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1、第十章第十章 有机溶剂中的酶催化作用有机溶剂中的酶催化作用长期的观点认为长期的观点认为:有机溶剂是酶的变性剂、失有机溶剂是酶的变性剂、失活剂这一传统酶学思想的影响下，活剂这一传统酶学思想的影响下，酶在有机介质中催化作用的研究酶在有机介质中催化作用的研究此前几乎毫无进展。此前几乎毫无进展。这一观点直到这一观点直到19841984年，非水年，非水溶剂中酶催化的研究才取得了突溶剂中酶催化的研究才取得了突破性的进展。破性的进展。1984年美国年美国Klibanov,A.M.在在Science上发表了一篇关于酶在有上发表了一篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的综述。机介质中催化条件和特点的综述。Klib
2、anov等的工作等的工作在仅含微量水的有机介质在仅含微量水的有机介质(Microaqueous media)中成功地酶中成功地酶促合成了酯、肽、手性醇等许多促合成了酯、肽、手性醇等许多有机化合物。有机化合物。基于研究工作，基于研究工作，libanov等提出等提出只要条件合适，酶可以在非生物体系只要条件合适，酶可以在非生物体系的疏水介质中催化天然或非天然的疏的疏水介质中催化天然或非天然的疏水性底物和产物的转化，酶不仅可以水性底物和产物的转化，酶不仅可以在水与有机溶剂互溶体系，也可以在在水与有机溶剂互溶体系，也可以在水与有机溶剂组成的双液相体系，甚水与有机溶剂组成的双液相体系，甚至在仅含微量水或几
3、乎无水的有机溶至在仅含微量水或几乎无水的有机溶剂中表现出催化活性剂中表现出催化活性。这一观点无疑是对酶只能在这一观点无疑是对酶只能在水溶液中起作用传统酶学思想的水溶液中起作用传统酶学思想的挑战挑战酶在非水介质中的催化反应具有在许多常规水溶液中所没有的酶在非水介质中的催化反应具有在许多常规水溶液中所没有的新特征和优势：新特征和优势：可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化，大大拓展了酶催化可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化，大大拓展了酶催化 作用的底物和生成产物的范围；作用的底物和生成产物的范围；改变了催化反应的平衡点，使在水溶液中不能或很难发生的反应改变了催化反应的平衡点，使在水溶液中不能或
4、很难发生的反应 向期望的方向得以顺利进行，如在水溶液中催化水解反应的酶在向期望的方向得以顺利进行，如在水溶液中催化水解反应的酶在 非水介质中可有效催化合成反应的进行；非水介质中可有效催化合成反应的进行；使酶对包括区域专一性和对映体专一性在内的底物专一性大为提使酶对包括区域专一性和对映体专一性在内的底物专一性大为提 高，使对酶催化作用的选择性的有目的的调控的实现成为可能；高，使对酶催化作用的选择性的有目的的调控的实现成为可能；大大提高了一些酶的热稳定性；大大提高了一些酶的热稳定性；由于酶不溶于大多数的有机溶剂，使催化后酶易于回收和重复利由于酶不溶于大多数的有机溶剂，使催化后酶易于回收和重复利 用
5、；用；可有效减少或防止由水引起的副反应的产生；可有效减少或防止由水引起的副反应的产生；可避免杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染；可避免杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染；可方便地利用对水分敏感的底物进行相关的反应；可方便地利用对水分敏感的底物进行相关的反应；当使用挥发性溶剂作为介质时，可使反应后的分离过程能耗降低当使用挥发性溶剂作为介质时，可使反应后的分离过程能耗降低 从上世纪八十年代中期开始，从上世纪八十年代中期开始，酶在非水介质中催化反应的研究酶在非水介质中催化反应的研究十分活跃。十分活跃。现已报导，酯酶、脂肪酶、蛋白现已报导，酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等酶、纤维素
6、酶、淀粉酶等水解酶类；水解酶类；过氧化物酶、过氧化氢酶、醇脱氢酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、多酚氧化酶、多细胞胆固醇氧化酶、多酚氧化酶、多细胞色素氧化酶等色素氧化酶等氧化还原酶类氧化还原酶类和醛缩酶和醛缩酶等等转移酶类转移酶类中的十几种酶在适宜的有中的十几种酶在适宜的有机溶剂中具有与水溶液中可比的催化机溶剂中具有与水溶液中可比的催化活性。活性。用于酶催化的非水介质包括：用于酶催化的非水介质包括：(1)含微量水的有机溶剂；含微量水的有机溶剂；(2)与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系；系；(3)水与有机溶剂形成的两相或多相体系；水与有机溶剂
