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简介
这是生物催化ppt，包括了生物催化的概述，生物催化的作用机制，生物催化的应用，发展前景与展望，生物催化的产生与发展，生物催化剂的分类等内容，欢迎点击下载。
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Contents 生物催化的定义 生物催化（ biocatalysis ）是利用生物催化剂(主要是酶或微生物)来改变(通常是加快)化学反应速度的作用。 生物催化的产生与发展 生物催化的产生与发展 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。 生物催化的产生与发展 某些RNA有催化活性（ ribozyme，核酶） 生物催化剂的来源 生物催化剂的分类 酶的作用特点 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 。 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。 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 酶作用专一性机制 诱导契合学说（induced fit hypothesis） “三点结合”催化理论 生物催化酶的类别 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。 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。 例如， 谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即底物分子内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。 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。 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 酶催化的化学反应 1. 卤化反应 对于富电子底物， 自然界一般利用黄素依赖型的卤化酶或卤素过氧化物酶来催化氯化、溴化或碘化作用。对于烷烃等缺电子底物， 则往往利用单核铁卤化酶。 色氨酸7-卤化酶等FADH2 卤化酶可以催化一系列的吲哚衍生物和芳香杂环化合物的区域特异性卤化反应。 2 大环化作用 一般由生物合成末端的环化酶所催化 环化酶具有丰富的底物多样性， 不仅可以催化线性硫酯底物高效合成18 —42 元环的巨内酰胺，而且底物除两个基团外， 其他所有基团均可被取代。 酶环化作用并不仅通过催化碳氮键形成大环多肽， 还可以催化NRP 缩酚肽的合成和PK 内酯环化反应。 生物催化与绿色化学 生物催化通过催化高立体和高区域选择性反应来防止废物的产生，利用水作为反应溶剂来防止或减少有害有机溶剂的应用，根据催化反应在常温常压进行的特性来设计高能效和安全的化学合成工艺，充分利用可降解的可再生原料以提高原子经济效益。该技术满足绿色化学的12 个原则， 对绿色 化学的发展日趋重要。 生物催化应用领域： （1）传统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺，转化率仅为97%~98%，由化学法合成的丙烯酰胺聚合生成的聚丙烯酰胺分子质量很难超过1200万，而采用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成，其转化率达99.9%以上，比化学法成本低10%以上，聚合生成聚丙烯酰胺分子质量达2000万。 （2）利用酶法生产的氨基酸有很多，若利用顺酐和富马酸等为原料经化学法生产天门冬氨酸，转率仅为80~85%，而采用酶法生产，天门冬氨酸的转化率可达99%以上。 （3）酶催化剂将化学合成的前体、潜手性化合物或外消旋衍生物转化为单一、光学活性产物，根据有机化学基本理论中关于立体化学的阐述，可知通过酶催化而生成的手性化合物在精细化工中占极重要的地位。 例：LyricaTM的活性成分pregabalin 的化学生产路线 cyanodiester (CNDE) 水解脱羧和加氢后得到消旋β2氨基酸， 最后进行化学拆分。为了得到高光学纯度的活性药物成分(API) ， ( S)2扁桃酸拆分后需要进一步重结晶，但两步反应得率只有25 % —29 %。由于不需要的对映体回收比较困难，整个过程的产率只有18 % —21 %。这样，拆分步骤之前70 %的原材料(包括中间体、试剂和溶剂) 最后都成为废物。 酶拆分在第一步进行，不需要的对映体可以很容易回收 3 步反应都在水中进行。因此，该新工艺免除了传统的( S)2扁桃酸化学拆分过程和图式5 所示的大部分有机溶剂 收率和通量(throughput) 加倍提高 生物催化的主要应用方向 生物催化的国内成功应用实例 生物催化的国内成功应用实例 生物催化的国内成功应用实例 生物催化的国内成功应用实例 生物催化的国内成功应用实例 发展前景与展望 绿色化学与生物聚合物降解 一、绿色化工产生的背景 150年以前，大部份有机化学品还都来自生物原料(biomass)，之后开始了用煤作为化学原料，接着就是应用石油的时代。 石油的丰富、易得使化学工业获得了快速发展，已成为化学工业的主导原料。二十世纪，石油化学工业对提高人民的生活水平，发展经济作出了重大贡献。 与此同时和石油化学工业相关的一系列环境问题也相应出现了。概括地讲：二十世纪石油化学工业的成就是以牺牲环境为代价的。 自然界有着相当丰富的生物原料（纤维素：1600亿吨/年），完全可以满足有机化学品所需的全部物质。 