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1、生物催化工程,山东科技大学,主要内容,1生物催化剂：是生物反应过程中起催化作用的游离或固定化酶的总称。2固定化酶：固定化酶：通过物理的或化学的方法，将酶束缚于水不溶的载体上，或将酶束缚于一定的空间内，限制酶分子的自由流动，但能使酶发挥催化作用的酶。3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。4酶回收率与酶纯化比（纯度提高比）：酶的回收率是指某纯化步骤后酶的总活力与该步骤前的总活力之比。酶的纯化比是之某纯化步骤后的酶的比活力与该步骤前的比活力之比。5凝胶过滤层析：又叫分子排阻层析，分子筛层析，在层析柱中填充分子筛，加入待纯化样品再用适
2、当缓冲液淋洗，样品中的分子经过一定距离的层析柱后，按分子大小先后顺序流出的，彼此分开的层析方法。,主要内容,是非题（每题1分，共10分）,主要内容,简答题（每题5分，共20分）1酶的6个种类的名称是什么？2通常酶的固定化方法有那些？3. 举出四例，说明酶在医学上的广阔的用途。4写出五种分离纯化酶蛋白的方法。,主要内容,生物柴油生产时，需要一种脂肪酶，制定方案从微生物中提取，说明这种生物催化剂筛选的主要途径，产酶微生物一般筛选方法和步骤,怎样对筛选菌种育种和菌种保存，说明防止菌种衰退和复壮方法，怎样优化发酵条件，阐述这种脂肪酶的提取纯化方法（三种），论述检查酶的制剂是否达到了纯的制剂的方法。,主
3、要内容,设计一种脂肪酶，阐述它的在某一领域的应用，说明如何采用两种酶分子修饰方法进行修饰，修饰后的优点列举两种，如何采用酶的两种固定化方法做固定化酶，设计这种脂肪酶在非水相介质中的催化反应过程。,1.2.1 生物催化工程界定,生物催化与生物转化( biocatalysis & biot ransformation) 是生物学、化学、过程工程科学的交叉领域, 其核心目标是大规模采用微生物或酶为催化剂生产化学品、医药、能源、材料等。以生物催化与生物转化为核心的工业生物技术将是生物技术革命的第三个浪潮.,1.2 生物催化工程内涵及历史,1.3 生物催化的研究内容,生物催化系统(Biocatalyti
4、c System)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(图1一1)。这就涉及所谓的“底物工程(Substrate Engineering)、“介质工程”(Medium Engineering)和“生物催化剂工程”(Biocatalyst Engineering)等许多不同学科背景的基础知识和专门技术。,生物催化剂的筛选和制备：要经过微生物菌种的自然分离、诱变育种或定向改造，酶的发酵、提取和纯化，以及酶或细胞的固定化等一系列环节的反复多次筛选和优化组合。,1.3.1 生物催化的研究内容,不对称合成（Asymmetric synthesis），也称手性合成、立体选择性合成、对映选
5、择性合成，是研究向反应物引入一个或多个具手性元素的化学反应的有机合成分支。按照Morrison和Mosher的定义，不对称合成是“一个有机反应，其中底物分子整体中的非手性单元由反应剂以不等量地生成立体异构产物的途径转化为手性单元”。这里，反应剂可以是化学试剂、催化剂、溶剂或物理因素。,如何用天然的酶在非生理条件下催化非天然底物的不对称转化，并且保持高度的立体选择性，则是不对称生物催化中需要重点研究并加以解决的一个核心科学问题。(定向进化、构象工程)。,20世纪80年代初期兴起的非水相酶催化技术彻底地突破了酶只能在单一水溶液介质中应用的局限。所表现出的催化性能(如活性、选择性、稳定性)与在常规水
6、溶液介质中的天然性能截然不同，从而极大地扩展了生物催化剂的应用范围。,1.3.2 研究特色,生物催化在手性合成中的应用工业生物催化技术被看作是继农业和医药生物技术之后，生物技术发展的第三次浪潮。一方面化学工业公司正在雇用越来越多的生命科学家；另一方面，有机化学家在面对新的或比较困难的合成任务时，开始把生物催化剂视作有效的合成工具。,手性合成的难点在于：针对不同的手性或潜手性底物，必须使用与之高度匹配的专一性“手性工具”(例如：手性拆分剂、手性催化剂、手性溶剂或助剂，等等)，首要的任务是制备出对目标反应具有高度立体选择性的手性生物催化剂。,手性化合物分离测定与拆分技术主要有：利用现代色谱法(高效
7、液相色谱(HPLC)、气相色谱(GC)、毛细管电泳(HPCE)、超临界流体色谱(SFC)、物理化学拆分法、膜法、酶法。其中，现代色谱分离技术在对映体的分离与测定方面显示出巨大的优越性。,酶催化剂具有高度的对映体选择性，不对称合成。生物大分子含有很多手性中心，故在结构上形成高度不对称的微环境空间，而在功能上则作为一种“手性受体”，对手性的药物(配体)或手性的底物具有立体专一性识别作用。,以2005年全球销售额（美元）统计，以下21种单一对映异构体药物都可被称为“重磅炸弹”。阿托伐他汀（13.0亿），氯吡格雷（6.3亿），重组人红 细胞生成素（5.8亿），氟替卡松/沙美特罗复方制剂（5.5亿），利
8、妥昔单抗（5.2亿），埃索美拉唑（4.6亿），辛伐他汀（4.4亿），普伐他汀 （3.8亿），缬沙坦（3.7亿），依那西普（3.6亿），英利昔单抗（3.5亿），促红细胞生成素（3.3亿），舍曲林（3.3亿），孟鲁司特钠 （3.0亿），依诺肝素钠（2.7亿），曲妥珠单抗（2.5亿），乙二醇化非格司亭（2.3亿），依地普仑（2.0亿），阿奇霉素（2.0亿），多烯紫杉 醇（2.0亿），奥沙利铂（1.9亿）。,抗癌药基因技术公司与罗素制药公司联合开发的曲妥珠单抗、辉瑞公司的伊立替康、赛诺菲-安万特公司的奥沙利铂、礼来公司的吉西他滨。这类药物的在研产品多数是生物制剂，主要是单克隆抗体。胃肠道用药阿斯利康公
9、司的埃索美拉唑就是一种由外消旋体转变的单一对映异构体药物。该药于2000年上 市，2005年销售额达46亿美元。诠释了开发单一对映异构体药物的一个基本原则首先在技术上必须可行，再者要具有临床疗效和 市场方面的优势。抗病毒药罗氏公司的治疗禽流感药物“达菲”也是单一对映异构体药物。葛兰素史克公司的拉米夫定/齐多夫定/阿巴卡韦复方制剂、伐昔洛韦，雅培公司的茚地那韦/利托那韦复方制剂、安普那韦都是单一对映异构体的抗病毒药物。呼吸系统用药葛兰素史克公司的氟替卡松/沙美特罗复方制剂是由两个单一对映异构体药物成分组成的,1.4 酶的命名与分类,1.4.1酶的国际系统分类 1.氧化还原酶类2.转移酶类3.水解酶类4.裂合酶类5.异构酶类6.合成酶（连接酶）类,水解酶类 hydrolases,水解酶催化底物的水解反应。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，胰蛋白酶(trypsin)催化的肽链的水解反应：,
