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
基础物质加工业
自然的生物催化和转化
生 物 制
生物 催化剂
造
生物资源 效法自然,发展清洁高 效的生物制造(趋势）
地球
地球
人类
巨大
化学进化 化学循环 物质文明 潜力
认识并利用自然规律，发展人 工生物催化技术，应的特征，即酶的名称应包含两部分： 前面为底物，后面为所催化反应的名称。
酶的种类及命名
习惯用名 乙醇脱氢酶 谷丙转氨酶 (GPT) 过氧化物酶
系统命名 乙醇∶NAD+氧化还原酶 丙氨酸∶α-酮戊二酸氨基转移酶 H2O2∶邻甲氧基酚氧化酶
催化的反应 乙醇 NAD+
乙醛 丙氨酸
NADH+ H+ α-酮戊二酸
生物催化与转化是以 细胞或酶作为催化剂进行 物质转化，大规模生产化 学品、医药、能源、材料 的技术科学。
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。
酶几乎可以催化有机化学中的所有反应
反应 Meerwein-Ponndorff-Verley还原 Oppenauer Bayer-Villiger 氧化 醚键裂解 歧化反应 转氨作用 水解作用 磷酸盐水解 酯化反应 转酯反应 肟解反应 ……
E.C.编号 1.1.1.1 1.1.1.1 1.14.13.22 1.14.16.5 1.15.1.1 2.6.1.x 3.1.-.3.1.3.2/1 3.4.21.14 3.4.21.14 3.1.1.3 ……
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
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
酶的活性中心
底物分子 活性中心
催化基团 结合基团
酶的活性中心
• 结合基团(Binding group)
➢酶分子中与底物结合， 使底物与酶的一定构象形 成复合物的基团。 ➢酶的结合基团决定酶反 应的专一性
酶的活性中心
• 催化基团(Catalytic group)
➢酶分子中催化底物发生 化学反应并将其转变为产 物的基团。 ➢催化基团决定酶所催化 反应的性质。
A+BH2
脱氢酶、氧化酶、过氧 化物酶、加氧酶
2
转移酶类 (transferase)
AR+B
A+BR
谷丙转氨酶、已糖激酶
3
水解酶类 (hydrolase)
AB+H2O AOH+BH 酯酶、蛋白酶、淀粉酶
4
裂解酶类 (lyase)
A－B A B＋X－Y 醛缩酶、水合酶、脱氨
XY
酶、脱羧酶
5
异构酶类 (isomerase)
举例: EC 1.1.1.1 乙醇脱氢酶
第1大类 作用CHOH 以NAD+为受体 顺序号
酶的种类及命名
国际酶学委员会(Enzyme Commission, EC)将所有的酶按 它们所催化反应的性质分为六大类。
分类 序号
酶的类型
催化反应的性质
举例
1
氧化还原酶类 (oxidoreductase)
AH2+B
第一章 绪论
2012.09.12
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
1.生物催化的学科基础
➢生物催化与化学催化 ➢生物催化与发酵技术 ➢生物催化与化学工程
生物催化是典型的交叉学科
生物催化
化学
生物化学 有机化学
生物学
微生物学 分子生物学 酶学
化学工程
动力学 反应工程 反应器设计
生物催化与化学催化
➢生物催化与化学催化的作用原理一样 ➢酶几乎可以催化有机化学中的所有反应 ➢酶创造了一个更温和更优越的反应条件
丙酮酸 谷氨酸
H2O2
邻甲氧基酚
H2O
四邻甲氧基酚
酶的种类及命名
➢根据酶学委员会1961年的第一个报告, 所有的酶依据催 化的反应分为6大类. ➢根据分类, 每个酶都有一个编号(“E.C.”代表”酶学委员 会, Enzyme Commission”)
E.C. a. b. c. d
酶的大类 酶的亚类 酶的亚亚类 酶的顺序号
➢酶的分类及命名 ➢酶催化的机理 ➢酶活力的测定要领
酶的种类及命名
习惯命名法
底物名 + “酶” 如 己糖激酶、蛋白酶、脲酶
反应类型 + “酶” 如 己糖激酶、乳酸脱氢酶、DNA聚合酶
酶的来源
如 胃蛋白酶
这种习惯命名法缺乏科学系统性，易产生“一酶多 名”或“一名多酶”问题。
酶的种类及命名
国际系统命名法 该命名法规定，每种酶的名称应明确标明底物
酶 乙醇脱氢酶 乙醇脱氢酶 Bayer-Villiger单加氧酶 甘油醚酶 过氧化物歧化酶 氨基转移酶 脂肪酶、酯酶 酸/碱性磷酸酶 枯草杆菌蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 脂肪酶
……
生物催化与发酵技术
CmHn N-源
底物 N-源
底物
底物
产物发酵
产物前体发酵 生物转化
酶催化
生物催化
生物催化与发酵技术
➢发酵：利用一些工业原料如含有糖、淀粉的糖蜜或玉米等 作为碳源，用活细胞发酵，可以生成更复杂的目标产物 ➢前体发酵：使用活细胞将特定的前体转化为目标产物 ➢生物转化：用酶或静息细胞经过一些列步骤将前体转化成 目标产物 ➢酶催化：通常用粗酶或部分纯化的酶将底物转化成目标产 物，纯酶很少使用，除非是生产高附加值的精细化学品