1、第四章 催化和相轉(zhuǎn)移催化,2008.2-2008.7,教材：化學(xué)制藥工藝學(xué) 計(jì)志忠主編,盡管人類19世紀(jì)前后才建立起酶的概念，但酶的催化作用卻很早就為人們的生活所利用。比如： (1)在人類游牧生活時(shí)期，就已會(huì)利用動(dòng)物的胃液來凝固牛乳 ； (2)人類在4000多年前就已掌握的釀酒和制醬技術(shù)其實(shí)也是酶作用的結(jié)果。,第三節(jié) 酶催化,酶催化的有機(jī)合成反應(yīng),將生物催化劑應(yīng)用于有機(jī)合成是目前最吸引人的研究領(lǐng)域。 酶不僅在生物體內(nèi)可以催化天然有機(jī)物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化，也能在生物體外促進(jìn)天然的或人工合成的有機(jī)化合物的各種轉(zhuǎn)化反應(yīng)，并且顯示出優(yōu)良的化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性。,酶的概念及作用特點(diǎn),（一）、什么

2、是酶？ 酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化功能的生物分子，所以又稱為生物催化劑Biocatalysts 。 絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。,酶和一般催化劑的共性,1.用量少而催化效率高； 2.它能夠改變化學(xué)反應(yīng)的速度，但是不能改變化學(xué)反應(yīng)平衡。 3.酶能夠穩(wěn)定底物形成的過渡狀態(tài)，降低反應(yīng)的活化能，從而加速反應(yīng)的進(jìn)行。,酶催化反應(yīng)過程,酶作為生物催化劑的特性,1、高效性 酶的催化作用可使反應(yīng)速度提高10 101倍。 例如：過氧化氫分解 2H2O2 2H2O + O2 用Fe3+催化，效率為610-4 mol/molS，而用過氧化氫酶催化，效率為6106 mol/molS。 -淀粉酶催化淀粉水解，1克結(jié)晶酶在

3、65C條件下可催化2噸淀粉水解。,2、專一性 酶的專一性：又稱為特異性，是指酶在催化生化反應(yīng)時(shí)對(duì)底物的選擇性，即一種酶只能作用于某一類或某一種特定的物質(zhì)。亦即酶只能催化某一類或某一種化學(xué)反應(yīng)。 例如：蛋白酶催化蛋白質(zhì)的水解；淀粉酶催化淀粉的水解；核酸酶催化核酸的水解。,3、反應(yīng)條件溫和 酶促反應(yīng)一般在pH 5-8 水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度范圍為20-40C。 高溫或其它苛刻的物理或化學(xué)條件，將引起酶的失活。 4、酶易失活 凡能使蛋白質(zhì)變性的因素如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫和強(qiáng)氧化劑等條件都能使酶破壞而完全失去活性。所以酶作用一般都要求比較溫和的條件如常溫、常壓和接近中性的酸堿度。,5、酶活力可調(diào)節(jié)控制 酶

4、的催化活性是受到調(diào)節(jié)控制的，這是酶區(qū)別于一般催化劑的一個(gè)重要特性。酶在體內(nèi)受到多方面因素的調(diào)節(jié)和控制，不同的酶調(diào)節(jié)方式也不同，包括抑制劑的調(diào)節(jié)、反饋調(diào)節(jié)、酶原激活、共價(jià)修飾、激素控制等。 、某些酶催化活力與輔酶、輔基及金屬離子有關(guān),若將它們除去，酶就會(huì)失活。,1.穩(wěn)定性差,易失活 2.催化過程的操作范圍通常較窄 3.通常僅在水溶液中表現(xiàn)出高活性 4.分離循環(huán)使用較難,酶催化的不足,解決方法,從生物角度考慮： 生物培養(yǎng) 生物篩選 生物工程改造 利用化學(xué)的優(yōu)勢： 化學(xué)修飾 固定化,什么是固定化酶？,水溶性酶,水不溶性載體,固定化技術(shù),水不溶性酶 （固定化酶）,固定化酶(Immobilized En

