生物催化ppt

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LOGO生物催化Contents生物催化的概述1生物催化的作用机制2生物催化的应用3发展前景与展望42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。WHATISbiocatalysis?什么是生物催化?5生物催化的产生与发展远古时代酒的酝酿饴糖的制作豆类做酱6酵母发酵的产物,是细胞内酶作用的结果在霉菌蛋白酶作用下,豆类蛋白质水解得豆酱和豆鼓,压榨后制得酱油用麦曲含有的淀粉酶将淀粉降解为麦芽糖生物催化的产生与发展71857年Pasteur提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。1897年Buchner兄弟证明不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。1926年Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶。生物催化的产生与发展1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶。J.B.SumnerJ.H.Northrop证明了酶是蛋白质生物催化的产生与发展某些RNA有催化活性(ribozyme,核酶)ThomasCechUniversityofColoradoatBoulder,USASidneyAltmanYaleUniversityNewHaven,CT,USA2人共同获1989年诺贝尔化学奖。生物催化剂的来源231088%8%4%微生物动物植物目前,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。生物催化剂的分类克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶……生物催化剂Biocatalyst蛋白质类:Enzyme(天然酶、生物工程酶)核酸类:Ribozyme;Deoxyribozyme模拟生物催化剂核酶脱氧核酶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酶的作用特点N2+6H++6e2NH3固氮酶常温、常压N2+3H22NH3Fe500℃,300大气压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。(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。酶的作用特点酶专一性类型结构专一性立体异构专一性绝对专一性相对专一性几何异构专一性光学异构专一性基团专一性(族专一性)键专一性酶专一性类型绝对专一性——指某些酶对底物有绝对严格的要求,即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应。O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2ONH3+CO2O=C脲酶结构专一性——酶对所催化的分子(底物,Substrate)化学结构的特殊要求和选择。酶专一性类型相对专一性——指酶能催化结构相似的一类底物进行反应。或要求有一定的化学键及键两端的原子基团;或仅要求一定的化学键。键专一性:酯酶对脂肪的水解作用基团专一性:胰蛋白酶对肽链的作用Aa1-Aa2-Aa3-Aa4-Aa5-Aa6-Aa7-Aa8-Aa4=Lys酶专一性类型立体异构专一性——指酶对催化底物的立体结构有高度选择性。即一种酶只能作用于底物立体异构中的一种几何异构专一性COOHCH2CH2COOHHOOCCOOHCCHH+FAD+FADH2SDH延胡索酸酶:作用于反式的丁烯二酸酶专一性类型酶作用专一性机制2318锁钥学说(Lockandkeytheory):EmilFisher(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。诱导契合学说(inducedfithypothesis)2319Koshland(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2320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。生物催化酶的类别生物催化酶21水解酶氧化还原酶转移酶异构酶裂合酶合成酶复合酶生物催化酶水解酶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:H2OCOOCH2CH3RRCOOHCH3CH2OH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。CH3CHCOOHOHNAD+H+CH3CCOOHONADH氧化还原酶Oxidoreductase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。CH3CHCOOHNH2HOOCCH2CH2CCOOHOHOOCCH2CH2CHCOOHNH2CH3CCOOHO转移酶Transferase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。OCH2OHOHOHOHOHOCH2OHCH2OHOHOHOH异构酶Isomerase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。HOOCCH=CHCOOHH2OHOOCCH2CHCOOHOH裂合酶Lyase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草酰乙酸合成酶LigaseorSynthetase酶催化的化学反应1.卤化反应对于富电子底物,自然界一般利用黄素依赖型的卤化酶或卤素过氧化物酶来催化氯化、溴化或碘化作用。对于烷烃等缺电子底物,则往往利用单核铁卤化酶。