生物催化工程复习

什么是生物催化？

生物催化是指利用酶或有机体（细胞、细胞器等）作为催化剂实现化学转化的过程，又称生物转化。

生物催化系统主要由底物/产物、反应介质、生物催化剂三个基本的要素构成。

生物催化的优点：催化效率高、专一性强、反应条件温和、对环境友好。

缺点：生物催化剂在反应介质中往往不稳定、可用于工业化应用的生物催化剂太少、开发周期长

什么是生物催化剂？

生物催化剂是生物反应过程中起催化作用的游离细胞、游离酶、固定化细胞或固定化酶的总称。

产酶微生物的基本要求

常规生物催化剂发现发现的一般过程包括以下几个步骤：

设计反应的过程，选择合适的酶或产酶微生物，建立方便、有效的分析方法。

一般产酶微生物的筛选原则包括：

①能够通过发酵在相对较短的时间内高产目标酶；②微生物应该尽可能地利用便宜和方便的原料生产酶；③微生物所产生的酶最好有比较高的专一性，没有或很少有产生副产物的杂酶；④所用微生物应该是不产生有害物质的非致病性的安全微生物；⑤微生物的遗传稳定性应该较高，这样才能重复稳定地获取微生物酶。

从自然界分离与筛选产酶微生物菌种一般按采样、富集、分离和初复筛等几个步骤进行。什么是酶分子修饰

通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的技术过程称为酶分子修饰。

酶分子修饰的方法

大分子物质结合修饰（共价和非共价）；主链修饰（肽链有限水解修饰）；侧链基团化学修饰；金属离子置换修饰；氨基酸替换修饰；定点突变

酶分子修饰的原理

•1、（如何提高酶的稳定性）修饰剂分子存在多个反应基团，可与酶形成多点交联。使酶的天然构象产生“刚性”结构。从而增强酶天然构象的稳定性与耐热性。大分子修饰剂本身是多聚电荷体，能在酶分子表面形成“缓冲外壳”，抵御外界环境的极性变化，维持酶活性部位微环境相对稳定。

•2、（如何保护酶的活性部位）大分子修饰剂与酶结合后，产生的空间障碍或静电斥力阻挡抑制剂，“遮盖”了酶的活性部位。从而保护酶活性部位并起到低抗抑制剂和抗蛋白水解酶的作用。

•3、（如何维持酶的结构完整）酶分子上许多敏感基团交联上修饰剂后，减少了受蛋白水解酶破坏的可能性。

•4、（如何消除抗原性）酶蛋白氨基酸组成的抗原决定簇，与修饰剂形成了共价键。破坏了抗原决定簇—抗原性降低乃至消除，“遮盖”了抗原决定簇—阻碍抗原、抗体结合。消除酶的抗原性，使酶稳定。

什么叫酶的发酵生产？

利用微生物的扩大培养获得所需酶的技术过程称为酶的发酵生产。

对产酶菌种的要求（归纳）：

①生长速度快，产酶量高；②培养基简单；③遗传稳定；④易于分离纯化；⑤安全性高。产酶菌种的保藏

⑴低温保藏：①矿油法；②干硅胶法；③索氏法

⑵干燥保藏：①冷冻干燥；②砂土管法

什么是菌种的退化

一般把菌株的生活力、产孢子能力的衰退和产物的下降统称为退化

什么是复壮

所谓菌种的复壮即菌种退化后，通过纯种分离和性能测定，从退化的群体中找出尚未退化的个体，以达到恢复该菌种原有性状的一种措施。

什么是细胞的活化

保藏的菌种在用于发酵生产之前，必须接种于新鲜的固体培养基上，在一定的条件下进行培养，使细胞的生命活性得以恢复，这个过程称为细胞活化。

发酵产酶的模式：

①同步合成型②延续合成型③中期合成型④滞后合成型。最理想的合成模式是延续合成型。

酶分离纯化的依据：

①酶和杂蛋白解离或溶解度性质的差异；②酶和杂蛋白在两相中的分配性质差异；③分子大小和形状的差异；④电荷性质的差异；⑤稳定性的差异；⑥酶和底物、辅助物质以及抑制剂间具有相互亲和作用的特点。

酶和细胞固定化的方法：①吸附法②共价偶联法③交联法④包埋法

固定化酶与游离酶相比的优点：

①极易将固定化酶与底物、产物分离；②可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应，有利于较大规模的酶应用；③在大多数情况下可以提高酶的稳定性；④酶反应过程能够加以严格控制；⑤产物溶液中没有酶的残留，简化了产物的提纯工艺；⑥较游离酶更适合于多酶反应，有利于多酶系统的利用，提高酶反应效率；⑦可以增加产物的收率，提高产物的质量；⑧酶的利用率比可溶性酶强若干倍，酶的使用效率提高，成本降低。

缺点：

①固定化时，酶活力有损失；②增加了生产的成本，使工厂的初始投资大；③只能用于可溶性底物，而且较适用于小分子底物，对大分子底物不适宜；④与完整菌体相比不适宜于多酶反应，特别是需要辅助因子的反应；⑤胞内酶必须经过酶的分离手续。

典型的生物催化介质系统：

1..水或缓冲溶液系统；

2. 水-有机溶剂系统

3. 水-有机溶剂两相系统;

4. 乳状液或微乳液系统

5. 微水有机溶剂单相系统;

6.超临界流体系统

7. 离子液体介质系统

8. 无溶剂反应系统

水和酶催化的关系

维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量称为必需水。酶分子只有在空间构象完整的状态下，才具有催化功能。在无水条件下，酶的空间构象被破坏，酶将变性失活。必需水是酶在非水介质中进行催化反应所必需的，它会直接影响酶的催化活性和选择性。一方面，水分子直接或间接地通过氢键疏水键及范德华力等非共价键相互作用来维持酶的催化活性所必需的构象。另一方面，水是导致酶的热失活的重要因素，有水存在时随着温度的升高酶分子会发生变化而失活。

水使酶具有一定的柔性—生物大分子局部区域具有一定的可运动性。

酶蛋白的“刚柔并济”：

（1）酶活性部位的柔性是酶充分表现其活性所必需的；（2）对于局部柔性部位的维持必须有刚性部分来支撑；

（3）酶分子既要保持相对稳定的整体结构，又要有相对柔性的微环境状态。