7、形成的两相或多相体系；(4)胶束与反胶束体系；胶束与反胶束体系；(5)超临界流体；超临界流体；(6)气气 相。相。非水酶学的研究主要集中在三个方面：非水酶学的研究主要集中在三个方面：一、非水酶学基本理论的研究，它包括影一、非水酶学基本理论的研究，它包括影响非水介质中酶催化的主要因素以及响非水介质中酶催化的主要因素以及非水介质中酶学性质。非水介质中酶学性质。二、通过对酶在非水介质中结构与功能的二、通过对酶在非水介质中结构与功能的研究，阐明非水介质中酶的催化机制研究，阐明非水介质中酶的催化机制，建立和完善非水酶学的基本理论；，建立和完善非水酶学的基本理论；三、利用上述理论来指导非水介质中酶催三、利
8、用上述理论来指导非水介质中酶催化反应的应用。化反应的应用。一一非水介质反应体系非水介质反应体系 通常，酶催化反应体系包括了水溶液反应通常，酶催化反应体系包括了水溶液反应体系、有机介质反应体系、气相介质反应体系、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多种，在这些反应超临界流体介质反应体系等多种，在这些反应体系中，除水溶液反应体系外，其他的反应体体系中，除水溶液反应体系外，其他的反应体系统称为非水介质反应体系。在众多非水介质系统称为非水介质反应体系。在众多非水介质反应体系中，以有机介质反应体系的研究最多，反应体系中，以有机介质反应体系的研究最多，应用也最广泛。应用也最广
9、泛。常见的有机介质反应体系主要包括了常见的有机介质反应体系主要包括了微水微水有机介质体系、与水溶性有机溶剂组成的均一有机介质体系、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、与水不不溶性有机溶剂组成的两相或多体系、与水不不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系、胶束体系和反胶束体系相体系、胶束体系和反胶束体系等。等。1 微水有机介质体系微水有机介质体系 微水有机介质体系是由有机微水有机介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系，溶剂和微量的水组成的反应体系，也是有机介质酶催化中应用最为也是有机介质酶催化中应用最为广泛的一种反应体系。广泛的一种反应体系。酶分子的酶分子的结合水结合水对维持酶分子的空间对维持酶分子
10、的空间构象和催化活性至关重要。一般酶都是以构象和催化活性至关重要。一般酶都是以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质之中，在悬浮状态下进行催化反应。之中，在悬浮状态下进行催化反应。2 与水溶性有机溶剂组成的均一体系与水溶性有机溶剂组成的均一体系 由水和极性较大的有机溶剂互相混溶由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成的反应体系，体系中水和有机溶剂的组成的反应体系，体系中水和有机溶剂的含量均较大。含量均较大。酶和底物是以溶解状态存在于体系之酶和底物是以溶解状态存在于体系之中，由于极性大的有机溶剂对一般酶的催中，由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能在
11、这类反应体系化活性影响较大，所以能在这类反应体系中进行催化反应的酶较少。中进行催化反应的酶较少。3 与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系体系 由水和疏水性较强的有机溶剂组成的由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相或多相反应体系。两相或多相反应体系。游离酶、亲水性底物或产物溶解于水游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，而疏水性底物或产物则溶解于有机溶相，而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相中。剂相中。一般这种体系仅适用于底物和产物或一般这种体系仅适用于底物和产物或其中的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中，最常用的是两相体系。其中
