生物催化技术

酶催化的作用专一性机制
中间产物学说：
1913年生物化学家 Michaelic和 Menten提出：
酶降低活化能的原因是酶参加了反应，即酶分子与底物分子先结合形成 不稳定的中间产物（中间结合物），这个中间产物不仅容易生成，而且容易 分解出产物，释放出原来的酶，这样就把原来活化能较高的一步反应变成了 活化能较低的两步反应。
3.模拟生物催化剂
……
Enzyme(酶)－－是一类由活细胞产生的，对其特有底物具有高 效催化作百度文库的蛋白质。
生物催化剂的类别与作用方式
生物催化酶的类别
水解酶 氧化还原酶 转移酶
异构酶
生物催化酶 生物催化酶
裂合酶 合成酶
单纯酶 复合酶
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水解酶 hydrolase
水解酶催化底物的加水分解反应。 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。 例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
R COOCH2CH3
H2O
RCOOH
CH3CH2OH
氧化还原酶 Oxidoreductase

氧化-还原酶催化氧化-还原反应。
主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。
如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
CH3CHCOOH NAD OH
+
CH3CCOOH NADH O
果胶酶的应用： 1.保持混浊果汁稳定性（番茄汁、番茄酱）【破坏果胶酶】 2.生产澄清果汁 【应用果胶酶】 3.提高果汁榨汁率 【应用果胶酶】 4.加工水果罐头 【破坏果胶酶】 5.防止果汁混浊 【应用果胶酶】
糕点、饮料
用β -淀粉酶强化面粉可防止糕点老化。糕点馅心常以淀粉 为填料，添加β -淀粉酶可以改善馅心风味。
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生物催化的产生与发展
1857年 巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动 的结果。
1897年 毕希纳兄弟证明不含细胞的酵母汁也 能进行乙醇发酵。
1926年 萨姆纳首次从刀豆中提出脲酶结晶。 1930年 美国诺斯罗普等人得到了胃蛋白酶、 胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，证明了 酶是蛋白质。 1989年 美国托马斯·切赫和西德尼·奥尔特 曼发现某些RNA也有催化活性，两人共获得 诺贝尔化学奖。
k 1 Ks 为解离常数（mol/L） k 1
7.5影响酶催化反应 的因素
温度

温度和pH对酶的活性有显著的影响，使反应速度达到最大反 应值时的温度称为某种酶作用的最适温度。大多数动物酶的 最适温度为37℃-40℃，植物酶的最适温度为50℃-60℃。
温度对酶的反应主要体现在两方面：一是升温加速酶催化反 应，降温反应速率减慢；二是温度加速蛋白质变性。

激活剂对酶促反应速度的影响

凡是能提高酶活性的物质，都称激活剂，其中大 部分是离子或简单的有机化合物。激活剂种类很多， 有①无机阳离子，如钠离子、钾离子、铜离子、钙 离子等；②无机阴离子，如氯离子、溴离子、碘离 子、硫酸盐离子磷酸盐离子等；③有机化合物，如 维生素C、半胱氨酸、还原性谷胱甘肽等。许多酶只 有当某一种适当的激活剂存在时，才表现出催化活 性或强化其催化活性，这称为对酶的激活作用。而 有些酶被合成后呈现无活性状态，这种酶称为酶原。 它必须经过适当的激活剂激活后才具活性。
7.4.2 酶催化反应动力学
概念：酶催化反应动力学主要研究反应速率及 其影响因素。酶催化与非酶催化相同，受温度、 介质pH值、反应物（底物）浓度、酶用量以及 抑制剂等因素的影响
米氏方程（米-曼方程）
1913年，Michaelis 和 Menten 对中间产物学说提出四点假设，建立了酶催化反应的动力学方 程----米氏方程（M-M方程）。
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。
“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。
（二）、系统命名法
要求确切表明底物的化学本质及酶的催化性质。原则如下：
1 、酶的系统命名有两部分构成：底物名称（底物1：底物2） ＋反应名称
如果底物2为水，可略去不写
例如：
醇脱氢酶为醇：NAD+氧化还原酶 L—乳酸：NAD+ 氧化还原 酶。
（三）、系统分类命名

