生物催化ppt
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《生物催化氧化反应》课件
1
生物催化氧化反应机理的原理
生物催化氧化反应机理的核心原理，如催化
氧化还原酶的机理
2
剂与底物的相互作用和中间物的形成。
探究氧化还原酶催化氧化反应的机理，包括
催化剂的活性位点和电子传递过程等。
3
酒精脱氢酶的机理
揭示酒精脱氢酶催化氧化反应的机理，以及
氧化酶的机理
4
底物识别和催化过程的关键要素。
研究氧化酶催化氧化反应的机制，包括底物 结构选择性和催化中间产物的进一步转化。
1
生物催化氧化反应
生物催化氧化反应的定义，探索其中的关键元素和反应机制。
2
生物催化氧化反应的重要作用
生物催化氧化反应在生物系统中的重要作用，如能量转化、代谢调节等。
生物催化氧化反应的分类
了解生物催化氧化反应的分类方式，以及不同类型的酶类催化剂在氧化反应中的作用。
生物催化氧化 反应的分类方 式
根据反应底物、催化剂 类型和反应机理等因素， 对生物催化氧化反应进 行分类。
生物催化氧化反应的重要性
强调生物催化氧化反应在生命活动中的重要作用，推动科学研究和创新发展。
生物催化氧化反应在未来的应用前景
展望生物催化氧化反应在医学、能源和环境等领域的创新应用前景。
应用
探索生物催化氧化反应在工业、化学合成、食品加工和环境保护等领域的广泛应用。
工业上的应用
展示生物催化氧化反应在工业领域的重要应用，如化 学品生产和能源转换。
物质合成的应用
研究生物催化氧化反应在有机合成和药物合成等领域 的应用潜力。
食品加工的应用
环境保护的应用
结论
总结生物催化氧化反应的重要性和在未来的应用前景，展望这一领域的发展和创新。
生物催化ppt
酶的作用特点
⑴ 酶对环境条件的敏感性：酶易失活，要求的反应 条件温和，对环境条件敏感。
固氮酶
N2+6H++6e 常温、常压 2NH3
Fe N2+3H2 500℃,300大气压2NH3
酶的作用特点
(2) 酶催化的高效性：酶具有极高的催化效率。 相同条件下，以分子比表示： 酶（V）高于无酶（V）108 ～1020 倍 酶（V）高于普通催化剂（V）107 ～1013 倍
几何异构 专一性
光学异构 专一性
酶专一性类型
结构专一性——酶对所催化的分子（底物，Substrate）化 学结构的特殊要求和选择。
绝对专一性——指某些酶对底物有绝对严格的要求，
即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应 。
O=C
NH2
+ NH2
H2O
脲酶
NH3 + CO2
O=C NH2 NHCl
O=C NH2 NHCH3
LOGO
生物催化
Contents
1
生物催化的概述
2
生物催化的作用机制
3
生物催化的应用
4
发展前景与展望
2
生物催化的定义
WHAT IS biocatalysis? 什么是生物催化？
生物催化（ biocatalysis ）是利用生物 催化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快) 化学反应速度的作用。
2 3
19
“三点结合”催化理论
认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结 合情况下，不对称催化作用才能实现。
2 3
20
生物催化酶的类别
水解酶 氧化还原酶
转移酶
生生物物催催化化酶酶
生物催化 绪论专选课件
A
A'
差向异构酶、顺反异构 酶、酮醛异构酶
6
合成酶类(连接酶类)
ATP
(ligase)
A＋B
ADP＋Pi 羧化酶、氨酰-tRNA合
AB 成酶、天冬酰胺合成酶
酶的活性中心
酶的活性中心: 酶分子上能与底物特异地结合并起 催化作用的具有特定空间结构的区域
活性中心
结合基团 催化基团 调控基团
中心内必需基团 中心外必需基团
它的特点是高效性、高选择性和低污染。世界经 合组织(OECD)指出：“生物催化技术是工业可持续 发展最有希望的技术”。
当前，如何利用微生物的丰富酶系和基因资 源将地球表面富余的、可以再生的大量木质 纤维素原料有效地转化为人类社会有用的生 物质能源和生物基化学品及材料，便成为新 一代工业生物技术研究的热门课题。
生物催化与化学工程
