第四章第五节 酶催化.docx
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第四章第五节酶催化
第五节生物酶催化剂
一、酶的化学本质
•酶是生物体产生的具有特定催化功能的蛋白质。
根据蛋白质的组成,酶可分成两类:
单纯酶和结合酶。
单纯酶水解后只获得氨基酸。
即:
单纯酶是由若干种氨基酸按照特定的序列,通过肽键(肽键是一种氨基酸的氨基与另一种氨基酸的羧基缩合失水而形成的键)结合而成的。
结合酶是由蛋白质部分(酶蛋白)和非酶蛋白质部分(辅酶)结合而成的。
辅酶可以是有机物(大多是B族维生素的衍生物),也可以是金属离子。
单独的酶蛋白和辅酶都没有催化功能,只有当它们结合起来之后才具有催化功能。
二、酶催化剂的特性
酶催化剂除具有一般催化剂的共性外,还有如下一些特性:
(1)催化效率高。
酶催化反应比一般的非催化反应快108~1020倍,比一般的催化反应快107~1013倍。
(2)高度专一性。
一种酶只对一种物质或一类物质起催化作用,原则上没有副反应。
•关于专一性的机制,有不同的学说,但它们的差别只在深层的问题上。
一般地说酶分子和底物分子或其一部分,在立体结构上有一定的互补性。
它们可以紧密地镶嵌在一起。
如果底物分子中某一个链因紧密镶嵌而被削弱,就会导致底物分子发生特定的生化反应。
由此可见,酶催化的专一性来自它特定的立体构象。
•(3)温和的反应条件。
例如反应是在常温、常压下进行。
强酸、强碱、有机溶剂、重金属、光辐射等,凡事能够破坏蛋白质的都会使酶失活。
•(4)酶的活力可以调节和控制。
酶的催化活性与底物(原料、反应物)的立体结构有关,如果底物中有抑制剂就可以降低酶的活性。
抑制剂有两类:
一类是它的结构与底物相似,因而在一定程度上占据了酶分子结构中的活性中心;另一类是它与酶的非活动中心结合,改变了酶的立体结构,从而降低了酶的活性。
三、酶的分类及命名
1、酶的分类
•根据酶所进行的催化反应,可以分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和连接酶等六大类。
每一大类分为若干个亚类,每一亚类又分为若干个亚-亚类,每个亚-亚类中有若干个酶,每一个酶都有一个由四个数组成的编号,并在编号前冠以EC字样,例如乳酸脱氢酶的分类号为EC1.1.1.27。
EC为EnzymeCommission(酶委员会)的缩写,每一个酶的编号前加上EC,是表示系按照酶委员会所制订的方法的编号。
•在酶的四个数字编号中,第一个数字表明该酶属于六大类中的哪一类;第二个数字表示该酶属于哪一个亚类;第三个数字表示该酶属于哪一个亚-亚类;第四个数字表示该酶在一定亚-亚类的位置。
一切新发现的酶都能按此系统得到适当的编号。
这种国际编号方法比较明确,但在一般使用上并不方便。
•
(1)氧化还原酶(oxidoreductases):
氧化还原酶对氧化还原反应有催化作用。
典型反应:
脱氢:
氧化:
葡萄糖有氧的条件下进行的氧化还原反应:
(2)转移酶(transferases):
转移酶的功能是转移基团,如转移甲基、甲酰基、糖苷基、氨基等基团等。
•典型反应:
丙氨酸与谷氨酸之间的氨转移:
(3)水解酶(hydrolases):
水解酶对底物的水解反应起催化作用,如淀粉水解成糖、蛋白质水解成氨基酸、脂肪水解成脂肪酸等。
典型反应:
蔗糖水解成葡萄糖和果糖:
(4)裂合酶(lyases):
裂合酶能促进底物移去一个基团的反应或逆反应,如脱羧酶(其逆反应称作羧化酶)、脱氨酶、水化酶等,均属此类。
典型反应:
