生物催化工程

1、生物催化工程,山東科技大學(xué),主要內(nèi)容,1生物催化劑：是生物反應(yīng)過程中起催化作用的游離或固定化酶的總稱。2固定化酶：固定化酶：通過物理的或化學(xué)的方法，將酶束縛于水不溶的載體上，或?qū)⒚甘`于一定的空間內(nèi)，限制酶分子的自由流動，但能使酶發(fā)揮催化作用的酶。3酶分子修飾：通過各種方法使酶分子的結(jié)構(gòu)發(fā)生某些改變，從而改變酶的某些特性和功能的技術(shù)過程稱為酶分子修飾。4酶回收率與酶純化比（純度提高比）：酶的回收率是指某純化步驟后酶的總活力

2、與該步驟前的總活力之比。酶的純化比是之某純化步驟后的酶的比活力與該步驟前的比活力之比。5凝膠過濾層析：又叫分子排阻層析，分子篩層析，在層析柱中填充分子篩，加入待純化樣品再用適當(dāng)緩沖液淋洗，樣品中的分子經(jīng)過一定距離的層析柱后，按分子大小先后順序流出的，彼此分開的層析方法。,主要內(nèi)容,是非題（每題1分，共10分）,主要內(nèi)容,簡答題（每題5分，共20分）1酶的6個種類的名稱是什么？2通常酶的固定化方法有那些？3. 舉出四例，說明酶在

3、醫(yī)學(xué)上的廣闊的用途。4寫出五種分離純化酶蛋白的方法。,主要內(nèi)容,生物柴油生產(chǎn)時，需要一種脂肪酶，制定方案從微生物中提取，說明這種生物催化劑篩選的主要途徑，產(chǎn)酶微生物一般篩選方法和步驟,怎樣對篩選菌種育種和菌種保存，說明防止菌種衰退和復(fù)壯方法，怎樣優(yōu)化發(fā)酵條件，闡述這種脂肪酶的提取純化方法（三種），論述檢查酶的制劑是否達(dá)到了純的制劑的方法。,主要內(nèi)容,設(shè)計一種脂肪酶，闡述它的在某一領(lǐng)域的應(yīng)用，說明如何采用兩種酶分子修飾方法進(jìn)行修飾，修飾

4、后的優(yōu)點列舉兩種，如何采用酶的兩種固定化方法做固定化酶，設(shè)計這種脂肪酶在非水相介質(zhì)中的催化反應(yīng)過程。,1.2.1 生物催化工程界定,生物催化與生物轉(zhuǎn)化( biocatalysis & biot ransformation) 是生物學(xué)、化學(xué)、過程工程科學(xué)的交叉領(lǐng)域, 其核心目標(biāo)是大規(guī)模采用微生物或酶為催化劑生產(chǎn)化學(xué)品、醫(yī)藥、能源、材料等。以生物催化與生物轉(zhuǎn)化為核心的工業(yè)生物技術(shù)將是生物技術(shù)革命的第三個浪潮.,1.2 生物催化工程內(nèi)

5、涵及歷史,1.3 生物催化的研究內(nèi)容,生物催化系統(tǒng)(Biocatalytic System)主要由底物／產(chǎn)物、反應(yīng)介質(zhì)、生物催化劑三個基本的要素構(gòu)成(圖1一1)。這就涉及所謂的“底物工程‘’’(Substrate Engineering)、“介質(zhì)工程”(Medium Engineering)和“生物催化劑工程”(Biocatalyst Engineering)等許多不同學(xué)科背景的基礎(chǔ)知識和專門技術(shù)。,生物催化劑的篩選和制備：要經(jīng)過微生物

6、菌種的自然分離、誘變育種或定向改造，酶的發(fā)酵、提取和純化，以及酶或細(xì)胞的固定化等一系列環(huán)節(jié)的反復(fù)多次篩選和優(yōu)化組合。,1.3.1 生物催化的研究內(nèi)容,不對稱合成（Asymmetric synthesis），也稱手性合成、立體選擇性合成、對映選擇性合成，是研究向反應(yīng)物引入一個或多個具手性元素的化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)合成分支。按照Morrison和Mosher的定義，不對稱合成是“一個有機(jī)反應(yīng)，其中底物分子整體中的非手性單元由反應(yīng)劑以不等量地生成立