色氨酸7-卤化酶等FADH2卤化酶可以催化一系列的吲哚衍生物和芳香杂环化合物的区域特异性卤化反应。卤化酶用于蝴蝶霉素类化合物的合成2大环化作用一般由生物合成末端的环化酶所催化环化酶具有丰富的底物多样性,不仅可以催化线性硫酯底物高效合成18—42元环的巨内酰胺,而且底物除两个基团外,其他所有基团均可被取代。酶环化作用并不仅通过催化碳氮键形成大环多肽,还可以催化NRP缩酚肽的合成和PK内酯环化反应。生物催化与绿色化学生物催化通过催化高立体和高区域选择性反应来防止废物的产生,利用水作为反应溶剂来防止或减少有害有机溶剂的应用,根据催化反应在常温常压进行的特性来设计高能效和安全的化学合成工艺,充分利用可降解的可再生原料以提高原子经济效益。该技术满足绿色化学的12个原则,对绿色化学的发展日趋重要。2019/10/7绿色化学32生物催化合成的研究利用生物催化(酶,微生物等催化)合成化学品不但具有条件温和、转化率高的合成的优点,而且,可以合成手性化合物及高分子及化学法难于合成的化合物。生物催化合成的产品有类固醇及甾醇合成,类萜合成,生物碱合成,半合成抗生素合成,有机酸类合成,糖的转化,药用多肽及蛋白质的合成,氨基酸类合成,胺合成等。2019/10/7绿色化学33生物催化应用领域:(1)传统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺,转化率仅为97%~98%,由化学法合成的丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量很难超过1200万,而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成,其转化率达99.9%以上,比化学法成本低10%以上,聚合生成聚丙烯酰胺分子质量达2000万。2019/10/7绿色化学34(2)利用酶法生产的氨基酸有很多,若利用顺酐和富马酸等为原料经化学法生产天门冬氨酸,转率仅为80~85%,而采用酶法生产,天门冬氨酸的转化率可达99%以上。2019/10/7绿色化学35(3)酶催化剂将化学合成的前体、潜手性化合物或外消旋衍生物转化为单一、光学活性产物,根据有机化学基本理论中关于立体化学的阐述,可知通过酶催化而生成的手性化合物在精细化工中占极重要的地位。例:LyricaTM的活性成分pregabalin的化学生产路线cyanodiester(CNDE)水解脱羧和加氢后得到消旋β2氨基酸,最后进行化学拆分。为了得到高光学纯度的活性药物成分(API),(S)2扁桃酸拆分后需要进一步重结晶,但两步反应得率只有25%—29%。由于不需要的对映体回收比较困难,整个过程的产率只有18%—21%。这样,拆分步骤之前70%的原材料(包括中间体、试剂和溶剂)最后都成为废物。酶拆分在第一步进行,不需要的对映体可以很容易回收3步反应都在水中进行。因此,该新工艺免除了传统的(S)2扁桃酸化学拆分过程和图式5所示的大部分有机溶剂收率和通量(throughput)加倍提高生物合成路线生物催化的主要应用方向2338医药农药食品添加剂有机酸饲料添加剂化工轻工日化工业生物催化的国内成功应用实例23391.生物催化在医药领域的应用β-内酰胺类抗生素中间体:6-APA和7-ADCA(青霉素G酰化酶)该酶已实现产业化,已占国内70%以上的份额,并出口欧美;β-内酰胺类抗生素侧链:D-对羟基苯甘氨酸(海因酶)国内采用一菌双酶法,已经工业化规模生产。β-阻断剂药物中间体:(S)-布洛芬系列(环氧化合物水解酶)其他药物合成前体维生素B6的合成原料:L-丙氨酸(天冬氨酸脱羧酶)目前以该酶为催化剂、使L-天冬氨酸脱羧制备的L-丙氨酸,成本(2万元/吨)低于化学合成的DL-丙氨酸,并已形成了万吨的生产规模。生物催化的国内成功应用实例23402.生物催化在农药领域的应用手性农药中间体:S-生物丙烯菊酯(特异性脂肪酶)S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245倍,不仅用量大大减少,而且残留极少,产品的质量好于国外同类产品,已形成2亿元的年产值,取得了很好的经济效益。3.生物催化在食品添加剂领域的应用甜味剂原料:L-天冬氨酸和L-苯丙氨酸(氨基酸转移酶)L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制性原料,国内开发了以氨基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线,具有自主知识产权,已实现了产业化生产,工艺水平和经济技术指标均达到了国际先进水平。生物催化的国内成功应用实例23414.生物催化剂在有机酸领域的应用L-苹果酸(水合酶)L-苹果酸目前稳定在年产500吨左右,是国际上的主要生产厂,其生产成本低于化学合成的DL-苹果酸;L-酒石酸(水解酶)L(+)-酒石酸2000年年产近3000吨,是国际上唯一的应用酶工程技术生产该产品的国家。5.生物催化剂在饲料添加剂领域的应用D-泛酸(D-泛酸内酯水解酶)以D-泛解酸内酯水解酶为催化剂,水解拆分得到光学纯的D-泛解酸内酯,成功地用于D-泛酸钙及D-泛醇的生产,已进入产业化阶段。生物催化的国内成功应用实例23426.生物催化在化工领域的应用聚丙烯酰胺前体的制备:丙烯酰胺(腈水解酶)以人工筛选的腈水解酶为催化剂,在酶法将丙烯腈转化为丙烯酰胺的生产中已获得了巨大成功,已形成了万吨的生产规模;高吸水性、可降解材料的制备:聚谷氨酸(转肽酶)通过具有高活性转肽酶的菌株筛选,可将廉价的L-谷氨酸转化为尼龙类高聚物,作为一种可完全降解的高分子材料,具有优良的吸水性(2000倍);生物催化的国内成功应用实例23437.生物催化在轻工和日化工业的应用淀粉酶:水解淀粉和糖源类化合物的总称酶目前国内最大的酶制剂产业,用于葡萄糖制备和淀粉降解;葡萄糖异构酶:果葡糖浆生产国内已实现工业化生产,形成了较大的规模产业;蛋白酶:水解肽键的酶,有酸性、中性和碱性蛋白酶用于皮革加工,纺织行业,洗涤行业;脂肪酶:水解酯键的酶总称目前酶最大的用途在洗涤助剂上、但更多的来源于进口;
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