生物催化技术
摘要：本文主要探讨生物催化剂的种类、生物催化酶的制备、表征、应用等方面。其中固定化酶有许多粗酶液没有的特点,但制备固定酶首先要经过大量复杂的分离、纯化工作,而且一种固定化酶只能用于特定的单步反应，以及对现代生物催化技术的发展及研究。
关键词：生物催化剂；性质；用途；发展
引言：
生物催化剂是游离的或固定的细胞或酶的总称，它们在生物反应中起着催化剂的作用。
生物催化是利用生物催化剂，改变（通常是加速）化学反应速率，合成有机化学品和药物制品。生物催化涉及三个学科的不同部分：化学中的生物化学和有机化学；生物学中的微生物学、分子生物学和酶学；化学工程学中的催化、传递工程和反应工程学。人类很早就知道利用酶和微生物细胞作为生物催化剂进行生物催化已有几千年历史，早已发明了麦芽制曲酿酒工艺，古埃及和古代中国都有历史记载。近现代认识酶是与发酵和消化现象联系在一起的。后来创造了“酶”这一术语以表述催化活性，近代科学技术对酶的认识研究，成为现代酶学与生物催化研究的基础[。
现代科学技术以及化工行业的不断发展，对于催化剂的要求越来越高，人们不断探索新的催化技术以满足不发展的化工行业的需求。与化学工业相反，生物催化技术工业是产销量不大的行业，主要应用与制药领域及少数的化工行业及视频行业。生物催化技术对化学工业的影响主要是可再生资源的生物加工。
自生物技术诞生之日起，人们就一直致力于把它应用到工业生产当中去。工业生物催化技术是生物技术应用中一个新兴和关键的领域。生物催化技术首先从和它联系做紧密的医药、农业开始，逐渐涉及到化工、材料等行业，并通过它们影响社会生产、生活的各个方面。美国21实际发展规划中预计，到2020年，通过生物催化技术，将实现降低化学工业原料消耗、水资源消耗、能量消耗30%，
减少污染物的排放和污染扩散
以蛋白质酶的工程应用为核心的工业生物催化技术,被认为是生物技术继生物医药和转基因植物之后的第三次浪潮。它的发展与应用将对人类的工业化学过程带来根本的变革。
工业生物催化的兴起与以下的两个关键技术因素有密切的关系:(1)蛋白质定向进化技术的出现,(2)基因组学和蛋白质组学的发展。探讨了工业生物催化技术的现状和发展趋势,
并对我国如何发展该领域的基础和应用研究提出一些见解。
1.生物催化剂的种类及性质
1.1 生物催化剂的种类：
从酶的作用和功能的发现过程中了解到，人们最早使用的是游离的细胞活体，即使用这些细胞中的酶作为生物催化剂；在此基础上考虑将该酶蛋白质从细胞中提取分离出来。
比较纯的催化剂形态进行的反应催化，也可以采用固定化技术将酶或细胞固定在惰性固体表面后再使用。
因此，固定化细胞和固定化酶又称固定化催化剂
生物催化剂的类别如下：
生长细胞、休止细胞、冻干细胞、处理细胞
1.2 生物催化剂的性质
生物催化剂具有催化高效性，催化种类的专一性及反应条件专一性三大基本性质。生物催化剂的三大特征决定了生物催化剂的广泛的用途[6]。
2.固定化酶的制备方法:
2.1传统的制备方法：
2.1.1吸附法
吸附法是利用物理吸附法，将酶固定在纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体上的固定方式。显著特点是：工艺简便及条件温和，包括无
机、有机高分子材料，吸附过程可同时达到纯化和固定化；酶失活后可重新活化，载体也可再生。但要求载体的比表面积要求较大，有活泼的表面。
2.1.2包埋法
包埋固定化法是把酶固定聚合物材料的格子结构或微囊结构等多空载体中，而底物仍能渗入格子或微囊内与酶相接触。这个方法比较简便，酶分子仅仅是被包埋起来，生物活性被破坏的程度低，但此法对大分子底物不适用。
(1)网格型将酶或包埋在凝胶细微网格中，制成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法。也称为凝胶包埋法。(2)微囊型把酶包埋在由高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶。由于形成的酶小球直径一般只有几微米至几百微米，所以也称为微囊化法。
2.1.3结合法
酶蛋白分子上与不溶性固相支持物表面上通过离子键结合而使酶固定的方法，叫离子键结合法。其间形成化学共价键结合的固定化方法叫共价键结合法。共价键结合法结合力牢固，使用过程中不易发生酶的脱落，稳定性能好。该法的缺点是载体的活化或固定化操作比较复杂，反应条件也比较强烈，所以往往需要严格控制条件才能获得活力较高的固定化酶。
2.1.4交联法
交联法是用多功能试剂进行酶蛋白之间的交联，使酶分子和多功能试剂之间形成共价键，得到三向的交联网架结构，除了酶分子之间发生交联外，还存在着一定的分子内交联。多功能试剂制备固定化酶方法可分为：(1) 单独与酶作用；( 2) 酶吸附在载体表面上再经受交联；( 3) 多功能团试剂与载体反应得到有功能团的载体，再连接酶。交联剂的种类很多，最常用的是戊二醛，其他的还有异氰酸衍生物、双偶氮二联苯胺、N，N-乙烯马来酰亚胺等。交联法的优点是酶与载体结合牢固，稳定性较高；缺点是有的方法固定化操作较复杂，进行化学修饰时易造成酶失活。
2.2新型的制备方法：
2.2.1共价固定法:
酶分子表面存在很多可供利用的化学基团。选择性地利用酶分子表面远离活
性位点的特定稀有基团(如巯基)进行反应，使该基团与载体上另一基团共价交联来同定酶蛋白，使其活性中心朝向溶液方向，以达到控制其空间取向的目的。Collioud等化学合成一个异双功能试剂(N-[m一[3一(trifluoromethyl)diazirin-3-yl]phenyl]一4一maleimidobutyr amide)，他们利用这种双功能试剂成功地实现了氨基酸、合成肽和抗体Fab片段的定向固定。Stein等通过衍生全氟叠氮基苯疏水交联共价固定一种脂链细胞蛋白，取得了一致的空间取向。固定后的蛋白质分子结合牢固、稳定性佳，不能被离子或非离子去污剂清除。
2.2.2氨基酸置换法:
利用基因定点突变技术在蛋白质分子表面合适位置置换一个氨基酸分子，通过该氨基酸残基特殊的侧链基团控制固定方向。Huang等通过定点突变在枯草蛋白酶(subtil2isin)分子表面远离活性中心的位置引入半胱氨酸(Cys)残基。经蛋白质空间折叠后暴露出Cys，然后利用Cys残基上的巯基固定枯草蛋白酶分子，取得了较好的固定效果，固定效率和固定后催化活性均有很大提高。
2.2.3抗体耦联法:
大多数抗体具有足够的稳定性承受各种活化与偶联方法。抗体分子中很多可供偶联用的官能团可以通过赖氨酸的ε-氨基或末端氨基、天冬氨酸的β-氨基、谷氨酸的γ-氨基或末端羧基进行一般性的偶联。Spitznagel等用碘乙酸活化多孔玻璃珠来定向固定抗体酶(abzyme)48G7-4A1的Fab片段，抗体酶Fab片段保持了很好的催化活性。抗体分子Fc区的糖链部分氧化可产生醛基，醛基与载体上的氨基通过缩合反应可实现定向固定。醛基若与载体上的酰肼通过腙键结合实现抗体分子的定向固定，与随机固定相比，固定后抗体稳定性提高的同时免疫吸附活性也提高了3倍。
2.2.4生物素--亲和素亲合法:
生物素是存在于所有活细胞内但含量甚微(<0．0001％)的中性小分子辅酶。亲和素是一个含有四个相同亚基的四聚体，每个亚基均含一个生物素结合位点(解离常数10~5mol／L) 。生物素与亲和素或相应细菌中的链霉亲和素有高专一
性的、极强的亲和力。这种特性使其成为免疫分析、受体研究、免疫组织化学、基因工程和蛋白质分离等领域中独特有力的工具。
2.2.5疏水定向固定法:
