第四讲酶催化、生物催化与微生物.
生物学中的生物催化与酶工程
生物学中的生物催化与酶工程生物学是关于生命的科学，而生物催化和酶工程则是生物学中非常重要的分支领域。
本文将介绍生物催化和酶工程的基本概念、应用以及未来的发展方向。
一、生物催化的概念与应用生物催化是指利用活体催化剂（生物催化剂）提高化学反应速率的过程。
生物催化剂主要包括酶和酵母等，它们能够在温和的温度和压力条件下催化特定的化学反应。
生物催化在工业上有重要的应用，如在食品工业中用于酿造酒精、制作乳制品；在制药工业中用于合成医药中间体或活性成分；在能源领域中用于生物燃料电池等。
二、酶工程的概念与应用酶工程是利用化学、生物学和工程学相结合的方法对酶进行研究和改造的过程。
通过酶工程，可以改变酶的特性，使其适应不同的工业生产需求。
常见的酶工程方法包括基因工程、蛋白质工程以及进化工程等。
酶工程在制药、食品、能源等方面有广泛的应用，例如通过改造酶的催化活性和稳定性，提高工业反应的效率和产率。
三、生物催化与酶工程的发展随着分子生物学和蛋白质研究的进步，生物催化和酶工程正处于快速发展的阶段。
近年来，大规模测序技术的发展为发现和筛选新的生物催化剂提供了更多的可能性。
同时，酶的催化机制和结构也得到了更深入的研究，为酶的改造和优化提供了更多的理论基础。
未来，生物催化与酶工程有望在以下几个方面取得突破和进展：1. 多功能酶的设计与合成：通过理性设计和合成，开发具有多种催化能力的酶，实现复合反应的高效催化。
2. 酶的固定化与稳定性提升：提高酶的稳定性和抗脱活性，降低生物催化反应的成本和能耗。
3. 酶的高效发酵与生产过程优化：通过工程菌株优化、发酵工艺改进等手段，提高生物催化反应的产率和效率。
4. 酶与纳米技术的结合：利用纳米材料的特殊性质，对酶进行修饰和包覆，提高酶的稳定性和催化活性。
综上所述，生物催化与酶工程是生物学中一门重要的分支领域。
随着科学技术的不断进步，生物催化和酶工程在工业应用和基础研究领域将发挥更为重要的作用，为人类带来更多的福祉和发展。
酶促反应与生物催化
酶促反应与生物催化酶促反应是一种在生物体内发生的化学反应，它通过生物催化剂酶的作用，加速了反应的进行。
这种催化机制非常重要，因为它在生物学的各个领域都扮演着关键角色。
本文将重点探讨酶促反应与生物催化的原理和应用。
1. 酶的基本原理酶是一种特殊的蛋白质，它在生物化学反应中起到催化剂的作用。
酶具有高度选择性，只能催化特定的反应。
它们通过调整底物分子的构象，降低活化能，从而加速反应速率。
酶本身在反应中不被消耗，可以反复使用。
2. 酶促反应的条件酶活性受到多种因素的影响，包括温度、pH值和底物浓度等。
适宜的温度和pH条件能够使酶达到最佳的活性。
底物浓度的增加有助于提高反应速率，但当底物浓度超过一定范围时，酶的活性可能会受到抑制。
3. 酶促反应的种类酶促反应广泛存在于生物体内，涵盖了多种不同类型的反应。
常见的酶促反应包括氧化还原反应、水解反应、合成反应和降解反应等。
不同类型的酶具有不同的底物特异性和催化机制。
4. 生物催化的应用酶催化反应在许多实际应用中具有重要作用。
首先，酶促反应被广泛应用于制药工业中的药物合成。
由于酶具有高度的立体选择性，可以有效地合成具有特定立体结构的分子，从而降低了合成过程中的副反应和废弃物的产生。
其次，酶催化反应在食品工业中也有广泛应用，如酶解淀粉、葡萄糖异构化等过程。
此外，酶催化反应还被用于环境保护领域，如废水处理和有机废物降解等。
