生物催化剂的发现

浅析现代化生物工程中酶技术的研究与应用人类生命物体的基本特征之一就是不断地进行新陈代谢，新陈代谢是由许多有机化学反应组成的，如动植物的消化反应和各种物质的合成与分解等。

这些反应在体内进行地很快，原因是有生命的动植物体内存在着的一种生物催化剂一酶的作用。

酶制剂是在1833年由法国化学家佩思和珀索发现的，他们从麦芽提取液的酒精沉淀物中得到一种对热不稳定，而且能加速淀粉转变成糖的物质，称之为淀粉酶制剂。

1926年隆姆首次从刀豆中提纯得到脲酶结晶。

生物化工行业经过70多年的发展，对酶的分子结构，酶作用的机理及酶系统的自我调节已形成了一个完整的工业体系。

整个行业也出现了一些新的发展态势，在阐明生命活动的规律，探索工业、农业、畜牧业、医药及对疾病的诊断、治疗均有重要的意义。

新陈代谢包含了一些重要的有机化学，对于生命周期的循环起着重要的保障作用。

作为常见的生物催化剂，酶的存在有利于加快新陈代谢速度，从根本上保证了相关化学反应的持续进行。

最初的淀粉酶主要是从麦芽提取液中得到的。

此后随着现代生物工程技术的不断发展，研究工作者对于各种生物酶的结构和特性有了更加深入的了解，为这些酶应用范围的扩大奠定了坚实的基础。

1.1生物酶的主要特点生物酶本质上是一种蛋白质，主要产生于某些机体活细胞，在实际的应用中具有良好的催化效果。

常见的酶促反应主要是指生物酶参与的反应，对相关物质代谢速度的加快带来了一定的保障作用。

生物酶的主要特点包括:(1)高效的催化效率。

相对而言，酶的催化效率远远高于一般的催化剂，最大为1013倍;(2)稳定性差。

作为机体活细胞的蛋白质，生物酶很容易受到各种存在因素的影响，导致蛋白质现象的出现，从而使酶失去了活性。

这些内容客观地反映了生物酶稳定性差的特性;(3)专一性非常强。

一般的催化剂在实际的应用中可能会有多种选择。

而生物酶只针对一种化合物发挥自身的催化作用，具有高度的专一性;(4)酶活力可以随时调节。

蛋白酶在存在的过程中有着良好的特性，不同类型蛋白酶通过一定的机制实现彼此间的有效结合，才能具有更好的催化活力。

制备生物柴油的催化剂研究进展早在2 0 世纪80年代初期, 美国和德国的科学家研究了采用脂肪酸甲酯或乙酯反应合成脂肪酸单酯代替柴油, 这种最初定义为“生物柴油”的物质有着与柴油十分相似的理化性质, 但具有燃烧完全, 无污染排放等诸多优点。