氨基酸脱去羧酸:
(5)异构酶(isomerases):
异构酶能促使通分异构物相互转变,例如将甜度为74%(以蔗糖的甜度为100%)的D-葡萄糖转化为甜度为173%的D-果糖。
典型反应:
D-葡萄糖D-果糖之间的异构:
(6)连接酶(ligases):
连接酶可以促进两种物质分子在ATP的参与下合成一种新物质的反应。
连接酶也称合成酶。
典型反应:
丙酮酸和二氧化碳合成草酰乙酸:
2.酶的命名
(1)系统命名法
1961年国际生化会议酶委员会提出了酶的系统命名法原则。
系统命名的组成包括:
正确的底物名称、类型、反应性质和一个酶字。
例如D-葡萄糖酸-δ-内酯水解酶。
若底物为两种,则需列出两个底物的名称,两者之间用冒号(:
)分开,例如L-丙氨酸:
α-酮戊二酸转氨酶。
氧化还原酶类的命名是在供体、受体后面“氧化还原酶”一词作词尾。
如醇:
NAD氧化还原酶。
(2)习惯命名法。
习惯命名法是用底物加反应(或逆反应)类型命名,如乳酸脱氢酶、谷丙转氨酶、葡萄糖异构酶等。
必要时还可以将酶的来源置于底物名称之前如胃蛋白酶、唾液淀粉酶等。
四、酶的固(态)化
酶是一种水溶性催化剂,如以溶液形态使用,在反应完成、产物被分离出来以后,作为催化剂的酶将随废水一起排放,不仅造成浪费,而且污染环境。
如果将酶固(态)化,就可以避免上述不良后果。
酶的固(态)化主要有载体结合、包埋及交联等三种方法。
其中以载体结合法和包埋法最常用。
(1)载体结合法。
载体结合法就是将酶沉积、附着并结合在某种粒状固体载体上。
用载体结合的酶,其活性较稳定,使用寿命也较长,可以连续且较长期地用于固定床或流化床反应器。
对于全混流反应器,也可以在反应完成后,通过过滤或离心分离将其回收并充分利用。
(2)包埋法。
包埋法是三种固(态)化方法中应用最广的一种,因为在包埋法过程中酶不会受到损伤。
包埋法不仅可应用于酶,也可以用于产酶细菌的固(态)化。
包埋法把酶或产酶的细菌包裹在有限的空间中。
这个空间可以是凝胶,也可以是聚合物构成的半透膜胶囊。
酶或细菌不会透过半透膜,而溶于水中的底物(反应物)和产物却可以透过。
包埋法更常应用于固(态)化产生酶的细菌,因为这一方法可以省掉分离酶的过程,因而可以降低制作成本。
更因为包埋的酶在细胞内是自然状况,具有较高的活性,而且被包埋的细菌如处于生存状态,仍可发育繁殖。
因此包埋法是工业发酵的一项新的发展方向。
用于固(态)化的包埋材料通常有海藻酸、聚丙烯酰胺凝胶、琼脂、卡拉胶等。
(3)交联法。
交联法是采用双功能或多功能试剂,使酶分子之间或酶分子与载体之间或酶分子与惰性蛋白质之间交联聚合成“网状”结构的固定化方法。
戊二醛是最常用的双功能试剂。
五、酶的应用
•酶的应用甚广,发展十分迅速。
几个酶产量较大的国家年产量都以万吨计。
目前应用最多的是蛋白酶,其中用量最大的是作为添加剂用于生产可以有效去除蛋白质污渍的洗涤剂;其次是皮革工业中用于脱毛、软化;纺织业中用于生丝的脱胶、软化;食品工业中用于嫩化肉类、软化肠衣、提高面团的延伸性等。
近年来蛋白酶在医药方面也有较多的应用,如用于治疗动脉硬化、高血压、血栓性静脉炎、毒蛇伤以及消炎、止血、退肿等。
用量次于蛋白酶的是以碳水化合物为底物的酶,如羰化酶、淀粉酶、葡萄糖异构酶、纤维素酶等。
(1)乙醇的发酵生产
乙醇是重要的溶剂和化工原料。
乙醇的生产有两种路线:
一是以碳水化合物为原料,通过发酵生产乙醇,二是以石油产品为原料通过有机合成生产乙醇。
当石油产品价廉时,用合成法比较经济,但这种方法生产的乙醇含有甲醇、高级醇和其他杂质,这些杂质对人体有害,不能用于生产饮料、食品、医药、香料以及其他与人体接触的产品。
