生物與仿生催化姓名：葉守陳專業(yè)：有機化學

2134定義與原理發(fā)展過程應用展望近年來，隨著基因組學、蛋白質(zhì)等生物技術(shù)的飛速發(fā)展，大大推動了生物的基礎(chǔ)研究和應用研究。世界經(jīng)濟合作組織(OECD)指出：“生物催化技術(shù)是工業(yè)可持續(xù)發(fā)展最有希望的技術(shù)”生物催化？生物催化（biocatalysis）是指利用酶或者生物有機體（細胞、細胞器、組織等）作為催化劑進行化學轉(zhuǎn)化的過程。生物催化中常用的有機體主要是微生物，其本質(zhì)是利用微生物細胞內(nèi)的酶進行催化，促進生物轉(zhuǎn)化的進程。原理：酶促反應機制在無酶催化的情況下，底物需要越過一個較高的活化能才能發(fā)生反應，變成產(chǎn)物。酶作為催化劑所起的作用就是降低活化能，從而使反應速度加快。現(xiàn)在一般認為，從底物角度來說，當?shù)孜镞M入活性區(qū)域得到集中、濃縮后，由于酶與底物的相互作用，致使二者的構(gòu)象發(fā)生了變化，此時底物分子內(nèi)某些基團電子密度發(fā)生了變化，形成所謂電子張力，使與之相連的敏感鍵一端變得更加敏感，更易斷裂。穩(wěn)定的酶-底物共價中間物，此中間物很容易變成過渡態(tài)。使反應活化能大為降低，這樣底物就可以越過較低活化能屏障形成產(chǎn)物。同時酶和底物的相互作用時要釋放一些結(jié)合能，以使酶-底物復合物穩(wěn)定，同時可用來降低化學反應所需的活化能了。酶與底物作用機制鎖鑰學說（Lockandkeytheory)：EmilFisher(1890)提出：將酶的活性中心比喻作鎖孔，底物分子象鑰匙，底物能專一性地插入到酶的活性中心。誘導契合學說（inducedfithypothesis）Koshland(1958)提出:酶的活性中心在結(jié)構(gòu)上具柔性，當?shù)孜锝咏钚灾行臅r，可誘導酶蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，使酶活性中心有關(guān)的基團正確排列和定向，使酶與底物契合而結(jié)合成中間產(chǎn)物，引起催化反應進行。

“三點結(jié)合”催化理論認為酶與底物的結(jié)合處至少有三個點，只有在完全結(jié)合情況下，不對稱催化作用才能實現(xiàn)。生物催化的發(fā)展過程1930年Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的結(jié)晶。J.B.SumnerJ.H.Northrop證明了酶是蛋白質(zhì)1949年,用液體深層培養(yǎng)法進行細菌淀粉酶的發(fā)酵生產(chǎn),揭開了近代酶工業(yè)的序幕。50年代以后,隨著生化工程的發(fā)展,大多數(shù)酶制劑的生產(chǎn)已轉(zhuǎn)向微生物流體深層發(fā)酵的方法。酶的應用越來越廣泛。50年代：開始了酶固定化研究。1953年德國科學家首先將聚氨基苯乙烯樹脂與淀粉酶,胃蛋白酶,羧肽酶和核糖核酸酶等結(jié)合,制成了固定化酶。60年代，是固定化酶技術(shù)迅速發(fā)展的時期。1969年,日本的千煙一郎首次在工業(yè)上應用固定化氨基酰化酶從DL-氨基酸生產(chǎn)L-氨基酸。出現(xiàn)了“酶工程”這個名詞來代表有效利用酶的科學技術(shù)領(lǐng)域。當前酶的應用已滲透到人類的各個領(lǐng)域，包括醫(yī)藥、輕化工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源環(huán)保等等。應用與展望醫(yī)藥農(nóng)藥食品添加劑有機酸飼料添加劑化工輕工日化工業(yè)1.生物催化在醫(yī)藥領(lǐng)域的應用β-內(nèi)酰胺類抗生素中間體：6-APA和7-ACA（青霉素G?；福┰撁敢褜崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，已占國內(nèi)70％以上的份額，并出口歐美

β-內(nèi)酰胺類抗生素側(cè)鏈：D-對羥基苯甘氨酸（海因酶）國內(nèi)采用一菌雙酶法，已經(jīng)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。