➢化学工程注重反应及其过程性， 研究传质、传热、传动现象 ➢酶反应工程的主要目标是在高 化学选择性和高对映选择性条件 下，实现高底物转化率的高时空 产率 ➢酶催化反应中存在底物扩散、 抑制、反应器设计等问题，其解 决需要参考化学工程的理论
S
Ks
S
E
P
Kp
P
2.生物催化的基本概念
生物催化 绪论
内容提要
1. 生物催化的学科基础 2. 生物催化的基本概念 3. 生物催化的技术特点 4. 生物催化的由来和发展
以化学催化为核心的 基础物质加工业面临潜在的危机
(1）资源危机：化石资源－不可再生资源 (2）能源危机：化石燃料－不可再生能源 (3）环境危机：三废排放－环 境 污 染
生物催化与生物转化是解决 物质加工危机的有效途径之一
➢酶的分类及命名 ➢酶催化的机理 ➢酶活力的测定要领
《生物催化剂技术》课件
《生物催化剂技术》PPT 课件
这个PPT课件将带你了解生物催化剂技术的概念、原理、种类、特点、应用 领域，以及在工业上的应用。让我们一起探索生物催化剂技术的前景与挑战。
催化剂的概念与原理
催化剂是指能够加速化学反应速率，但本身在反应中不被消耗的物质。催化 剂通过降低反应的活化能，提供新的反应路径来促进反应的进行。
食品加工
酶在食品加工中的应用可以提 高产品质量、改善口感和延长 保质期。
生物催化剂的前景与挑战
1
前景
生物催化剂具有巨大的应用潜力，可以提高反应效率、节约资源，同时也对环境 友好。
2
挑战
生物催化剂在活性、稳定性、特异性等方面仍面临一定的挑战，需要进一步的研 究和发展。
3
研究方向
未来的研究重点包括提高催化剂的催化效率、改善催化剂的特异性以及提高催化 剂的稳定性。
3 组织
组织催化剂是一种利用生物组织中的酶或其他生物大分子来催化化学反应的生物催化剂。
生物催化剂的特点
高效选择性
酶对底物具有高度选择性，可以选择性地催化特定的反应。
温和条件
生物催化剂的反应一般在温和的条件下进行，不需要高温或高压。
可重复使用
生物催化剂可以通过简单的处理方法得到再生并且反复使用，降低了生产成本。
生物催化剂的应用领域
医药制造
• 药物合成 • 酶替代治疗
食品加工
• 酶改善食品质量 • 酶降解食品成分
环境保护
• 废水处理 • 废弃物降解
生物催化剂在工业上的应用
工业生产
生物催化剂在生物燃料生产、 生物塑料制造等工业领域发挥 着重要作用。
制药行业
酶催化技术在制药行业中得到 广泛应用，用于药物合成和药 物转化。
这个PPT课件将带你了解生物催化剂技术的概念、原理、种类、特点、应用 领域，以及在工业上的应用。让我们一起探索生物催化剂技术的前景与挑战。
催化剂的概念与原理
催化剂是指能够加速化学反应速率，但本身在反应中不被消耗的物质。催化 剂通过降低反应的活化能，提供新的反应路径来促进反应的进行。
食品加工
酶在食品加工中的应用可以提 高产品质量、改善口感和延长 保质期。
生物催化剂的前景与挑战
1
前景
生物催化剂具有巨大的应用潜力，可以提高反应效率、节约资源，同时也对环境 友好。
2
挑战
生物催化剂在活性、稳定性、特异性等方面仍面临一定的挑战，需要进一步的研 究和发展。
3
研究方向
未来的研究重点包括提高催化剂的催化效率、改善催化剂的特异性以及提高催化 剂的稳定性。
3 组织
组织催化剂是一种利用生物组织中的酶或其他生物大分子来催化化学反应的生物催化剂。
生物催化剂的特点
高效选择性
酶对底物具有高度选择性，可以选择性地催化特定的反应。
温和条件
生物催化剂的反应一般在温和的条件下进行，不需要高温或高压。
可重复使用
生物催化剂可以通过简单的处理方法得到再生并且反复使用，降低了生产成本。
生物催化剂的应用领域
医药制造
• 药物合成 • 酶替代治疗
食品加工
• 酶改善食品质量 • 酶降解食品成分
环境保护
• 废水处理 • 废弃物降解
生物催化剂在工业上的应用
工业生产
生物催化剂在生物燃料生产、 生物塑料制造等工业领域发挥 着重要作用。
制药行业
酶催化技术在制药行业中得到 广泛应用，用于药物合成和药 物转化。
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
酶生物催化剂.pptx
正比；
第33页/共58页
酶浓度对反应速度的影响
• 反应速度与酶浓度成正比：当[S][E],式中Km可
以忽略不计。
