生物催化技术

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。

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
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）。
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
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。
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。

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。
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
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。
（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。

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。
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。
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。
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。
4
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。
生物催化技术
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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。
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。
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 效催化作用的蛋白质。
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：
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

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。
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。
3
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

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
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 ]
Vm
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
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