工业生物催化技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二章第二章 工业生物催化技术工业生物催化技术第1页生物技术产业化三个浪潮生物技术产业化三个浪潮医药生物技术（红色）医药生物技术（红色）农业生物技术（绿色）农业生物技术（绿色）工业生物技术（白色）工业生物技术（白色）一一 概述概述第2页医药生物技术产业医药生物技术产业1982年重组人胰岛素上市至已经有基于48种重组蛋白117种基因工程药品上市，销售额达300亿美元，占药品市场9%。年生物技术药品销售额达1500亿美元，占药品市场25%。组织工程、基因治疗、分子和生物指纹诊疗等生长点将形成新兴产业医药生物技术产业仍将是先导和主流第3页农业生物技术产业农业生物技术产业1993年转基因西红柿上市1996年转基因大豆、玉米上市全球转基因植物种植面积达5870万公顷，16个国家600万农民以种植转基因作物为主预计到年全球转基因作物种植面积将超出天然作物第4页工业生物技术产业工业生物技术产业能源生物技术环境保护生物技术生物材料：聚交酯、聚乳酸、生物钢提升传统产业：化学工业、制药工业、发酵工业“美国二十一世纪发展规划”中预测到生物催化技术将使化学工业原材料单耗、能耗、水耗、污染排放和污染扩散均下降30%。第5页二、工业生物催化技术工业应用二、工业生物催化技术工业应用工业生物催化是工业生物技术产业关键技术工业生物催化是工业生物技术产业关键技术关键是使酶由细胞走向工业反应器关键是使酶由细胞走向工业反应器第6页生物催化定义生物催化定义生物催化生物催化（biocatalysisbiocatalysis ）是利用）是利用生物催化剂生物催化剂(主要是酶或微生物主要是酶或微生物)来改变来改变(通常是加紧通常是加紧)化学反应速度作用。化学反应速度作用。7第7页生物催化产生与发展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8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8页 9 1857年年 Pasteur提出提出酒精发酵是酵酒精发酵是酵母细胞活动结母细胞活动结果。果。1897年年 Buchner弟弟兄证实不含兄证实不含细胞酵母汁细胞酵母汁也能进行乙也能进行乙醇发酵。醇发酵。1926年年 Sumner首首次从刀豆次从刀豆中提出脲中提出脲酶结晶。酶结晶。第9页 1930年年 Northrop等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝等得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶结晶。乳蛋白酶结晶。J.B.SumnerJ.H.Northrop证实了酶是蛋白质证实了酶是蛋白质第10页 一些一些RNA有催化活性有催化活性（ribozyme，核酶），核酶）Thomas Cech University of Colorado at Boulder,USA Sidney Altman Yale University New Haven,CT,USA 2人共同获人共同获1989年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。第11页生物催化剂起源生物催化剂起源2312 当前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植当前，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，原核微生物是生物催化剂物和单细胞酵母外，原核微生物是生物催化剂主要起源。主要起源。第12页生物催化剂分类生物催化剂分类克隆酶、遗传修饰酶克隆酶、遗传修饰酶蛋白质工程新酶蛋白质工程新酶生物催化剂生物催化剂 Biocatalyst 蛋白质类：蛋白质类：Enzyme(天然酶、生物工程酶天然酶、生物工程酶)核酸类：核酸类：Ribozyme;Deoxyribozyme模拟生物催化剂模拟生物催化剂核酶核酶脱氧核酶脱氧核酶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催化作用蛋白质蛋白质第13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14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生物催化酶生物催化酶第14页水解酶水解酶 hydrolasehydrolase(水解反应水解反应)v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。