k3[E][S] v= Km + [S] =k3[E]
v
o
[S]
第34页/共58页
温度对酶促反应速度的影响
产 物 2.0 麦 芽 1.5 糖 的 1.0 毫 克 0.5 数
0 10 20 30 40 50 60 ℃ 温度对唾液淀粉酶活性的影响
例如：有机磷农药中毒 （敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂1605、1059等）
RO O
P
+
RO X
有机磷化合物
E-OH 羟基酶
RO O
P
+
RO O E
磷酰化酶 (失活)
CHNOH N CH3
解磷定
RO O
P
+
HX
RO O E
磷酰化酶
(失活)
O OR P
CHNO OR + N
CH3
E-OH
乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋 性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解，而是过量地积累引起中毒。
▪ 活化能:在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的
自由能，单位是KJ/mol. （增加温度、加入催化剂降低反应活化能） • 酶促反应：E + S === ES === ES* EP E + P • 非酶促反应：
催化剂的作用是降低反应活化能,从而起到提高反应速度的作用
第22页/共58页
过渡态
酶的最适温度: 酶活性最高时的温度, 也即酶的催化效率 最高, 酶促反应速度最大时的温度。
第35页/共58页
第33页/共58页
酶浓度对反应速度的影响
• 反应速度与酶浓度成正比：当[S][E],式中Km可
以忽略不计。
k3[E][S] v= Km + [S] =k3[E]
v
o
[S]
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温度对酶促反应速度的影响
产 物 2.0 麦 芽 1.5 糖 的 1.0 毫 克 0.5 数
0 10 20 30 40 50 60 ℃ 温度对唾液淀粉酶活性的影响
例如：有机磷农药中毒 （敌百虫、敌敌畏、乐果杀虫剂1605、1059等）
RO O
P
+
RO X
有机磷化合物
E-OH 羟基酶
RO O
P
+
RO O E
磷酰化酶 (失活)
CHNOH N CH3
解磷定
RO O
P
+
HX
RO O E
磷酰化酶
(失活)
O OR P
CHNO OR + N
CH3
E-OH
乙酰胆碱酯酶是羟基酶，与有机磷农药共价结合后失活，使兴奋 性神经递质乙酰胆碱不能及时清除降解，而是过量地积累引起中毒。
▪ 活化能:在一定温度下一摩尔底物全部进入活化态所需要的
自由能，单位是KJ/mol. （增加温度、加入催化剂降低反应活化能） • 酶促反应：E + S === ES === ES* EP E + P • 非酶促反应：
催化剂的作用是降低反应活化能,从而起到提高反应速度的作用
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过渡态
酶的最适温度: 酶活性最高时的温度, 也即酶的催化效率 最高, 酶促反应速度最大时的温度。
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酶是生物催化剂ppt课件
5.底物浓度
酶量一定的条件下，在一定范
反
应
围内随着底物浓度的增加，反 速 率
应速率也增加，但达到一定浓
底物浓度[s]
度后不再增加，原因是受到酶数量和酶活性的
限制。
6.酶浓度
反
应
在底物充足、其他条件适宜且 速
率
固定的条件下，酶促反应速率
与酶浓度成正比。
酶浓度[E]
7.影响酶活性的曲线(多因素)
支 应 物 乘 剩 余 量 ( 相对 量 )
④在各自所控制的温度下保温一段时间
⑤滴加 碘 液 ，观察颜色变化
步骤顺 序
3%淀粉 液
2%淀粉 酶液
温度预 处理
混合后 摇匀
控制温 度
试管1 试管1’ 2ml
1ml 0℃保温5min
混合 0℃保温5min
试管2 试管2 ’ 试管3 试 管 3 ’
2ml
2ml
1ml
1ml
60℃保温5min 100℃保温5min
3、在上述实验中，自变量是什么?无关变量是 什么?