5、zyme）是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的項(xiàng)新技術(shù)。 它是通過物理的或化學(xué)的手段，將酶束縛于水不溶的載體上，或?qū)⒚讣砜`在一定的空間內(nèi)，限制酶分子的自由流動(dòng)，但能使酶充分發(fā)揮催化作用；過去曾稱其為水不溶酶或固相酶。,固定化酶,基本功能 Non-catalytic functions(NCFs) 易于從反應(yīng)體系中有效的分離回收 重復(fù)連續(xù)使用 Catalytic functions (CFs) 對(duì)酶本身的催化性質(zhì)進(jìn)行調(diào)制 增強(qiáng)穩(wěn)定性,優(yōu)點(diǎn)： 不溶于水，易于與產(chǎn)物分離； 可以在較長時(shí)間內(nèi)反復(fù)使用，有利于工藝的連續(xù)化、管道化; 酶的使用效率提高，產(chǎn)物得率提高，產(chǎn)品質(zhì)量有保障，成本低; 穩(wěn)定性好。 缺點(diǎn)： 固

6、定化過程中往往會(huì)引起酶的失活，同時(shí)也增加了固定化的成本，使工廠開始投資大。,1. 載體結(jié)合法 2.包埋法 3.交聯(lián)法,酶固定化方法,共價(jià)結(jié)合法 離子結(jié)合法 物理吸附法,格子型 微膠囊型,選擇適宜的載體,通過載體的共價(jià)鍵或離子鍵(非共價(jià)健)與酶結(jié)合在一起的固定化方法,酶,載體,1.載體結(jié)合法,(1) 共價(jià)結(jié)合法,是載體結(jié)合法中報(bào)道最多的方法; 載體:纖維素、瓊脂糖凝膠、葡聚糖凝膠、甲殼質(zhì)等; 方法:載體活化,借助某種方法，在載體上引進(jìn)某一能夠與酶分子上某一基團(tuán)反應(yīng)的活潑基團(tuán) 優(yōu)點(diǎn):結(jié)合很牢固，酶可連續(xù)使用較長時(shí)間 缺點(diǎn):操作復(fù)雜，共價(jià)結(jié)合可能影響酶的空間構(gòu)象而影響酶的催化活性,(2) 物理吸附法

7、 使酶直接吸附在載體上的方法稱為物理吸附法。 載體：纖維素、瓊脂糖、活性炭、沸石及硅膠等。 優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，反應(yīng)條件溫和，酶活力損失少，載體可反復(fù)使用。 缺點(diǎn)：易引起蛋白質(zhì)表面變性，且由于結(jié)合力弱，當(dāng)反應(yīng)液的pH值、離子強(qiáng)度、溫度、底物濃度等發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致酶易從載體上部分或全部脫落。,(3)離子結(jié)合法 利用含有離子交換基團(tuán)的固相載體（如具有交換基團(tuán)的葡聚糖凝膠或纖維素）與酶蛋白分子的帶電基團(tuán)互相吸引（靠離子鏈）而形成絡(luò)合物。 優(yōu)點(diǎn)：制作簡單，處理?xiàng)l件緩和，酶蛋白的活性中心和高級(jí)結(jié)構(gòu)破壞較少，可以制得活力較高的固定化酶。 缺點(diǎn)：離子鍵結(jié)合較松散，如在高離子強(qiáng)度下進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，酶與載體易分開。,