生产食品必须采用发酵法生产的乙醇。
另外从资源的角度看,发酵法的主要原料,如糖蜜(生产蔗糖时残留的母液)、淀粉、玉米、薯干、膏粱等,都是可再生资源,又不受地域限制,因此有广阔的发展前景。
植物纤维素也是碳水化合物,而且资源最为丰富、廉价,应该说是最有发展前途的原料。
只是目前可利用的纤维素酶还不能
快速而深度的降解小树枝、枯枝、杂草、谷壳等含木质素较多的纤维素废物,未能成为技术经济上可行的主要原料,但是伴随着基因工程的快速发展,解决这一问题不会是遥远的梦想。
目前发酵法生产乙醇的原料主要是淀粉和糖蜜。
用淀粉作原料主要经过预处理,使之成为葡萄糖,其生产流程如下图所示。
将原料(玉米、甘薯、膏粱等)粉碎后蒸煮,在120~150℃温度下使淀粉细胞破裂,淀粉游离、溶解而糊化。
糊化的淀粉在催化剂的催化作用下成为葡萄糖:
糖化剂有三种:
麦芽、酶制剂、曲,我国多使用曲,制曲常用霉菌如米曲霉、黑曲霉。
用固体表面培养的曲称作麸曲;用液体深层通风培养的曲称作液体曲。
作为糖化剂的曲含有液化型淀粉酶(α-淀粉酶)和糖化剂淀粉酶(糖化酶)。
•乙醇生产流程:
α-淀粉酶破坏淀粉分子的网状结构成为糊精,糖化酶使糊精水解成葡萄糖。
淀粉经糖化以后,加入酵母使之发酵。
其反应历程为:
丙酮酸在丙酮酸脱羧酶的作用下生成乙醛:
乙醛则在乙醇脱氢酶及辅酶的作用下,还原成乙醇:
发酵后固、液混合物称作醪(音lao),用过滤法分离出固体后,可通过精溜获得乙醇。
近年来细菌固(态)化技术在乙醇生产中有所发展。
此法先将酵母固(态)化,将制好的固态化酵母菌小粒用作反应塔的固定床填料。
这样一个反应塔的生产能力能代替好几个发酵罐,发酵时间也能从传统的30h缩短到3h以下,乙醇的生产能力为20~50(kg.m-3·h-1),比传统的发酵罐的生产能力(2kg.m-3·h-1)大很多倍。
(2)氨基酸-味精的发酵生产
•氨基酸广泛用于食品(味精)、饲料添加剂、药物、化妆品和甜味剂(天冬氨酸),除此之外可作为表面活性剂。
过去氨基酸是从蛋白质水解而来。
自从1950年代开始用作发酵法生产谷氨酸(味精)以后,绝大多数氨基酸都是用发酵法或酶法生产。
•在氨基酸生产中,产量最大的是谷氨酸,其化学名称是α-氨基戊二酸。
谷氨酸的结构式是COOHCH(NH2)CH2CH2COOH。
谷氨酸的钠盐就是味精。
我国生产味精超过15万t,占世界总产量的50%、
•味精的生产过程有4步:
a.淀粉水解成葡萄糖
b.糖液发酵生产谷氨酸
葡萄糖经过酵解生成丙酮酸之后,丙酮酸一部分脱羧成乙酰辅酶A,另一部分则将脱羧过程所产生的CO2予以固定成草酰乙酸COOHCH2COCOOH,草酰乙酸与乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶的催化作用下缩合成柠檬酸COOHCH2C(OH)(COOH)CH2COOH,再在辅酶NAD、脱羧和氨的作用下生成谷氨酸。
淀粉经糖化以后,加入酵母使之发酵生成丙酮酸:
一部分丙酮酸在丙酮酸脱羧酶的作用下生成乙醛:
另一部分丙酮酸将CO2固定生成草酰乙酸:
总反应方程式为:
•生产谷氨酸的菌种主要是棒杆菌属、短杆菌属、微杆菌属及节杆菌属的细菌。
谷氨酸在细胞体内合成,然后通过细胞膜扩散到培养基中积累。
•谷氨酸以及许多氨基酸的发酵收率受环境条件影响甚大。
环境可以改变代谢途径得到不同产物。
c.谷氨酸的提取
•目前应用最多的谷氨酸提取方法是等电点与离子交换相结合的方法。
谷氨酸与其它氨基酸都是两性化合物,都有等电点。
谷氨酸的等电点为pH=3.2。