自变量是不同的温度；无关变量是可溶性淀粉溶 液、新鲜淀粉酶溶液、碘液的量
酶活性受许多因素的影响
(1)本实验不宜选用过氧化氢酶催化H₂O₂分解，因为 过氧化氢酶催化的底物过氧化氢在加热的条件下分解 也会加快。
(2)本实验不宜选用斐林试剂鉴定，温度是干扰
淀粉(非还原糖)淀粉酶 麦芽糖(还原糖) ① 淀粉(非还原糖)蔗糖酶淀粉
②再用本尼迪特试剂鉴定，从而探究酶的专一性。
1、探究淀粉酶对淀粉和蔗糖的作用
第一步：1ml 水 水 水 淀粉酶淀粉酶 第二步：3ml 淀粉 蔗糖 淀粉酶淀粉蔗糖
第三步：各试管充分摇匀后，37℃保温15分钟
生物化学---酶催化作用的特点PPT课件
NAD+ (烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I) 和NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为辅 酶II )是维生素烟酰胺的衍生物，它们是多种重要 脱氢酶的辅酶。
NH2
CONH2 O- O- N
N+ O
CH2OPOPOCH2
N O
OO
N N
OH OH
OH OH(OPO3H2)
⑤ 维生素B6和磷酸吡哆醛 维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。
(2)传递氢（递氢体）：如 硫辛酸；
FMN/FAD、NAD/NADP、C0Q、
(3)传递酰基体：如 C0A、TPP、硫辛酸； (4)传递一碳基团：如 四氢叶酸；
(5)传递磷酸基：如 ATP，GTP；
(6)其它作用： 转氨基，如 VB6 ；传递CO2，如 生物素。
维生素和辅酶
维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类小分子 有机物质。
NH2 N
ClCH2 N+
H3C N
S
CH3 CH2CH2 OH
焦磷酸硫胺素(TPP)是脱羧酶的辅酶，催化丙酮酸或α–酮
戊二酸的氧化脱羧反应，所以又称为羧化辅酶。
NH2 N
ClCH2 N+
H3C N
S
CH3
OO
CH2CH2 O P O P OH
OH OH
② 维生素B2和黄素辅酶 维生素B2又称核黄素，由核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪
(1)活性中心：酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间 局限（部位）。
结合部位(Binding site)：酶分子中与底 物结合的部位或区域
一般称为结合部位。
催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化 学变化的部位称为催化部 位。
NH2
CONH2 O- O- N
N+ O
CH2OPOPOCH2
N O
OO
N N
OH OH
OH OH(OPO3H2)
⑤ 维生素B6和磷酸吡哆醛 维生素B6包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。
(2)传递氢（递氢体）：如 硫辛酸；
FMN/FAD、NAD/NADP、C0Q、
(3)传递酰基体：如 C0A、TPP、硫辛酸； (4)传递一碳基团：如 四氢叶酸；
(5)传递磷酸基：如 ATP，GTP；
(6)其它作用： 转氨基，如 VB6 ；传递CO2，如 生物素。
维生素和辅酶
维生素是机体维持正常生命活动所必不可少的一类小分子 有机物质。
NH2 N
ClCH2 N+
H3C N
S
CH3 CH2CH2 OH
焦磷酸硫胺素(TPP)是脱羧酶的辅酶，催化丙酮酸或α–酮
戊二酸的氧化脱羧反应，所以又称为羧化辅酶。
NH2 N
ClCH2 N+
H3C N
S
CH3
OO
CH2CH2 O P O P OH
OH OH
② 维生素B2和黄素辅酶 维生素B2又称核黄素，由核糖醇和6，7-二甲基异咯嗪
(1)活性中心：酶分子中直接和底物结合并起催化反应的空间 局限（部位）。
结合部位(Binding site)：酶分子中与底 物结合的部位或区域
一般称为结合部位。
催化部位(Catalytic site): 酶分子中促使底物发生化 学变化的部位称为催化部 位。
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甜味剂原料：L－天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸转移酶）
L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制性原料，国内开发了
以氨基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线，具有自主知识产权， 已实现了产业化生产，工艺水平和经济技术指标均达到了国际先 进水平。
28
生物催化的国内成功应用实例
4.生物催化剂在有机酸领域的应用
8
生物催化剂的分类
蛋白质类： Enzyme
克隆酶、遗传修饰酶 蛋白质工程新酶
(天然酶、生物工程酶)