每一种酶都有一个系统命名分类编号，EC+四个数 字。
酶催化的作用专一性机制
1.锁钥学说 2.诱导契合学说 3.“三点结合”催化理论
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。

1902年，Emil Fisher成为第一位生物化学领域的诺贝尔获得者。

7.2酶的作用特征
⑴ 酶对环境条件的敏感性：酶易失活，要求的反应 条件温和，对环境条件敏感。 N2 +6H++6e
固氮酶
常温、常压
2NH3
N2+3H2
Fe
500℃,300大气压
2NH3
酶的作用特征
(2) 酶催化的高效性：酶具有极高的催化效率。 相同条件下，以分子比表示： 酶（V）高于无酶（V）108 ～1020 倍 酶（V）高于普通催化剂（V）107 ～1013 倍

pH
环境过酸、过碱会影响酶蛋白构象，使酶本身变性失活。 pH影响酶分子侧链上极性基团的解离，改变它们的带电状态， 从而使酶活性中心的结构发生变化。在最适pH时，酶分子上 活性中心上的有关基团的解离状态最适于与底物结合，pH高 于或低于最适pH时，活性中心上的有关基团的解离状态发生 改变，酶和底物的结合力降低，因而酶反应速度降低。 pH能影响底物分子的解离。可以设想底物分子上某些基团只 有在一定的解离状态下，才适于与酶结合发生反应。若pH的 改变影响了这些基团的解离，使之不适于与酶结合，当然反 应速度亦会减慢。
几何异构 专一性
光学异构 专一性
生物催化剂和化学催化剂的比较
7.3 酶的命名
（一）、习惯命名法 （二）、系统命名法 （三）、系统分类命名法
（一）、习惯命名法
惯用名 常依据酶所作用的底物和反应类型命名。
原则：
（1）根据作用底物：如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。 （2）根据反应性质：如水解酶、脱氢酶、转氨酶等。 （3）二者结合：如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。 （4）再加上酶的来源、特性：如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性 磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶等。
H+
转移酶 Transferase

转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或
原子转移到另一个底物的分子上。 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
CH3CHCOOH HOOCCH2CH2CCOOH NH2 CH3CCOOH O O HOOCCH2CH2CHCOOH NH2
异构酶 Isomerase

例如：乳酸脱氢酶
7.4 酶的功能 与反应动力学
7.4.1 酶的功能
概念：酶的功能主要是由酶的活性中心和辅酶因子构成的。 酶的活性中心：酶蛋白中与催化相关的特定区域 （通常在酶分子的表面，具有特定的空间结构） 必需基团：酶活性中心中特定的起催化作用的化学基团 辅酶因子：通常是酶维持空间结构和活性中心的必须基团
HOOCCH=CHCOOH H2O HOOCCH2CHCOOH OH
合成酶 Ligase or Synthetase

合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及 C-S 键的形成反应。这类反应必须与ATP分解反应相互 偶联。
A + B + ATP + H-O-H ===A B + ADP +Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸
cE0 cE c[ ES ] dcP vP k2 c[ ES ] dt
0
KS v —反应速度 Vm—最大反应速度 cS —底物浓度 cE — 酶浓度 cE0 — 初酶浓度 c[ES] — 酶浓度 KS—米氏常数
cS
vP
k2cE0 cs K s cs

