[工程科技]酶的生产与应用06

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1、第六章 酶在有机介质质中的催化与应应用郑州牧专生物工程系1第一节有机介质反应体系中水和有机 溶剂对酶催化反应的影响第二节 酶在有机介质中的催化特性第三节 有机介质中酶催化的条件及 其控制第四节 有机介质中酶催化的应用2传统的酶学理论 酶由于具有专一性强，催化效率高和作用条件 温和等显著特点,已在医药、食品、轻工、化工 、能源、环保等领域广泛应用。这些应用大多数 是在水溶液中进行的，有关酶的催化理论也是基 于酶在水溶液中的催化反应而建立起来的。许多 有机溶剂往往会使酶变性失活。因此，人们普遍 认为只有在水溶液中酶才有催化活性。 3酶在有机化学反应中存在的缺陷： 对于大多数有机化学反应来说，水 并

2、不是一种适宜的溶剂。因为大多数 有机化合物在水介质中难溶或不溶。 而且由于水的存在，往往有利于如水 解、消旋化、聚合和分解等副反应的 发生。4 有机介质中的酶促反应的优越性 原先的认识： 1）我们以前的酶学理论知道，酶溶解在水溶液中，而且 酶一定是在水溶液中才能反应，又知道水是个极性分子， 酶只能在极性溶剂中反应。 2）我们又知道有机溶剂是酶的变性剂，用了以后，应 该在尽可能短的时间内去除有机溶剂，再把酶溶解于水中 ，以防止酶的变性和失活。 现在酶工程技术的发展，已经告诉我们，酶反应可在有机 介质中进行，已经成为酶工程、酶化工研究的一个新的领 域，开辟了一个新的研究方向。5 有机介质中酶促反应

3、优越性被认为至少有以下优点： 1）有利于疏水性底物反应（主要提高脂溶性底物的溶解 度，有利于高浓度底物连续生物转化） 2）提高酶反应T，加速反应V，提高酶反应稳定性。 3）可以催化一些在水相中不能进行的反应。（有许多难 溶于水的非极性底物能够溶于有机溶剂中） 4）可以改变反应的平衡方向。（使许多热力学平衡从加 水分解反应转为其逆反应，如酶合成，酯交换等）主要朝 着合成而不是水解的方向进行 6 5）控制底物的专一性。（不同底物反应所选最适溶剂不一定相同） 6）防止由水引起的付反应。 7）扩大反应的pH范围. 8）有利于酶的固定化。 9）酶、产物容易回收。（酶不溶于有机溶剂，有利于产物分离和酶 的

4、回收利用，且从低沸点的溶剂中分离纯化产物比水中容易。） 10）消除底物、产物的抑制作用。 11）防止微生物的污染。7 酶催化作用的新领域： 1984年A.Zaks 和A.M.Klibanov 首次发表了关于非水相介 质中脂肪酶的催化行为及热稳定性的研究报道，引起了广 泛的关注。许多研究表明酯酶、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 定性比在水溶液中显著提高。 酶在有机介质(organic media)中

5、的催化作用：是指酶 在含有一定量水的有机溶剂中进行催化反应的过程。 8 酶在有机介质中的催化反应主要有： 1、水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应； 2、水和有机溶剂组成的双液相体系中进行催化反应； 3、只含有微量水的有机介质，又称为微水介质中进行催化 反应。 结果表明，只要条件适合，酶可以在有机介质中催化疏水 性底物进行反应转化为产物。现在非水酶学方法在多肽合 成、聚合物合成、药物合成以及立体异构体拆分等方面已 经显示出广阔的应用前景。9第一节节有机介质质反应应体系中水和有机溶剂对剂对 酶催化反应应的影响酶在特定的反应体系中，酶分子与底物在一定条 件下相互作用，从而催化底物转化为产物，反应条