生物催化剂 Biocatalyst
核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme 模拟生物催化剂 核酶
脱氧核酶
……
Enzyme(酶)－－是一类由活细胞产生的，对其特有底物具有高 效催化作用的蛋白质
2 3
24பைடு நூலகம்
“三点结合”催化理论
认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结 合情况下，不对称催化作用才能实现。
2 3
25
生物催化的主要应用方向
医药 农药
饲料添加剂
2
化工 轻工 日化工业
食品添加剂 3 有机酸
26
生物催化的国内成功应用实例
1.生物催化在医药领域的应用
Emil Fisher(1890)提出： 将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物
2 能专一性地插入到酶的活性中心。 3
23
诱导契合学说（induced fit hypothesis）
Koshland(1958)提出:
酶的活性中心在结构上具柔性，当底物接近活性中心时，可诱导酶
蛋白构象发生变化，使酶活性中心有关的基团正确排列和定向，使 酶与底物契合而结合成中间产物，引起催化反应进行。
基团 专一性（族专一性） 键专一性
立体异构 专一性
几何异构 专一性
光学异构 专一性
酶专一性类型
结构专一性——酶对所催化的分子（底物，Substrate）化 学结构的特殊要求和选择。 绝对专一性——指某些酶对底物有绝对严格的要求， 即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应 。
NH2 O=C
脲酶 + HO 2 NH3 + CO2 NH2 NHCH3
LOGO
生物催化
杨宇雯 2012.12.10
Contents
1 2 3
生物催化的概述 生物催化的作用机制 生物催化的应用 发展前景与展望
4
2
生物催化的定义
化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快) 化学反应速度的作用。
WHAT IS biocatalysis? 生物催化（ biocatalysis ）是利用生物催 什么是生物催化？
HOOCCH=CHCOOH H2O HOOCCH2CHCOOH OH
合成酶 Ligase or Synthetase
合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及 C-S 键的形成反应。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 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸
为尼龙类高聚物，作为一种可完全降解的高分子材料，具有优良的
吸水性（2000倍）;
30
生物催化的国内成功应用实例
7.生物催化在轻工和日化工业的应用
淀粉酶：水解淀粉和糖源类化合物的总称 酶目前国内最大的酶制剂产业，用于葡萄糖制备和淀粉降解； 葡萄糖异构酶：果葡糖浆生产 2
国内已实现工业化生产，形成了较大的规模产业;
酶专一性类型
立体异构专一性——指酶对催化底物的立体结构有高度 选择性。即一 种酶只能作用于底物立体异构中的一种
几何异构专一性 延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸
COOH CH2 CH2 COOH
HOOC + FAD SDH H C C
H + FADH2 COOH
酶作用专一性机制
锁钥学说（Lock and key theory)：
NH2
O=C NH2
O=C
NHCl
酶专一性类型
相对专一性——指酶能催化结构相似的一类底物进行反 应。或要求有一定的化学键及键两端的原子基团；或仅 要求一定的化学键。 键专一性：酯酶对脂肪的水解作用
基团专一性：胰蛋白酶对肽链的作用
Aa1－Aa2－Aa3－Aa4－Aa5－Aa6－Aa7－Aa8Aa4 = Lys
L-苹果酸 （水合酶） L-苹果酸目前稳定在年产500吨左右，是国际上的主要生产厂， 其生产成本低于化学合成的DL-苹果酸；
L-酒石酸 （水解酶）
L（+）-酒石酸2000年年产近3000吨，是国际上唯一的应用酶工 程技术生产该产品的国家。
2 3
5.生物催化剂在饲料添加剂领域的应用
D-泛酸 （ D-泛酸内酯水解酶）
1926年 Sumner首 次从刀豆 中提出脲 酶结晶。
5
生物催化的产生与发展
1930年 Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰 凝乳蛋白酶的结晶。
J.B.Sumner
J.H.Northrop
证明了酶是蛋白质
生物催化的产生与发展
某些RNA有催化活性（ ribozyme，核酶）
Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA
Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA
2人共同获1989年诺贝尔化学奖。
