仿生粘附材料之生物催化剂固定化技术及其应用研究

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1、仿生粘附材料之生物催化剂固定化技术及其应用研究第1章文献综述1.1生物催化剂的固定化技术化学工业发展是一个不断进步的过程。早在19世纪初，由于生产能力的不足使得化学工业的应用还局限在一个非常窄的领域，而随着20世纪现代化学的发展，化学工业也取得了突破性的进展，已经成为现代社会主要的组成部分⑴。然而传统化学工业所产生的大量废物严重污染了环境，引起了一系列的环境问题，影响到人类的生存质量。人们逐渐认识到建立环境友好、可持续的生产过程的重要性，绿色化学的概念因此产生。其中生物催化剂以其独特的性质和温和友好的催化条件引起了人们的重视，得到了迅猛的发展，在工业生产中具有重要的应用前景[24]。

2、生物催化剂是指一类具有催化功能的生物大分子物质，包括全细胞、酶。生物催化剂的使用可以追溯到古代，但是在20世纪以后才慢慢地应用于工业生产，例如在1932年德国的G.Hildebrandt就已采用酶法生产化学品。随着生物技术的发展，生物催化也取得了巨大的进步，用于生产的对象囊括了从特殊化学品到大宗化学品。如图1.1所示，Adrie等人[5]总结了生物催化在工业上的应用方向。当今，采用手性药物治疗的趋势越来越明显。据统计[6]，在2000年时只有35%的药物是以其单一对映体的形式使用，而该比例在2010年迅速增加到70%。目前，美国食品药品管理局明确规定，消旋体药物在使用的时候需要证明其

3、非治疗对映体不存在胎儿致畸性。然而随着药物分子量变大，结构变得复杂，往往一个药物中存在多个手性中心[7]。因此，在药物及其中间体的合成的过程中需要得到单一的对映体。美国FDA规定药物中的杂质含量不能超过0.5%。因此对于手性药物而言，其非治疗的对映体含量不能超过0.5%，也就是其对映体过量值（ee值）至少达到98%[8]。在传统的化学合成过程中，引入手性中心往往是一个复杂繁琐的过程，需要多步基团的保护和去保护，而且得到的产物的光学纯度可能并不很理想[9]。而生物催化剂以其独特的底物选择性、区域选择性和立体选择性，能简化合成过程，提升产物的品质，在药物合成领域展现出巨大的潜力。..1.

4、2仿生粘附材料贻贝在我国又俗称海红、青口，其干制品被称作淡菜，它属于双壳类软体动物，生活在海滨岩石上，分布于世界各沿海国家。在自然界中，贻贝能够通过足丝附着在海岸线的碟石上，从海水中获取其生存所需的营养物质。在波浪不断冲刷的礁石表面，这种粘附的行为必须具备快速、牢固的特点。而在贻贝的人工养殖中，多釆用浮吊养殖技术，通过以木桩、塑料浮子或聚乙稀绳作为养殖器材，使贻贝附着在上面进行养殖。这些现象说明贻贝能通过足丝牢固地粘附在多种物质的表面，包括礁石、木材、塑料、玻璃等。此外，研究发现贻贝甚至能粘附在用于制造不粘锅的聚四赢乙稀材料上[41]。贻贝在水下展现出的这种独特粘附特性是目前其它化学

5、合成粘合剂所不具备的，因此引起了研究人员的极大兴趣。在贻贝的粘附过程中，足丝的生成和维持发挥着关键的作用，该过程消耗了贻贝总代谢能量的8%-12%[42]。贻贝的足丝由多种蛋白组成，分为三个部分[43]:粘附盘(Plaques)、丝部（Threads)和柄部（Stem)。如图1.3所不，粘附盘与固体表面直接接触进而牢固附着在表面，丝部用于连接粘附盘和柄部，柄部与贻贝足直接相连，而后者则是形成足丝的器官。贻贝足中含与足丝形成相关的多种腺体，如胶原腺和酷腺，以及足丝前体蛋白，如多酷蛋白、胶原蛋白和儿茶酷氧化酶[446]。第2章磁性壳聚糖纳米材料对CO-转氨酶J2315的固定化2.1引言转

6、氨酶（EC2.6.1.X)是一类催化氨基从氨基供体向氨基受体转移的酶。根据其结构的特点，转氨酶家族分为4个亚组[iG7]。其中a-转氨酶属于I，III，IV亚组，而(0-转氨酶属于n亚组。与a-转氧酶不同，CO-转氨酶能催化非a位氨基的转移。CO-转氨酶催化的转氨反应如图2.1所示，该反应需要批咳醛-5-憐酸（PLP)作为辅酶，其作用是作为氨基供体和受体之间氨基和电子的载体。转氨反应的机制属于Ping-Pongbi-bi机制，在反应的前半部分，氨基供体结合酶分子，并将氨基转移给PLP生成批唆胺-5-磷酸（PMP)，并释放相应的产物；在反应的后半部分，PMP将氨基转移到氨基受体上生成P

7、LP并释放氨化后的产物。由(0-转氨酶所催化的转氛反应可知，（0-转氨酶的底物包括氨基供体和氨基受体两个部分。能作为氨基供体的一般包括氨基酸类，胺类和氨基醇类化合物，而氨基受体包括酮酸类、酮类、醒类和酮醇类化合物。而在应用中，人们更加关注的则是利用C0-氨基酸催化制备手性的氛基酸，胺或氨基醇等高附加值的产品。这类产品一般都是非常重要的药物合成原料，作为结构单元出现在天然或合成的药物中。例如用来治疗肿瘤的紫杉醇，其侧链就包含苯基异丝氨酸结构；HIV蛋白抑制剂