生物催化技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物催化技术人员分工：1.资料搜集：2.资料整理：3.ppt制作：4.演讲者：第1页 相对于普通催化剂而言，生物催化剂是天然起源催化剂，他通常以完整细胞、游离酶或细胞壁形式使用，而且已经有上百年历史。自20世纪80年代以来，伴伴随生物技术巨大进步及化学工业所面临新问题，人们认识到这种天然催化剂用于非天然有机化合物转化巨大潜力，因而，作为一个新兴领域受到广泛重视。生物催化被认为是催化技术发展趋势，一段时间以来掀起了淘金热搬得吹捧，预示着不可估量发展前景。第2页生物催化定义生物催化定义生物催化（biocatalysis）是利用生物催化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加紧)化学反应速度作用。3第3页生物催化产生与发展远古时代远古时代酒酝酿酒酝酿饴糖制作饴糖制作豆类做酱豆类做酱4酵母发酵产物酵母发酵产物,是细胞是细胞内酶作用结果内酶作用结果在霉菌蛋白酶作用下在霉菌蛋白酶作用下,豆类蛋白质水解豆类蛋白质水解得豆酱和豆鼓得豆酱和豆鼓,压榨后制得酱油压榨后制得酱油用麦曲含有淀粉酶用麦曲含有淀粉酶将淀粉降解为麦芽糖将淀粉降解为麦芽糖第4页生物催化产生与发展生物催化产生与发展51857年 巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动结果。1897年 毕希纳弟兄证实不含细胞酵母汁也能进行乙醇发酵。1926年 萨姆纳首次从刀豆中提出脲酶结晶。1930年 美国诺斯罗普等人得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶，证实了酶是蛋白质。1989年 美国托马斯切赫和西德尼奥尔特曼发觉一些RNA也有催化活性，两人共取得诺贝尔化学奖。第5页生物催化剂起源236 当前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取，多数来当前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取，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主要起源。物催化剂主要起源。第6页7.1生物催化剂类别生物催化剂类别生物催化剂生物催化剂 Biocatalyst 1.蛋白质蛋白质类：天然酶；类：天然酶；生物工程酶生物工程酶2.核酸核酸类：核酶类：核酶;脱氧核酶脱氧核酶3.模拟模拟生物催化剂生物催化剂Enzyme(酶酶)是一类由活细胞产生，对其特有底物含有高效是一类由活细胞产生，对其特有底物含有高效催化作用蛋白质。催化作用蛋白质。第7页生物催化剂类别与作用方式第8页生物催化酶类别生物催化酶类别生物催化酶生物催化酶9水解酶水解酶氧化还原酶氧化还原酶转移酶转移酶异构酶异构酶裂合酶裂合酶合成酶合成酶单纯酶单纯酶复合酶复合酶生物催化酶生物催化酶第9页水解酶水解酶 hydrolase水解酶催化底物加水分解反应。水解酶催化底物加水分解反应。主要包含淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。主要包含淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。比如，脂肪酶比如，脂肪酶(Lipase)(Lipase)催化脂水解反应：催化脂水解反应：第10页氧化-还原酶催化氧化-还原反应。主要包含脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸脱氢反应。氧化还原酶氧化还原酶 Oxidoreductase第11页转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子基团或原子转移到另一个底物分子上。比如，谷丙转氨酶催化氨基转移反应。转移酶转移酶 TransferaseTransferase第12页异构酶催化各种同分异构体相互转化，即底物分子内基团或原子重排过程。比如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化反应。异构酶异构酶 IsomeraseIsomerase第13页裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键反应及其逆反应。主要包含醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。比如，延胡索酸裂合酶催化反应。裂合酶裂合酶 LyaseLyase第14页合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及C-S 键形成反应。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 比如，丙酮酸羧化酶催化反应。