生物催化剂的来源
8%
4%
2 3
88%
微生物 动物 植物
目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，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 生物催化剂的主要来源。
基团或原子的重排过程。
例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH OH OH OH OH OH CH2OH O CH2OH OH
裂合酶 Lyase
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键 的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， 延胡索酸裂合酶催化的反应。
2 β-内酰胺类抗生素中间体：6-APA和7-ADCA（青霉素G酰化酶）
该酶已实现产业化，已占国内70％以上的份额，并出口欧美； β-内酰胺类抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因酶） 国内采用一菌双酶法，已经工业化规模生产。 β-阻断剂药物中间体：(S)-布洛芬系列（环氧化合物水解酶）
3
其他药物合成前体 维生素B6的合成原料： L-丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶） 目前以该酶为催化剂、使L-天冬氨酸脱羧制备的L-丙氨酸，成本（<2 万元/吨）低于化学合成的DL-丙氨酸，并已形成了万吨的生产规模。
酶的作用特点
⑴ 酶对环境条件的敏感性：酶易失活，要求的反应 条件温和，对环境条件敏感。 N2 +6H++6e
固氮酶
常温、常压
2NH3
N2+3H2
Fe
500℃,300大气压
2NH3
酶的作用特点
(2) 酶催化的高效性：酶具有极高的催化效率。 相同条件下，以分子比表示：
酶（V）高于无酶（V）108 ～1020 倍
生物催化酶的类别
水解酶 氧化还原酶 转移酶
异构酶
生物催化酶 生物催化酶
裂合酶 合成酶
单纯酶 复合酶
10
水解酶 hydrolase
水解酶催化底物的加水分解反应。
主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。
例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
H2O
R COOCH2CH3
RCOOH
2 受性差等缺点，限制了生物催化剂用于大规模的工业化生产。
不过随着新的生物技术如定向进化的出现，利用生物技术 对生物催化剂进行改造优化已成为现实。相信在不久的将来， 3 生物催化定能在制药工业中发挥更大的作用，给人类的健康事 业作出新的贡献。生物催化的广泛应用，将会给人们提供性能 更佳的材料和能源 以可再生的生物原料为基础的生物生产过
CH3CH2OH
氧化还原酶 Oxidoreductase
氧化-还原酶催化氧化-还原反应。
主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。
如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
+
CH3CHCOOH NAD OH
CH3CCOOH NADH O
H+
转移酶 Transferase
以D-泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆分得到光学纯的D泛解酸内酯，成功地用于D-泛酸钙及D-泛醇的生产，已进入产业 化阶段。
29
生物催化的国内成功应用实例
6. 生物催化在化工领域的应用
聚丙烯酰胺前体的制备：丙烯酰胺（腈水解酶） 以人工筛选的腈水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转化为丙烯 酰胺的生产中已获得了巨大成功，已形成了万吨的生产规模； 2 高吸水性、可降解材料的制备：聚谷氨酸（转肽酶） 3 通过具有高活性转肽酶的菌株筛选，可将廉价的L-谷氨酸转化
蛋白酶：水解肽键的酶，有酸性、中性和碱性蛋白酶 3 用于皮革加工，纺织行业，洗涤行业;
脂肪酶：水解酯键的酶总称
目前酶最大的用途在洗涤助剂上、但更多的来源于进口；
31
发展前景与展望
由于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，被大量应用于药物的研究 开发。
生物催化剂的热稳定性差、易受pH的影响和有机溶剂耐
3
生物催化的产生与发展
酵母发酵的产物,是细 胞内酶作用的结果
L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜的限制性原料，国内开发了
以氨基转移酶为催化剂的海因酶法制备路线，具有自主知识产权， 已实现了产业化生产，工艺水平和经济技术指标均达到了国际先 进水平。
28
生物催化的国内成功应用实例
4.生物催化剂在有机酸领域的应用
8
生物催化剂的分类
蛋白质类： Enzyme