vP,max cs K s cs
7.6生物催化的应用
生物催化技术 的应用方面
催化剂的应用
生物催化过程 技术的应用
生物催化的主要应用方向
医药 农药 食品添加剂 有机酸 饲料添加剂 化工 轻工 日化工业
应用实例
除氧保鲜 葡萄糖氧化酶可以去除果汁、饮料、罐头制品和 果蔬干制品中的氧气，防止产品氧化变质，抑制 微生物生长，延长食品保质期。 用葡萄糖氧化酶除去脱水蔬菜的糖分可防止贮藏 过程中发生褐变。瓶装桔汁贮藏时因氧化而使色 香味变劣，采用葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶去氧 即可保持果汁原有的色香味。水果冷冻保藏时， 由于果实自身的酶作用而发酵变质，也可用葡萄 糖氧化酶保鲜。
⑶ 酶作用的高度专一性
酶的专一性（特异性）——指酶对所催化的底物有严 格的选择性，对所催化的反应类型有严格的规定性， 一种酶在一定条件下只能催化一种或一类结构相似的 底物进行某种类型反应的特性。
酶专一性类型
绝对 专一性
结构 专一性
酶专一性 类型
相对 专一性
基团 专一性（族专一性） 键专一性
立体异构 专一性
5
生物催化剂的来源
8% 4%
2
88%
微生物 动物 植物
3
目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，多数 来自于微生物细胞。除真核生物和单细胞酵母外，原核微生物是 生物催化剂的主要来源。
6
7.1生物催化剂的类别
1.蛋白质类：天然酶； 生物工程酶
生物催化剂
Biocatalyst
2.核酸类：核酶; 脱氧核酶
抑制剂对酶促反应速度的影响



能减弱、抑制甚至破坏酶活性的物质称为酶的抑制剂。它可降低酶促反 应速度。酶的抑制剂有重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化 物、碘化乙酸、生物碱、染料、对-氯汞苯甲酸、二异丙基氟磷酸、乙二 胺四乙酸、表面活性剂等。 对酶促反应的抑制可分为竞争性抑制和非竞争性抑制。与底物结构类似 的物质争先与酶的活性中心结合，从而降低酶促反应速度，这种作用称 为竞争性抑制。竞争性抑制是可逆性抑制，通过增加底物浓度最终可解 除抑制，恢复酶的活性。与底物结构类似的物质称为竞争性抑制剂。抑 制剂与酶活性中心以外的位点结合后，底物仍可与酶活性中心结合，但 酶不显示活性，这种作用称为非竞争性抑制。非竞争性抑制是不可逆的， 增加底物浓度并不能解除对酶活性的抑制。与酶活性中心以外的位点结 合的抑制剂，称为非竞争性抑制剂。 有的物质既可作为一种酶的抑制剂，又可作为另一种酶的激活剂。
生物催化技术
人员分工：1.资料收集： 2.资料整理： 3.ppt制作： 4.演讲者：

相对于一般催化剂而言，生物催化剂是天然来 源的催化剂，他通常以完整细胞、游离酶或细胞壁 的形式使用，并且已经有上百年的历史。自20世纪 80年代以来，伴随着生物技术的巨大进步及化学工 业所面临的新问题，人们认识到这种天然催化剂用 于非天然有机化合物转化的巨大潜力，因而，作为 一个新兴领域受到广泛重视。生物催化被认为是催 化技术发展的趋势，一段时间以来掀起了淘金热搬 得吹捧，预示着不可估量的发展前景。

异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内
基团或原子的重排过程。
例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH OH OH OH OH OH CH2OH O CH2OH OH
裂合酶 Lyase

裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键 的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， 延胡索酸裂合酶催化的反应。
生物催化的定义
生物催化（ biocatalysis ）是利用生物催化
剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快)化学
反应速度的作用。
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生物催化的产生与发展
酵母发酵的产物,是细 胞内酶作用的结果
酒的酝酿
远古时代 饴糖的制作 用麦曲含有的淀粉酶 将淀粉降解为麦芽糖
豆类做酱
在霉菌蛋白酶作用下,豆类蛋白质水解 得豆酱和豆鼓,压榨后制得酱油
四点假设：
1、反应中，酶的浓度保持恒定；
2、酶的浓度远小于底物的浓度； 3、产物的浓度很低，可以忽略其对反应的影响；
4、生成产物的速度要慢于底物与酶生成复合物的可逆反应速度，是整个反应速度的决定因 素。
可逆反应在反应一开始就快速达到平衡，“快速平衡学说”
k1cE cS k1c[ ES ]
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