细胞粘着分子(cell adhesion molecules，CAMs)是介导细胞-细胞、细胞-底物粘着、细胞发育和细胞信号发生的分子。细胞粘着分子和其它细胞表面分子通常通过疏水作用固定在脂质膜上，磷脂锚定是常选择的方式。接触位点A糖蛋白是调节发育的细胞粘着分子，产生于多细胞发生早期，通过形成高亲和、EDTA稳定的接触位点介导细胞粘着。接触位点A糖蛋白可通过神经酰胺疏水同定在细胞表面。疏水定向固定可保持蛋白质分子结构、生理活性及天然构象。这种通过疏水作用的固定，固定的效率高，固定为非共价，而且固定过程可逆，用去污剂可终止或消除同定应。Stein等用庚基胺修饰羧甲基葡聚糖载体表面的羧基来疏水固定接触位点A糖蛋白分子，成功地控制了固定位点的空间取向。用mAb7l特异结合来检测csA的活性状态，mAb71结合良好，而mAb353则不能结合。
2.2.6微波/超声辅助固定化:
微波是一种电磁波，波长为0.1~100 cm。微波加热的主要原理是介质材料的极性分子在微波高频电场的作用下反复快速取向转动而摩擦生热，是从物质内部开始，瞬时达到需要的温度。微波加热具有许多传统加热不具备的优点，包括：加热迅速、均匀，不需要热传导过程，内外同时加热，加热时间短；加热质量高，营养破坏少；节能高效；易于控制功能等超声波是指振动频率大于20 kHz以上的一种纵波，在介质中传播时，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列超声效应，包括热效应、机械效应、空化效应和化学效应。研究认为，超声波对液体化学反应速度和产率的影响主要是超声波在液体介质中的空化作用，超声可使液体介质中形成微泡，其破裂伴随能量的释放，可以提高许多化学反应的速度。到目前为止，超声波技术对物质提取，高分子降解，酶解反应等都有很好的促进作用。其中超声波酶解反应具有高效、廉价、无污染，可提高酶促反应速度和有效成分的产率。
3酶固定化原理
经戊二醛活化的载体具了能与蛋白酶分子的自由氨基反应的基团，及-CHO。经过戊二醛活化的载体与酶蛋白分子的反应机理是戊二醛的另一个没有与为载体相连的-CHO再与酶分子的氨基反应，形成-N=C-键，从而将酶分子固定在载体上。在加入酶液前必须将过量的戊二醛试剂洗去，因为戊二醛是一种交联剂，它能与酶分子交联，使酶分子之间形成共价键，得到三维网状交联结构。此外，戊二醛是蛋白的变性剂，过量的戊二醛本身会使蛋白质分子中毒，降低酶的活性，具体反映的机理如图所示。
4.生物催化酶的光谱表征：
还原型辅酶（NADH）的光谱吸收曲线（吸收峰分别在260nm和340nm）
生化谷丙转氨酶检验试剂的反应原理如下：
-谷氨酸+ 丙酮酸（初反应）α-酮戊二酸+ L-丙氨酸 ALT L
- 乳酸+ NAD+ （主反应）丙酮酸+ NADH + H+ LDH L
NADH的氧化速率与样本中ALT酶活力成正比，NADH在340nm处有特征吸收峰，在340nm处测其吸光度的下降速率即可计算出ALT的活性。
5.固定化酶的应用
5.1医药领域
固定化脲酶：脲酶是专一性催化尿素水解的酶，应用于尿素生产控制、产品检验，也广泛用于临床医学、医学检验等，脲酶的固定化在血液透析中有着极佳的应用前景。
固定化磷酸酯酶：磷酸酯酶的作用是催化水解低密度脂蛋白上的磷脂的酶，加速体内低密度脂蛋白的代谢。人体中的低密度脂蛋白是主要的血浆胆固醇载体，由于其在体内代谢缓慢，易形成高血浆胆固醇，以至引起心血管疾病，因此磷酸酯酶的固定化可以应用于心血管疾病的治疗。
固定化葡聚糖酶：葡聚糖酶常用于水解在血液替代品的制备过程中产生的右
旋糖酐。
5.2食品行业:
固定化酶应用于食品检测：固定化酶技术的发展使生物传感器也得到相当大的发展，它不仅使食品成分的高选择性、快速、低成本分析测定成为可能，而且生物传感器技术的持续发展将很快实现食品生产的在线质量控制，降低食品生产成本，并可以保证安全可靠及高质量的食品。
5.3环境保护:
在环境监测方面，固定化酶也可以用于测定有毒物质含量以进行环境监测。杨雪梅等选用硅胶、活性炭、大孔树脂，在一定条件下用物理吸附法固定蛋白酶，3种载体固定的蛋白酶对含高浓度蛋白质的淀粉黄浆废水进行水解实验，发现大孔树脂对蛋白酶的效果良好，并对含高浓度蛋白质的废水处理效果最好。在废水处理中，固定化酶也受到了越来越多科学家的关注。生活污水和工业废水中有害成分主要是氯酚，将辣根过氧化物酶大量吸附在磁石上，可以保证其100%的活力，且净化效果是粗酶的20多倍。
5.4生物传感器方面的应用:
在医学领域，生物传感器因快速、灵敏、专一、响应快等优点发挥着越来越重要的作用。目前，在检测多种细菌、病毒及其毒素等多个方面生物传感器已有较广泛应用。比如高精度血糖分析仪是采用固定化酶的生物传感分析仪，其分析精度可以达到0. 5%~ 2%，比家用保健类生物传感器几乎高一个数量级，比目前医用生化分析仪的精度也高2%~ 3%。这在血糖分析领域是非常重要的[6]。酶电极现已用于测定各种糖类、抗生素、氨基酸、有机酸、脂肪、醇类、胺类以及尿素、尿酸等。
5.5能源利用:
近年来不少学者为了解决能源紧缺问题致力于利用固定化的脂肪酶催化合成生物柴油。高阳等研究了利用多孔渗水物质为载体固定脂肪酶，使其可在低水环境中合成生物柴油。氢气作为一种清洁能源已引起人们的关注。有学者利用聚丙烯酰胺凝胶包埋丁酸梭状芽孢杆菌IFO3847菌株，可以利用葡萄糖生产氢气，并且稳定性好，无需隔氧
6.固定化酶的研究进展
固定化酶对提高酶的稳定性，拓展酶的应用领域具有非常重要的意义。目前常用固定化方法普遍存在固定化使用试剂和载体成本高，固定化过程中酶的构象受到影响及底物结合部位和活性中心受载体封闭所引起的酶活损失较大，固定化操作过程繁琐等缺点，限制了固定化酶的产业化应用。针对当前固定化酶载体和方法的不足，本文采用反相悬浮包埋法合成磁性琼脂糖微球，经环氧氯丙烷和亚氨基二乙酸处理使微球带上螯合基团，经吸附铜离子后，制备了磁性琼脂糖—亚氨基二乙酸(IDA)-Cu2+金属螯合载体，利用该载体定向固定了木瓜蛋白酶，固定化最适条件为Cu2+1.5×10-2mol/g载体、固定化时间4h、固定化pH7.0、给酶量30mg/g载体。固定化酶的最适反应温度70℃、最适反应pH8.0，固定化酶的热稳定性明显高于溶液酶，固定化酶活力回收为68.4％，且有较好的操作稳定性，载体重复使用5次后固定化酶酶活为首次固定化酶79.71％。本文研究了利用金属螯合载体固定多酚氧化酶时，固定化酶的性质。得出固定化酶的最适反应温度为50℃，最适反应pH值7.0，固定化酶的酸碱耐受性明显好于溶液酶，固定化酶反复使用6次，酶活仍保留50％左右，固定化载体可以反复使用5次，仍保持良好的性能。在使用金属螯合载体固定化酶时，固定化反应条件温和，对酶的高级结构影响小，酶活回收高；固定化酶的热稳定性明显提高；载体的再生、酶的固定化过程操作简单；固定化酶及载体可多次重复利用，固定化酶生产成本低。因此该技术在工业上具有广泛的应用前景。
高分子微球具有一定的化学和机械稳定性,能抵抗微生物和酸碱的作用,是优良的固定化酶载体材料.针对制备高活性、高稳定性固定化酶对载体材料的性能要求,评述了高分子微球的组成和功能性基团的可设计性、粒径与形态可控性、多孔和大比表面积等结构性质, 概括了载体结构性质对固定化酶催化活性的影响规律,提出了对不同性质的生物酶"量体裁衣",设计制备特效的载体材料是高分子微球固定化酶研究的发展趋势.同时介绍了固定化青霉素酰化酶和固定化脂肪酶在工业催化领域的应用.