克隆酶、遗传修饰酶 蛋白质工程新酶
(天然酶、生物工程酶)
生物催化剂 Biocatalyst
核酸类：Ribozyme ; Deoxyribozyme 模拟生物催化剂 核酶
脱氧核酶
……
Enzyme(酶)－－是一类由活细胞产生的，对其特有底物具有高 效催化作用的蛋白质
2 3
24பைடு நூலகம்
“三点结合”催化理论
认为酶与底物的结合处至少有三个点，只有在完全结 合情况下，不对称催化作用才能实现。
2 3
25
生物催化的主要应用方向
医药 农药
饲料添加剂
2
化工 轻工 日化工业
食品添加剂 3 有机酸
26
生物催化的国内成功应用实例
1.生物催化在医药领域的应用
Emil Fisher(1890)提出： 将酶的活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，底物
2 能专一性地插入到酶的活性中心。 3
23
诱导契合学说（induced fit hypothesis）
Koshland(1958)提出:
酶的活性中心在结构上具柔性，当底物接近活性中心时，可诱导酶
蛋白构象发生变化，使酶活性中心有关的基团正确排列和定向，使 酶与底物契合而结合成中间产物，引起催化反应进行。
基团 专一性（族专一性） 键专一性
立体异构 专一性
几何异构 专一性
光学异构 专一性
酶专一性类型
结构专一性——酶对所催化的分子（底物，Substrate）化 学结构的特殊要求和选择。 绝对专一性——指某些酶对底物有绝对严格的要求， 即一种酶只能催化一种特定的底物进行反应 。
NH2 O=C
脲酶 + HO 2 NH3 + CO2 NH2 NHCH3
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生物催化
杨宇雯 2012.12.10
Contents
1 2 3
生物催化的概述 生物催化的作用机制 生物催化的应用 发展前景与展望
4
2
生物催化的定义
化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快) 化学反应速度的作用。
WHAT IS biocatalysis? 生物催化（ biocatalysis ）是利用生物催 什么是生物催化？
HOOCCH=CHCOOH H2O HOOCCH2CHCOOH OH
合成酶 Ligase or Synthetase
合成酶，又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及 C-S 键的形成反应。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 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。 丙酮酸 + CO2 草酰乙酸
为尼龙类高聚物，作为一种可完全降解的高分子材料，具有优良的
吸水性（2000倍）;
30
生物催化的国内成功应用实例
7.生物催化在轻工和日化工业的应用
淀粉酶：水解淀粉和糖源类化合物的总称 酶目前国内最大的酶制剂产业，用于葡萄糖制备和淀粉降解； 葡萄糖异构酶：果葡糖浆生产 2
国内已实现工业化生产，形成了较大的规模产业;
酶专一性类型
立体异构专一性——指酶对催化底物的立体结构有高度 选择性。即一 种酶只能作用于底物立体异构中的一种
几何异构专一性 延胡索酸酶：作用于反式的丁烯二酸
COOH CH2 CH2 COOH
HOOC + FAD SDH H C C
H + FADH2 COOH
酶作用专一性机制
锁钥学说（Lock and key theory)：
NH2
O=C NH2
O=C
NHCl
酶专一性类型
相对专一性——指酶能催化结构相似的一类底物进行反 应。或要求有一定的化学键及键两端的原子基团；或仅 要求一定的化学键。 键专一性：酯酶对脂肪的水解作用
基团专一性：胰蛋白酶对肽链的作用
Aa1－Aa2－Aa3－Aa4－Aa5－Aa6－Aa7－Aa8Aa4 = Lys
L-苹果酸 （水合酶） L-苹果酸目前稳定在年产500吨左右，是国际上的主要生产厂， 其生产成本低于化学合成的DL-苹果酸；
L-酒石酸 （水解酶）
L（+）-酒石酸2000年年产近3000吨，是国际上唯一的应用酶工 程技术生产该产品的国家。
2 3
5.生物催化剂在饲料添加剂领域的应用
D-泛酸 （ D-泛酸内酯水解酶）
1926年 Sumner首 次从刀豆 中提出脲 酶结晶。
5
生物催化的产生与发展
1930年 Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰 凝乳蛋白酶的结晶。
J.B.Sumner
J.H.Northrop
证明了酶是蛋白质
生物催化的产生与发展
某些RNA有催化活性（ ribozyme，核酶）
Thomas Cech University of Colorado at Boulder, USA
Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA
2人共同获1989年诺贝尔化学奖。
生物催化剂的来源
8%
4%
