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1、第八章 生物催化技术8.1 生物催化剂的类别类别起催化作用的游离或固定化细胞或酶的总称 生物催化剂技术8.2 生物催化反应的特征 （1）催化效率极高 传统化工催化剂用量0.1-1%，酶用量10-40-10-30 % （2）选择性极高（相对/绝对专一性） 一种酶只能催化一种底物，（绝对专一性） 一种酶能催化一类结构相似的底物，（相对专一性） （3）催化条件极温和 常温、常压、PH=5-8（通常在7）生物催化剂技术绝对专一性实例生物催化剂技术相对专一性实例键专一性或基团专一性 酯酶可对所有含酯键的酯类化合物进行催化生物催化剂技术生物催化剂技术8.3 酶的系统分类及命名 目前已鉴定出2000多种酶，
2、并得到200多种结晶体。分类 （1）氧化还原酶 EC1 氧化还原 （2）转移酶 EC2 从一个底物转移到另一个底物 （3）水解酶 EC3 水解 （4）裂解酶 EC4 裂解 （5）异构酶 EC5 异构化，分子重排等 （6）连续酶 EC6 也称合成酶生物催化剂技术命名：习惯命名、系统命名、系统分类命名系统分类命名EC后缀4位数字（例如EC3.1.1.3） 第一位数字表示酶的类别 第二位数字表示底物中被催化的基团或键的特点 第三位数字表示亚类类型 第四位数字表示登记号单纯酶 由简单蛋白构成的酶 淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶、脲酶等 结合酶 除蛋白（酶蛋白）外，还有非蛋白成分（辅酶或辅因子） 如大
3、多数的氧化还原酶生物催化剂技术辅酶/辅基的分类 （1）无机金属元素 Cu、Zn、Mn、Mg、Fe等 （2）小分子有机物 维生素、铁卟啉 辅酶/辅基只有与酶蛋白相结合才显活性 在反应中起传递氢、电子、原子或化学基团的作用 一种酶蛋白通常只能同一种辅酶相结合 而一种辅酶却能与多种不同酶蛋白相结合成特异性强的全酶 辅酶中的某些金属还能起“搭桥”的作用 生物催化剂技术8.4 酶的功能与反应动力学酶功能由酶活性中心和辅酶因子构成酶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化学基团（起催化作用）辅酶因子通常是酶维持空间结构和活性中心的必需基团
4、 有的直接参与活性中心的催化作用 有的只起传递氢、电子、原子和化学基团的作用 它与酶蛋白的结合比较疏松生物催化剂技术 酶催化过程先接触底物，再与底物形成复合体 酶催化机理钥匙学说、诱导契合学说、过渡态中间物理论 钥匙学说酶与底物形成严格的互补关系诱导契合学说底物诱导酶蛋白使其构象发生有利于结合底物 导致二者在构象上形成互补关系 过渡态理论酶与底物结合后形成过渡态中间物，然后底物 向产物转化。 只有酶活性中心与过渡态中间物才有互补关系 见图8-1生物催化剂技术生物催化剂技术酶缺点：非常娇嫩，对反应环境非常敏感，尤其怕热酶改造 （1）在蛋白质分子中引入二硫键，可大大提高热稳定 性可适应有机溶剂 （
5、2）酶的体外定向进化（也称实验分子进化） 通过人为地创造特殊条件，模拟自然进化机制（如 随即突变、重组、自然选择等）定向培养所需的突 变酶体，改进酶的热稳定性、活性、选择性等 该法属于非理性设计法，它不需要预先知道酶的空 间结构和催化机理 。 生物催化剂技术酶反应动力学酶动力学受温度、PH值、底物浓度、酶用量及 抑制剂影响，其中底物浓度影响较大。 单底物典型变化情况见图8-2 米-曼方程生物催化剂技术生物催化剂技术8.5 影响酶催化反应的多种因素 （1）温度影响速率及酶变（酶有最适宜温度） （2）PH值影响酶及底物的解离、酶分子构象及活性 （3）激活剂酶及酶原都可以被激活 激活剂可以是金属离子
6、或某些阴离子 （4）抑制剂降低酶活性或使之失活（可逆、不可逆两类） 失活作用：次级键被破坏，导致空间构像变化，酶蛋白变质抑制作用：酶的必需基团受某种化学物质影响，导致活性降低去激活作用：用螯合剂可去除能激活酶的金属离子生物催化剂技术8.6 生物催化技术的作用及意义应用领域生物材料、手性药物、精细化学品、大宗化学品、 生物能源、环境保护生物催化剂在手性技术中的应用手性技术包括不对称合成、外消旋体拆分（1）酶酶催化还原 借助氧化还原酶完成。实例：合成手性合成纤维。（2）酶催化氧化 借助氧化还原酶完成。实例：苯芳环衍生物的生物催化氧化（3）水解反应 借助水解酶完成。实例：内外消旋混合体的酶催化水解生
7、物催化剂技术生物催化剂技术生物催化剂技术生物催化剂技术生物催化剂技术生物催化剂技术8.7 生物催化的发展趋势（1）发掘生物多样性研究（2）生物催化剂的修饰、改造研究（3）生物催化反应过程研究酶的固定化是酶实现工业化的极重要条件，这种酶可直接应 用于工业生物催化反应器。 抗体酶化学与免疫学结合产生的催化抗体 用于解决天然酶在手性合成中无法解决的问题 抗体动物为抗拒外来物质的入侵而合成的蛋白质 具有可变性，可与抗原结合，组合方式可达1011 抗原诱导抗体形成的外来大分子生物催化剂技术催化抗体将酶的高效催化性与抗体的高度选择性的巧妙结合 本质是一种没有进化完全的蛋白质酶，它不如天然 酶催化效率高，但可催化多种化合物使其转化。获取抗体酶的关键 （1）设并计合成与底物过渡态类似的抗原 （2）制备纯催化抗体酶催化剂生物酶催化剂、模拟酶催化剂生物酶催化剂：酶本身及整个酶细胞（可以来自于动、植、生物）模拟酶催化剂：用化学合成方法制备的酶催化剂 目前模拟酶已取得许多可喜进展 生物催化剂技术生物催化剂技术生物酶化学模拟途经 （1）寻找酶结构的相似性 主要从酶活性中心结构入手 （2）寻找功能化的酶模型 某些无机材料如介孔分子筛、半导体等具有类似生物酶的 功能 分子印迹技术和分子识别技术已被用于模拟酶的设计制备生物催化剂技术
