1、生物催化是指生物催化劑作用下的催化反應(yīng)，生物催化劑一般包括生物酶、整體細(xì)胞、催化抗體等。然而大多數(shù)情況下生物催化劑主要指酶，它是由細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化功能的生物大分子。在酶催化反應(yīng)中,被酶催化的物質(zhì)叫底物，酶的催化能力常用“酶的活力”表示，酶的活力是指在一定條件下、單位時(shí)間內(nèi)酶催化反應(yīng)底物轉(zhuǎn)化的量或產(chǎn)物生成的量。和化學(xué)催化相比，生物催化反應(yīng)具有反應(yīng)選擇性高、反應(yīng)條件溫和、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別是選擇性方面，具有以下顯著特征：一、絕對(duì)專一性：一種酶只催化一種底物進(jìn)行一種反應(yīng)，這種高度的專一性稱為絕對(duì)專一性。例如豚酶只能催化尿素水解生成二氧化碳和氨，而對(duì)尿素的類似物卻均無(wú)作用。具有絕對(duì)專一性的酶不但

2、對(duì)所作用底物的鍵有嚴(yán)格要求，而且對(duì)底物整個(gè)分子的化學(xué)基團(tuán)也有同樣嚴(yán)格的要求。二、相對(duì)專一性：一種酶能夠催化一類結(jié)構(gòu)相似的底物進(jìn)行某種相同類型的反應(yīng)，這種專一性稱為相對(duì)專一性，其嚴(yán)格程度較低，但不同的酶對(duì)底物結(jié)構(gòu)的識(shí)別不同O具體地表現(xiàn)為下述形式：1、鍵專一性：酶能夠作用于具有相同化學(xué)鍵的一類底物，而不辨識(shí)鍵兩側(cè)的基團(tuán)。如酯酶可以催化所有酯類底物水解生成醇和酸。2、基團(tuán)專一性：酶作用于底物時(shí)不僅識(shí)別特定的化學(xué)鍵，而且還識(shí)別鍵某一側(cè)的基團(tuán)。例如消化道中胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、彈性蛋白酶、胰蛋白酶水解肽鍵時(shí)的選擇性。3、區(qū)域?qū)Ｒ恍裕褐该笇?duì)位于同一底物分子中不同位置官能團(tuán)的選擇性。如磷脂酶A2僅水解3-

3、sm磷脂酰膽堿的2位酯鍵，而對(duì)1位酯鍵無(wú)作用。三、立體專一性：指酶只能特異性地作用于所有立體異構(gòu)體的其中一種的特性，這是酶催化的最重要特征，根據(jù)具體情況分為以下幾類。1、對(duì)映體專一性：指酶只催化一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體中的一種對(duì)映體反應(yīng)，如氨基酰化酶只催化L-弘乙酰氨基酸反應(yīng)生成L-氨基酸，而不催化D-N乙酰氨基酸反應(yīng)。2、幾何專一性：酶對(duì)具有順反異構(gòu)的底物有嚴(yán)格的選擇性，如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成L-蘋果酸，而對(duì)馬來(lái)酸則不起作用。3、前手性專一性：酶可催化前手性底物選擇性地形成具有一定立體構(gòu)型的產(chǎn)物，如烏頭酸酶催化前手性分子檸檬酸轉(zhuǎn)化成手性分子異檸檬酸。第二節(jié)生物催化作用原理、的結(jié)構(gòu)、酶

4、是有催化功能的蛋白質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)與其它蛋白質(zhì)相同，具有一級(jí)、二級(jí)三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。()級(jí)結(jié)構(gòu)酶與其他蛋白質(zhì)一樣，是由20多種基本氨基酸按肽鍵形式共價(jià)連接而成的，相對(duì)分子質(zhì)量約為1.2X1041.0X106,其分子基礎(chǔ)為多肽鏈，肽鏈的通式為：OfOOH2N-CH-C-(NH-CH-CHNH-CH-C-OHRRnR（2）二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二、三和四級(jí)結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為蛋白質(zhì)的構(gòu)象。二級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)理之一是蛋白質(zhì)分子中的肽鍵的偏雙鍵性質(zhì)。由于C二0雙鍵中的兀電子云與N原子上的未共用電子對(duì)發(fā)生“電子共振”，使肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)；與肽鍵相連的六個(gè)原子構(gòu)成剛性平面結(jié)構(gòu)，稱為肽單元或肽平面（圖1）,這

