酶的非水相催化ctgu

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1、Chapter 6 Enzymatic catalysis in Non-aqueous system酶的非水相催化酶的非水相催化教学目标：掌握非水相中酶的催化特性及反应条件的选教学目标：掌握非水相中酶的催化特性及反应条件的选 择与控制方法。择与控制方法。教学要求：了解酶催化反应的介质及其特点；理解有机介质教学要求：了解酶催化反应的介质及其特点；理解有机介质 中水和有机溶剂对酶催化反应的影响；掌握非水相中酶中水和有机溶剂对酶催化反应的影响；掌握非水相中酶 的催化特性及反应条件的选择与控制方法。的催化特性及反应条件的选择与控制方法。重点：非水相中酶的催化特性及反应条件的选择与控制。重点：非水相中

2、酶的催化特性及反应条件的选择与控制。难点：有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响。难点：有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响。 Contents of chapter 61、酶催化反应的介质2、有机介质反应体系 3、酶在有机介质中的催化特性 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 GoGoGoGo5、酶非水相催化的应用 Go6.1 6.1 酶催化反应的介质酶催化反应的介质水是酶促反应最常用的反应介质水是酶促反应最常用的反应介质但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶但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剂。因为许多有机化合物( (底物底物) )在水

3、介质中难溶或不溶。在水介质中难溶或不溶。由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。解等副反应的发生。是否存在非水介质能保证酶催化？是否存在非水介质能保证酶催化？在活细胞中酶大多集中在水和有机溶剂的界面，酶在在活细胞中酶大多集中在水和有机溶剂的界面，酶在细胞中的作用模型是含水有机溶剂系统的酶促反应。细胞中的作用模型是含水有机溶剂系统的酶促反应。Hill.A.C(1898)J.Chem.Soc,73,634-658Kastlc,J.C.and LocvCnhart,A.a.(1900)Am Chem,J,24,491-525S

4、ym,E,A(1933)Biochem,Z,258,304-324Sym,E,A(1936)Enzymologia 1,156-160失败的失败的原因？原因？酶催化反应的介质酶催化反应的介质Klibanov 的实验的实验酶催化反应的介质酶催化反应的介质Zaks,A. and Klibanov,A.M(1984),Science224,1249-1251ZaKs,A. and Klibanov,A.M.(1985),Proc.Natl,Acad,Sci. u.s.a. 82,3192-3196.成功的成功的 原因？原因？酶非水相催化的类型有机介质中的酶催化有机介质中的酶催化 有机介质中的酶催化是

5、指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。气相介质中的酶催化气相介质中的酶催化 酶在气相介质中进行的催化反应。适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。 由于气体介质的密度低，扩散容易，因此酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。酶非水相催化的类型酶非水相催化的类型超临界介质中的酶催化超临界介质中的酶催化 酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点的流体。 离子液介质中的酶催化离子液介

6、质中的酶催化 酶在离子液中进行的催化作用。离子液（离子液（ionic ionic liquidsliquids）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好。酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。6.2 6.2 有机介质反应体系有机介质反应体系非极性有机溶剂非极性有机溶剂酶悬浮体系酶悬浮体系( (微水介质体系微水介质体系) ) 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

7、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。与水互溶的有机溶剂与水互溶的有机溶剂水单相体系水单相体系 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。 非极性有机溶剂非极性有机溶剂水两相水两相/ /多相体系多相体系 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性)相所组成的两相体系。（正）胶束体系（正）胶束体系：胶束又称为正胶束或正胶团，是在大量：胶束又称为正胶束或正胶团，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。性剂后形成的水包

8、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。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。物在胶束内部。反应在胶束的两相界面中进行。反胶束体系反胶束体系：又称为反胶团，是指在大量与水不相混溶的：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。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

9、在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。胶束内部。反应时，酶分子在反胶束内部的水溶液中，疏水性底物反应时，酶分子在反胶束内部的水溶液中，疏水性底物或产物在反胶束外部，催化反应在两相的界面中进行。或产物在反胶束外部，催化反应在两相的界面中进行。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。有机溶剂和一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响。 一、反应体系中水对酶催化反应的影响一、反应体系中水对酶催化反应的影响天然酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件下，酶分子才能进行