近年来, 由于石油资源的日益枯竭和人们环保意识的增强, 生物柴油已经成为一个研究的热点, 并且制备有多种方法，即高温热裂解法[、酯交换法等。

目前, 由植物油生产生物柴油的方法多采用甲醇酯交换法。

1 酸性催化剂酸催化酯交换交换过程一般使用布朗斯特酸进行催化。

较常用的催化剂有浓硫酸、苯磺酸和磷酸等。

浓硫酸价格便宜、资源丰富, 是最常用的酯化催化剂。

酸催化酯交换过程产率高。

但反应速率慢分离困难, 易产生三废。

2碱性催化剂（1）无机碱催化剂碱催化酯交换反应的速率比酸催化要快得多。

常用无机碱催化剂有甲醇钠氢氧化钠、氢氧钾、碳酸钠和碳酸钾等。

甲醇钠在用于制备生物柴油的碱催化剂中活性相当高, 但易溶于脂肪酸酯。

然而,油脂中若含有水, 甲醇钠活性将大大降低。

氢氧化钠和氢氧化钾相对于甲醇钠的价格要便宜些。

传统的酯交换工艺中多用Na O H 作催化剂, 在反应过程中, 氢氧化物与醇反应产生水。

使部分酯类水解产生羧酸。

羧酸与氢氧化物发生皂化反应。

大大降低了生物柴油的产率且分离比较难。

（2）固体碱催化剂固体碱催化剂用于酯交换反应生产工艺简单,产品后处理方便, 无废水产生。

直接获得产品及副产物甘油, 催化剂可再生, 避免了三废污染。

3生物催化剂一酶脂肪酶是一种良好的酯交换反应的催化剂, 酶作为一种生物催化剂具有高的催化效率和经济性,采用酶催化可以解决目前化学方法生产生物柴油所用的催化剂存在的分离困难、所需能量大等问题。