5、是多肽鏈固定不變的一面。但是,由于一碳原子與其它原子之間均形成單鍵，故兩相鄰的肽鍵平面可以作相對(duì)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度分別叫做兩面角0、？這是多肽鏈可變的一面（圖2）。固定不變的肽鍵和多變的兩面角對(duì)立統(tǒng)一，達(dá)到協(xié)調(diào)后的狀態(tài)就是該條肽鏈的穩(wěn)定二級(jí)結(jié)構(gòu)，即主鏈骨架彎曲形成的空間排列。8、圖1肽平而圖2肽平而的兩而角(3)三級(jí)、四級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步搭配和組裝形成的具有一定規(guī)律的三維空間結(jié)構(gòu)。三級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主要借助各種次級(jí)鍵，包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力等。各二級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)之間的組裝方式主要有ococ、0C卩、卩大多數(shù)情況下組裝僅僅出現(xiàn)在一個(gè)酶蛋白的局部，即呈現(xiàn)區(qū)域空間結(jié)構(gòu)，在

6、不同蛋白分子呈現(xiàn)的代表性區(qū)域空間結(jié)構(gòu)，有時(shí)也稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)。如果酶蛋白分子僅由一條肽鏈組成，三級(jí)結(jié)構(gòu)就是它的最高結(jié)構(gòu)層次。四級(jí)結(jié)構(gòu)是多亞基蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)，是指各亞基肽鏈之間相互作用所形成更為復(fù)雜的寡聚物的結(jié)構(gòu)形式。主要描述亞基之間相互關(guān)系，不涉及亞基內(nèi)部結(jié)構(gòu)。維持四級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力主要是疏水鍵，其他作用力僅起次要作用。2、酶的結(jié)構(gòu)與催化功能酶的分子結(jié)構(gòu)是催化功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，各種酶之所以有催化活性和專一性,都是出于其分子結(jié)構(gòu)的特殊性。酶蛋白分子上具有與催化有關(guān)的特定區(qū)域稱為活性部位或活性中心，它能同底物結(jié)合并起催化作用?；钚灾行囊话阄挥诿阜肿拥谋砻妫怯山Y(jié)合部位和催化部位所組成。前者直接同底

7、物結(jié)合，決定酶的專一性，即決定同何種底物結(jié)合；后者直接參加催化，決定所催化反應(yīng)的性質(zhì)。組成活性中心的氨基酸殘基或殘基組可能位于同一條肽鏈的不同部位，也可能位于不同的肽鏈上。酶蛋白分子活性中心以外的部分對(duì)酶催化特性亦不可或缺，具有維持完整結(jié)構(gòu)、保護(hù)微環(huán)境的重要作用。分子的親水性強(qiáng)弱，整個(gè)分子的電性、電荷分布，以及活性中心周圍的微環(huán)境都由整個(gè)酶蛋白分子決定。有些酶還具有與非底物物質(zhì)結(jié)合的部位，結(jié)合后對(duì)反應(yīng)速率具有調(diào)節(jié)作用,稱之為別構(gòu)部位或調(diào)節(jié)部位，具有別構(gòu)部位的酶稱別構(gòu)酶。與別構(gòu)部位結(jié)合的物質(zhì)稱調(diào)節(jié)劑或別構(gòu)劑，如激活劑和抑制劑。調(diào)節(jié)劑與酶別構(gòu)部位結(jié)合后，引起酶構(gòu)象改變，從而影響酶活性中心，改變催化

