生物酶催化资料全

酶的反应机理如下：

蛋白质的空间结构去看，而不能孤立地看形成蛋白质后的氨基酸残基。因为酶一般都是具有三级，或四级空间结构的，其中有功能的是部分氨基酸残基形成的结构域，包括底物结合部位和催化部位。首先底物结合部位和底物结合，再由催化部位作用，形成过渡态中间体，进而使底物发生化学变化。

生物学中的酶是具有高活性的蛋白分子。它的作用机理

有很多种，如趋近作用，亲核作用，亲电子作用等。

它具有高效性，专一性，条件性（条件严格，因为蛋白质容易变性）

而化学里讲的催化剂只具有一般的催化作用，

其作用机理是降低化学反映的活化能。

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生化中酶的作用机理：

酶的作用机理

酶催化反应机理的研究是当代生物化学的一个重要课题。它探讨酶作用高效率的原因以及酶反应的重要中间步骤。

酶原的激活(proenzyme activation)着重研究酶在激活——由无活性的酶原转变成有活性的酶时构象发生的变化。

一、与酶的高效率有关的因素

据现在所知，重要的因素有以下几个方面：

1．底物与酶的“靠近”(proximity)及“定向”(orientation)

由于化学反应速度与反应物浓度成正比，若在反应系统的某一局部区域，底物浓度增高，则反应速度也随之增高。提高酶反应速度的最主要方法是使底物分子进入酶的活性中心区域，亦即大大提高活性中心区域的底物有效浓度。曾测到过某底物在溶液中的浓度为0.001mol/L，而在其酶活性中心的浓度竟达100mol/L，比溶液中的浓度高十万倍！因此，可以想象在酶的活性中心区域反应速度必定是极高的。

“靠近“效应对提高反应速度的作用可以用一个著名的有机化学实验来说明，如表4-12，双羧酸的单苯基酯，在分子催化的过程中，自由的羧基作为催化剂起作用，而连有R的酯键则作为底物，受—COO-的催化，破裂成环而形成酸酐，催化基团—COO-愈靠近底物酯键则反应速度愈快，在最靠近的情况下速度可增加53000倍。

但是仅仅“靠近”还不够，还需要使反应的基团在反应中彼此相互严格地“定向”，见图4-19。只有既“靠近”又“定向”，反应物分子才被作用，迅速形成过渡态。

当底物未与酶结合时，活性中心的催化基团还未能与底物十分靠近，但由于酶活性中心的结构有一种可适应性，即当专一性底物与活性中心结合时，酶蛋白会发生一定的构象变化，使反应所需要的酶中的催化基团与结合基团正确地排列并定位，以便能与底物楔合，使底物分子可以“靠近”及“定向”于酶，这也就是前面提到的诱导楔合。这样活性中心局部的底物浓度才能大大提高。酶构象发生的这种改变是反应速度增大的一种很重要的原因。反应后，释放出产物，酶的构象再逆转，回到它的初始状态。对溶菌酶及羧肽酶进行的X-衍射分析的实验结果证实了以上的看法。Jenck等人指出“靠近“及“定向”可能使反应速度增长108倍，这与许多酶催化效率的计算是很相近的。

2．酶使底物分子中的敏感键发生“变形”(域力)(distortion或strain)，从而促使底物中的敏感键更易于破裂。

前面曾经提到，当酶遇到它的专一性底物时，发生构象变化以利于催化。事实上，不仅酶构象受底物作用而变化，底物分子常常也受酶作用而变化。酶中的某些基团或离子可以使底物分子敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子力”，使敏感键的一端更加敏感，更易于发生反应。有时甚至使底物分子发生变形，见图4-20A，这样就使酶-底物复合物易于形成。而且往往是酶构象发生改变的同时，底物分子也发生形变，见图4-20 B，从而形成一个互相楔合的酶-底物复合物。羧肽酶A的X-衍射分析结果就为这种“电子力”理论提供了证据。

3．共价催化(covalent catalysis)

还有一些酶以另一种方式来提高催化反应的速度，即共价催化。这种方式是底物与酶形成一个反应活性很高的共价中间物，这个中间物很易变成过渡态，因此反应的活化能大大降低，底物可以越过较低的“能阈”而形成产物。

共价催化可以提高反应速度的原因需要从有机模式反应的某些原理谈起，共价催化的最一般形式是催化剂的亲核基团(nucleophilic group)对底物中亲电子的碳原子进行攻击。亲核基团含有多电子的原子，可以提供电子。它是十分有效的催化剂。亲核基团作为强有力的催化剂对提高反应速度的作用可由下面亲核基团催化酰基的反应中看出：第一步，亲核基团(催化剂Y)攻击含有酰基的分子，形成了带有亲核基团的酰基衍生物，这种催化剂的酰基衍生物作为一个共价中间物再起作用；第二步，酰基从亲核的催化剂上再转移到最终的酰基受体上，

