生物与仿生催化

“三点结合”催化理论
认为酶与底物的结 合处至少有三个点， 只有在完全结合情 况下，不对称催化 作用才能实现。
生物催化的发展过程
1930年 Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶。
J.B.Sumner
J.H.Northrop
证明了酶是蛋白质
1949年,用液体深层培养法进行细菌淀粉酶的发酵生产,揭开了近代酶工业的序幕。
酶与底物作用机制
锁钥学说（Lock and key theory)：
Emil Fisher(1890)提出： 将酶的活性中心比喻作锁 孔，底物分子象钥匙，底 物能专一性地插入到酶的 活性中心。
诱导契合学说（induced fit hypothesis）
Koshland(1958)提出: 酶的活性中心在结构 上具柔性，当底物接 近活性中心时，可诱 导酶蛋白构象发生变 化，使酶活性中心有 关的基团正确排列和 定向，使酶与底物契 合而结合成中间产物， 引起催化反应进行。
50年代以后,随着生化工程的发展,大多数酶制剂的生产已转向微生物流体深层发 酵的方法。酶的应用越来越广泛。
50年代：开始了酶固定化研究。1953年德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树脂与淀 粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等结合,制成了固定化酶。 60年代，是固定化酶技术迅速发展的时期。1969年,日本的千烟一郎首次来自百度文库工业上 应用固定化氨基酰化酶从DL-氨基酸生产L-氨基酸。出现了“酶工程”这个名词来 代表有效利用酶的科学技术领域。
生物与仿生催化
姓名：叶守陈 专业：有机化学
发展过程
展望
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定义与原理
应用
近年来，随着基因组学、蛋白质等生物技术的 飞速发展，大大推动了生物的基础研究和应用 研究。世界经济合作组织(OECD)指出：“生物 催化技术是工业可持续发展最有希望的技术”
生物催化？
生物催化（biocatalysis） 是指利用酶或者生物有机体 （细胞、细胞器、组织等） 作为催化剂进行化学转化的 过程。生物催化中常用的有 机体主要是微生物，其本质 是利用微生物细胞内的酶进 行催化，促进生物转化的进 程。
原理：酶促反应机制
在无酶催化的情况下，底物需要越过一个较 高的活化能才能发生反应，变成产物。酶作 为催化剂所起的作用就是降低活化能，从而 使反应速度加快。现在一般认为，从底物角 度来说，当底物进入活性区域得到集中、浓 缩后，由于酶与底物的相互作用，致使二者 的构象发生了变化，此时底物分子内某些基 团电子密度发生了变化，形成所谓电子张力， 使与之相连的敏感键一端变得更加敏感，更 易断裂。稳定的酶-底物共价中间物，此中 间物很容易变成过渡态。使反应活化能大为 降低，这样底物就可以越过较低活化能屏障 形成产物。同时酶和底物的相互作用时要释 放一些结合能，以使酶-底物复合物稳定， 同时可用来降低化学反应所需的活化能了。
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金属卟啉催化空气氧化环己烷制备KA油。
金属卟啉催化空气氧化苯酚制备苯二酚。
属卟啉催化空气氧化对二甲苯制备对苯二甲酸。 属卟啉催化空气氧化烯烃制备醛、环氧化合物。 金属卟啉催化空气氧化甲苯联产苯甲醛和苯甲酸。 金属卟啉催化空气氧化环己烷联产环己酮和己二酸。
展望
基于微生物的生物催化和仿生催化技术具有生物安 全性相对较好、研发投入较少、周期较短的优势， 且中国已形成良好的产业基础，是参与生物技术国 际竞争的一个良好的机遇和难得的切入点，应成为 我国生物技术应用研究的一个战略重点。发展生物 催化与生物转化技术，对国民经济有重要意义的产 品体系（大宗化学品、手性化合物、生物能源和生 物材料等）提供了理论和技术支撑。在我国全面建 设小康社会之时，对物质的需求更加迫切，能源、 环境的矛盾十分突出，重视生物催化和转化的研究 也符合当前国家的发展目标。
仿生催化？
是一门介于化学与生物学之间的边缘科学，是用化学方法在分子水平上模拟生物体功 能的一门科学。其研究内容主要为：模拟生物体内的化学反应过程，模拟生物体内的 物质输送过程，以及模拟生物体内的能量转换等过程。

目前较为理想的小分子仿酶体系主要有环糊精、冠醚、环番、环芳烃和卟啉等大 环化合物等，大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分子印模型和胶束酶模型。
青霉素酰化酶与抗生素改造
6-APA
仿生催化
由于酶具有对热敏感，稳定性较差和来源有限等特点，从而限制了它的规模开发和直接 利用。
如果我们能够通过分析检测，确定酶催化剂中的生物活性部位，而加以分子及过程模拟 的话，就有可能找到结构与酶的活性基团相似，而催化性能接近的化合物作为非生物催 化剂，加以规模合成及工业利用。
D-泛酸 （ D-泛酸内酯水解酶）以D-泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆分得到光学纯的D-泛解酸内 酯，成功地用于D-泛酸钙及D-泛醇的生产，已进入产业化阶段。
6. 生物催化在化工领域的应用
聚丙烯酰胺前体的制备：丙烯酰胺（腈水解酶）以人工筛选的腈水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转 化为丙烯酰胺的生产中已获得了巨大成功，已形成了万吨的生产规模； 高吸水性、可降解材料的制备：聚谷氨酸（转肽酶）通过具有高活性转肽酶的菌株筛选，可将廉价的 L-谷氨酸转化为尼龙类高聚物，作为一种可完全降解的高分子材料，具有优良的吸水性（2000倍）。
4.生物催化剂在有机酸领域的应用
L-苹果酸 （水合酶） L-苹果酸目前稳定在年产500吨左右，是国际上的主要生产厂，其生产成本低 于化学合成的DL-苹果酸； L-酒石酸 （水解酶） L（+）-酒石酸2000年年产近3000吨，是国际上唯一的应用酶工程技术生产 该产品的国家。
5.生物催化剂在饲料添加剂领域的应用
当前酶的应用已渗透到人类的各个领域，包括医药、轻化工业、农业、能源 环保等等。
应用与展望
医药
化工
农药
轻工
有机酸
日化工业
食品添加剂
饲料添加剂
1.生物催化在医药领域的应用
β -内酰胺类抗生素中间体：6-APA和7-ACA（青霉素G酰化酶）该酶已实现产业化，已占国内70％以上 的份额，并出口欧美
β -内酰胺类抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因酶）国内采用一菌双酶法，已经工业化规模生产。
2.生物催化在农药领域的应用
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 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类产品，已形成2亿元的年产值，取得 了很好的经济效益。
3.生物催化在食品添加剂领域的应用
甜味剂原料：L－天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸转移酶） L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制 性原料，国内开发了以氨基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线，具有自主知识产权，已实现了产业 化生产，工艺水平和经济技术指标均达到了国际先进水平。