7、體異構(gòu)產(chǎn)物的途徑轉(zhuǎn)化為手性單元”。這里，反應(yīng)劑可以是化學(xué)試劑、催化劑、溶劑或物理因素。,如何用天然的酶在非生理條件下催化非天然底物的不對稱轉(zhuǎn)化，并且保持高度的立體選擇性，則是不對稱生物催化中需要重點研究并加以解決的一個核心科學(xué)問題。(定向進(jìn)化、構(gòu)象工程)。,,20世紀(jì)80年代初期興起的非水相酶催化技術(shù)徹底地突破了酶只能在單一水溶液介質(zhì)中應(yīng)用的局限。所表現(xiàn)出的催化性能(如活性、選擇性、穩(wěn)定性)與在常規(guī)水溶液介質(zhì)中的天然性能截然不同，從而

8、極大地擴(kuò)展了生物催化劑的應(yīng)用范圍。,1.3.2 研究特色,生物催化在手性合成中的應(yīng)用工業(yè)生物催化技術(shù)被看作是繼農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥生物技術(shù)之后，生物技術(shù)發(fā)展的第三次浪潮。一方面化學(xué)工業(yè)公司正在雇用越來越多的生命科學(xué)家；另一方面，有機(jī)化學(xué)家在面對新的或比較困難的合成任務(wù)時，開始把生物催化劑視作有效的合成工具。,,手性合成的難點在于：針對不同的手性或潛手性底物，必須使用與之高度匹配的專一性“手性工具”(例如：手性拆分劑、手性催化劑、手性溶劑或助劑，

9、等等)，首要的任務(wù)是制備出對目標(biāo)反應(yīng)具有高度立體選擇性的手性生物催化劑。,手性化合物分離測定與拆分技術(shù)主要有：利用現(xiàn)代色譜法(高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、毛細(xì)管電泳(HPCE)、超臨界流體色譜(SFC))、物理化學(xué)拆分法、膜法、酶法。其中，現(xiàn)代色譜分離技術(shù)在對映體的分離與測定方面顯示出巨大的優(yōu)越性。,,酶催化劑具有高度的對映體選擇性，不對稱合成。生物大分子含有很多手性中心，故在結(jié)構(gòu)上形成高度不對稱的微環(huán)境空間，而在功能上

10、則作為一種“手性受體”，對手性的藥物(配體)或手性的底物具有立體專一性識別作用。,以2005年全球銷售額（美元）統(tǒng)計，以下21種單一對映異構(gòu)體藥物都可被稱為“重磅炸彈”。阿托伐他汀（13.0億），氯吡格雷（6.3億），重組人紅 細(xì)胞生成素（5.8億），氟替卡松/沙美特羅復(fù)方制劑（5.5億），利妥昔單抗（5.2億），埃索美拉唑（4.6億），辛伐他汀（4.4億），普伐他汀 （3.8億），纈沙坦（3.7億），依那西普（3.6億），英利昔單抗（

11、3.5億），促紅細(xì)胞生成素（3.3億），舍曲林（3.3億），孟魯司特鈉 （3.0億），依諾肝素鈉（2.7億），曲妥珠單抗（2.5億），乙二醇化非格司亭（2.3億），依地普侖（2.0億），阿奇霉素（2.0億），多烯紫杉 醇（2.0億），奧沙利鉑（1.9億）。,抗癌藥基因技術(shù)公司與羅素制藥公司聯(lián)合開發(fā)的曲妥珠單抗、輝瑞公司的伊立替康、賽諾菲-安萬特公司的奧沙利鉑、禮來公司的吉西他濱。這類藥物的在研產(chǎn)品多數(shù)是生物制劑，主要是單克隆抗體。&

12、#160;胃腸道用藥 阿斯利康公司的埃索美拉唑就是一種由外消旋體轉(zhuǎn)變的單一對映異構(gòu)體藥物。該藥于2000年上 市，2005年銷售額達(dá)46億美元。詮釋了開發(fā)單一對映異構(gòu)體藥物的一個基本原則——首先在技術(shù)上必須可行，再者要具有臨床療效和 市場方面的優(yōu)勢。 抗病毒藥  羅氏公司的治療禽流感藥物“達(dá)菲”也是單一對映異構(gòu)體藥物。葛蘭素史克公司的拉米夫定/齊多夫定/阿巴卡韋復(fù)方制劑、伐昔洛韋，雅培公司的

13、茚地那韋/利托那韋復(fù)方制劑、安普那韋都是單一對映異構(gòu)體的抗病毒藥物。呼吸系統(tǒng)用藥 葛蘭素史克公司的氟替卡松/沙美特羅復(fù)方制劑是由兩個單一對映異構(gòu)體藥物成分組成的,1.4 酶的命名與分類,1.4.1酶的國際系統(tǒng)分類 1.氧化還原酶類2.轉(zhuǎn)移酶類3.水解酶類4.裂合酶類5.異構(gòu)酶類6.合成酶（連接酶）類,水解酶類 hydrolases,水解酶催化底物的水解反應(yīng)。主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。