酶的分類、來源和應(yīng)用及酶的化學(xué)模擬
化學(xué)先生 / 2019-07-27
酶的分類、來源和應(yīng)用
據(jù)推測，自然界大約存在2500種酶，其中的2100種已被國際生化學(xué)會(huì)所確認(rèn)，并按酶催化的反應(yīng)類型將其分為6大類:氧化還原酶(oxidoreductase,537種)、轉(zhuǎn)移酶(transferase, 559種)、水解酶(hydrolase, 490種)、裂解酶(lyase, 231種)、連接酶(ligase, 合成酶，83種)和異構(gòu)酶(isomerase,98種)。
酶可以來源于動(dòng)物臟器、植物種子和微生物細(xì)胞。由于微生物種類多，約20萬種，幾乎自然界所有的酶都能從微生物中找到，加之微生物生長周期短，成本低，而且可以通過發(fā)酵大規(guī)模制備，工業(yè)上應(yīng)用的酶主要來源于微生物。
原則上，任何一種化學(xué)反應(yīng)都可以找到一種酶來催化。 然而，在實(shí)際應(yīng)用中有85%是水解酶類，15%是氧化還原酶和異構(gòu)酶，在水解酶中， 蛋白水解酶又占70%，碳水化合物水解酶占26%，脂類水解酶占4%，主要用于輕工和食品等行業(yè)，特別是生產(chǎn)加酶洗滌劑。
在石油化工和精細(xì)化工中最有應(yīng)用潛力的是氧化還原酶，由于20世紀(jì)石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展對(duì)資源和環(huán)境造成了巨大壓力，21世紀(jì)將進(jìn)人清潔能源利用和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的時(shí)代。綜合考慮酶的來源和化學(xué)工業(yè)的需求及可持續(xù)發(fā)展，氧化還原酶和水解酶將是最有應(yīng)用前景的兩大酶類。
酶的化學(xué)模擬
盡管酶催化反應(yīng)具有反應(yīng)速率快、反應(yīng)條件溫和、選擇性高的優(yōu)點(diǎn)，但由于酶是具有催化功能的蛋白質(zhì)，對(duì)熱很不穩(wěn)定，在儲(chǔ)存和反應(yīng)過程中容易失活。
其次由于酶來源于動(dòng)植物和微生物細(xì)胞，酶催化反應(yīng)產(chǎn)物是細(xì)胞新陳代謝的排泄物，在反應(yīng)體系中的濃度不能過高，從而限制了酶催化劑的大規(guī)模制備和酶催化過程的生產(chǎn)強(qiáng)度。對(duì)酶進(jìn)行化學(xué)模擬，合成具有酶的結(jié)構(gòu)和功能的化學(xué)催化劑，一直是催化化學(xué)家追求的目標(biāo)。
然而由于酶是生物大分子，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很難從分子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全合成。即使是結(jié)構(gòu)已知的酶分子，如細(xì)胞色素C-P450和葉綠素，它們的分子分別是由鐵卟啉和鎂卟啉構(gòu)成的。但由于活性中心結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和含有輔酶、金屬離子及輔因子等，用相應(yīng)的過渡金屬卟啉體系去模擬其催化功能仍不夠理想。
20 世紀(jì)80年代初興起的納米半導(dǎo)體光催化和90年代初發(fā)現(xiàn)的鈦硅分子篩選擇氧化，揭開了用無機(jī)催化材料模擬酶催化功能的序幕。它們可以在接近于室溫的條件下模擬光合作用中的水分解和單加氧酶催化氧化反應(yīng)，而且具有很高的活性和選擇性。
由此可見，盡管酶的結(jié)構(gòu)和功能密切相關(guān)，但從應(yīng)用角度而言，酶的化學(xué)模擬不定 要求從分子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行全合成，主要是模擬酶的催化功能。使其具有和化學(xué)催化劑相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，高生產(chǎn)強(qiáng)度，而且容易大規(guī)模制備。
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