5. 酶促反应的应用前景随着生物技术的不断发展，对酶的应用前景变得更加广阔。
通过基因工程技术，可以对酶基因进行改造和调控，进一步提高酶的活性和稳定性，从而拓宽其应用范围。
另外，结合纳米技术和材料科学，还可以制备具有高效催化性能的纳米酶，进一步增强酶的催化效果。
总结：酶促反应是生物体内发生的一种重要化学反应，通过酶的催化作用，加速了反应的进行。
酶促反应具有高度选择性和催化效率高的特点，被广泛应用于制药、食品工业和环境保护等领域。
随着生物技术和材料科学的发展，酶的应用前景将进一步拓展。
生物酶催化
生物酶催化生物酶是催化生物反应的关键因素，它们可以把类似催化剂优化生物反应的过程，从而提高酶作用效率。
它们在人体中起着重要作用，为许多必需的生化反应和重要的细胞过程提供催化能量。
本文将介绍生物酶的作用原理，并讨论其在医学，食品，环境保护和污染控制等领域的应用以及催化技术的发展。
生物酶是一类质点，它们可以促进特定的生化反应。
它们的主要功能是催化分子的转换过程，而这些分子的转换过程又可以分为三个基本步骤：选择，激活和催化。
然后，它们将反应分子激活后将其连接到活性中心，并在反应过程中调节能量，在此过程中，它们会自动释放出一些活性物质，以帮助生物体展开反应。
生物酶在人类生活的各个方面都有重要的作用。
在医学方面，它们可以帮助检测和治疗多种疾病，例如糖尿病、肝炎、癌症等。
由于它们的活性，它们可以被用来检测疾病特异性的抗体和其他指标物质，从而检测和确定病因，从而提供更有效的治疗方案。
此外，生物酶还可以用于美容，它们可以参与身体肌肉和皮肤的修复，帮助减少皱纹，当体内缺乏适当的活性物质时，它们还可以帮助恢复身体健康。
此外，生物酶还可以在食品加工中发挥重要作用。
例如，它们可以改善食品的口感，保证食品的营养价值，从而改善食品的健康状态。
在环境保护方面，生物酶也发挥着重要作用，例如它们可以参与污染物降解过程，减少污染，提高环境质量，使空气更加清新。
虽然生物酶的作用是很明显的，但催化技术的发展却不断受到限制。
目前，催化反应的效率仍然很低，因此研究人员正在致力于开发新型的催化剂，以改善催化反应的效率，并帮助提高催化剂的稳定性，这些新型的催化剂也可以帮助改进生物酶的催化力度。
总之，生物酶可以大大提高医学、食品、环境等领域的生产和生活质量，但其催化技术仍有待进一步改善。
因此，研究人员需要继续研究和开发新型的催化剂，以提高生物酶的催化能力，从而更好地服务人类社会。
酶工程与生物催化
酶工程与生物催化酶工程是一门利用生物催化技术对酶进行研究、应用和开发的科学。
生物催化是利用酶作为催化剂来促进和加速化学反应的过程。
在现代生物技术的推动下，酶工程和生物催化已经成为生物制药、食品加工、环境保护等领域中重要的研究和应用方向。
一、酶工程的基本概念与原理酶是生物催化过程中起关键作用的大分子催化剂，能够在温和的条件下加速化学反应的速率，提高反应的选择性和效率。
酶工程的基本概念是指通过改变酶的结构和性质，使其在特定条件下具有更高的催化活性和稳定性。
酶工程主要包括两个方面的内容：一是通过基因工程技术改变酶的基因序列，使其具有更好的性能；二是对酶进行物理化学性质的调控，提高酶的稳定性和催化效率。
酶工程的原理是通过对酶进行定向进化和有针对性的改造，提高酶的催化活性和选择性。
定向进化是利用自然选择的原理，在实验室中对酶进行多次重复的遗传突变和筛选过程，筛选出表现出更高活性和稳定性的突变酶。
有针对性改造是通过改变酶的结构和特性，使其适应特定反应条件，提高催化效率和产物选择性。