10、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空间构象、酶的催化活性催化活性、酶的稳定性稳定性、酶的催化催化反应速度反应速度等都有密切关系，水还与酶催化作用的底物和反底物和反应产物的溶解度应产物的溶解度有关。 酶分子只有在空间构象完整的状态下，才具有催化功能。在无水的条件下，酶的空间构象被破坏，酶将变性失活。故此，酶分子需要一层水化层，以维持其完整的空间构象。有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。存在最适水含量最适水含量。必需水必需水猪猪胰胰脂脂肪肪催催化化甘甘油油三三丁丁酸酸酯酯和和正正庚庚醇醇的的转转酯酯反

11、反应应1、必需水、必需水概念概念紧紧吸附在酶紧紧吸附在酶分子表面，维分子表面，维持酶催化活性持酶催化活性所必需的最少所必需的最少水量，称为必水量，称为必需水。需水。干燥酶的水合过程干燥酶的水合过程 与酶分子表面带电基团结合达到0-0.07g水/g酶； 与酶分子表面的极性基团结合(0.07-0.25g/g)； 凝聚到酶分子表面相互作用较弱的部位（0.25-0.38g/g）； 酶分子表面完全水化，被一层水分子覆盖。2 2、酶活与水的关系：、酶活与水的关系：酶活最大时酶活最大时蛋白质结构的动力学刚性蛋白质结构的动力学刚性和热力学稳定性（柔性）之间达到最佳平和热力学稳定性（柔性）之间达到最佳平衡点。衡

12、点。“刚柔并济刚柔并济”3 3、影响酶必需水含量的因素（酶和溶剂）、影响酶必需水含量的因素（酶和溶剂）a a不同酶需水量不同不同酶需水量不同溶菌酶在含水量38%以上，即每个酶分子周围有300 个以上水分子，整个酶被一层单分子水层所包围，酶活性才能发挥。在辛烷中糜蛋白酶催化仅需吸附50个水分子脂肪酶仅需几个水分子就可显示出活性。b.b.同一种酶在不同有机溶剂中最适反应需水量不同同一种酶在不同有机溶剂中最适反应需水量不同溶剂疏水性越强，需水量越少。4 4表征必需水作用的参数表征必需水作用的参数-热力学水活度热力学水活度水活度（water activity)：特定的温度和压力条件下，反应体系中水的摩

13、尔分数 Xw与水活度系数w的乘积： w =w Xww是溶剂疏水性的函数，溶剂疏水性越大，w越大。w w 是一个强质性质的物理量，在平衡状态时，是一个强质性质的物理量，在平衡状态时，反应体系中各组分（酶、溶剂、底物和产物）的反应体系中各组分（酶、溶剂、底物和产物）的w w 是相同的。是相同的。研究水活度的意义研究水活度的意义1 1、最佳水活度与溶剂的极性几乎无关，大、最佳水活度与溶剂的极性几乎无关，大约在约在0.550.55左右。左右。2 2、可以排除溶剂对最适含水量的影响。、可以排除溶剂对最适含水量的影响。3 3、水活度可由反应体系中水的蒸汽压除以、水活度可由反应体系中水的蒸汽压除以在相同条件

14、下纯水的蒸汽压而测得。在相同条件下纯水的蒸汽压而测得。二、有机溶剂对酶催化反应的影响二、有机溶剂对酶催化反应的影响 常用的有机溶剂有辛烷，正己烷，苯，吡啶，丙醇，乙腈，二氯甲烷等。1 1、有机溶剂对酶结构与功能的影响有机溶剂对酶结构与功能的影响 在有机溶剂中，酶分子（经过修饰后可溶于有机溶剂者除外）不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反应。根根据酶分子的特性和有机溶剂的特性的不同，保持其空间结构据酶分子的特性和有机溶剂的特性的不同，保持其空间结构完整性的情况也有所差别完整性的情况也有所差别。 u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。u当酶悬浮于有机溶剂中，有一部分溶剂能渗