丙酮酸 +CO2 草酰乙酸合成酶合成酶 Ligase or SynthetaseLigase or Synthetase第15页7.2酶作用特征酶作用特征N2+6H+6e2NH3固氮酶固氮酶常温、常压常温、常压N2+3H22NH3Fe500,300大气压大气压 酶对环境条件敏感性：酶对环境条件敏感性：酶易失活，要求反应条件酶易失活，要求反应条件温和，对环境条件敏感。温和，对环境条件敏感。第16页 (2)酶催化高效性：酶催化高效性：酶含有极高催化效率。酶含有极高催化效率。相同条件下，以分子比表示：相同条件下，以分子比表示：酶（酶（V）高于无酶（）高于无酶（V）108 1020 倍倍 酶（酶（V）高于普通催化剂（）高于普通催化剂（V）107 1013 倍倍 酶作用高度专一性酶作用高度专一性酶专一性（特异性）酶专一性（特异性）指酶对所催化底物有严格选指酶对所催化底物有严格选择性，对所催化反应类型有严格要求性，择性，对所催化反应类型有严格要求性，一个酶在一一个酶在一定条件下只能催化一个或一类结构相同底物进行某种定条件下只能催化一个或一类结构相同底物进行某种类型反应特征类型反应特征。酶作用特征酶作用特征第17页酶专一性酶专一性 类型类型 结构结构专一性专一性 立体异构立体异构 专一性专一性 绝对绝对专一性专一性 相对相对专一性专一性几何异构几何异构 专一性专一性光学异构光学异构 专一性专一性 基团基团专一性（族专一性）专一性（族专一性）键专一性键专一性酶专一性类型酶专一性类型第18页生物催化剂和化学催化剂比较第19页7.3 酶命名（一）、习惯命名法（二）、系统命名法（三）、系统分类命名法第20页（一）、习惯命名法惯用名 常依据酶所作用底物和反应类型命名。标准：（1）依据作用底物：如淀粉酶、蔗糖酶、蛋白酶等。（2）依据反应性质：如水解酶、脱氢酶、转氨酶等。（3）二者结合：如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶等。（4）再加上酶起源、特征：如木瓜蛋白酶、胃蛋白酶、酸性磷酸酯酶、碱性磷酸酯酶等。第21页（二）、系统命名法要求确切表明底物化学本质及酶催化性质。标准如下：1、酶系统命名有两部分组成：底物名称（底物1：底物2）反应名称 假如底物2为水，可略去不写比如：醇脱氢酶为醇：NAD+氧化还原酶L乳酸：NAD+氧化还原 酶。第22页（三）、系统分类命名每一种酶都有一个系统命名分类编号，EC+四个数字。比如：乳酸脱氢酶第23页7.4 酶功效与反应动力学第24页7.4.1 酶功效酶功效概念：酶功效主要是由酶活性中心和辅酶因子组成。酶活性中心：酶蛋白中与催化相关特定区域（通常在酶分子表面，含有特定空间结构）必需基团：酶活性中心中特定起催化作用化学基团辅酶因子：通常是酶维持空间结构和活性中心必须基团第25页酶催化作用专一性机制酶催化作用专一性机制1.锁钥学说2.诱导契合学说3.“三点结合”催化理论第26页锁钥学说（锁钥学说（Lock and key theory)：Emil Fisher(1890)提出：将酶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活性中心。19，Emil Fisher成为第一位生物化学领域诺贝尔取得者。第27页诱导契合学说诱导契合学说（Induced fit hypothesis）Koshland(1958)提出提出:酶活性中心在结构上具柔性，当底物靠近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生酶活性中心在结构上具柔性，当底物靠近活性中心时，可诱导酶蛋白构象发生改变，使酶活性中心相关基团正确排列和定向，使酶与底物契合而结合成中间产物，改变，使酶活性中心相关基团正确排列和定向，使酶与底物契合而结合成中间产物，引发催化反应进行。引发催化反应进行。第28页“三点结合三点结合”催化理论催化理论认为酶与底物结合处最少有三个点，只有在完全结合情况下，不对称催化作用认为酶与底物结合处最少有三个点，只有在完全结合情况下，不对称催化作用才能实现。才能实现。第29页酶催化作用专一性机制中间产物学说：19生物化学家 Michaelic和 Menten提出：酶降低活化能原因是酶参加了反应，即酶分子与底物分子先结合形成不稳定中间产物（中间结合物），这个中间产物不但轻易生成，而且轻易分解出产物，释放出原来酶，这么就把原来活化能较高一步反应变成了活化能较低两步反应。第30页7.4.2 酶催化反应动力学酶催化反应动力学概念：酶催化反应动力学主要研究反应速率及其影响原因。酶催化与非酶催化相同，受温度、介质pH值、反应物（底物）浓度、酶用量以及抑制剂等原因影响第31页米氏方程（米-曼方程）19，Michaelis 和 Menten 对中间产物学说提出四点假设，建立了酶催化反应动力学方程-米氏方程（M-M方程）。