首先用分相法和填充法制作了两种多孔玻璃微珠FXBL和TCBL，用它们作为载体分别用物理吸附法、共价偶联法和重氮法固定了α-淀粉酶，在对它们的固
定效果比较后，选取了共价偶联法进行了较详细的研究；确定了共价偶联a-淀粉酶的最佳固定条件、最佳应用条件和固定化酶的性质；并研究了多孔玻璃微珠制作条件对固定化酶的影响和多孔玻璃微珠对过氧化氢酶及谷氨酸脱羧酶的固定化效果选用丙烯酸(AA)、N'-羟基琥珀酰亚胺(NHM)为单体,以N',N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)为交联剂,以乙醇水溶液为制孔剂条件下进行反相悬浮聚合,得到珠状共聚物载体,该载体是一种新的酶载体形式,在国内外的相关文献中均未见报道.用红外光谱对其结构进行了表征.对载体与有机胺的胺解反应进行了研究,发现共聚物载体分子链上的丙烯酸-N'-羟基琥珀酰亚胺酯基易于在温和条件下与胺基发生胺解反应,从而为该类载体应用于含游离胺基的生物活性物质分子的固定化提供了依据.
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系统生物催化的原理 及应用
欧阳平凯
南京工业大学 2005.08.13
生物秀-专心做生物
https://www.doczj.com/doc/c417283008.html,
现代化学工业面临重大的挑战
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物 以石油等化石资源为源头的化学工业所面 生 做 om 临的挑战在于化石资源日益枯竭 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 化石资源的市场价格上涨迅速，现代化学 生 ww 工业的原料成本猛增
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现代化学工业面临的机遇
光合作用产生的 生物质循环
物 生 做 om 心 .c 目前世界 专 ioo 65 亿吨 C／年 - b 化石资源消耗 秀 .b 物 w 生 ww
仅需使用小于 10% 生物质循环， 即可替代化石资源
950亿吨 C／年
随着生物技术的发展，生物质资源的生产不断 提高
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The amount of biomass circulation by photosynthesis is 95 billion tons per year. Independence from fossil fuels can be achieved by using less than 10% of this carbon energy. A fundamental sustainable society through natural circulation of Biomass driven by an external energy is realized. This is in principle a sustainable society. Determining the amount of biomass that will not give an negative impact to the environment, namely the sustainable limit of harvest, is an important task of the future. Considering the improvement of harvesting efficiency of biomass or the advance of artificial photosynthesis, it is not a dream that in spite of petroleum, the total amount of energy and organic feed stocks can be obtained from biomass.
物 生 做 om 心 .c 专 ioo - b 秀 .b 物 w 生 ww
生物秀论坛-学术交流、资源共享与互助社区
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龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/c417283008.html, 制药中生物催化技术的应用研究 作者：兰国栋翟培正王军程 来源：《广告大观》2019年第08期 摘要：随着经济的发展和社会的进步，制药业的发展前景非常客观。其原因在于，中国目前的药品许可范围正在逐步扩大，越来越多的制药公司在不同类型的药品上投入更多的资金和努力。未来，中国制药业的发展道路不是单一的，而是有很多选择。它可以被仿造，并且可以继续发展和创新，只有找到最适合你的发展道路，才能长期发展。 关键词：制药;生物催化;应用研究 引言： 当今社会中，世界经济发展的动力是高科技技术的进步，随着我国经济的不断发展，生物催化技术在化学制药领域中的应用范围越来越广泛。工业发展中占据较高的地位，所以想要发展化学制药，就应该重视生物催化技术的研发和创新。因此，将医药学和生物学两个专业的知识进行有效融合起来，并紧密的联系在一起，促进生物催化技术的成熟。 一、生物催化技术的简介 1、生物催化技术 微生物通常用作生物催化技术中的催化剂，因为它们种类繁多，并且生物转化反应中常用的酶种类繁多。此外，除了上述优点外，微生物也非常适应。在大多数情况下，它们用于极难反应的化学药物生产过程中。微生物的结构组合也非常简单，因此在制备相对不稳定的化合物时优选微生物。该化合物在生物催化技术的作用下具有以下优点：（1）生物催化技术可以增加化合物反应产物的范围。（2）生物催化技术的使用可以加速生物反应，在反应过程中不加保护，可以在简单快速的步骤中完成。（3）还可以进一步加快化学药品生产过程立体和区域选择范围的实现。（4）由于生物催化技术产生的反应条件比其他条件温和，这有利于在一定程度上稳定相对复杂的分子结构。（5）生物催化技术的特点是完全无污染，不会对环境造成任何的危害，有利于环境保护，而且它还可以直接用于环境中的降解。 2、生物催化技术的特点 首先，它具有底物特异性。催化链中的酶的特征在于特异性，即酶只能催化特征底物。高选择性是生物催化技术的一个重要特征，可以在一定程度上保证产品在手性化合物等精细化学品生产中的特异性，使生物催化技术可以合成手性活性药物成分。充分发挥独特的优势。另外，它的反应速度很快。为了引起化学反应，必须使反应物分子通电并处于激发态，并且催化
化学化工学工业催化结课论文 生物催化技术 姓名： 指导教师： 院系：化学化工学院 专业： 10化工 提交日期： 2013-1-18
目录 摘要 (3) 英文摘要 (4) 前言 (5) 1．生物催化原理 (5) 1.1生物催化原理 (5) 2．生物催化反应的特征 (6) 3．常见的生物催化剂——酶 (6) 3.1酶的分类 (6) 3. 2 酶的功能和应用 (6) 3.2.1 酶的功能简介 (6) 3.2.2 一些酶的应用 (8) 4．生物催化剂快速定向改造新技术．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 4.1定向进化技术的优势 (8) 4.2定向进化目前主要研究方向 (9) 5．生物催化技术的趋势与前景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 5.1生物催化技术的趋势与前景 (9) 5.1.1国外的发展形势 (9) 5.1.2我国生物催化产业的现状 (10) 5.2前景小结 (10) 结束语 (10) 参考文献 (11) 致谢 (12) 生物催化技术 郭蒙蒙 指导老师：吴斌 （黄山学院化学化工学院，黄山，安徽）