6、件：一句话，条件要适宜,在一个特定条 件下进行。反应体系的组成对酶分子的催化活性、酶的稳定 性、酶催化作用底物和催化反应产物的溶解度及 其分布状态、酶催化反应速度等都有显著影响。10 酶催化反应体系主要有： 水溶液反应体系 有机介质反应体系 气相介质反应体系 超临界流体介质反应体系等。 酶分子均可以溶于水，水溶液反应体系是常规的酶反应体 系。其他的反应体系统称为非水介质反应体系，其中以有 机介质反应体系研究最多，应用最广泛11 一、有机介质反应体系 酶在有机介质中进行催化反应的反应体系与 常规的水相催化反应体系有所不同。有机介质反应体系包括1、微水介质体系：是在有机介质酶催化中广泛 应用的一种

7、反应体系1.1微量的水：主要是酶分子的结合水，另外有 一部分水分配在有机溶剂（对维持酶空间构象和 催化活性至关重要）。121.2有机溶剂： 疏水有机溶剂1.3酶：以冻干粉或固定化酶的形式悬 浮于有机介质之中酶在悬浮状态下进行催化反应通常所说的有机介质反应体系主要是 指微水介质体系。13酶催化反应的介质（1）水介质水是酶促反应最常用的反应介质。但是，对于大多数有机化合物来说，水并 不是一种适宜的溶剂.因为许多有机化合物在水介质中难溶或不 溶。而且，由于水的存在，往往有利于如水解 、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。 14（2）非水介质 用某些有机溶剂代替一部分水（不是 全部），许多酶仍然能够保持

8、其催化 活性，并显示出一些重要特性。15酶促反应的有机溶剂体系 微水介质：非极性有机溶剂酶悬浮体系（有机溶剂体系） 用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。但 仍然含有必需的结合水以保持酶的催化活性(含水量一般小于2%)。 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固体载体 表面上。 2.与水互溶的有机溶剂水单相体系（水/水溶性有机熔剂） 极性 有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在 这种体系中。 但有机溶剂极性易引起酶的结构改变 3.非极性有机溶剂水两相体系（水/水不溶性有机溶剂） 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性)相所组成

9、 的两相体系16 4(正)胶束体系 是在大量水溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂，加入表面活 性剂后形成的水包油的微小液滴。表面活性剂的极性端朝外，非极性 端朝内，有机溶剂包在液滴内部。反应时，酶在胶束外面的水溶液中 ，疏水性的底物或产物在胶束内部。反应在胶束的两相界面中进行 5反胶束体系 反胶束又称为反胶团，是指在大量与水不相混溶的有机溶剂中，含有 少量的水溶液，加入表面活性剂后形成的油包水的微小液滴。表面活 性剂的极性端朝内，非极性端朝外，水溶液包在胶束内部。 不管采用何种有机介质反应体系，酶催化反应的介质中都含有机溶剂 和一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响 17在上面系统中，1-

10、3用的多，原因是： 1）因为这几个系统容易建立， 2）产物和酶容易回收、其中又以低水有机系统为好，因为适合疏水的有机溶剂和耐高温（增加稳定性）。 缺点：扩散差，所以反应速度慢等。 18二、水对对有机介质质中酶催化的影响 酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件下，酶分子才能进行催化反 应。所以酶在有机介质中进行催化反应时，水是不可缺少的成分之一。 有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶的催化活性、酶的稳定性、酶 的催化反应速度等都有密切关系，水还与酶催化作用的底物和反应产物的溶 解度有关。 1.水对酶分子空间构象的影响：在无水的条件下，酶的空间构象被破坏，酶 将变性失活。故此，酶分子需要一层水

11、化层，以维持其完整的空间构象。 维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量称为必需水（氢键盐键有关） 例如，每分子凝乳蛋白酶只需50分子的水，就可维持其空间构象而进行正常 的催化反应；每分子多酚氧化酶却需35 X10个水分子，才能显示其催化 活性 19必需水：是维系酶构象稳定和酶催化活性所必需 的那部分最少量的水分子,有时也叫结合水,或者 束缚水。 只要那部分必需水不丢失, 其他的大部分水可以 由有机溶剂代替，所以，有机介质中的酶促反应 在微观上看是水的酶反应，但是在宏观上看是有 机介质中的酶反应。如有的酶反应即使水只占0.015%， 酶仍然有活 性，可以进行酶反应, 而且反应速度非常快。 20