v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。v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15页氧化氧化-还原酶催化氧化还原酶催化氧化-还原反应。还原反应。主要包含脱氢酶主要包含脱氢酶(dehydrogenase)(dehydrogenase)和氧化酶和氧化酶(Oxidase)(Oxidase)。如乳酸如乳酸(Lactate)(Lactate)脱氢酶催化乳酸脱氢反应。脱氢酶催化乳酸脱氢反应。氧化还原酶氧化还原酶 Oxidoreductase(Oxidoreductase(氧化还原反应氧化还原反应)第16页转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子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。基团或原子转移到另一个底物分子上。比如，比如，谷丙转氨酶催化氨基转移反应。谷丙转氨酶催化氨基转移反应。转移酶转移酶 TransferaseTransferase（转移反应）（转移反应）第17页异构酶催化各种同分异构体相互转化，即底物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。分子内基团或原子重排过程。比如，比如，6-6-磷酸葡萄糖异构酶催化反应。磷酸葡萄糖异构酶催化反应。异构酶异构酶 IsomeraseIsomerase（异构反应）（异构反应）第18页裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形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。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。主要包含醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。比如，比如，延胡索酸裂合酶催化反应。延胡索酸裂合酶催化反应。裂合酶裂合酶 LyaseLyase第19页合成酶，又称为连接酶，能够催化合成酶，又称为连接酶，能够催化C-CC-C、C-OC-O、C-N C-N 以及以及C-S C-S 键形成反应。这类反应必须与键形成反应。这类反应必须与ATPATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A A+B+ATP+H-O-H=A B+ADP+Pi B+ADP+Pi 比如，丙酮酸羧化酶催化反应。比如，丙酮酸羧化酶催化反应。丙酮酸丙酮酸 +COCO2 2 草酰乙酸草酰乙酸合成酶合成酶 Ligase or SynthetaseLigase or Synthetase（加成反应）（加成反应）第20页酶作用特点酶作用特点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21页 NH3合成在植物中通常是在植物中通常是2525和中性和中性pHpH下由固氮酶催化下由固氮酶催化完成，酶是由两个解离蛋白质组分组成一个复完成，酶是由两个解离蛋白质组分组成一个复杂系统，其中一个含金属铁，另一个含铁和钼，杂系统，其中一个含金属铁，另一个含铁和钼，反应需消耗一些反应需消耗一些ATP(ATP(三磷酸腺苷三磷酸腺苷)分子；分子；工业上由氮和氢合成氨时，需在工业上由氮和氢合成氨时，需在700-900K700-900K、10-90MPa10-90MPa下，还要有铁及其它微量金属氧化物下，还要有铁及其它微量金属氧化物作催化剂才能完全反应。作催化剂才能完全反应。酶催化最适条件几乎都为温和温度和非极端酶催化最适条件几乎都为温和温度和非极端pHpH值值第22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 倍倍第23页酶催化能力举例底物催化剂温度(K)速度常数*脲(水解)H+脲酶3352947.410-75.0105 2H2O2 2H2O+O2Fe2+过氧化氢酶295295563.5107*单位：单位：(molL(molL-1-1)-1-1ss-1-1 第24页 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）指酶对所催化指酶对所催化底物底物有严格选择性，对所催化有严格选择性，对所催化反应类型反应类型有严格要有严格要求性，求性，一个酶在一定条件下只能催化一个或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类型反应特征一类结构相同底物进行某种类型反应特征。