二、酶工程在生物制药中的应用1. 酶在药物合成中的应用酶催化合成药物的方法相对传统化学合成方法更加温和、高效和环保。
通过酶工程技术可以改变酶的催化性能，使其适应特定反应条件，提高反应产物的选择性和纯度。
同时，酶工程还可以提高酶的稳定性和催化活性，延长酶的使用寿命，降低生产成本。
2. 酶在生物催化合成药物中的应用利用酶催化合成药物可以降低合成工艺的复杂性和成本，提高产物的纯度和选择性。
在生物催化合成药物中，酶通过催化底物的转化，生成所需的目标产物。
酶工程技术可以有效提高酶的催化效率和选择性，降低反应副产物的生成，从而提高合成药物的产量和质量。
三、酶工程在食品加工中的应用1. 酶在食品加工过程中的应用酶在食品加工过程中有广泛的应用，例如面包、啤酒、乳制品、果汁等的生产中都涉及到酶的应用。
酶可以促进面团发酵、提高啤酒的醇味、改善乳质口感和提高果汁的澄清度。
微生物代谢途径与酶催化反应研究
微生物代谢途径与酶催化反应研究微生物代谢途径与酶催化反应是生物化学领域的重要研究方向，对于理解微生物的生物合成、能量转化以及环境适应等方面具有重要意义。
本文将从微生物代谢途径和酶催化反应的基本概念入手，探讨其研究的意义和应用前景。
微生物代谢途径是微生物体内一系列化学反应的有序排列，通过这些反应，微生物能够合成所需的物质，同时产生能量维持生命活动。
微生物代谢途径可以分为两大类：异养代谢和自养代谢。
异养代谢是指微生物通过摄取有机物质来获得能量和合成物质，如蛋白质和核酸等。
自养代谢则是指微生物通过自身合成有机物质来获得能量和合成物质。
微生物代谢途径的研究有助于揭示微生物的生长和繁殖机制，为微生物的应用提供理论基础。
酶催化反应是指在生物体内，通过酶的催化作用，将底物转化为产物的过程。
酶是一类特殊的蛋白质，具有高效、高选择性和高专一性的催化活性。
酶催化反应在微生物代谢途径中起着关键作用，能够加速化学反应的速率，提高生物合成的效率。
酶催化反应的研究不仅有助于理解生物体内复杂的代谢网络，还为工业生产和药物研发提供了新的途径。
微生物代谢途径与酶催化反应的研究有着广泛的应用前景。
首先，在农业领域，研究微生物代谢途径可以为农作物的育种和种植提供理论依据。
通过改良微生物代谢途径，可以提高农作物的产量和品质，增加农业生产的效益。
其次，在医学领域，微生物代谢途径的研究有助于揭示病原微生物的生长和传播机制，为疾病的预防和治疗提供新的思路。
此外，微生物代谢途径与酶催化反应的研究还可以应用于环境保护和能源开发等方面，通过改良微生物代谢途径，可以降解有害物质，减少环境污染；利用微生物酶的催化作用，可以开发新型的能源转化技术。
然而，微生物代谢途径与酶催化反应的研究也面临一些挑战。
首先，微生物代谢途径的网络复杂，其中涉及的反应种类繁多，研究难度较大。
其次，酶的催化机制尚不完全清楚，需要进一步深入研究。
此外，微生物代谢途径与酶催化反应的研究需要跨学科的合作，涉及生物化学、分子生物学、微生物学等多个领域的知识。
生物催化剂酶ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
▪ 1920年，德国科学家维尔斯塔特提出，酶既不是 蛋白质，也不是糖类，它是活性基团附着在无活 性的蛋白质上的一种物质。
▪ 1926年，美国生化学家萨姆纳在研究刀豆时提取 了脲酶结晶，并进一步肯定脲酶是一种蛋白质。
思考！
咀嚼馒头、米饭时有甜味， 为什么塞进牙缝里的肉丝 两天后还没被消化?