摘要 近几年,全球催化剂市场将以 4.6％的速率增长,环境用催化剂将占有最大的市场份额,约27％,以下依次为聚合用催化剂(22％)、炼油用催化剂(21％)、石油化工用催化剂(20％)、精细化工用催化剂(10％),其中,精细化工用催化剂和环境用催化剂增长速率最快,均接近8％.由于生物催化剂能够减少环境污染，反应速度较快等众多特点，生物催化剂俨然已经成为化工催化的宠儿。生物催化技术在化工生产中应用十分的广泛，它的出现一定程度上提高了生产效率，也降低了生产的成本。同时生物催化也涉及了三个学科的不同部分：化学中的生物化学和有机化学；微生物学、酶学；化工工程雪中的催化、传递过程和反应工程学。人类在很早的时候就知道利用酶，利用酶或微生物细胞作为生物催化剂进行生物催化已有几千年的历史，如麦芽制曲酿酒工艺等。近代认识酶是与发酵和消化现象联系在一起的。后来创造了“酶”这一术语以表达催化活性。本文主要说明生物催化剂催化的原理类别，生物催化反应的特征及生物催化的发展和趋势等关键词生物催化技术酶生物催化技术前景 In recent years, the market of global catalyst will grow at the rate of 4.6%, environmental catalysts will occupy the largest market share, about 27%, followed by polymerization catalysts (22% ), ( 21% ) refining
Hefei University 题 目： 生物催化剂 班 级： 姓 名： 学 号： 教 师： 日 期： 2015/4/19
心得 白驹过隙，岁月如梭，已将学习工业催化近三个月了，虽每周只有短短九十分钟，但已经在董强老师的认真教学下让我感受到它的魅力，今天我给大家介绍下本课程第七章节：生物催化技术。 生物催化是利用生物催化剂改变化学反应速率，合成有机化学品和药物制品。人类利用酶或微生物细胞作为生物催化剂进行生物催化已有几千年历史，早已发明了麦芽制曲酿酒工艺，古埃及和古代中国都有历史记载。近代科学技术对酶的认识研究，成为现代酶学和生物催化研究的基础。生物催化技术的应用给传统的化工生产带来了深刻的变化，随着这一技术的崛起，世界各国相继参与生物催化技术的研究，运用它进行化工生产。化工催化技术也对环保做出了很大的贡献，在未来相信它会更利于世界的发展。 生物催化剂能催化特定化学反应的蛋白质、RNA或它的复合体，能通过降低反应的活化能加快反应速度，但不改变反应的平衡点。绝大多数酶的化学本质是蛋白质。具有催化效率高、专一性强、作用条件温和等特点。 生物催化剂（酶）与无机催化剂比较： 相同点：改变化学反应速率，本身几乎不被消耗；只催化已存在的化学反应； 加快化学反应速率，缩短达到平衡时间，但不改变平衡点；降低活化能，使化学反应速率加快；都会出现中毒现象。 不同点：无机催化剂寿命一般比酶长的多，并且不容易中毒。酶的稳定性不如无机催化剂，成本也要高很多。但是酶拥有可怕的效率。通常酶的催化速率可达无机催化剂的一百万倍以上。所以酶一般应用在医学制药等高科技，靠质量产品需求的领域。 生物催化剂是指生物反应过程中起催化作用的游离或固定化的酶或活细胞的总称。它包括从生物体，主要是微生物细胞中提取出的游离酶或经固定化技术加工后的生物酶，也包括统称为的游离的、以整体微生物为主的活细胞及固定化活细胞。酶催化剂用于催化某一类反应或某一类反应物（在酶反应中常称为底物或基质）。 从酶的作用和功能的发现过程中了解到，人们最早使用的是游离的细胞活
天津科技大学 《食品酶学》本科生课程论文 酶的非水相催化及其应用 non-aqueous enzymatic catalysis technology and its applications 学生姓名： 学号： 专业： 任课教师：
摘要 非水相酶催化反应是酶催化反应中的一个重要方面。非水相溶剂通常可增加底物溶解度, 减少水相中的副反应, 加快生物催化的速率和效率, 在药物及药物中间体和食品等方面具有较大的应用价值。以下主要分析了在非水介质中酶促反应的几个重要影响因素; 介绍了非水介质中酶催化反应的应用,以及其前景发展。 关键词：非水相催化，影响因素，实际应用，发展前景
Abstract It is well known that non-aqueous enzymatic catalysis has emerged as an important area of enzyme engineering with the advantages of higher substrate solubility, increased stereoselectivity, modified substrate specificity and suppression of unwanted water-dependent side reactions. As a result, non-aqueous enzymatic catalysis has been applied in the biocatalytic synthesis of important pharmaceuticals and nutriceuticals. The following main analyzed several important factors in non-aqueous enzymatic catalysis：introduced in non-aqueous enzymatic catalysis in front of the catalytic reaction，introduced the bright future of non-aqueous enzymatic catalysis technology Key words：non-aqueous enzymatic catalysis；important factors； applications，Development prospect
生物催化不对称合成的发展 专业： 学号： 姓名：
生物催化不对称合成的发展 ×× （××××，××××） 摘要：生物衍生物是一类富手性中心的天然手性源，易于修饰改性，可作为手性配体参与不对称反应，现在生物催化不对称反应已成为何机化学中非常活跃的研究领域。 关键词：不对称合成，生物催化，α-氨基酸，β-羟基酸，氨基葡萄糖衍生物，DNA催化剂 不对称合成(Asymmetric Synthesis)，也称手性合成、立体选择性合成、对映选择性合成，是研究向反应物引入一个或多个具手性元素的化学反应的有机合成分支。不对称合成生成有旋光性产物的反应。在反应过程中因受分子内或分子外的手性因素的影响，试剂向反应物某对称结构的两侧进攻，进而在形成化学键时表现出不均等，结果得到不等量的立体异构体的混合物，具有旋光活性。 不对称合成目前在药物合成和天然产物全合成中都有十分重要的地位。但无疑，现在最完善的不对称合成技术，要数存在于生物体内的酶。能否实现像酶一样高效的催化体系，是对人类智慧的挑战。不对称催化是当今化学发展最为活跃的领域之一，是开发手性药物、材料及香料等化学品的强大理论基础和学术依据。 1 不对称合成的发展历史 自19世纪Fischer开创不对称合成反应研究领域以来，不对称反应技术得到了迅速的发展。其间可分为四个阶段：（1）手性源的不对称反应；（2）手性助剂的不对称反应；（3）手性试剂的不对称反应；（4）不对称催化反应。传统的不对称合成是在对称的起始反应物中入不对称因素或与非对称试剂反应，这需要消耗化学计量的手性辅助试剂。不对称催化合成一般指利用合理设计的手性金属配合物（催化剂量）或生物酶作为手性模板控制反应物的对映面，将大量前手性底物选择性地转化成特定构型的产物，实现手性放大和手性增殖。简单地说，就是通过使用催化剂量级的手性原始物质来立体选择性地生产大量手性特征的产物。它的反应条件温和，立体选择性好，（R）异构体或（S）异构体同样易于生产，且潜手性底物来源广泛，对于生产大量手性化合物来讲是最经济和最实用的技术。因此，不对称催化反应（包括化学催化和生物催化反应）已为全世界有机化学家所高度重视，特别是不少化学公司致力于将不对称催化反应发展为手性技术和不对称合成工艺。2001年诺贝尔化学奖