第25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26页 绝对专一性绝对专一性指一些酶对底物有绝对严格要求，即指一些酶对底物有绝对严格要求，即一个酶只能催化一个特定底物进行反应一个酶只能催化一个特定底物进行反应。O=CNH2NHClO=CNHCH3NH2NH2NH2+H2ONH3+CO2 O=C脲酶脲酶结构专一性结构专一性酶对所催化分子（底物，酶对所催化分子（底物，Substrate）化学）化学结构特殊要求和选择。结构特殊要求和选择。第27页相对专一性相对专一性指酶能催化结构相同一类底物进行反应。指酶能催化结构相同一类底物进行反应。或要求有一定化学键及键两端原子基团；或仅要求一定化或要求有一定化学键及键两端原子基团；或仅要求一定化学键。学键。键专一性键专一性：酯酶对脂肪水解作用：酯酶对脂肪水解作用 基团专一性基团专一性：胰蛋白酶对肽链作用：胰蛋白酶对肽链作用Aa1Aa2Aa3Aa4Aa5Aa6Aa7Aa8-Aa4=Lys第28页立体异构专一性立体异构专一性指酶对催化底物立体结构有高度选指酶对催化底物立体结构有高度选择性。即一择性。即一 种酶只能作用于底物立体异构中一个种酶只能作用于底物立体异构中一个几何异构专一性几何异构专一性延胡索酸酶：作用于反式丁烯二酸延胡索酸酶：作用于反式丁烯二酸第29页光学异构专一性光学异构专一性 若底物含有旋光异构体即底物分子中有手性若底物含有旋光异构体即底物分子中有手性碳原子时，酶只能催化碳原子时，酶只能催化D-型和型和L-型（或型（或R-型和型和S-型）两个对映体中一个，这种立体异构专一型）两个对映体中一个，这种立体异构专一性称为光学异构专一性。性称为光学异构专一性。第30页酶作用专一性机制酶作用专一性机制2331锁钥学说（锁钥学说（Lock and key theory)：Emil Fisher(1890)提出：提出：将酶活性中心比喻作锁孔，底物分子象钥匙，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。底物能专一性地插入到酶活性中心。第31页诱导契合学说（induced fit hypothesis）2332Koshland(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，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，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32页“三点结合三点结合”催化理论催化理论2333 认为酶与底物结合处最少有三个点，只有在完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。全结合情况下，不对称催化作用才能实现。第33页生物催化主要应用方向生物催化主要应用方向2334v医药医药v农药农药v食品添加剂食品添加剂v有机酸有机酸v饲料添加剂饲料添加剂v化工化工v轻工轻工v日化工业日化工业第34页生物催化国内成功应用实例生物催化国内成功应用实例2335 1.生物催化在医药领域应用生物催化在医药领域应用 -内酰胺类抗生素中间体：内酰胺类抗生素中间体：6-APA（6-氨基青霉素酸）氨基青霉素酸）和和7-ADCA（青霉素（青霉素G酰化酶）该酶已实现产业化，已占酰化酶）该酶已实现产业化，已占国内国内70以上份额，并出口欧美；以上份额，并出口欧美；-内酰胺类抗生素侧链：内酰胺类抗生素侧链：D-对羟基苯甘氨酸（海因酶）对羟基苯甘氨酸（海因酶）国内采取一菌双酶法，已经工业化规模生产。国内采取一菌双酶法，已经工业化规模生产。-阻断剂药品中间体：阻断剂药品中间体：(S)-布洛芬系列（环氧化合物水布洛芬系列（环氧化合物水解酶）解酶）第35页第36页第37页2338 其它药品合成前体其它药品合成前体 维生素维生素B6合成原料：合成原料：L-丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶）丙氨酸（天冬氨酸脱羧酶）当前以该酶为催化剂、使当前以该酶为催化剂、使L-天冬氨酸脱羧制备天冬氨酸脱羧制备L-丙丙氨酸，成本（氨酸，成本（2 万元万元/吨）低于化学合成吨）低于化学合成DL-丙氨酸，丙氨酸，并已形成了万吨生产规模。并已形成了万吨生产规模。第38页23392.2.生物催化在农药领域应用生物催化在农药领域应用 手性农药中间体：手性农药中间体：S-生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶）生物丙烯菊酯（特异性脂肪酶）S-生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯生物丙烯菊酯生物活性是普通丙烯菊酯245倍，倍，不但用量大大降低，而且残留极少，产品质量好于不但用量大大降低，而且残留极少，产品质量好于国外同类产品，已形成国外同类产品，已形成2亿元年产值，取得了很好经亿元年产值，取得了很好经济效益。