为此, 人们开始关注酶法合成生物柴油技术。

即用脂肪酶催化动植物油脂与低碳醇间的转酯化反应,生成相应的脂肪酸酯。

此法具有提取简单、反应条件温和、醇用量小、甘油易回收和无废物产生等优点, 是一种极具发展潜力的生物柴油生产方法。

生物催化的发展趋势生物催化是一种利用生物体内的酶、菌或细胞等来促进化学反应的技术，具有较高的选择性和效能。

随着科技的发展，生物催化也在不断演进和创新，展现出一些明显的发展趋势。

一、精准化设计和合成酶随着基因工程和分子生物学技术的不断发展，人们对酶类的研究和应用变得更加深入。

工程化酶、组合酶和催化抗体等精准化设计和合成的酶制剂成为生物催化领域的热点。

通过改变酶的结构和功能，可以使其具有更好的催化性能和稳定性，进一步提高反应产率和选择性。

而合成酶的设计和合成则可以通过模拟和调整酶的活性中心，实现对酶的定制化，使其在特定反应中具有更高的催化效能。

二、多相催化系统的研究多相催化系统指的是酶或细胞与底物在界面上发生反应的体系。

多相催化系统具有较高的反应效能和选择性，尤其适用于难溶底物的催化反应。

近年来，越来越多的研究集中在设计和构建高效的多相催化体系，其中一种常见的方法是将酶固定在载体上，在固定化的条件下进行催化反应。

此外，还可以通过改变表面特性等方法，调控界面催化反应的速率和选择性，以实现对多相催化体系的优化和提高。

三、催化机理的研究催化机理是研究生物催化的关键环节之一。

深入了解和揭示催化反应的机理对于设计和优化催化体系具有重要意义。

近年来，通过结合实验和计算方法，对酶催化的机理进行了更加深入的研究。

通过研究酶催化的过渡态和中间产物，揭示了许多催化反应的关键步骤和反应途径。

这些研究不仅有助于进一步改进催化体系的设计和调控，还有助于设计和开发新型的仿生催化剂。

四、高通量筛选技术的应用高通量筛选技术是一种快速筛选和优化催化体系的方法。

近年来，高通量筛选技术在生物催化领域得到了广泛应用。

这种技术通过在高通量模式下同时测试大量的反应条件和反应剂，快速筛选出最佳的反应条件和催化剂。

高通量筛选技术可以大大提高催化体系的开发效率和成本效益，并促进新型催化体系的发现和应用。

总之，生物催化作为一种高效、绿色和可持续的化学合成方法，具有巨大的应用前景。

⽣物化学第四章酶第四章酶酶是⼀类具有⾼效率、⾼度专⼀性、活性可调节的⾼分⼦⽣物催化剂。

1957巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。

1 分⼦Glc→2分⼦⼄醇+2分⼦CO2 从Glc开始，经过12种酶催化，12步反应，⽣成⼄醇。

1897 Buchner兄弟证明发酵与细胞的活动⽆关，不含细胞的酵母汁也能进⾏⼄醇发酵。

1913 Michaelis和Menten提出⽶⽒学说—酶促动⼒学原理。

1926 Sumner⾸次从⼑⾖中提出脲酶结晶，并证明具有蛋⽩质性质。

1969 化学合成核糖核酸酶。

1967-1970 从E.coli中发现第I、第II类限制性核酸内切酶。

1986 Cech发现四膜⾍细胞⼤核期间26S rRNA前体具有⾃我剪接功能。

ribozyme ，deoxyribozymeE.coRI5’——GAA TTC——3’3’——CTTAAG——5’限制作⽤修饰作⽤5’——GAATTC——3’5’——GAATTC——3’3’——CTTAAG——5’ 3’——CTTAAG——5’第⼀节酶学概论⼀、酶的⽣物学意义⼤肠杆菌⽣命周期20分钟，⽣物体内化学反应变得容易和迅速进⾏的根本原因是体内普通存在⽣物催化剂—酶。

没有酶，⽣长、发育、运动等等⽣命活动就⽆法继续。

限制性核酸内切酶（限制-修饰）⼆、酶的概念及其作⽤特点1、酶是⼀种⽣物催化剂酶是⼀类具有⾼效率、⾼度专⼀性、活性可调节的⾼分⼦⽣物催化剂。

⽣物催化剂：酶(enzyme)，核（糖）酶(ribozyme)，脱氧核（糖）酶(deoxyribozyme)2、酶催化反应的特点（1）、催化效率⾼酶催化反应速度是相应的⽆催化反应的108-1020倍，并且⾄少⾼出⾮酶催化反应速度⼏个数量级。

（2）、专⼀性⾼酶对反应的底物和产物都有极⾼的专⼀性，⼏乎没有副反应发⽣。

（3）、反应条件温和（4）、活性可调节根据据⽣物体的需要，许多酶的活性可受多种调节机制的灵活调节，包括：别构调节、酶的共价修饰、酶的合成、活化与降解等。

RNA世界假说，英文为RNA World hypothesis，是科学依据多年的科学研究而提出的一条关于生命科学的理论。

其内容为：生命进化的早期，没有蛋白质（酶），某些RNA可以催化RNA的复制——也就是说RNA是唯一的遗传物质，是生命的源头。

RNA世界假说- 概述信使RNA1981年度诺贝尔化学奖获得者吉尔伯特（W. Gilbert）提出了“RNA世界”的假说。

它指的是“在生命起源的某个时期，生命体仅由一种高分子化合物RNA组成。

遗传信息的传递建立于RNA的复制，其复制机理与当今DNA复制机理相似，作为生物催化剂的、由基因编码的蛋白质还不存在”。

RNA由于其五碳糖2′位是羟基，化学活泼性远大于DNA，再加上其他原因，就特别容易发生突变，因此在携带遗传信息的能力方面，RNA不如DNA；RNA又由于组成没有蛋白质复杂，不可能形成如蛋白质那么多样的结构，因此在功能分子的作用方面，RNA又不如蛋白质。

但RNA是唯一的既能携带遗传信息又可以是功能分子的生物高分子化合物。

因此，生命发生之初，很可能是在原始海洋深处的火山口边，高温、高压的条件下，在可作为催化剂的矿物质边富集了可能是雷电中合成的原始核苷酸。

经过亿万年的进化，形成了具有自我复制能力的RNA.在人工条件下，这种进化的某些过程已被成功地模拟。

原始的具有自我复制能力的RNA,再在以后的亿万年进化过程中，逐渐将其携带遗传信息的功能传给了DNA，将其功能分子的功能传给了蛋白质。

核糖体是核酶的发现大大支持了RNA世界的假说。

RNA世界假说- 提出c-myc RNA体外的化学反应通常需要在高温高压下进行，体内的化学反应却能在常温常压下进行，而且效率非常高。

这是由于体内有生物催化剂———酶的参与。

长期以来，人们只知道酶是由蛋白质组成的。

20世纪80年代初，美国科学家切赫发现RNA也可成为生物催化剂。

最近，另一位美国科学家爱尔特曼也证明了这一点。

切赫提出，原始的RNA分子就可以完成生命最主要的特征———繁殖过程。