第四讲酶催化生物催化与微生物优秀课件

O HO
面 包 酵
R 1
O R 2
H-
O HO
OO β-
面 包 酵 母
面 酮包 酵 母
R 1
O R 2
R 1
酯
O R 2
H-
R1小 COOR2大
OO 面 包 酵 母
面 包 酵 母O HO
R 1
O R 2
R 1
O R 2
β-酮酯 R1大 COOR2小
• 氢负离子按Prelog规则从空间位阻小的一 面向羰基亲核进攻，形成稳定的优势中间 体，还原醇的手性中心构型由底物结构决 定，即与羰基两侧取代基的大小有关。
• 利用酶或有机体（细胞、细胞器）作为催化 剂实现化学转化的过程，称为生物催化。
• 生物催化中常用的有机体主要是微生物，其 本质是利用微生物细胞内的酶催化有机化合 物的生物转化，又称微生物生物转化。
• 微生物生物转化在有机合成中有着重要的 用途，它能提供廉价和多样的生物催化 剂——酶，或以完整细胞直接进行生物催 化。
第一节 微生物转化反应的特点
• 微生物转化反应，可以采用发酵方式进行 转化，也可以按静止的洗涤细胞或固定化 细胞等方式进行连续生产。它与有机化学 合成和酶法合成相比较有下列特点。
1 对立体结构合成具有高度的专一选择性
• 微生物转化反应是一种酶的催化反应，对 底物(即反应物)作用时，具有高度的立体结 构选择性；它不仅对结构有化学选择性和 非对映异构体选挥性，并且有严格的区域 选择性、面选择性和对映异构体选择性。
(10.5) HO
O CH2OH OAc
O (10.6)
O (10.7)
• 例如来自黑根霉生物体的酶选择性氧化羟 基黄体酮（10.4）的11-位氢，生成11α-羟 基黄体酮（10.5）；而来自新月弯孢霉生 物体的酶则选择性地氧化甾体化合物的 （ 10.6） 的 11- 位 非 对 映 异 构 体 氢 ， 形 成 11β-羟基化合物（10.7）。
3 微生物转化收率高、成本低
• 微生物转化反应是在全细胞内进行，保持 原有整体酶系统比较符合生物催化所需环 境与条件，在氧化-还原等催化反应时不需 添加辅酶（辅酶非常不稳定，难以分离制 取，这是酶法合成中很难补救的）。
• 微生物转化反应可以持续进行，反应量大， 收率高，可以大规模工业生产。加上设备 和原料简单易得等优点，生产成本不仅低 于酶法合成，并且也低于化学合成。
• 这种严格的立体结构选择性，对有机合成 特别是药物合成来说是非常重要的。因为 药物的异构体不仅无效或低效，并且往往 还有副作用，甚至有相反的药效和强力的 毒性。
• 特别像生理活性很高的激素、抗生素以及 心血管系统和神经系统等药物的药效对立 体结构的要求很高．往往具有严格对映体 构型的要求，此为有机化学合成方法难以 达到的。
2 微生物转化反应条件温和、设备简单、 公害少并且反应速率快
• 微生物转化反应一般都在常温和pH为7左右 进行催化合成，无需高压、强热等苛刻的 条件，所以设备简单，反应条件温和，生 产安全；原料除底物和普通培养基外没有 其他化学品，因此一般无公害。
• 微生物转化反应是酶催化反应，在最适条 件 下 ， 酶 能 在 一 秒 钟 内 使 102 ～ 106 个 底 物 分子转变成产物。
• 在生化反应过程中，若采用活细胞(包括微 生物、动物、植物细胞)为催化剂时称发酵 或细胞培养过程，若采用游离酶或固定化 酶时称为酶催化过程。
Baidu Nhomakorabea
• 它们的区别在于发酵过程中除得到反应产 物外，还可能得到更多的生物细胞，而酶 反应过程中，酶则不会增长。上述两类反 应过程，从催化作用的实质看是没有什么 区别的，利用活生物细胞作为催化剂的发 酵生化反应，其实质也是通过生物细胞内 部的酶起催化作用。
第四讲酶催化生物 催化与微生物
• 酶是生物催化剂，生物催化剂不仅包括从 生物体（微生物、动物、植物）中提取的 各种游离酶，还包括可以直接作为酶源使 用的各种生物细胞、固定化的酶和固定化 细胞。
• 因此生物催化剂可以是微生物、动物、植 物的整体细胞，也可以是从细胞中提出来 的酶。它们可以游离的形式使用，也可以 采用固定化技术将其固定在多孔介质表面 后再使用。
（1）化学选择性
• 同一微生物在不同的培养基中培养，其转 化底物产生不同的化学选择性。
3-氰基吡啶
CN
N (10.1)
红球菌 COCl2
光气
红球菌 CN
2-甲基丁腈
O NH2
(10.2)
N
O
OH
N
(10.3)
• 例如红球菌生长在含有COCl2培养基中，所 产 生 的 酶 将 底 物 （ 10.1 ） 水 解 为 酰 胺 （10.2）；而生长在含有2-甲基丁腈培养基 中，所产生的酶将底物（10.1）水解为羧酸 （10.3）。
（2） 非对映异构体选挥性
• 非对映异构体选择性是指对非对映异构体 的氢或基团进行催化反应，导入一个非对 映体的基团。这类选择性生物催化的例子， 大多是对亚甲基中2个非对映体氢的进行催 化，导入一个基团。
黄体酮
O CH3 黑根霉
O CH3 HO
O (10.4)
O
O CH2OH OAc 新月弯孢霉
（5）对映异构体选择性
环氧马来酸
H OH H
H
O
H
粪产碱杆菌 HOOC
COOH OH
(10.9) (S,S)-酒石酸
HOOC
COOH 枯草杆菌
H
(10.8)
OH H
HOOC OH COOH
(10.10)
(R,R)-酒石酸
• 如 一 种 粪 产 碱 杆 菌 (Alcaligenes levotartaricus) 微 生 物 催 化 环 氧 马 来 酸 (10.8)的水解反应，其产物为(S,S)-酒石酸 (10.9)；而以枯草杆菌微生物催化（10.8） 的水解产物则为(R,R)-酒石酸（10.10）。
（3）区域选择性
粪产碱杆菌 HO 诺卡氏菌
COOH
• 应用粪产碱杆菌对乙基环己烷选择性氧化 时仅作用于4-位上的次甲基，生成反式乙 基环己烷醇，侧链不起氧化反应；而诺卡 氏菌对丁基环己烷选择性氧化时，仅作用 于环己烷的侧链丁基，生成环己烷丁酸， 显示了酶的区域选择性氧化反应。
（4）面选择性
• 无环β-酮酯易被酵母还原为β-羟酯， β-羟 酯(这种产物)是β-内酰胺、昆虫激素和类胡 萝卜素等合成的手性源。
4 微生物转化可以减少反应步骤