酶具有专一性
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
酶的作用机理及其具有专一性的原因
酶对于它所作用的底物有着严格的选择,它只能催化 一定结构或者一些结构近似的化合物,使这些化合物发 生生物化学反应。有的科学家提出,酶和底物结合时,底 物的结构和酶的活动中心的结构十分吻合,就像一把钥 匙配一把锁一样。酶的这种互补形状,使酶只能与对应 的化合物契合,从而排斥了那些形状、大小不适合的化 合物,这就是锁和钥匙学说。
胃蛋白酶活性将
（B ）
A、不断上升 B、没有变化 C、先升后降 D、先降后升
2、将乳清蛋白、淀粉、胃蛋白酶、唾液淀粉酶和适量水混合装入
一容器内，调整PH值至2.0，保存与37 ℃的水浴锅中，过一段时间
后，容器内剩余的物质是
（A ）
A、淀粉、胃蛋白酶、多肽、水
B、唾液淀粉酶、 麦芽糖、胃蛋白酶、多肽、水
使淀粉逐步水解成麦芽糖和葡萄糖。麦芽糖和葡萄糖遇 碘后，不形成紫蓝色化合物。
材料用具：2%的唾液、试管、量筒、小烧杯、大烧杯、
滴管、试管夹、酒精灯、石棉网、温度计、火柴、3%的 淀粉溶液、碘液
生物化学课件4酶与生物催化剂
辅酶辅基与维生素及核苷酸的关系
辅助成分 作 用 维生素组分 核苷酸组 分
NAD+（辅酶Ⅰ）
NADP+（辅酶Ⅱ） CoA-SH（辅酶A） FH4（四氢叶酸） 磷酸吡哆醛/胺
焦磷酸硫胺素TPP 黄素腺嘌呤二核苷酸FAD
递氢（脱氢酶）
转移酰基 转移一碳单位 转移氨基（转 氨酶）、羧基 （脱羧酶） 转移醛基
第四章 酶与生物催化剂
第一节 概 述
主要内容：介绍酶的概念、作用 特点和分类、命名，讨论酶的结 构特征和催化功能以及酶专一性 及高效催化的策略，进而讨论影 响酶作用的主要因素。对酶工程 和酶的应用作一般介绍。
酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生 物催化剂。 定义：酶是生物体内进行新陈代谢不可 缺少的受多种因素调节控制的具有催化 能力的生物催化剂。 酶具有一般催化剂的特征：1.只能进行热力 学上允许进行的反应；2.可以缩短化学反应 到达平衡的时间，而不改变反应的平衡点； 3.通过降低活化能加快化学反应速度。
第四节 反应动力学
底物浓度的影响 酶浓度的影响 温度、pH的影响 抑制剂、激活剂的影响
一、底物浓度的影响
1、一种现象：酶被底物饱和 2、一种假说：酶-底物复合物中间产物学说 3、米氏方程：
V m a x [S ] V= K m + [S]
（1）v-[S]曲线：近似双曲线 （2）[s]<<Km([S]很小时)，v与[s]成正比
二、共价调节酶 三、酶原(zymogen；proenzyme)激活
无活性的酶前体转变为有活性的酶的过程
四、同工酶(isoenzyme)
同工酶：分子结构、理化性质、免疫特性等 不同，但可以催化相同的化学反应的一组酶。
【经典举例】乳酸脱氢酶：由四个亚基组成，亚
生物化学--酶-生物催化剂PPT课件
2. FMN和FAD (黄素辅酶)
FMN和FAD是脱氢酶的辅酶，维生素B2是FMN和
FAD的组成成分。
OH CH2 CH H 3C H 3C N N O N O NH OH CH OH CH CH2OH
核糖醇基
异吡咯嗪环
维生素B2（核黄素riboflavin）
FMN-黄素单核苷酸
FAD和FMN的功能与NAD+相 似，在脱氢酶催化的氧化还 原反应中，起着电子和质子 的传递体作用。 FAD和FMN与酶分子通常以 共价键相连接，所以，一般 将这类辅酶称为辅基
合成酶（连接酶）
催化C-C, C-O, C-N, C-S键的形成反应
将两个小分子合成一个大分子，通常需要ATP供能。