8、反應(yīng)速率。3、酶催化機(jī)理一般認(rèn)為，酶發(fā)揮催化作用時(shí)活性中心的結(jié)合部位與底物分子結(jié)合，形成酶底物復(fù)合物，催化部位則與底物分子作用，首先將其轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡態(tài)，然后生成產(chǎn)物釋放岀去。(1)酶和底物的結(jié)合機(jī)理酶和底物選擇特異性結(jié)合最早提出的是鎖鑰機(jī)理，假設(shè)酶和底物分別像鎖和鑰匙一樣機(jī)械地匹配，底物比酶要小得多，而且酶的結(jié)構(gòu)是剛性的(圖A)o該機(jī)理可解釋酶的專一性，但不能解釋酶為什么能催化比自身大的底物，也無(wú)法說(shuō)明酶催化可逆反應(yīng)和酶的相對(duì)專一性現(xiàn)象。A：鎖鑰機(jī)理后來(lái)提出的誘導(dǎo)契合機(jī)理對(duì)鎖鑰機(jī)理的不足進(jìn)行了修正，它認(rèn)為酶的活性中心與底物的結(jié)構(gòu)不是剛性互補(bǔ)而是柔性互補(bǔ)，當(dāng)酶與底物靠近時(shí)底物能夠誘導(dǎo)酶的構(gòu)象發(fā)生變

9、化，使其活性中心變得與底物的結(jié)構(gòu)互補(bǔ)（圖B）,就好像手與手套的關(guān)系一樣，該機(jī)理能很好解釋酶催化的相對(duì)專一性現(xiàn)象。B：誘導(dǎo)契合機(jī)理可解釋酶的立體專在鎖鑰機(jī)理基礎(chǔ)上還衍生岀一個(gè)三點(diǎn)附著機(jī)理（圖C）一性。該機(jī)理認(rèn)為，立體對(duì)映的一對(duì)手性底物雖然基團(tuán)相同，但空間排列不同，這就可能出現(xiàn)底物基團(tuán)與酶分子表面活性中心的結(jié)合能否互補(bǔ)的問題，只有三點(diǎn)都互補(bǔ)匹配的特定對(duì)映異構(gòu)體，酶才能互補(bǔ)地與其結(jié)合，并發(fā)生催化作用。DUU；：!：；CAB.藝A9C:三點(diǎn)附著機(jī)理(2)酶催化作用本質(zhì)酶活性中心起催化作用的基團(tuán)是化學(xué)上普通的基團(tuán)，如組氨酸的咪哇基、半胱氨酸的毓基、谷氨酸或天冬氨酸的竣基等。這些普通的化學(xué)基團(tuán)為何在普通水

10、溶液中反應(yīng)效率很低，而在酶分子中卻有神奇的催化作用？其作用本質(zhì)如下：趨近效應(yīng)：普通化學(xué)基團(tuán)在水溶液中與底物分子有一定距離，通過(guò)擴(kuò)散才有相互接近并發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)。而在酶分子中由于活性中心結(jié)合部位與底物分子結(jié)合形成酶-底物復(fù)合物，使催化部位基團(tuán)與底物可以相互靠近，因此易于發(fā)生催化作用。定向效應(yīng)：在酶分子中，由于底物與酶的緊密結(jié)合，活性部位的催化基團(tuán)總是從一個(gè)方向趨近底物，因此易于進(jìn)行催化。廣義酸堿催化:酸堿催化是化學(xué)催化中最常見的類型，從廣義酸堿理論，質(zhì)子供體和質(zhì)子受體分別等于酸和堿。酶活性中心的氨基、竣基、毓基、酚輕基和咪II坐基等都可作為酸或堿，對(duì)底物進(jìn)行催化加快反應(yīng)速率。例如組氨酸殘基的咪哇