生物工程导论论文 题目酶催化技术与手性药物的研发Enzyme catalytic technology for the development of chiral pharmaceutical chemicals 任课教师吴坚平 上课时间周一第11—13节 姓名XXX 学号XXXXXXXXXX 班级 作业完成时间2013年11月
酶催化技术与手性药物研发 XXXXXXXXXX XXX 摘要：酶催化手性药物的制备是利用酶对手性分子构型的识别能力进行选择性催化的新兴制备型药物的方式，有反应效率高，选择性高，反应温和，符合“绿色化学”要求等优势。近年来，酶催化技术迅速崛起；同时，市场对手性药物需求极大。本文就将简单论述手性药物的研发现状，并对运用于手性药物研发的酶催化技术做一些简单介绍及评述。 关键词：酶催化；手性药物；绿色制药； Enzyme catalytic technology for the development of chiral pharmaceutical chemicals Gao Shen 3120100301 Abstract：Enzyme catalytic chiral drugs produced by the use of enzymes opponents of heterogeneous elements of the identified capacity for selective catalytic emerging prepared drug the way in which response efficiency, high selectivity, mild response. This is in line with the "Green Chemistry" requirements. In recent years, enzyme catalytic technologies rapidly rising; at the same time, market your opponent of drug needs are enormous. This document will outline the nature of drug research and development, and the application of the drug research and development of enzyme catalytic technologies and do some simple introduction and commentary. Keywords：Enzyme catalytic converters；chiral drugs；green pharmaceutical process; 1 手性药品研发的意义 手性（Chirality）是自然界的本质属性之一，用于表达化合物分子由于原子三维排列引起的一种结构不对称现象。手性化合物（Chiral compounds）是指分子量、分子结构相同，但左右排列相反，如实物与其镜中的映体。 早在一百多年前，法国科学家巴斯德（Louis Pasteur）就发现了分子的不对称现象[1]，提出了对映体(Enantiomer)存在两个旋光异构体的构想。这些对映异构体的理化性质基本相似，旋光能力也相同，但方向相反，分别被命名为 R-型（右旋）或S-型（左旋）、外消旋。手性异构体之间理化性质可以有极大的差异，与手性物质相互作用可以产生不同的产物。如天然的（-）- 尼古丁毒性比（+）- 尼古丁大得多[2]；舞毒蛾的性引诱素disparlure是舞毒蛾的性信息素，其中一种对映体在极低浓度下就能对舞毒蛾起到性吸引的作用，而另一对映体即使在极高浓度下也没有性吸引的活性作用；（S）- 天冬酰胺，味甜而（R）- 天冬酰胺，味苦等。许多与生物体密切相关的生化反应中，均和物质的手性相关联，作为生命活动重要基础在体内有重要生理功能的生物大分子，如蛋白质（Protein）、多糖（polysaccharide）、核酸（nucleic acid）等几乎全是手性的[3]，正是因为生命活动的生化反应与有机物的手性相关性，目前对物质的手性、物质的手性反应以及物质的手性合成和分离等，对人类来讲具有不可轻视的重大意义。 手性化学品已逐渐在材料、食品、化工、制药等领域大战雄风，且在医药领域的应用尤为重要。由于药物的手性对生物的应答关系，如在体内的吸收、转运、组织分配、与靶点的作用以及代谢和消除等，都可能有重要的影响，因此它们在
手性药物的合成与生物转化 摘要：药物分子的立体化学决定了其生物活性，手性已成为药物研究的一个关键因素，生物技术在手性药物合成中具有重要意义，利用酶催化的相关性质，通过酶拆分外消旋体酶法不对称合成等方法合成手性药物，采用定向进化技术酶分子修饰辅酶再生等方法对手性药物合成方法进行改进。 关键词：手性药物生物转化生物合成 手性(Chirality) 是自然界的本质属性之一。构成生命有机体的分子都是不对称的手性分子，生命界中普遍存在的糖为D型,，氨基酸为L型，蛋白质和DNA的螺旋构象又都是右旋的。手性药物( Chiral drug) 是指有药理活性作用的对映纯化合物。 手性药物的制备方法包括化学制备法和生物制备法，生物转化具有一些化学方法无可比拟的优点：反应条件比较温和；产物比较单一，具有很高的立体选择性（Enantioselectivity）、区域选择性（Regioselectivity）和化学选择性（Chemoselectivity）；并且能完成一些化学合成难以进行的反应。目前，生物转化已涉及羟基化、环氧化、脱氢、氢化等氧化还原反应；水解、水合、酯化、酯转移、脱水、脱羧、酰化、胺化、异构化和芳构化等各类化学反应。 生物合成手性药物法主要包括酶拆分外消旋体法、酶法不对称合成和微生物发酵法。 1 酶法拆分外消旋体合成手性药物 近年来随着酶技术的发展，利用酶的高度立体选择性进行外消旋体的拆分从而获得光活性纯的化合物是得到手性药物的重要途径。酶是由L-氨基酸组成，其活性中心构成了一个部队称环境，有利于对消旋体的识别，属于高度手性的催化剂，催化效率高，有很强的专一性，