在等电点时,氨基与羧基附近的正、负静电荷等于零,此时氨基酸在水中的溶解度最小。
另外,降低温度也可降低氨基酸的溶解度。
为了获得颗粒较大、纯度较高的谷氨酸,必须防止溶液过度的过饱和。
具体措施是在缓和搅拌的条件下缓慢地降低pH和温度,当pH降到4.2~4.8,温度降低到24~26℃时,谷氨酸已处于轻度过饱和,手触和目视可发现晶核出现。
这时停止加酸和降温并投加纯度高的晶种继续搅拌2h,让晶核长大成晶体,然后继续缓慢地加酸和降温使晶体长大。
pH达到3.2,温度降到3℃左右,继续搅拌8h,然后静置5h,使晶体完成长大过程。
最后用伞式高速离心机(立式旋鼓,鼓内设度层倒锥形分离板)进行固液分离。
谷氨酸晶体回收率可达78%~80%。
分离出晶体的母液含谷氨酸的质量分数约为1.8%,可用例子交换法进一步回收。
谷氨酸提取流程,如下图所示。
•当母液与前流液混合,并加酸使pH降至1.5,当经过阳离子交换时,其中的谷氨酸即被树脂截获,其他则作为废水排出。
当树脂吸饱谷氨酸后,改为pH为9.5的洗脱液使谷氨酸洗脱,先洗出的液体pH值较低,后洗出的较高。
按pH值可分为三段:
第一段pH为1.5~2.2,即为前流液,可与离心机分离出的母液混合,再重新进行离子交换;第二段pH为2.2~5.2,含谷氨酸浓度较高称作高流液,可返回与发酵液混合配成等电点溶液,冷却和离心分离以获得谷氨酸;第三段称作后流液,pH为6.0~8.8,可加氨配成pH为9.5的洗脱液,用于离子交换柱的洗脱。
d.味精制造
•味精是谷氨酸的单钠盐,带有一个分子的结晶水,化学名称叫α-氨基戊二酸一钠,其生产过程如下图所示。
整个生产过程包括许多操作步骤,但其目的主要是中和、除杂和分离。
仿生催化技术的新成就
仿生催化是模拟生命过程的酶催化反应的新型交叉学科。
即将生命体内的化学反应通过一定工艺转移到实验室或工业生产,并形成可以应用于工业化的生产工艺。
仿生催化反应有着条件温和、环境友好、催化效率高、反应可调控、产物选择性强等诸多优点,仿生催化技术的应用是对传统化学氧化工业的一次革命。
从上个世纪80年代起,发达国家就开始投入大量人力物力从事这方面的研究,但碳氢化合物的选择性氧化此前仍是全球尚未解决的一个难题。
•2003年7月,由湖南大学化学化工学院博士生导师郭灿城自主研发并首创的“金属卟啉仿生催化空气氧化环己烷制备环己酮”项目通过年产800吨环己酮工业化试验。
•“金属卟啉仿生催化空气氧化环己烷制备环己酮”项目模拟了生物体内血红素的结构和生物氧化过程,卟啉是血红素的医学名称。
该模拟生命氧化过程在工业应用上的成功,实际上表明的是仿生催化技术应用于碳氢化合物氧化技术的成功,由环已烷制备环已酮只是这项技术应用于工业化生产的一个实例。
经过在年产800吨规模装置上所进行的环己烷制备环己酮实验证明,环己烷转化率达到10%、醇酮选择性达到90%,高于环己烷转化率4%、醇酮选择性80%的传统工业水平。
最令人瞩目的是,新技术的应用不仅大幅降低了生产成本,而且由于降低了反应温度与反应压力,其对于生产条件的改善显而易见;另外,因为新技术避开了传统工艺中主要产生污染的工序,在减少环境污染方面,效果尤为显著。
•思考题
1、试举出催化剂在绿色有机合成中的应用实例。
2、在解决环境污染问题时,催化剂有哪些重要作用?
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- 第四章第五节 酶催化 第四 五节 催化
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