11、基，不僅在中性溶液中同時(shí)以廣義酸堿兩種形式存在，而且供給和接受質(zhì)子的速度十分迅速，因此在酶催化中的作用極為重要。底物形變：酶的誘導(dǎo)契合機(jī)理指岀了底物誘導(dǎo)酶的構(gòu)象改變，研究表明酶和底物的結(jié)合是相互誘導(dǎo)契合的動(dòng)態(tài)過(guò)程，不僅酶的構(gòu)象發(fā)生改變，底物分子的構(gòu)象也發(fā)生變化，酶使底物中的敏感鍵發(fā)生“張力甚至“變形”，從而使敏感鍵更容易斷裂，加速反應(yīng)進(jìn)行。共價(jià)催化：某些酶增強(qiáng)反應(yīng)速率是通過(guò)和底物以共價(jià)鍵形成不穩(wěn)定的中間物，使能閾降低，反應(yīng)加快。第三節(jié)生物催化的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例1、水解反應(yīng)(1)生物柴油生產(chǎn)生物柴油是由動(dòng)物、植物或微生物油脂與甲醇經(jīng)過(guò)酯交換反應(yīng)而得到的可替代柴油的混合脂肪酸甲酯。用脂肪酶作催化劑具有

12、工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)條件溫和、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。CH2OOC-R!CHOOC-R2十ch2ooc-r3脂肪酶9H2H3R1OHCHOHch2oh汕脂甘汕嚴(yán)一COOFT十R2-COOR*R3COOR*生物柴汕(2)D-泛酸合成D-泛酸又稱維生素B5,通常以鈣鹽與其它B族維生素復(fù)合用于補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)，在醫(yī)藥、食品、飼料方面用途廣泛。以尖鐮抱霉菌產(chǎn)內(nèi)酯酶催化DL泛解酸內(nèi)酯不對(duì)稱水解，實(shí)現(xiàn)消旋物的光學(xué)拆分，可制備出光學(xué)純度高的D泛酸。DL泛解酸內(nèi)酯+h2oOHOD泛酸L泛解酸內(nèi)酯消旋（3）阿斯巴甜生產(chǎn)阿斯巴甜是由天冬氨酸和苯丙氨酸甲酯縮合而成的二肽甲酯，是一種低熱量、非糖甜味劑，其甜度是蔗糖的200倍，廣泛用于飲料、

13、乳品、食品及藥品方面。其生產(chǎn)工藝以來(lái)源于芽砲桿菌菌株的嗜熱菌蛋白酶催化二肽，經(jīng)脫保護(hù)基生成產(chǎn)物阿斯巴甜。Xx=保護(hù)基DL苯丙氨酸屮酯L夭東氨酸（氨基被保護(hù)）L苯丙氨酸屮酯二肽（4）半合成卜內(nèi)酰胺抗生素青霉素?；甘前牒铣煽股氐闹匾?，它可催化青霉素G和V、頭抱菌素的側(cè)鏈酰胺鍵水解，分別生成母核6氨基青霉烷酸和7氨基頭抱烷酸（7-ACA）,改變pH等條件又可由母核合成多種半合成的青霉素或頭砲菌素。背徘董噠化酚.+H2oa7-ACA苯乙酸D飯基酸衍生物7-ACA衍生物半合成頭砲菌索(5)D對(duì)徑苯甘氨酸合成半合成卩內(nèi)酰胺抗生素均需要非天然的D-氨基酸衍生物作原料，其中重要的有D對(duì)疑苯甘氨酸。D對(duì)疑