2 3
88%
微生物 动物 植物
目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，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 生物催化剂的主要来源。
基团或原子的重排过程。
例如，6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
CH2OH O OH OH OH OH OH OH CH2OH O CH2OH OH
裂合酶 Lyase
裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键 的反应及其逆反应。 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。 例如， 延胡索酸裂合酶催化的反应。
2 β-内酰胺类抗生素中间体：6-APA和7-ADCA（青霉素G酰化酶）
该酶已实现产业化，已占国内70％以上的份额，并出口欧美； β-内酰胺类抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因酶） 国内采用一菌双酶法，已经工业化规模生产。 β-阻断剂药物中间体：(S)-布洛芬系列（环氧化合物水解酶）
3
其他药物合成前体 维生素B6的合成原料： L-丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶） 目前以该酶为催化剂、使L-天冬氨酸脱羧制备的L-丙氨酸，成本（<2 万元/吨）低于化学合成的DL-丙氨酸，并已形成了万吨的生产规模。
酶的作用特点
⑴ 酶对环境条件的敏感性：酶易失活，要求的反应 条件温和，对环境条件敏感。 N2 +6H++6e
固氮酶
常温、常压
2NH3
N2+3H2
Fe
500℃,300大气压
2NH3
酶的作用特点
(2) 酶催化的高效性：酶具有极高的催化效率。 相同条件下，以分子比表示：
酶（V）高于无酶（V）108 ～1020 倍
生物催化酶的类别
水解酶 氧化还原酶 转移酶
异构酶
生物催化酶 生物催化酶
裂合酶 合成酶
单纯酶 复合酶
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水解酶 hydrolase
水解酶催化底物的加水分解反应。
主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。
例如，脂肪酶(Lipase)催化的脂的水解反应：
H2O
R COOCH2CH3
RCOOH
2 受性差等缺点，限制了生物催化剂用于大规模的工业化生产。
不过随着新的生物技术如定向进化的出现，利用生物技术 对生物催化剂进行改造优化已成为现实。相信在不久的将来， 3 生物催化定能在制药工业中发挥更大的作用，给人类的健康事 业作出新的贡献。生物催化的广泛应用，将会给人们提供性能 更佳的材料和能源 以可再生的生物原料为基础的生物生产过
CH3CH2OH
氧化还原酶 Oxidoreductase
氧化-还原酶催化氧化-还原反应。
主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧化酶(Oxidase)。
如乳酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
+
CH3CHCOOH NAD OH
CH3CCOOH NADH O
H+
转移酶 Transferase
以D-泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆分得到光学纯的D泛解酸内酯，成功地用于D-泛酸钙及D-泛醇的生产，已进入产业 化阶段。
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生物催化的国内成功应用实例
6. 生物催化在化工领域的应用
聚丙烯酰胺前体的制备：丙烯酰胺（腈水解酶） 以人工筛选的腈水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转化为丙烯 酰胺的生产中已获得了巨大成功，已形成了万吨的生产规模； 2 高吸水性、可降解材料的制备：聚谷氨酸（转肽酶） 3 通过具有高活性转肽酶的菌株筛选，可将廉价的L-谷氨酸转化
蛋白酶：水解肽键的酶，有酸性、中性和碱性蛋白酶 3 用于皮革加工，纺织行业，洗涤行业;
脂肪酶：水解酯键的酶总称
目前酶最大的用途在洗涤助剂上、但更多的来源于进口；
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发展前景与展望
由于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，被大量应用于药物的研究 开发。
生物催化剂的热稳定性差、易受pH的影响和有机溶剂耐
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生物催化的产生与发展
酵母发酵的产物,是细 胞内酶作用的结果