反应产物的对映体过量百分率（ee）可达100%。因此，在售性药物合成过程中，用酶拆分消旋体是理想的选择。D-苯甘氨酸金额D-对羟基苯甘氨酸是生产半合成青霉素和头孢菌类抗生素的重要侧链。DSM公司（Geleen，荷兰）利用恶臭假单胞菌（Pseydomonas putida）和L-氨肽酶拆分DL-氨基酸酰胺获得了D-苯甘氨酸和D-对羟基苯甘氨酸。拆分过程中生成的不要的对映体可通过与苯甲醛形成的酰胺的Schiff碱性成加合物，在升高pH值时发生外消旋化，外消旋后的氨基酸酰胺可重复利用。 如果想成功地提供药物中间体和药物活性组分，就必须有供选用的大量合成平台，生物催化仅是其中的一个办法。虽然产生一种现代的药物活性组分中通常只有一步是采用生物催化的，但这常常是把手性引入到化合物中的关键一步，并且由于药物结构中，分子手性部分变得越来越重要，随着分子中手性中心的增多，生物转化方法的良好专一性和选择，就必然要比其他手性合成方法发展得更快。 2 酶法不对称合成手性药物 将具有氧化或还原作用的酶及相关微生物作的手性合成催化剂，催化前手性底物，从而构建药物的手性中心的反应，利用氧化还原酶、合成酶、裂解酶等直接从前体化合物不对称合成各种结构复杂的手性醇、酮、醛、胺、酸、酯、酰胺等衍生物以及各种含硫、磷、氮及金属的手性化合物和药物。Pfizer等采用脱氧核糖-5-磷酸醛缩酶来催化连续的醇醛缩合反应，利用1mol氨基醛和2mol乙醛反应形成氨基内酯，随后通过常规氧化、保护和酯化形成他汀侧链，这一生物催化
策划生物催化的第三次浪潮 来源：生物谷日期: 2012年09月13日 生物催化是在合成化学中应用酶和微生物，将天然催化剂用于酶尚未进化到的新目的。经过几次技术研究和创新浪潮，生物催化领域现被证明已经达到了工业化水平。 第一次生物催化浪潮始于一个多世纪前，科学家意识到活体细胞的某些成分可以用于有用的化学转化（与此不同的是，发酵过程早已经成为常事上千年了）。比如，Rosenthaler使用从植物中提取的苯甲醛和氢氰酸合成了(R)-苯乙醇腈（维生素B17的有效成分之一），人们也已经知道微生物体内进行着甾体的羟基化反应。更近的例子是，蛋白酶被用于洗衣液中，葡萄糖异构酶被用于将葡萄糖转化为更甜的果糖，盘尼西林G 酰基转移酶被用于生产半合成抗生素。这些应用主要面临的挑战在于生物催化剂有限的稳定性，但这些缺陷首先由酶的固定化得以克服，该方法还易化了酶的重复利用。 第二次生物催化浪潮介于二十世纪八十至九十年代，最初的蛋白质工程技术，典型的是基于结构的，拓宽了酶的底物范围从而可以合成非常见的合成中间物上。这一改变使得生物催化扩展至药物中间体和精细化学生产领域。这方面的例子包括：脂肪酶催化拆分手性前体用于合成地尔硫卓（一种降压药）的手性前体，醇腈裂解酶催化合成除草剂的中间体，羰基还原酶催化合成纯化对映体醇用于生产降低胆固醇的沙汀类药物，脂肪酶催化合成酯化腊，如化妆品的添加物肉豆蔻醇肉豆蔻酸酯或鲸蜡醇蓖麻油酸酯，腈水合酶（提取自玫瑰红红球菌）催化丙烯腈水合生成丙烯酰胺用于形成聚合物。除了酶的固定化，现有的挑战还包括为非天然底物优化生物催化剂。 现在这第三次生物催化浪潮始于Pim Stemmer和Frances Arnold在二十世纪九十年代中后期的工作。他们开创性地借助分子生物学的方法通过体外版的达尔文进化快速而广泛的改变生物催化剂。现在这种方法通常被称为定向进化，尽管该词从1972年
生物催化在精细化工中的应用 摘要：化学工业已成为各国经济的基础支柱产业之一，但同时，化学工业引起的环境污染问题不容忽视，所以化学工业的可持续发展，需要不断寻找新的经济生长点，而应用生物催化技术改造并逐步取代传统化工产品就是其中有前途的发展方向。生物催化具有条件温和、能源节省、转化率和选择率高、环境友好等特点，还可以进行手性化合物的合成及结构复杂，具有生物活性的大分子和高分子化合物的合成。 关键词：生物催化；催化效率高；专一性；环境友好 1生物催化的简介 迄今为止，化学工业已成为各国经济的基础支柱产业之一，并继续保持高速的发展势头。而大力发展精细化工，即大幅提高精细化学品比重和大力开发专用化学品是发达国家化学工业的发展方向。但同时，化学工业的发展也面临着巨大的挑战。首先，石油资源正面临枯竭的局面，其次，化学工业引起的环境污染问题不容忽视。化学工业的可持续发展，需要不断寻找新的经济生长点，新技术新工艺在精细化工中的开发应用成为关键，而应用生物催化技术改造并逐步取代传统化工产品就是其中有前途的发展方向。尤其是今年来，生物催化技术的引入为精细化工的发展带来一个全新的亮点，成为该领域再度飞跃的关键之一，生物催化不仅具有条件温和、能源节省、转化率和选择率高、环境友好等特点，还可以进行手性化合物的合成及结构复杂，具有生物活性的大分子和高分子化合物的合成。因此，生物催化已经成为国外著名医药、化学公司发展和投资的重点。 所谓生物催化是指利用某种生物材料（主要是酶或微生物）来催化某种化学反应。生物催化在我国很早就已应用，如夏商时期用发酵来酿酒等。但大规模的工业化生产上的应用则是在上世纪60年代才开始的。 2生物催化的工业化应用实例 在生物催化的工业应用中，酶作为生物催化剂比化学催化剂有许多优点：①酶催化反应一般在常温、常压和近于中性条件下进行，所以投资少、能耗低且操作安全性高；②生物催化剂具有极高的催化效率和反应速度，比化学催化反应的催化效率可高107~1013倍；③生物催化具有高度专一性，包括底物专一性和立体
（生物科技行业）生物学第六章酶的非水相催化
第六章酶的非水相催化 ◆人们以往普遍认为只有在水溶液中酶才具有催化活性。 ◆酶在非水相介质中催化反应的研究:在理论上进行了非水介质（包括有机溶剂介质，超临界流体介质，气相介质，离子液介质等）中酶的结构与功能、非水介质中酶的作用机制，非水介质中酶催化作用动力学等方面的研究，初步建立起非水酶学（non-aqueousenzymology）的理论体系。 ◆非水介质中酶催化作用的应用研究，取得显著成果。 1.酶非水相催化的研究概况 ◆酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非水相催化。 1.1有机介质中的酶催化： ◆有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。 ◆适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。 ◆酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。 ◆酶在有机介质中起催化作用时，酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性和热稳定性等都有所改变。 1.2气相介质中的酶催化： ◆气相介质中的酶催化是指酶在气相介质中进行的催化反应。 ◆适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。 ◆由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。 1.3超临界流体介质中的酶催化： ◆超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体中进行的催化反应。
◆用于酶催化反应的超临界流体应当对酶的结构没有破坏作用，对催化作用没有明显的不良影响；具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性；超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在酶催化的最适温度附近；超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用；超临界流体要容易获得，价格要便宜等。 1.4离子液介质中的酶催化： ◆离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进行的催化作用。 ◆离子液（ionicliquids）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好。酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。 ◆在酶的非水相催化中，研究最多的非水介质是有机溶剂。 ◆酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等水解酶，过氧化氢酶、过氧化物酶、醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、多酚氧化酶、细胞色素氧化酶等氧化还原酶以及醛缩酶等转移酶中的十几种酶都可以在适当的有机溶剂介质中起催化作用。而且酶在有机介质中的热稳定性比水溶液中显著提高。 ◆在理论上进行了非水介质（包括有机溶剂介质，超临界流体介质，气相介质，离子液介质等）中酶的结构与功能、非水介质中酶的作用机制，非水介质中酶催化作用动力学等方面的研究，初步建立起非水酶学（non-aqueousenzymology）的理论体系。 ◆并进行了非水介质中，特别是在有机介质中酶催化作用的应用研究，利用酶在有机介质中的催化作用进行多肽、酯类等的生产，甾体转化，功能高分子的合成，手性药物的拆分等方面均取得显著成果。 2.有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响 2.1有机介质反应体系：