14、苯甘氨酸合成的關(guān)鍵步驟為海因酶催化的立體選擇性CN鍵水解反應(yīng)。xHN、NH1。HOO海因的ThoOUHNxNH2)COOHh2nCOOHHO4T2(J/-co(nh2)2HO氨屮酰水解鮒DL5對(duì)輕基冷己內(nèi)酰恥DN探屮?；鶎?duì)輕基苯甘氨酸D對(duì)貯基翠甘氮酸(6)R-苯乙醇酸生產(chǎn)R-苯乙醇酸又名R-扁桃酸、R-苦杏仁酸，是重要的精細(xì)化工原料。由睛水解酶立體選擇性水解苯乙醇月青能高收率、高對(duì)映選擇性地生成R苯乙醇酸。外消旋物(S)苯乙醇月青(R)苦杏仁酸2、還原反應(yīng)(1)撥基還原反應(yīng)面包酵母是催化撥基還原應(yīng)用最廣泛的微生物，簡(jiǎn)單的脂肪及芳香酮被酵母催化還原得到較高純度的S醇。一個(gè)例子是由魯氏接合酵母的乙

15、醇脫氫酶催化生產(chǎn)S-4-(3,4-亞甲基二氧苯基)2丙醇，該化合物對(duì)肌萎縮性脊髓側(cè)索碩化具有療效，還町合成其他藥物。魯氏接合酵母A&醇(2)C二C還原生物催化C二C前手性還原具有很高的立體選擇性，發(fā)揮催化作用的是烯醇酯還原酶，很多微生物都具有此酶，包括面包酵母。由面包酵母還原得到的R-2,2,6-三甲基J,4環(huán)己二酮是合成天然3輕基類胡蘿卜素的中間體。弘2乙&三甲基丄4-環(huán)己二酮3、氧化反應(yīng)（1）米格列醇關(guān)鍵中間體合成由氧化葡萄糖酸桿菌D山梨醇脫氫酶催化山梨醇C5位特異性脫氫氧化，生成N烷基.6氨基丄山梨糖，它是糖尿病藥物米格列醇的關(guān)鍵中間體。（2）單加氧酶反應(yīng)pNHR*OHHOOHOHOH1

16、氨基D-山梨醇氧化葡萄糖酸桿菌單加氧酶催化氧分子中的一個(gè)氧原子加入底物,體被還原成水，可獲得許多有價(jià)值的環(huán)氧化物,單加氧酶由珊瑚色諾卡氏菌細(xì)胞提供。烯疑pNHROHHOOH=OOH6-氨基丄-山梨醇而另一個(gè)氧原子通過(guò)消耗一分子氫供如液晶手性中間體、前列腺素原料等,+o2單加氧酶、環(huán)氧化物（3）雙力口氧酶反應(yīng)通過(guò)形成過(guò)氧化物雙加氧酶可將氧氣的兩個(gè)原子同時(shí)加入到底物中，例如惡臭假單胞菌的安息香酸雙加氧酶催化苯及取代基苯疑基化合成R,S1,2二疑兒茶酚，它是抗病毒卜內(nèi)酰胺的手性中間體。ROH1（E）小安息香酸雙加氧酶rOHU+02廠2NADH2NAD+（Z）苯或取代苯R=HJF,Me,CF3（4）氧

17、化酶反應(yīng)氧化酶+。22-（4費(fèi)基苯氧基）丙酸（HPOPS）YV-COOH氧化酶主要催化電子轉(zhuǎn)移至分子氧，副產(chǎn)物為過(guò)氧化氫或水。如球抱白僵菌氧化酶生產(chǎn)2（4二甕基苯氧基）丙酸（HPOPS）,它是除草劑的重要中間體。2苯氧基丙酸4、加成反應(yīng)(1)不飽和鍵水和反應(yīng)富馬酸水合酶催化富馬酸水合生產(chǎn)L蘋果酸，酶來(lái)自谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌。全世界年L蘋果酸用量達(dá)40000噸，在食品、化妝品、醫(yī)藥行業(yè)用途較多。OHHOOC8OH富馬豎忖酶hooCch+H2O富馬酸L蘋果酸(2)環(huán)連接反應(yīng)形成了與環(huán)CC連接。nh2I色氨酸合酶-HfS)COOHIJH口引味和L絲氨酸在色氨酸合酶作用下可合成L色氨酸,L色氨酸L絲氨酸(3)睛