A + B + ATP
腺嘌呤核苷三磷酸
AB + ADP + Pi
腺嘌呤核苷二磷酸 磷酸
核酸酶
非蛋白酶，是一类特殊的RNA，能够催 化RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆 反应。
酶-生物催化剂
酶促反应：酶催化的生物化学反应 底物：在酶的催化下发生化学变化的物质
COOH HO C CH3
乳酸
COOH + NAD
+
乳酸脱氢酶
H
C
O
+ NADH + H+
辅酶
CH3
丙酮酸
底物
产物
酶的化学本质-大多数酶是蛋白质
1926年，美国Sumner 得到 脲酶的结晶，并指出酶是蛋白质
J.B.Sumner
思考题？
选择题
1. 酶促反应中决定酶反应专一性的部分是( ) A、酶蛋白 B、底物 C、辅酶或辅基 D、催化基团 2. 全酶是指什么？( ) A、酶的辅助因子以外的部分 B、酶的无活性前体 C、一种酶一抑制剂复合物 D、一种需要辅助因子的酶，具备了酶蛋白、辅 助因子各种成分。
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COOH 枯草杆菌
H
(10.8)
OH H
HOOC OH COOH
(10.10)
(R,R)-酒石酸
20
• 如 一 种 粪 产 碱 杆 菌 (Alcaligenes levotartaricus) 微 生 物 催 化 环 氧 马 来 酸 (10.8)的水解反应，其产物为(S,S)-酒石酸 (10.9)；而以枯草杆菌微生物催化（10.8） 的水解产物则为(R,R)-酒石酸（10.10）。
23
2 微生物转化反应条件温和、设备简单、 公害少并且反应速率快
• 微生物转化反应一般都在常温和pH为7左右 进行催化合成，无需高压、强热等苛刻的 条件，所以设备简单，反应条件温和，生 产安全；原料除底物和普通培养基外没有 其他化学品，因此一般无公害。
24
• 微生物转化反应是酶催化反应，在最适条 件 下 ， 酶 能 在 一 秒 钟 内 使 102 ～ 106 个 底 物 分子转变成产物。
14
（3）区域选择性
粪产碱杆菌 HO 诺卡氏菌
COOH
15
• 应用粪产碱杆菌对乙基环己烷选择性氧化 时仅作用于4-位上的次甲基，生成反式乙 基环己烷醇，侧链不起氧化反应；而诺卡 氏菌对丁基环己烷选择性氧化时，仅作用 于环己烷的侧链丁基，生成环己烷丁酸， 显示了酶的区域选择性氧化反应。
16
（4）面选择性
• 无环β-酮酯易被酵母还原为β-羟酯， β-羟 酯(这种产物)是β-内酰胺、昆虫激素和类胡 萝卜素等合成的手性源。
OH R1
O 面包酵
OR2
17
OH R1
H-
O 面包酵母Biblioteka OR2H-O R1
O
β-
面酮包酵母
酯
OR2
R1小 COOR2大
O 母
R1
O 面包酵母
OR2
β-酮酯 R1大 COOR2小
OH R1
9
（1）化学选择性
• 同一微生物在不同的培养基中培养，其转 化底物产生不同的化学选择性。
3-氰基吡啶
CN
N (10.1)
红球菌 COCl2
光气
红球菌 CN
2-甲基丁腈
O NH2
(10.2)
N
O
OH
N
(10.3)
10
• 例如红球菌生长在含有COCl2培养基中，所 产 生 的 酶 将 底 物 （ 10.1 ） 水 解 为 酰 胺 （10.2）；而生长在含有2-甲基丁腈培养基 中，所产生的酶将底物（10.1）水解为羧酸 （10.3）。
3
• 利用酶或有机体（细胞、细胞器）作为催化 剂实现化学转化的过程，称为生物催化。
• 生物催化中常用的有机体主要是微生物，其 本质是利用微生物细胞内的酶催化有机化合 物的生物转化，又称微生物生物转化。
4