四点假设：1、反应中，酶浓度保持恒定；2、酶浓度远小于底物浓度；3、产物浓度很低，能够忽略其对反应影响；4、生成产物速度要慢于底物与酶生成复合物可逆反应速度，是整个反应速度决定原因。可逆反应在反应一开始就快速到达平衡，“快速平衡学说”第32页Vm0cSKSv 反应速度Vm最大反应速度cS 底物浓度cE 酶浓度cE0 初酶浓度cES 酶浓度KS米氏常数第33页7.5影响酶催化反应原因第34页温度 温度和pH对酶活性有显著影响，使反应速度到达最大反应值时温度称为某种酶作用最适温度。大多数动物酶最适温度为37-40，植物酶最适温度为50-60。温度对酶反应主要表达在两方面：一是升温加速酶催化反应，降温反应速率减慢；二是温度加速蛋白质变性。第35页pH环境过酸、过碱会影响酶蛋白构象，使酶本身变性失活。pH影响酶分子侧链上极性基团解离，改变它们带电状态，从而使酶活性中心结构发生改变。在最适pH时，酶分子上活性中心上相关基团解离状态最适于与底物结合，pH高于或低于最适pH时，活性中心上相关基团解离状态发生改变，酶和底物结协力降低，因而酶反应速度降低。pH能影响底物分子解离。能够构想底物分子上一些基团只有在一定解离状态下，才适于与酶结合发生反应。若pH改变影响了这些基团解离，使之不适于与酶结合，当然反应速度亦会减慢。第36页激活剂对酶促反应速度影响 凡是能提升酶活性物质，都称激活剂，其中大部分是离子或简单有机化合物。激活剂种类很多，有无机阳离子，如钠离子、钾离子、铜离子、钙离子等；无机阴离子，如氯离子、溴离子、碘离子、硫酸盐离子磷酸盐离子等；有机化合物，如维生素C、半胱氨酸、还原性谷胱甘肽等。许多酶只有当某一个适当激活剂存在时，才表现出催化活性或强化其催化活性，这称为对酶激活作用。而有些酶被合成后展现无活性状态，这种酶称为酶原。它必须经过适当激活剂激活后才具活性。第37页抑制剂对酶促反应速度影响 能减弱、抑制甚至破坏酶活性物质称为酶抑制剂。它可降低酶促反应速度。酶抑制剂有重金属离子、一氧化碳、硫化氢、氢氰酸、氟化物、碘化乙酸、生物碱、染料、对-氯汞苯甲酸、二异丙基氟磷酸、乙二胺四乙酸、表面活性剂等。对酶促反应抑制可分为竞争性抑制和非竞争性抑制。与底物结构类似物质争先与酶活性中心结合，从而降低酶促反应速度，这种作用称为竞争性抑制。竞争性抑制是可逆性抑制，经过增加底物浓度最终可解除抑制，恢复酶活性。与底物结构类似物质称为竞争性抑制剂。抑制剂与酶活性中心以外位点结合后，底物仍可与酶活性中心结合，但酶不显示活性，这种作用称为非竞争性抑制。非竞争性抑制是不可逆，增加底物浓度并不能解除对酶活性抑制。与酶活性中心以外位点结合抑制剂，称为非竞争性抑制剂。有物质既可作为一个酶抑制剂，又可作为另一个酶激活剂。第38页7.6生物催化应用第39页生物催化技术的应用方面催化剂的应用生物催化过程技术的应用第40页医药医药农药农药食品添加剂食品添加剂有机酸有机酸饲料添加剂饲料添加剂化工化工轻工轻工日化工业日化工业生物催化主要应用方向第41页应用实例第42页除氧保鲜葡萄糖氧化酶能够去除果汁、饮料、罐头制品和果蔬干制品中氧气，预防产品氧化变质，抑制微生物生长，延长食品保质期。用葡萄糖氧化酶除去脱水蔬菜糖分可预防贮藏过程中发生褐变。瓶装桔汁贮藏时因氧化而使色香味变劣，采取葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶去氧即可保持果汁原有色香味。水果冷冻保藏时，因为果实本身酶作用而发酵变质，也可用葡萄糖氧化酶保鲜。第43页果胶酶应用：1.保持混浊果汁稳定性（番茄汁、番茄酱）【破坏果胶酶】2.生产澄清果汁 【应用果胶酶】3.提升果汁榨汁率 【应用果胶酶】4.加工水果罐头 【破坏果胶酶】5.预防果汁混浊 【应用果胶酶】第44页糕点糕点、饮料、饮料v用用-淀淀粉粉酶酶强强化化面面粉粉可可预预防防糕糕点点老老化化。糕糕点点馅馅心心常常以以淀淀粉粉为填料，添加为填料，添加-淀粉酶能够改进馅心风味。淀粉酶能够改进馅心风味。v糕糕点点制制作作使使用用转转化化酶酶可可使使蔗蔗糖糖水水解解为为转转化化糖糖，从从而而预预防防糖糖浆析晶。浆析晶。第45页乳品加工时添加适量脂肪酶可增加干酪和黄油香味。第46页制浆、造纸原料处理木质素酶提升纸质量木聚糖酶、半纤维素酶、木质过氧化物素酶漂白纤维素酶再生纸处理第47页蛋白酶能够去除血迹等污物脂肪酶去油淀粉酶去粥，面条之类污物纤维素酶能够去除织物表面微毛和绒球第48页7.7发展前景：因为生物催化剂具有催化效率高、专一性强和污染少等特点，生物催化已经和化学方法一样，被大量应用于药品研究开发。生物催化剂热稳定性差、易受pH影响和有机溶剂耐受性差等缺点，限制了生物催化剂用于大规模工业化生产。不过随着新生物技术如定向进化出现，利用生物技术对生物催化剂进行改造优化已成为现实。相信在很快将来，生物催化定能在制药工业中发挥更大作用，给人类健康事业作出新贡献。生物催化广泛应用，将会给人们提供性能更佳材料和能源 以可再生生物原料为基础生物生产过程，将逐步取代化石原料生产过程，成为二十一世纪化工生产主体，从而实现绿色化工、绿色生产目标。第49页第50页