(1)亲核基团(Y)催化的反应：

(2)非催化的反应：

这种受体分子可能是某些醇或水。第一步反应有催化剂参加，因此必然比没有催化剂时底物与酰基受体的反应更快一些；而且，因为催化剂是易变的亲核基团，因此如此形成的酰化催化剂与最终的酰基受体的反应也必然地要比无催化剂时的底物与酰基受体的反应更快一些，此两步催化的总速度要比非催化反应大得多。因此形成不稳定的共价中间物可以大大加速反应。酶反应中可以进行共价催化的、强有力的亲核基团很多，酶蛋白分子上至少就有三种，即图4-21中所指出的丝氨酸羟基、半胱氨酸巯基及组氨酸的咪唑基。此外，辅酶中还含有另外一些亲核中心。共价结合也可以被亲电子基团(electrophilic group)催化，最典型的亲电子

等也都属于此类，它们可以接受电子或供出电子。

下面将通过共价催化而提高反应速度的酶，按提供亲核(或亲电子)基团的氨基酸种类，分别归纳如表4-13：

丝氨酸类酶与酰基形成酰基-酶；或与磷酸基形成磷酸酶，如磷酸葡萄糖变位酶。半胱氨酸类酶活性中心的半胱氨酸巯基与底物酰基形成含共价硫酯键的中间物。组氨酸类酶活性中心的组氨酸咪唑基在反应中被磷酸化。赖氨酸类酶的赖氨酸ε-氨基与底物羰基形成西佛碱中间物。

4．酸碱催化(acid-base ctatlysis)

有机模式反应指出，酸碱催化剂是催化有机反应的最普遍的最有效的催化剂。

有两种酸碱催化剂，一是狭义的酸碱催化剂(specific acid-base catalyst)，即H+与OH-，由于酶反应的最适pH一般接近于中性，因此H+及OH-的催化在酶反应中的重要性是比较有限的。另一种是广义的酸碱催化剂(general acid-base catalyst)，指的是质子供体及质子受体的催化，它们在酶反应中的重要性大得多，发生在细胞的许多种类型的有机反应都是受广义的酸碱催化的，例如将水加到羰基上、羧酸酯及磷酸酯的水解，从双键上脱水、各种分子重排以及许多取代反应等。

酶蛋白中含有好几种可以起广义酸碱催化作用的功能基，如氨基、羧基、硫氢基、酚羟基及咪唑基等。见表4-14。其中组氨酸的咪唑基值得特别注意，因为它既是一个很强的亲核基团，又是一个有效的广义酸碱功能基。

影响酸碱催化反应速度的因素有两个，第一个是酸碱的强度，在这些功能基中，组氨酸咪唑基的解离常数约为6.0，这意味着由咪唑基上解离下来的质子的浓度与水中的[H+]相近，因此它在接近于生物体液pH的条件下，即在中性条件下，有一半以酸形式存在，另一半以碱形式存在。也就是说咪唑基既可以作为质子供体，又可以作为质子受体在酶反应中发挥催化作用。因此，咪唑基是催化中最有效最活泼的一个催化功能基。第二个是这种功能基供出质子或接受质子的速度，在这方面，咪唑基又是特别突出，它供出或接受质子的速度十分迅速，其半寿期小于10-10秒。而且，供出或接受质子的速度几乎相等。由于咪唑基有如此的优

点，所以虽然组氨酸在大多数蛋白质中含量很少，却很重要。推测它很可能在生物进化过程中，不是作为一般的结构蛋白成分，而是被选择作为酶分子中的催化结构而存在下来的。

广义的酸碱催化与共价催化可使酶反应速度大大提高，但是比起前面两种方式来，它们提供的速度增长较小。尽管如此，还必须看到它们在提高酶反应速度中起的重要作用，尤其是广义酸碱催化还有独到之处：它为在近于中性的pH下进行催化创造了有利条件。因为在这种接近中性pH的条件下，H+及OH-的浓度太低，不足以起到催化剂的作用。例如牛胰核糖核酸酶及牛凝乳蛋白酶等都是通过广义的酸碱催化而提高酶反应速度的

制药废水处理中生物酶催化技术

(2017-10-15 14:44:28)

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分类：废水处理

制药废水

生物酶催化技术

处理效率

1 制药废水的水质特性

一般情况下，医药化工行业中所产生的制药废水都属于高

浓度的有机废水，对其处理的难度较大，不同类型的药品，其生产工艺就会有所区别，同时药品的组成成分也有着较大的差异，药物产品具有生产反应复杂、时间长以及生成的副产物多等特点，