12、，最常用的是两相体系。4 胶束和反胶束体系胶束和反胶束体系 当水和有机溶剂同时存在于反应体系当水和有机溶剂同时存在于反应体系时，加入表面活性剂后，两性的表面活性时，加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会形成球状或椭球状的胶束，其大小与剂会形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白质分子在同一数量级上。蛋白质分子在同一数量级上。当体系中水浓度高于有机溶剂时，形当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表面活性剂的极性端朝向胶束的成胶束的表面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端则朝向胶束的中心，有外侧，而非极性端则朝向胶束的中心，有机溶剂就被包在胶束的内部，此时的胶束机溶剂就被包在胶束的内部，此时的胶束
13、就称为就称为正相胶束或简称为胶束正相胶束或简称为胶束；当体系中水浓度低于有机溶剂时，形当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的表面活性剂的极性端朝向胶束的成胶束的表面活性剂的极性端朝向胶束的中，而非极性端则朝向胶束的外侧，水就中，而非极性端则朝向胶束的外侧，水就被包在胶束的内部，此时的胶束就称为被包在胶束的内部，此时的胶束就称为反反相胶束相胶束或简称为或简称为反胶束反胶束。一般而言，在不同的非水介质中进行酶催化时所表现出的催化行为是有区别的 不同反应体系中酶的一些催化行为比较不同反应体系中酶的一些催化行为比较参数参数微水有机介微水有机介质体系质体系水水-有机溶剂有机溶剂两相体系两相体系反胶束体
14、反胶束体系系酶活力酶活力酶负载量酶负载量产率产率产物回收产物回收酶重复使用酶重复使用连续操作连续操作低低高高低低容易容易可能可能可能可能低低高高低低一般一般难难可能可能高高低低高高难难难难难难二二 酶在非水介质中的性质酶在非水介质中的性质酶能在非水介质中发挥催化作用的主要原因是酶在有机介质中能够保持完整的结构和活性中心的空间构象，然而，酶在有机介质中起催化作用时，由于有机溶剂的极性与水有很大差别，对酶的表面结构、活性中心的结合部位和底物性质都会产生一定的影响，从而影响酶的热稳定性、底物特异性、立体选择性、区域选择性和化学键选择性等酶学性质，进而显示出与水溶液中不同的催化特性。1 热稳定性热稳定
15、性许多酶在非水介质中的热稳定性和储存稳定性比相同酶在水溶液中更好，而且这种热稳定性和储存稳定性的提高是难以用化学交联、固定化甚至是蛋白质工程的手段所能达到的，且这种稳定性还与介质中的水含量有关。例如，猪胰脂肪酶在有机溶剂中100 时的半衰期可达数小时，而在水中100几乎马上失活。1%的水浓度会使猪胰脂肪酶的稳定性降低到与水溶液中相同的水平。又如，胰凝乳蛋白酶在无水辛烷中20放置6个月后酶活力没有降低，而在同样温度下酶在水溶液中的半衰期仅有几天。表9.2一些酶在有机介质和水溶液中的热稳定性比较酶条件热稳定性猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯,水，pH7.0T1/2 26 hT1/2 2 min酵母脂肪酶三丁
16、酸甘油酯/庚醇水，pH7.0T1/2 1.5 hT1/2 2 min胰凝乳蛋白酶正辛烷，100水，pH8.0,55T1/2 80 minT1/2 15 min枯草杆菌蛋白酶 正辛烷，110 T1/2 80 min溶菌酶环己烷110水T1/2 140 minT1/2 10 min核糖核酸酶壬烷，110，6 h水，pH8.0,90剩95%活性T1/2 24 hT1/2 50 daysHind III 正庚烷，55，30days 活性没有降低脂蛋白脂肪酶甲苯，90，400 h 剩余活性40%-葡萄糖苷酶 2-丙醇，50，30 h 剩余活性80%酪氨酸酶氯仿，50水，50T1/2 90 minT1/2 10 min酸性磷酸酯酶正十六烷，80水，70T1/2 8.0 minT1/2 1.0 min细胞色素氧化酶甲苯，0.3%水甲苯，1.3%水T1/2 4.0 hT1/2 1.7 min 2 底物专一性底物专一性同水溶液中的酶催化一样，酶在非水介质中对底物的化学结构和立体结构均有严格的选择性。值得指出的是，不同的有机溶剂具有不同的极性，因此，在不同的有机溶剂中酶的底物专一性也是不同的，有机溶剂改变