8、2、包埋法 定義：將酶分子包埋在凝膠的網(wǎng)眼中或半透性的聚合物膜腔中，以達(dá)到固定化目的的方法。 作用：包埋法是將游離酶包埋于格子或微膠囊內(nèi)，格子的結(jié)構(gòu)可以防止酶滲出到周圍的培養(yǎng)基中，而底物分子仍能滲入格子內(nèi)與酶接觸。 1、格子型包埋法 常用的凝膠有聚丙烯酰胺凝膠、硅橡膠、卡拉膠，還有人工用過的大豆蛋白質(zhì)、合成纖維。 2、微囊型包埋法 以超濾用的半透膜包裹含酶的液滴而成 優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)行大量的固定化；包埋膜可選用生物相容材料，并可做成任意大小；膠格包埋用膠可做成所需要的厚度與硬度缺點(diǎn)：僅可用于低分子量的底物，不適用于柱系統(tǒng)，反應(yīng)常受擴(kuò)散限制,借助雙功能試劑使酶分子之間發(fā)生交聯(lián)作用，制成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使之不

9、溶于水從而形成固定化酶。 常采用的雙功能團(tuán)試劑有戊二醛、順丁烯二酸酐等。酶蛋白的游離氨基、酚基、咪唑基及巰基均可參與交聯(lián)反應(yīng)。 特點(diǎn)：此法與共價(jià)結(jié)合法一樣也是利用共價(jià)鍵固定酶的，所不同的是不使用載體 優(yōu)點(diǎn)：可用的交聯(lián)試劑多，技術(shù)簡易；穩(wěn)定性較高缺點(diǎn)：交聯(lián)條件較激烈，常出現(xiàn)擴(kuò)散限制，使用有一定難度,酶,雙功能劑,3. 交聯(lián)法,應(yīng)用一：酶法生產(chǎn)L-氨基酸,采用固定化酶技術(shù)生產(chǎn)L-氨基酸。1969年日本利用固定化氨基酰酶，由乙?；?DL-氨基酸連續(xù)生產(chǎn)L-氨基酸獲得成功，是世界上固定化酶大規(guī)模應(yīng)用的首例。1974年以來，已能將米曲霉的氨基?；腹潭ㄔ贒EAE-Sephadex上生產(chǎn)出L-蛋氨酸、L-

10、苯丙氨酸等。工業(yè)成本降低約40，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等等。,酶的應(yīng)用,1. 酶法拆分,2.酶反應(yīng)合成氨基酸 先利用化學(xué)方法合成分子結(jié)構(gòu)簡單的化合物作為前體，通過酶反應(yīng)合成所需要的氨基酸。 這種工藝能夠高收率，低成本地生產(chǎn)一般發(fā)酵法或化學(xué)合成難解決的一些氨基酸。,應(yīng)用二：酶法合成丙烯酰胺合成,1.傳統(tǒng)的丙烯酰胺合成生產(chǎn)及其缺點(diǎn) 傳統(tǒng)丙烯酰胺合成合成：丙烯 腈與丙酮在催化劑濃硫酸 缺點(diǎn)：反應(yīng)物濃度低，轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)物中殘留金屬銅合丙烯腈，影響產(chǎn)品質(zhì)量 2. 酶法合成丙稀酰胺 腈水合酶催化 條件溫和、產(chǎn)率高，沒有副產(chǎn)物,應(yīng)用三： 酶法合成、半合成抗生素生產(chǎn)的重要中間體,1、酶法的好處： 發(fā)酵法存在一些缺點(diǎn)：抗菌譜窄、副作用大等。 而酶法則可生產(chǎn)抑制耐藥性和新型廣譜抗生素,-內(nèi)酰胺環(huán)是青霉素的有效成分，若對(duì)青霉素分子進(jìn)行改造，可通過三種途徑，即更換側(cè)鏈、改造羧基和改造母核，一般第一種較多。,2、合成過程：青霉素?；?應(yīng)用四：酶催化的不對(duì)稱反應(yīng)的應(yīng)用,生物酶催化不對(duì)稱合成香蘭素,生物酶催化不對(duì)稱合成L-蘋果酸,紫杉醇生物酶催化不對(duì)稱合成,10-脫乙酰漿果赤霉素,-氨基-N-苯甲?；?(2R