12、*21下面是一个胰脂肪酶的反应速度-水 含量的关系图。 一般认为，一个酶结合水的过程分4步： 1.首先与酶分子表面的带电基团结合一部分水(0- 0.07g/g(水/酶)。 2.再与酶分子表面的极性基团结合一部分水(0.07- 0.25g/g(水/酶)。 3.再聚集到表面相互作用较弱的部位(0.25-0.38g/g(水/酶 )。 4.最后酶分子表面完全水合化，水分子覆盖酶分子表面。22 2水对酶催化反应速度的影响 有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。含量 较低时，酶催化反应速度随水含量的增加而升高 。 在催化反应速度达到最大时的水含量称为最适水含量 。 水可分布在酶分子、有机溶剂、固定

13、化酶的载体或修饰酶 的修饰剂等之中。 用相同的酶，反应体系的最适水含量也会随着有机溶剂的 种类、固定化载体的特性、修饰剂的种类等的变化而有所 差别 23 必需水含量问题： 一般因酶分子本身, 或溶剂系统不同而有所不同。 如脂肪酶有几个水分子, 胰凝乳蛋白酶几十个水分子, 乙醇脱氢酶、多酚氧化酶有几百个水分子。 另外同一个酶在不同溶剂系统中含水也不同。 如胰凝乳蛋白酶，在甲苯中，含水0.5%氯仿等系统中，含 水1.0%，酶活性最高。 一般酶要发挥它的催化活性，必须与有机溶剂系统获得水 分以维持酶必要的水合状态。24 3水活度： 有机介质中含水量来源： 酶分子紧密结合的结合水：是影响酶催化活性的关

14、键因素 溶解在有机溶剂中的游离水：在结合水量不变时，游离水对酶的催化 活性影响较小 在有机介质体系中，酶的催化活性随着结合水量的增加而提高。 所以采用水活度作为参数来研究有机介质中水对酶催化作用的影响更 为确切。 水活度：可以用体系中水的蒸气压与相同条件下纯水的蒸气压之比表 示25 三、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响 有机溶剂是有机介质反应体系中的主要成分之一。 水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、甘油、正丁醇等 水不溶性有机溶剂：石油醚、三氯乙烷、乙酸乙酯、苯、己烷等 在有机介质酶催化反应中，有机溶剂对酶的活力、酶的稳定性、酶的催化特 性和酶催化速度等都有显著的影响。 1有机溶剂对酶

15、结构与功能的影响 在水溶液中，酶分子(除了固定化酶外)均一地溶解于水溶液中，可以较好 地保持其完整的空间结构，有些酶在有机溶剂的作用下，其空间结构会受到 某些破坏，从而使酶的催化活性受到影响甚至引起酶的变性失活。 酶分子在冷冻干燥的过程中，也往往会使酶的活性中心构象受到破坏，所 以在酶的冷冻干燥过程中，应当加进蔗糖、甘露醇等冷冻干燥保护剂，以减 少酶的变性失活。 26 (1)有机溶剂对酶分子表面结构的影响 酶在有机介质中与有机溶剂接 触，酶分子的表面结构将有所变化。枯草杆菌蛋白酶晶体，原来有119 个与酶分子结合的水分子，悬浮在乙腈中后，与酶分子结合的水分子 只有99个 (2)有机溶剂对酶活性中心结合位点的影响 当酶悬浮于有机溶剂中 ，有一部分溶剂能渗入到酶分子的活性中心，与底物竞争活性中心的 结合位点，降低底物结合能力，从而影响酶的催化活性。 2有机溶剂对酶活性的影响 有些有机溶剂，特别是极性较强的有机溶剂，如甲醇、乙醇等， 会夺取酶分子的结合水，影响酶分子微环境的水化层，从而降低酶的 催化活性，甚至引起酶的变性失活。 研究表明，有机溶剂的极性越强，越容易夺取酶分子结合水，对酶活 力的影响就越大。 27 酶在有机介质中进行催化反应，酶