从环保角度看，和石油及天然气作为原料不同的两个首要优点是生物原料无毒、同时可完全再生。 从国家安全和长期经济观点来看，可以持续提供生产有机化学品的原料和能源。 二、绿色化工过程 由生物原料出发，利用生物技术生产化工原料（乙醇）的技术概括起来可分为三部分： （1）从生物质（如农作物的秸秆中）提取纤维素； （2）纤维素降解到葡萄糖； （3）葡萄糖发酵到乙醇或其它精细化工品。 优点是整个过程的废弃物可作为肥料、饲料和获得能源。由于整个过程不产生污染物，所以被称为真正意义的绿色化工。 技术关键是由纤维素降解到葡萄糖。 三、国内外研究现状 虽然纤维素可作为一种最便宜的化工原材料，但是由于以下几个原因使得维素的降解变得十分困难。 （1）通常和木质素相联结； （2）纤维素通常是晶体； 1、纤维素提取分离 美国国家再生能源实验室（National Renewable Energy Lab，NREL）的工作人员开发出了一种方法，可以在100克规模上有效地分离出纤维素，效率接近100%；也可以用生物发酵的方法将生物原料去掉木质素和蛋白质，提纯纤维素。 2、纤维素降解 降解纤维素到葡萄糖的纤维素酶（如一种木霉的霉菌）是由三种具有互协功能的纤维素活性酶构成的。 (1)内葡萄糖酶：可使纤维素的内糖苷键开裂； (2)纤维生物水解酶：可将纤维素的末端键水解成二聚体(3)β-葡萄苷酶：可将二聚体裂解成葡萄糖。 从化学角度看，纤维素降解过程实际上就是一个由酶促进的酸催化过程，这里酶的本质就是酸催化剂。 例： 莽草酸是预防和治疗感冒病毒感染的药物唾液酸苷酶抑制剂磷酸奥司米韦(oseltamivir phosphate ， Tamiflu) 合成的关键起始原料(图式9) 。 随着人们对禽流感病毒爆发的恐惧日增，世界上很多国家都在建立Tamiflu库存，以此作为全国性感冒流行预防计划的一部分。 在Roche 公司的磷酸奥司米韦10 步合成路线中， 莽草酸是关键中间体， 因为其3 个手性中心和环状骨架在形成最后的API 结构时非常重要。 在实际生产中， 莽草酸可由在两种莽草酸盐激酶同工酶都缺失的大肠杆菌工程菌发酵获得。合成莽草酸的效价为84 g/L ， 收率为原料葡萄糖的33 % 目前磷酸奥司米韦合成路线的一个缺点是API终产物中氨基部分来自易爆的叠氮化物。 新的无叠氮化物参与合成途径，该途径首先通过两个微生物转化过程把葡萄糖转化为氨基莽草酸， 然后再以氨基莽草酸为起始物合成磷酸奥司米韦。 “developed the first enzymatic method for the large-scale synthesis of oligosaccharides and the first programmable automated synthesis of oligosaccharides”. These methods have been used to solve major problems and create new opportunities in carbohydrate-mediated biological recognition and disease control. Saccharides are more difficult to synthesize because: (i) typically branched rather than linear， (ii) the monosaccharide units can be connected by a or b linkages， (iii) Oligosaccharide synthesis requires multiple selective protection and deprotection steps. Advantages of enzymatic glycosylation: occurs stereo- and regioselectively under mild conditions Extensive protection-deprotection schemes are thus unnecessary， and the control of anomeric configuration is simple. even very sterically demanding couplings can be performed selectively Glycosyltransferases， catalyze the transfer of a saccharide from a sugar nucleotide donor to an acceptor. enzymatic one-pot strategies More than one glycosyltransferase can be mixed together in a reaction vessel， with regeneration of the nucleoside phosphate sugar for each glycosyltransferase， to form multiple glycosidic bonds in one pot. eliminates product inhibition and also minimizes the cost. revolutionized the field of carbohydrate chemistry and enabled the large-scale synthesis of complex oligosaccharides for clinical evaluation
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