反应的原料通常都采用环状结构的化合物或是溶剂类的物质，而这也就直接导致了制药废水中污染物的组成成分十分复杂，有机污染物的浓度高并且种类多，难以生物降解的物质也较多，废水中BOD5 值和COD 值偏高并且都具有一定的波动性，含盐量很高，同时可能具有一定的毒性。我国的医药化工企业几乎都采用间歇式的生产方式，在短时间所生产的药品种类也会有很大变化，这也是导致制药废水的水量、水质以及污染物的种类变化

很大的重要原因。另外，制药废水的一个重要缺点就是其具有非常差的生化性，因此，要想降低治理有很大的难度，并且治理成本较高，这类废水属于治理难度非常大的一类工业废水。

2 生物酶催化技术的概述

在治理制药废水的过程中，我们发现只是采用传统的生化

法和物化法进行治理工作时并没有取得理想的治理效果，治理后的废水也并没有真正符合国家要求的排放标准，这就要求我们应尽快探索出更加低耗、高效并且投资成本更低的制药废水处理新技术，环境污染保护和防治工程中一个重要的研究方向就是将生物技术与环境工程技术紧密的结合起来，而生物酶催化技术就是环境生物技术中的一项关键容，其作为一种新兴的技术，在治理制药废水时是可以取得理想效果的。

2.1 生物酶催化技术去除污染物的机理

采用生物酶催化技术治理废水等各类污染物时，其作用的

原理就是借助于不同种类普通微生物菌的系列生物酶结合技术，酶可以将各类污染物质中的化学键打开，将大分子的有机物降解成了小分子的有机物或是降解成水和二氧化碳等无机物，COD 值也随之降低，能够取得较好的污染物清除效果，废水的处理费用也得到了很大程度降低。（1）接近定向效应。酶的浓度与酶催化反应是成正比例关系的，也就是说酶的浓度越高，那么酶催化反应就越激烈，其能够将反应物全部集中到分子周围，这样它们之间发生碰撞的几率就是非常大的了；（2）形变效应。酶分子能够有效拉长反应物分子中的化学键，并促使其发生变形和扭曲等变化，这样反应物分子就很容易被水解。生物酶催化技术处理制药废水时对设备的情况以及废水的质量都没有太高的要求，反应速度快，反应条件十分温和，对浓度、温度和有毒物质都有着很广的适用围，并且是可以重复处理废水的。

2.2 生物酶催化技术的特点生物酶催化技术与产品作为一类环境友好型产品，其具有去除COD、除磷脱氮和脱色除臭等多种功能，能有效分解各类污染物，生物酶能打开制药废水中的各类大分子有机物，制药废水的可生化性得到了很大提升。（1）替代了现有的传统药剂，处理成本降低30%以上；（2）能够快速、高效的去除废水中的各特征污染物；（3）生物酶催化技术使用效果稳定，并且容易操作，对环境无不良影响；（4）处理量和处理效率都得到了改进，同时出水水质能够稳定达到国家排放标准。

3 生物酶催化技术在制药废水处理中的应用实例

由于现阶段对制药废水并未取得理想的处理效果，我国的一些环保企业已经开始将环境科学技术和生物工程技术有机结合起来了，同时深入研究了生物酶类的选用和开发工作，力求更加低耗、高效并且简单安全地解决制药废水的处理问题。制药废水的可生化性很差，并且色度深、浓度高，而如果能在制药废水处理过程中较好应用生物酶催化技术，那么就能够大大提升废水的可生化性，将难于降解的污染物直接分解，特殊的生物酶具有很好的催化作用，出水就能够达到国家相关部门所要求的排放标准，应用这一技术处理制药废水后，切实降低了制药企业的运行成本，同时也真正保护了环境。

伴随着生命酶解技术的新突破，现代生物酶解技术将广泛地应用于工业、农牧业、医药、环保等众多领域，产生了巨大的经济和社会效益。生物酶解技术是未来生物活性物质提取技术的重要发展道路，大学生物系统工程与食品科学学院以食品科学与营养系食品科学专业研究人员在不断的攻克运用各个领域的技术难题，生物酶解技术的发展将会拥有美好的未来。

技术优势

生物酶解技术的优势在于通过酶的催化作用让物质自体分解，酶催化化学反应的能力叫酶活力(或称酶活性)。酶活力可受多种因素的调节控制，从而使生物体能适应外界条件的变化，维持生命活动。利用不同酶的不同催化作用，掌握物质不同活性成分的特性，能够提