
○ 生物油 柴脂 油是由动物、植物或微生物油醇 脂与甲醇经过酯交换反应而甘 得到油 的可替代柴油的混生 合脂物 肪柴 酸甲油 酯。用脂肪
02
三点附着机理
第二节 生物催化作用原理
01
酶催化作用本质
酶活性中心起催化作用的基团是化学上普通的基团，如组氨 酸的咪唑基、半胱氨酸的巯基、谷氨酸或天冬氨酸的羧基等。 这些普通的化学基团为何在普通水溶液中反应效率很低，而 在酶分子中却有神奇的催化作用？其作用本质如下：
02
趋近效应：
普通化学基团在水溶液中与底物分子有一定距离，通过扩散 才有相互接近并发生碰撞的机会。而在酶分子中由于活性中 心结合部位与底物分子结合形成酶-底物复合物，使催化部 位基团与底物可以相互靠近，因此易于发生催化作用。
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
一． 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。
一 级O 结 构
O
O
H 2 NC HC N HC HC N HC HCO H
酶作催化剂具有工艺简单、反应条件温和、无污染等优点。
2. D-泛酸合成
○ D-泛酸又称维生素B5，通常以钙盐与其它B族维生素复合用于补充营养，在医药、食品、饲料方面用途广泛。 以尖镰孢霉菌产内酯酶催化D,L-泛解酸内酯不对称水解，实现消旋物的光学拆分，可制备出光学纯度高的D-泛 酸。
OH OO
内酯酶 +H2O
品及药品方面。其生产工艺以来源于芽孢杆菌菌株的嗜热菌蛋白酶催化 二肽，经脱保护基生成产物阿斯巴甜。
X
H N
N H
C O O H
C O O M eO
二 肽 （ 3 ） 阿 斯 巴甜生产
青霉素酰化酶是半合成抗生素的重要酶，它可催化青霉素G和V、头孢
菌 素 的 侧 链 酰 胺 键 水 解H ， 分 别 生 成 母 核 6 - 氨 基 青 霉 烷 酸 和 7 - 氨 基 头 孢 烷
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 *
第一节 生物催化的特征
01
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。
第二节 生物催化作用原理
锁-钥机理
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。
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。
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
酶的结构与催化功能
1
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
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。
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。
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。
R
R nR
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。
第一节 生物催化的特征
01
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：
02
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。
DL-5-对 羟 基 苯 -己 内 键酰 水脲 解 反 应 。 D-N-氨 甲 酰 基 对 羟 基 苯 甘 氨 酸
D-对 羟 基 苯 甘 氨 酸
02
OH
（5）D-对羟苯甘氨酸合成
R - 苯 乙消旋 醇 酸 又 名 R - 扁 桃 酸 、 R - 苦 杏 仁 酸 ， 是 重 要 的 精 细化工原料。由腈水解酶立体选择性水解苯乙醇腈能高
OH HO
OH
+
O
OH OO
DL-泛解酸内酯
D-泛酸
L-泛解酸内酯
消旋
第三节 生物催化的工业应用实例
N H 2 +
X H N
嗜 热 菌 蛋 白 酶
C O O M e H O O C
C O O H
X = 保 护 基
N H 2 +
C O O M e
阿斯巴甜是由天冬氨酸和苯丙氨酸甲酯缩合而成的二肽甲酯，是一种低 D L -热苯 量丙 、氨 非酸 糖甲 甜酯 味 剂 ，L 其-天 甜东 度氨 是酸 蔗（ 糖氨 的基 2被 0 0保 倍护 ，） 广 泛 用 于 饮 料L -、苯 乳丙 品氨 、酸 食甲 酯
03
定向效应：
在酶分子中，由于底物与酶的紧密结合，活性部位的催化基 团总是从一个方向趋近底物，因此易于进行催化。
第二节 生物催化作用原理
广义酸碱催化：
酸碱催化是化学催化中最常见的类型，从 广义酸碱理论，质子供体和质子受体分别 等于酸和碱。酶活性中心的氨基、羧基、 巯基、酚羟基和咪唑基等都可作为酸或碱， 对底物进行催化加快反应速率。例如组氨 酸残基的咪唑基，不仅在中性溶液中同时 以广义酸碱两种形式存在，而且供给和接 受质子的速度十分迅速，因此在酶催化中 的作用极为重要。
2
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
3
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。
02
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：
03
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。
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
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。
第二节 生物催化作用原理
诱导契合机理
后来提出的诱导契合机理对锁-钥机理的不足进行了修正，它认为酶的活性 中心与底物的结构不是刚性互补而是柔性互补，当酶与底物靠近时底物能够 诱导酶的构象发生变化，使其活性中心变得与底物的结构互补（图B），就 好像手与手套的关系一样，该机理能很好解释酶催化的相对专一性现象。
第二节 生物催化作用原理
01
在锁-钥机理基础上还衍生出一 个三点附着机理（图C），可解 释酶的立体专一性。该机理认 为，立体对映的一对手性底物 虽然基团相同，但空间排列不 同，这就可能出现底物基团与 酶分子表面活性中心的结合能 否互补的问题，只有三点都互 补匹配的特定对映异构体，酶 才能互补地与其结合，并发生 催化作用。