课程名称：工业催化剂 姓名： 学号： 指导老师：
生物催化剂 摘要近年来生物催化剂的发展，生物催化剂的制备及催化过程和生物催化剂的种类是近年来人们研究的重点方面之一，下面我们通过这些方面来了解生物催化剂，从而来展望一下生物催化剂未来的前景。 关键词生物催化剂 一．定义 1.广义是指由生物产生用于自身新陈代谢，维持其生物的各种活动。 2.生物催化是利用生物催化剂（是酶或微生物）来改变（通常是加速）化学反应的速率。 3.生物催化剂是指生物反指应过程中起催化作用的游离或固定化细胞各游离或固定化酶的总称。 4.工业用生物催化剂是游离或固定化的酶或活细胞的总称。它包括从生物体，主要是微生物细胞中提取出的游离酶或经固定化技术加工后的，以上统称为；也包括统称为的游离的、以整体微生物为主的活细胞及固定化活细胞。酶催化剂用于催化某一类反应或某一类反应物（在酶反应中常称为底物或基质），其过程则称为；而以整个微生物用于系列的串联反应的过程称为。死的细胞或干细胞制剂也具有催化作用，但其细胞已无新陈代谢能力，往往不能进行辅酶或辅基（酶的组成部分）的再生，只能进行简单的酶反应，属于一种不纯的酶催化剂。 5.酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物(绝大多数的蛋白质。但少量RNA也具有生物催化功能)，旧称酵素。生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行。酶的催化作用同样具有选择性。例如，淀粉。酶催化淀粉水解为糊精和麦芽糖，蛋白酶催化蛋白质水解成肽等。活的生物体利用它们来加速体内的化学反应。如果没有酶，生物体内的许多化学反应就会进行得很慢，难以维持生命。大约在37℃的温度中(人体的温度)，酶的工作状态是最佳的。如果温度高于50℃或60℃，酶就会被破坏掉而不能再发生作用。因此，利用酶来分解衣物上的污渍的生物洗涤剂，在低温下使用最有效。酶在生理学、医学、农业、工业等方面，都有重大意义。目前，酶制剂的应用日益广泛。 二．生物催化剂的特点 1．效率极高。2.高度专一。3.条件温和。4.清洁环保。 三．生物催化剂的来源 目前，少数生物催化剂是从动物肝脏或植物中提取的，多数来自于微生物细胞。除真核生物。和单细胞酵母(如从南极假丝酵母中得到了高效脂肪酶CalB)外，原核微生物是生物催化剂的主要来源。由于原核微生物(细菌和古生菌)是地球上出现最早和数量最多的生命形态，经历了漫长的演变后，许多微生物为适应“恶劣”环境而具有了非常高的耐受性，从而可从中得到大量高性能的生物催化剂。现在，虽然微生物培养也有其局限性，如很多生物体用当前技术还无法进行培养，但通过微生物培养来获得生物催化剂仍是最普通和最有效的方法。这是因为微生物培养能加速生物体的新陈代谢而增加其数量，为以后的高通量筛选提供了有利条件。
手性药物及手性技术 当前，手性药物(Chiral Drugs)的研究与开发已成为世界新药发展的方向和热点领域。作者曾发表文章，介绍了手性药物市场的增长和当前国内外手性药物发展的动向和趋势，阐述了加速手性技术开发，迎接世界制药工业挑战的必要和紧迫。本文将结合手性药物市场最新发展和手性技术的最新成就，探讨药品和精细化学品工业面临的挑战和机会。 一世界手性药物工业发展迅速 (1)手性药物市场首次超过1000亿美元: 自1992年以来，手性药物市场一直保持快速增长的态势。1995年，其销售额为557亿美元，比1994年增长23%，占世界药品市场总额2585亿美元的22%。1999年，手性药物市场第一次超过1000亿美元，单一异构体药物销售额达到1150亿美元，比1998年的994亿美元增长16%，占世界药品市场3600亿美元的32%。从1995~1999年，5年内单一异构体药物销售额翻了一番，占世界药品市场份额从1/5到1/3，这是一个重要的里程碑。预计今后几年仍将以年8%的速度增长，到2003年将达到1460亿美元。 (2)科学发现和药政规定推动手性药物的发展: 手性工业不断增长的首要原因在于基础生物化学的研究进展。药物化学家们试图影响的生物信使分子和细胞表面受体，即药物作用的靶分子都是手性的，因此药物分子与这些靶分子的不对称性必须相匹配。另外，分子药理学研究发现，含有手性因素的化学药物对映体，在人体内的药理活性、代谢过程和毒性存在着显著差异。在通常情况下，只有一个对映体具有药理作用，而另一个对映体不仅无药理作用，还会产生一定副作用。 手性药物市场不断增长的第二个原因是美国FDA的规定。1992年FDA发布手性药物指导原则，要求所有在美国上市的消旋体新药，生产者均需提供详细报告，说明药物中所含对映体各自的药理作用、毒性和效果。因此，制药公司对于内在的手性药物分子，必须作出适当的选择，是以其单一异构体形式开发，还是以其消旋体形式开发。显然，单一异构体的试验次数比较单纯，经济上更合算。 二手性药物正在成为制药公司谋求利益和提升地位的工具 (1)外消旋转化: 所谓外消旋转化，就是将已经批准以消旋体形式上市的药物转化成单一异构体形式批准上市。制药公司将手性(Chirality)作为一种工具，通过外消旋转化延长其“重磅炸弹”药品(年销售在10亿美元以上的药品)的专利保护期，从而控制一个产品的生命周期。最近的一个突出的例子是AstraZeneca公司对其抗溃疡药物奥美拉唑(Omeprazole，Prilosec)的二次开发。该公司申请了(s)-异构体(Esomeprazole)的专利，已于2000年在欧洲和美国上市(商品名: Nexium)。 AstraZeneca是对本公司原创药物进行外消旋转化，Sepracor公司则是对其它公司的药物进行转化，该公司称之为“生命周期经营战略”。这种战略就是当发现其它公司上市的外消旋体药物的药理活性只存在于一种对映体时，该公司就将该异构体进行专利(除非原创公司已有了专利); 而后再将此单一异构体药物许可给原创公司，如果原创公司不接受许可，则转让给其它公司，或自己独立上市。一个最成功的例子是对Lilly公司的抗抑郁药氟西汀(Fluoxetine，Prozac)的转化。1998年1月，Sepracor申请了(s)-对映体的专利，并将此专利许可给原创公司Lilly。原开发商不接受许可的例子也是有的，如Sepracor对Glaxo 和Schering公司的支气管扩张药沙丁胺醇(Albuterol，Proventil)进行了转化，申请了左旋体(Levalbuterol)的专利，并进行临床试验，于1999年3月获FDA批准上市(商品名: Xopenex)。Schering不接受此专利许可，于1999年11月转让给了Abbott公司。 Sepracor在实行外消旋转化战略的同时，还对一些手性药物的放大工艺进行研究。例如，对GlaxoWellcome开发的抗抑郁药安非他酮(Amfebutamone，Wellbutrin)的(s)-异构体
