有关酶催化的原理简介

有关酶催化的原理简介

酶的化学本质是蛋白质。具有酶活性的蛋白质分为简单蛋白质类和结合蛋白质类。简单蛋白质类的酶是由氨基酸组成的，不含任何其他物质，如胃蛋白酶。结合蛋白质类的酶是由简单蛋白质与辅基组成的，如乳酸脱氢酶、转氨酶。组成酶的简单蛋白质部分叫做酶蛋白或主酶，辅基部分叫做辅酶。一般是主酶与辅酶相结合，成为全酶，才能起到酶的作用。

降低反应活化能在任何化学反应中，反应物分子必须超过一定的能阈，成为活化的状态，才能发生变化，形成产物。这种提高低能分子达到活化状态的能量，称为活化能。催化剂的作用，主要是降低反应所需的活化能，以致相同的能量能使更多的分子活化，从而加速反应的进行。酶能显著地降低活化能，故能表现为高度的催化效率。通过过氧化氢酶的例子，可以显著地看出，酶能降低反应活化能，使反应速度增高千百万倍以上。

酶的催化作用机理现在普遍被接受的是Koshland DE提出的诱导契合学说（解释酶的专一性）和共价催化与酸碱催化（解释酶的高效率）。诱导契合认为，酶和底物结合咋接触以前并不是完全契合的，只有在底物被与酶的结合中心结合后，酶分子构象产生了微妙的变化（多加了个基团进去分子力不平衡，构象肯定是要变的），从而使催化中心的位置改变到底物附近并刚好有效作用于底物，从而底物得到催化。有些酶通过共价催化来加速催化速率，在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或吸收电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间配合物，这个中间物很容易变成转变态，因此反应活化能大大降低，底物可以越过较低的能阈而形成产物。而酸碱催化是通过瞬时地向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态、加速反应的一种催化机制。

下面通过简述一篇关于生物酶催化合成生物柴油的文献来说明酶催化的过程和催化的特点。

这篇文献研究的背景是石化柴油的应用中所出现的一系列问题，针对这些问题采用动物或植物油脂与甲醇或乙醇进行反应合成脂肪酸单酯代替柴油，这种改性后的油脂（脂肪酸低碳醇酯）有着与柴油十分相似的理化性质，而且燃烧完全，无污染排放，称之为“生物柴油”。从生物柴油的制备原料来看，有着传统石化柴油不可比拟的优点，即原料可再生、产品本身环境友好、而且不用更换和经常清洗发动机等优点。目前生物柴油主要是用化学法生产，即动植物油脂与甲醇在高强度酸或碱催化剂下制备。化学法存在工艺复杂，醇消耗量大，产物不易回收，环境污染大等缺点。用脂肪酶代替酸碱催化剂催化合成生物柴油的报道已有很多，酶法合成生物柴油具有条件温和、醇用量小、产品易于收集、无污染物排放等优点，

但目前主要问题：低碳醇转化率低，酶成本高，酶的寿命短等。本文采用酯化和酯交换两条工艺路线研究生物法合成生物柴油工艺。

首先制备生物酶：以硅藻土为载体，吸附法制备。取椰子油、吐温的己烷溶液与硫酸镁溶液搅拌制成乳浊液，室温放置直至干燥。

第一条工艺路线：酯化过程合成脂肪酸甲酯，底物是油酸、甲醇，用上述的酶作为催化剂。1，由于过量的醇底物对脂肪酶的催化作用有很强的抑制作用，可以采用多次加入甲醇的方法来提高转化率。2，本实验对比了无溶剂体系与有溶剂体系对反应的影响，以及不同溶剂对催化反应的影响。结果中发现，反应体系中加入溶剂后，反应底物的浓度降低，与酶接触的表面积增大，酯化率明显提高。不同溶剂对脂肪酶酯化反应的影响主要是由于溶剂的疏水性的不同引起的。疏水性从左至右由大变小，疏水性影响脂肪酶的活性，疏水性越强，脂肪酶的活性越高，酯化效果越好，但是该体系中甲醇的亲水性太强，在反应中起着控制因素的作用，因此溶剂体系的极性大小对脂肪酶的活性和酯化效果影响不大，从经济角度考虑选用石油醚较为合适。3，酯化反应是水解反应的逆反应，反应中产生等摩尔的水，必须及时除去，否则会抑制反应的进行，同时破坏酶的微环境而导致活性和稳定性的下降。结果表明，反应体系中以不流加方式加入甲醇，反应的控制步骤是底物甲醇的抑制作用，加吸水剂对反应影响不大。流加甲醇后消除了底物的抑制作用，加吸水剂能够明显提高反应转化率，而且在反应的初期加入吸水剂效果不明显，其主要原因可能是初期加入的吸水剂与甲醇的亲和作用而影响反应过程。4，月桂酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、山嵛酸和芥酸分别与甲醇、乙醇、丙醇和丁醇反应合成脂肪酸低碳醇酯，这些不同性质的生物柴油在酯化过程中的酶促反应不同。酶对不同的底物是有特异性的。结果表明，对于不同碳链长的饱和脂肪酸来说，碳原子数越多，酯化率越高；相同碳数的不饱和脂肪酸的酯化率要低于饱和酸的酯化率。对于不同长度的低碳醇来说，碳原子数越多，酯化率相对较高。5，酶量的不同直接影响着酯,化反应速度和酯化率，通过实验了不同浓度的固定化酶，结果表明当酶的用量为百分之五时（酶比酸）是最佳的，再增加酶的用量，反应转化率没有明显的提高。6，固定化酶的使用寿命和半,衰期是评价它的重要指标。我们选用硅藻土和纺织品（一种无纺布的边角余料）两种载体固定化酶，最终确定使用廉价的纺织品作为固定化载体，易于回收和反复使用，制备的固定化酶可以连续使用多次，提高了酶的使用寿命。

第二条工艺路线：酶促动植物油脂与甲醇的酯交换。本实验选用理论底物摩尔比，在石油醚体系下进行了初步实验，实验结果表明，甲醇的抑制作用是同样存在的，我们采取分批流加甲醇的方式效果明显。其它反应过程中一些影响酶催化的因素均和酯化的工艺路线相似，

这里就不在叙述。

酶催化化工的发展拥有广阔的前景，现在已知的酶的酶有几千种，但是还远远不能满足人们对酶日益增长的需要。随着科技的发展，人们正在发现更多、更好的酶。可以预计,随着各种高新技术的广泛应用及酶工程研究工作的不断深入,酶工程研究和酶制剂工业必将取得更快、更大的发展。可以相信,将来人们可以用化学的方法随心所欲地构造出各种性能优异的人工合成酶和模拟酶,而且还可以采用生物学方法在生物体外构造出性能优良的产酶工程菌为生产和生活服务,酶工程技术必将在工业、医药、农业、化学分析、环境保护、能源开发和生命科学理论研究等各个方面发挥越来越大的作用。

参考资料：生物催化原理

参考文献：

邓利、谭天伟、王芳脂肪酶催化合成生物柴油的研究，生物工程学报，2003年一月，19卷1期

徐圆圆、杜伟、刘德华非水相脂肪略催化大豆油腊合成生物柴油的研究，现代化工，2003年第23卷增刊