• 微生物生物转化在有机合成中有着重要的 用途，它能提供廉价和多样的生物催化 剂——酶，或以完整细胞直接进行生物催 化。
(10.5) HO
O CH2OH OAc
O (10.6)
O
(10.7)
13
• 例如来自黑根霉生物体的酶选择性氧化羟 基黄体酮（10.4）的11-位氢，生成11α-羟 基黄体酮（10.5）；而来自新月弯孢霉生 物体的酶则选择性地氧化甾体化合物的 （ 10.6） 的 11-位 非 对 映 异 构体 氢 ， 形 成 11β-羟基化合物（10.7）。
5
• 在生化反应过程中，若采用活细胞(包括微 生物、动物、植物细胞)为催化剂时称发酵 或细胞培养过程，若采用游离酶或固定化 酶时称为酶催化过程。
6
• 它们的区别在于发酵过程中除得到反应产 物外，还可能得到更多的生物细胞，而酶 反应过程中，酶则不会增长。上述两类反 应过程，从催化作用的实质看是没有什么 区别的，利用活生物细胞作为催化剂的发 酵生化反应，其实质也是通过生物细胞内 部的酶起催化作用。
O OR2
18
• 氢负离子按Prelog规则从空间位阻小的一 面向羰基亲核进攻，形成稳定的优势中间 体，还原醇的手性中心构型由底物结构决 定，即与羰基两侧取代基的大小有关。
19
（5）对映异构体选择性
环氧马来酸
H OH H
H
O
H
粪产碱杆菌 HOOC
COOH OH
(10.9) (S,S)-酒石酸
HOOC
第四讲 酶催化、生物催化 与微生物转化
1
• 酶是生物催化剂，生物催化剂不仅包括从 生物体（微生物、动物、植物）中提取的 各种游离酶，还包括可以直接作为酶源使 用的各种生物细胞、固定化的酶和固定化 细胞。
2
• 因此生物催化剂可以是微生物、动物、植 物的整体细胞，也可以是从细胞中提出来 的酶。它们可以游离的形式使用，也可以 采用固定化技术将其固定在多孔介质表面 后再使用。
11
（2） 非对映异构体选挥性
• 非对映异构体选择性是指对非对映异构体 的氢或基团进行催化反应，导入一个非对 映体的基团。这类选择性生物催化的例子， 大多是对亚甲基中2个非对映体氢的进行催 化，导入一个基团。
12
黄体酮
O CH3 黑根霉
O CH3 HO
O (10.4)
O
O CH2OH OAc 新月弯孢霉
21
• 这种严格的立体结构选择性，对有机合成 特别是药物合成来说是非常重要的。因为 药物的异构体不仅无效或低效，并且往往 还有副作用，甚至有相反的药效和强力的 毒性。
22
• 特别像生理活性很高的激素、抗生素以及 心血管系统和神经系统等药物的药效对立 体结构的要求很高．往往具有严格对映体 构型的要求，此为有机化学合成方法难以 达到的。
7
第一节 微生物转化反应的特点
• 微生物转化反应，可以采用发酵方式进行 转化，也可以按静止的洗涤细胞或固定化 细胞等方式进行连续生产。它与有机化学 合成和酶法合成相比较有下列特点。
8
1 对立体结构合成具有高度的专一选择性
• 微生物转化反应是一种酶的催化反应，对 底物(即反应物)作用时，具有高度的立体结 构选择性；它不仅对结构有化学选择性和 非对映异构体选挥性，并且有严格的区域 选择性、面选择性和对映异构体选择性。
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3 微生物转化收率高、成本低
• 微生物转化反应是在全细胞内进行，保持 原有整体酶系统比较符合生物催化所需环 境与条件，在氧化-还原等催化反应时不需 添加辅酶（辅酶非常不稳定，难以分离制 取，这是酶法合成中很难补救的）。
26
• 微生物转化反应可以持续进行，反应量大， 收率高，可以大规模工业生产。加上设备 和原料简单易得等优点，生产成本不仅低 于酶法合成，并且也低于化学合成。