《工业催化原理》第八单元生物催化基础及过程8

《工业催化原理》第 八单元生物催化基础
及过程8
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。
O
O
O
H 2 NC HC N HC HC N HC HCO H
R
R nR
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。
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
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。
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
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
OH
OO
DL-泛解酸内酯
内酯酶 +H2O
OH HO
OH
+
O
D-泛酸
OH
OO
L-泛解酸内酯
消旋
第三节 生物催化的工业应用实例
（3）阿斯巴甜生产
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，是一种低热量、非糖甜
味剂，其甜度是蔗糖的200倍，广泛用于饮料、乳品、食品及药品方面。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。
CH2O H CHO H +
CH2O H
R1 CO O R' R2 CO O R' R3 CO O R'
油 脂
醇
甘 油
生 物 柴 油
（2）泛酸合成 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泛酸。
O
C O O H
S +
N
C O O H
O H O
头 孢 菌 素 G
7-A C A
苯 乙 酸
R 1
N H 2
H 2N
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
O
R 3
C O O H
半 合 成 头 孢 菌 素
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
化乙酰氨基酸反应生成氨基酸，而不催化乙酰氨基酸反应。
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苹果酸，而对马来酸则不起作用。
④ 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。
⑤ 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。
② 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
③ 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。
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。
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：
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。
HO
氨 甲 酰 水 解 酶
+ -C H O 20 (NH2)2HO
DL-5-对 羟 基 苯 -己 内 酰 脲
D-N-氨 甲 酰 基 对 羟 基 苯 甘 氨 酸
D-对 羟 基 苯 甘 氨 酸
（6） 苯乙醇酸生产 苯乙醇酸又名扁桃酸、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 解苯乙醇腈能高收 2 +
X H N
嗜 热 菌 蛋 白 酶
C O O M e H O O C
C O O H
N H 2 +
C O O M e
X
H N
N H
C O O H
C O O M eO
X = 保 护 基
D L -苯 丙 氨 酸 甲 酯 L -天 东 氨 酸 （ 氨 基 被 保 护 ）
L -苯 丙 氨 酸 甲 酯
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。
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。
C：三点附着机理
第二节 生物催化作用原理
第三节 生物催化的工业应用实例
（5）对羟苯甘氨酸合成 半合成β-内酰胺抗生素均需要非天然的氨基酸衍生物作原料，其中重要的有对羟苯甘 氨酸。对羟苯甘氨酸合成的关键步骤为海因酶催化的立体选择性键水解反应。