工业生物技术是指在工业规模生产过程中以微生物或酶为催化剂进行物质转化，大规模地生产人类所需的化学品、医药、能源、材料等产品的生物技术，它是人类由化石（碳氢化合物）经济向生物（碳水化合物）经济过渡的必要工具，是解决人类目前面临的资源、能源及环境危机的有效手段。它为医药生物技术提供下游支撑，为农业生物技术提供后加工手段。以2000年聚乳酸上市为标志的工业生物技术（也称为白色生物技术，White Biotechnology）是继医药生物技术、农业生物技术之后，国际生物技术发展的“第三次浪潮”，其推动着一个以生物催化和生物转化为特征，以生物能源、生物材料、生物化工、生物冶金等为代表的现代工业体系的形成，在全球范围内掀起了一场新的现代工业技术革命，其地位已经被提到空前的战略高度。据有关专家预测，至2015年，全世界的化工行业将有1/6的产值源自白色生物技术，金额高达3050亿美元。 生物技术在工业上的应用主要分为两类：一是以可再生资源（生物资源）替代化石燃料资源；二是利用生物体系如全细胞或酶为反应剂或催化剂的生物加工工艺替代传统的、非生物加工工艺。 工业生物技术的核心是生物催化（Biocatalysis）。由生物催化剂完成的生物催化过程具有催化效率高（物耗低，原子经济性高）、专一性强、反应条件温和（能耗低）、环境友好（污染小）等优势，是绿色化学与绿色化工发展的重要趋势之一。美国能源部、商业部等部门预测：生物催化剂将成为21世纪化学工业可持续发展的必要工具，生物催化技术的应用可在未来的20年中使传统化学工业原材料、
水和能源消耗减少30%、污染物排放减少30%。世界经合组织（OECD）指出：“工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技术”。 中国高度重视工业生物技术的发展，2005年9月，由国家科技部中国生物技术发展中心组织了“首届国际生物经济高层论坛”在北京召开。在2006年颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中把“新一代工业生物技术”作为“前沿技术”列入规划。国家重大基础研究计划（973计划）将生物催化项目（生物催化和生物转化中关键问题的基础研究）立项，国家高技术研究计划（863计划）中增列工业生物技术专题，国家支撑计划也在该领域立项支持了一批项目。工业生物催化和生物转化的研究，是中国参与生物技术国际竞争的一个难得的机遇和切入点，也是我国生物技术应用研究的一个战略重点，其最终目标是通过生物学、化学和过程科学的交叉，建立以生物催化和生物转化为基础的新生物加工体系。 20世纪90年代以来，通过国家和地方的支持，我国相继建设了国家生化工程技术研究中心、酶工程国家工程实验室等几个国家级和工业生物技术教育部重点实验室等一批省部级工业生物技术研究平台。通过这些平台的设立，极大地推动了我国工业生物技术领域的基础和产业化研究和开发，并取得了一批产业化成果。尽管如此，与发达国家相比，我国在工业生物技术领域的平台建设还远远不够，还需要国家大力支持。
生物催化与转化 第四章代谢调控 1.分解代谢：指复杂的有机物分子通过分解代谢酶系的催化，产生简单分子、 腺苷三磷酸（ATP）形式的能量和还原力（或称还原当量，一般用[H]来表示）的作用 2.合成代谢：指在合成代谢酶系的催化下，由简单小分子、ATP形式的能量和[H]形式 的还原力一起合成复杂的大分子的过程。或利用分解代谢的能量和中间体合成氨基酸、核酸等单体物质及蛋白质、多糖等多聚物 3.次级代谢产物 定义：微生物生长到一定阶段才产生的，化学结构十分复杂、对该微生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质。 特征： 不同的微生物次级代谢产物不同； 次级代谢产物的通常在菌体的生长后期合成，发酵分两个阶段进行，即营养增殖期和生产期。在多数情况下，增加前体是有效的 4.初级代谢产物 定义：微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质。 特征： 不同的微生物初级代谢产物基本相同； 初级代谢产物合成过程是连续不断的， 与菌体的生长呈平行关系。 5.两种代谢产物的不同： ●次级代谢通常在生长后期合成。不是微生物生长所必需的，不参与微生 物的生长和繁殖。 ●次级代谢对环境条件的变化很敏感，其产物的合成往往会因环境条件的 变化而停止。 ●不同微生物的次级代谢产物有很大区别。基于菌种的特异性 ●催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强。 6.酶活性的调节：指在酶分子水平上的一种代谢调节，它是通过改变现成 的酶分子活性来调节新陈代谢的速率。酶活性的抑制和激活是微生物代谢中存在的两种矛盾的过程。 7.酶活性的激活：常见的酶活性的激活是前体激活，多发生在分支代谢途径， 即代谢途径中的后面的反应可被较前面的一种代谢中间产物所促进。 8.酶活性的抑制：酶活性的抑制包括：竞争性抑制反馈抑制
手性生物催化提高东北制药总厂磷霉素生产率 一、项目的目的和意义 磷霉素是一种新型广谱抗菌素，具有理化特性稳定、安全低毒、无抗原性（无需试敏）等优点，现已广泛用于临床治疗，被国际医学界和药学界称为二十一世纪的新抗生素。 东北制药总厂是我国生产磷霉素的特大型企业，2001年产磷霉素粉针1.84亿余支，销售额逾七亿元。为世界最大磷霉素生产厂，产品的国内市场占有率为95%，在国际市场也占有相当份额。 东北制药总厂磷霉素生产采用的是化学合成法，即以丙炔醇为原料，经脂化、环氧化、拆分而成，工艺先进，但收率不高，约为20%。主要原因是在环氧化过程中形成的磷酸胺盐只有50%为具疗效的左旋物，另50%为无疗效的右旋物，被分离并弃之。 本项研究将应用现代生物技术，筛选、遗传构造高效菌；分离、生化修饰专性酶；科学固型化后，以最适条件用于磷霉素生产中的手性生物催化，将现工艺生产中产生的50%的右旋废弃物改型为具疗效的左旋物，实现产量、销售和税收翻番，利润翻三番。同时使废弃物排放量减至原工艺的20%。 二、课题研究的国内外发展概况及市场需求分析 磷霉素自90年代问世后即广受青睐。1997年美国FDA批准在美国市场应用，1999年欧洲药典增补版收载了该药。随其身价提高和良好的临床实践，其市场前景越来越被看好。据推测，到2010年世界粉针需求量将超过100亿支/年，口服剂型需求量则将数倍于针剂。 新建和扩建工厂是解决磷霉素巨大市场需求的一条途径，但改造传统工艺、大幅提高
收率更是一广被看好的有效途径。手性催化技术，因可将无效右旋物转化为有效左旋物，而成为重点关注技术。国内外不少科学家已先后从不同角度开展了相关研究。如：美国巴里等人采用化学法开发出用于环氧化反应和二羟基化反应的催化剂，将环氧化左旋率从58.1%提高到70%。亨利等人应用微生物将顺丙烯磷酸直接环氧化得到左旋磷霉素。上述虽因收率和周期等故，尚未在大规模生产中应用，但人们已看到：通过手性生物催化反应，将现生产工艺中产生的废弃物—右旋磷霉素定向转化为左旋磷霉素是完全可行的。通过本项攻关，东北制药总厂磷霉素生产会全面应用手性生物催化技术，产生效益翻番的喜人成果。 三、主要攻关内容及技术路线（技术可行性分析） 1．主要攻关内容 1）筛选功能性菌种（或酶），手性催化右旋物或相应衍生物。 2）基因（或生化）修饰功能菌（或酶），提高生物活性。 3）右旋物最适存在形式及制备。 4）菌（或酶）的流化固定及高效生物消旋条件。 5）不对称合成催化最适反应及生产工艺。 6）消旋催化最适反应及生产工艺。