济效益。第39页23403.3.生物催化在食品添加剂领域应用生物催化在食品添加剂领域应用 甜味剂原料：甜味剂原料：L天冬氨酸和天冬氨酸和L-苯丙氨酸（氨基酸苯丙氨酸（氨基酸转移酶）转移酶）L-苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜限制性原料，苯丙氨酸是无糖甜味剂阿斯巴甜限制性原料，国内开发了以氨基转移酶为催化剂国内开发了以氨基转移酶为催化剂海因酶法制备海因酶法制备路线路线，含有自主知识产权，已实现了产业化生产，含有自主知识产权，已实现了产业化生产，工艺水平和经济技术指标均到达了国际先进水平。工艺水平和经济技术指标均到达了国际先进水平。第40页23414.4.生物催化剂在有机酸领域应用生物催化剂在有机酸领域应用L-苹果酸（水合酶）L-苹果酸当前稳定在年产500吨左右，是国际上主要生产厂，其生产成本低于化学合成DL-苹果酸；L-酒石酸 （水解酶）L（+）-酒石酸年产近3000吨，是国际上唯一应用酶工程技术生产该产品国家。第41页23425.5.生物催化剂在饲料添加剂领域应用生物催化剂在饲料添加剂领域应用 D-泛酸泛酸（D-泛酸内酯水解酶）泛酸内酯水解酶）以以D-泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆泛解酸内酯水解酶为催化剂，水解拆分得到光学纯分得到光学纯D-泛解酸内酯，成功地用于泛解酸内酯，成功地用于D-泛泛酸钙及酸钙及D-泛醇生产，已进入产业化阶段。泛醇生产，已进入产业化阶段。第42页23436.6.生物催化在化工领域应用生物催化在化工领域应用聚丙烯酰胺前体制备：聚丙烯酰胺前体制备：丙烯酰胺（丙烯酰胺（腈水解酶腈水解酶）以人工筛选腈水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转以人工筛选腈水解酶为催化剂，在酶法将丙烯腈转化为丙烯酰胺生产中已取得了巨大成功，已形成了万吨化为丙烯酰胺生产中已取得了巨大成功，已形成了万吨生产规模；生产规模；高吸水性、可降解材料制备：高吸水性、可降解材料制备：聚谷氨酸（聚谷氨酸（转肽酶转肽酶）经过含有高活性转肽酶菌株筛选，可将廉价经过含有高活性转肽酶菌株筛选，可将廉价L-谷氨谷氨酸转化为尼龙类高聚物，作为一个可完全降解高分子材酸转化为尼龙类高聚物，作为一个可完全降解高分子材料，含有优良吸水性（料，含有优良吸水性（倍）倍）;第43页23447.7.生物催化在轻工和日化工业应用生物催化在轻工和日化工业应用淀粉酶：淀粉酶：水解淀粉和糖源类化合物总称水解淀粉和糖源类化合物总称 酶当前国内最大酶制剂产业，用于葡萄糖制备和淀酶当前国内最大酶制剂产业，用于葡萄糖制备和淀粉降解；粉降解；葡萄糖异构酶：葡萄糖异构酶：果葡糖浆生产果葡糖浆生产 国内已实现工业化生产，形成了较大规模产业国内已实现工业化生产，形成了较大规模产业;蛋白酶：蛋白酶：水解肽键酶，有酸性、中性和碱性蛋白酶水解肽键酶，有酸性、中性和碱性蛋白酶 用于皮革加工，纺织行业，洗涤行业用于皮革加工，纺织行业，洗涤行业;脂肪酶：脂肪酶：水解酯键酶总称水解酯键酶总称 当前酶最大用途在洗涤助剂上、但更多起源于进口；当前酶最大用途在洗涤助剂上、但更多起源于进口；第44页生物催化研究新进展1.1.生物催化一进入传统化工领域，就给原料起源、能生物催化一进入传统化工领域，就给原料起源、能源消耗、经济效益、环境保护等方面带来了根本性改源消耗、经济效益、环境保护等方面带来了根本性改变。变。2.2.作为生物技术作为生物技术第三次浪潮第三次浪潮标志生物催化技术已成为标志生物催化技术已成为发达国家主要科技与产业发展战略，以生物催化技术发达国家主要科技与产业发展战略，以生物催化技术为关键生物制造产业正以指数规律加速发展。为关键生物制造产业正以指数规律加速发展。三、工业生物催化技术发展三、工业生物催化技术发展第45页 3.当前，美国在酶催化剂及手性化合物合成方面已处于领先地位，其生物催化制造化学品产值已超出生物医药产值。所以，新生物催化剂是二十一世纪可连续发展化学加工业必需工具。到经过生物催化技术，化学加工业原料、水资源及能量消耗将各降低30，降低污染物排放和污染扩散30。第46页 生物催化应用主要方向生物催化应用主要方向（1 1）在有机合成方面应用在有机合成方面应用 （2 2）在食品工业中应用在食品工业中应用 （3 3）在医学方面应用在医学方面应用 （4 4）在高分子合成中应用在高分子合成中应用（5 5）在绿色化学和新药开发中应用在绿色化学和新药开发中应用（6 6）在化工原料生产上应用）在化工原料生产上应用（7 7）在石油化工方面应用）在石油化工方面应用（8 8）在染整加工方面应用）在染整加工方面应用 第47页