2.生物催化在農(nóng)藥領(lǐng)域的應用手性農(nóng)藥中間體：S-生物丙烯菊酯（特異性脂肪酶）S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯的245倍，不僅用量大大減少，而且殘留極少，產(chǎn)品的質(zhì)量好于國外同類產(chǎn)品，已形成2億元的年產(chǎn)值，取得了很好的經(jīng)濟效益。

3.生物催化在食品添加劑領(lǐng)域的應用甜味劑原料：L－天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸轉(zhuǎn)移酶）

L-苯丙氨酸是無糖甜味劑阿斯巴甜的限制性原料，國內(nèi)開發(fā)了以氨基轉(zhuǎn)移酶為催化劑的海因酶法制備路線，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，工藝水平和經(jīng)濟技術(shù)指標均達到了國際先進水平。

4.生物催化劑在有機酸領(lǐng)域的應用L-蘋果酸（水合酶）L-蘋果酸目前穩(wěn)定在年產(chǎn)500噸左右，是國際上的主要生產(chǎn)廠，其生產(chǎn)成本低于化學合成的DL-蘋果酸；L-酒石酸（水解酶）L（+）-酒石酸2000年年產(chǎn)近3000噸，是國際上唯一的應用酶工程技術(shù)生產(chǎn)該產(chǎn)品的國家。5.生物催化劑在飼料添加劑領(lǐng)域的應用D-泛酸（D-泛酸內(nèi)酯水解酶）以D-泛解酸內(nèi)酯水解酶為催化劑，水解拆分得到光學純的D-泛解酸內(nèi)酯，成功地用于D-泛酸鈣及D-泛醇的生產(chǎn)，已進入產(chǎn)業(yè)化階段。

6.生物催化在化工領(lǐng)域的應用聚丙烯酰胺前體的制備：丙烯酰胺（腈水解酶）以人工篩選的腈水解酶為催化劑，在酶法將丙烯腈轉(zhuǎn)化為丙烯酰胺的生產(chǎn)中已獲得了巨大成功，已形成了萬噸的生產(chǎn)規(guī)模；

高吸水性、可降解材料的制備：聚谷氨酸（轉(zhuǎn)肽酶）通過具有高活性轉(zhuǎn)肽酶的菌株篩選，可將廉價的L-谷氨酸轉(zhuǎn)化為尼龍類高聚物，作為一種可完全降解的高分子材料，具有優(yōu)良的吸水性（2000倍）。

青霉素?；概c抗生素改造6-APA仿生催化由于酶具有對熱敏感，穩(wěn)定性較差和來源有限等特點，從而限制了它的規(guī)模開發(fā)和直接利用。如果我們能夠通過分析檢測，確定酶催化劑中的生物活性部位，而加以分子及過程模擬的話，就有可能找到結(jié)構(gòu)與酶的活性基團相似，而催化性能接近的化合物作為非生物催化劑，加以規(guī)模合成及工業(yè)利用。仿生催化？是一門介于化學與生物學之間的邊緣科學，是用化學方法在分子水平上模擬生物體功能的一門科學。其研究內(nèi)容主要為：模擬生物體內(nèi)的化學反應過程，模擬生物體內(nèi)的物質(zhì)輸送過程，以及模擬生物體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換等過程。目前較為理想的小分子仿酶體系主要有環(huán)糊精、冠醚、環(huán)番、環(huán)芳烴和卟啉等大環(huán)化合物等，大分子仿酶體系有聚合物酶模型，分子印模型和膠束酶模型。金屬卟啉催化空氣氧化環(huán)己烷制備KA油。金屬卟啉催化空氣氧化苯酚制備苯二酚。屬卟啉催化空氣氧化對二甲苯制備對苯二甲酸。屬卟啉催化空氣氧化烯烴制備醛、環(huán)氧化合物。金屬卟啉催化空氣氧化甲苯聯(lián)產(chǎn)苯甲醛和苯甲酸。金屬卟啉催化空氣氧化環(huán)己烷聯(lián)產(chǎn)環(huán)己酮和己二酸。展望基于微生物的生物催化和仿生催化技術(shù)具有生物安全性相對較好、研發(fā)投入較少、周期較短的優(yōu)勢，且中國已形成良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，是參與生物技術(shù)國際競爭的一個良好的機遇和難得的切入點，應成為我國生物技術(shù)應用研究的一個戰(zhàn)略重點。發(fā)展生