15、入到酶分子的活性中心，会降低活性中心的极性，可能降低酶与底物的结合能力；可能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 2、有机溶剂对酶活性的影响有机溶剂对酶活性的影响 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。因此应选择极性适宜的溶剂，控制好介质中的含水量，避免酶在有机介质中因脱水作用而避免酶在有机介质中因脱水作用而影响其催化活性影响其催化活性。 u有机溶剂极性的强弱可以用极性系数lgP表示。P是指溶剂在正辛烷与水两相中的分配系数。极性系数越大，表明其极性越小；反之极性系数越小

16、，则极性越强。 u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。极性系数lg P 2的极性溶剂一般不适宜作为有机介质酶催化的溶剂使用。 （1 1）单相共溶剂体系单相共溶剂体系中，有机溶剂对酶活性影响中，有机溶剂对酶活性影响有机溶剂直接作用于酶，破坏维持酶活性构象的氢键和疏水作用力，或破坏酶周围水化层，使酶失活或变性。有些酶的活性会随着某些有机溶剂浓度升高而增大，在某一浓度（最适浓度）达到最大值；若浓度再升高，则活性下降。（2 2）低水有机溶剂体系低水有机溶剂体系中，大部分酶活性得以保存，中，大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活性亦变化。但也有某些酶活性亦变化。（3

17、 3）反向微团体系反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加中，微团效应使某些酶活性增加酶活力依赖微团的水化程度，即取决于水与表面活性剂的摩尔比（R）。超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性（Super-activity）。认为：超活性是由围绕在酶分子外面的表面活性剂这一外壳之较大刚性所引起。超活性产生机理超活性产生机理根根 据据 （1 1）微团水化程度（）微团水化程度（W W） （W=HW=H2 2O/O/表面活性剂表面活性剂 ）的最佳值和）的最佳值和酶活性的最大值呈正相关。酶活性的最大值呈正相关。（）（）W W值最佳时，微团内径总是相当于被包值最佳时，微团内径总是相当于被包裹的

18、酶分子直径。裹的酶分子直径。 3 3、有机溶剂对底物和产物分配的影响有机溶剂对底物和产物分配的影响有机溶剂与水之间的极性不同，在反应过程中会影响底物和产物的分配，从而影响酶的催化反应。有机容剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。一般选用2lg P5的有机溶剂作为有机介质为宜。6.3 6.3 酶在有机介质中的催化特性酶在有机介质中的催化特性 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，从而显示出与水相介质中不同的催化特性。 在有机介质中，由于酶分子活性中心的结合部在有机介质中，由于酶分子活性中心的结合部位与底物

19、之间的结合状态发生某些变化，致使酶位与底物之间的结合状态发生某些变化，致使酶的底物特异性会发生改变。的底物特异性会发生改变。 不同的有机溶剂具有不同的极性，所以在不同不同的有机溶剂具有不同的极性，所以在不同的有机介质中，酶的底物专一性也不一样。在极的有机介质中，酶的底物专一性也不一样。在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反应；而在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的应；而在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易反应。底物容易反应。 1 1、底物专一性、底物专一性2 2、对映体选择性、对映体选择性（enantioselectivityenant

20、ioselectivity） 又称为立体选择性或立体异构专一性，是又称为立体选择性或立体异构专一性，是酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小的指标。能力大小的指标。酶在有机介质中催化，与在水溶液中催化比酶在有机介质中催化，与在水溶液中催化比较，由于介质的特性发生改变，而引起酶的对较，由于介质的特性发生改变，而引起酶的对映体选择性也发生改变。映体选择性也发生改变。酶在水溶液中催化的立体选择性较强，而在酶在水溶液中催化的立体选择性较强，而在疏水性强的有机介质中，酶的立体选择性较差。疏水性强的有机介质中，酶的立体选择性较差。3 3、区域选择性、区域选

21、择性 酶在有机介质中进行的催化反应具有区域选酶在有机介质中进行的催化反应具有区域选择性（择性（regioselectivityregioselectivity）, , 即酶能够选择底物即酶能够选择底物分子中某一区域的基团优先进行反应。分子中某一区域的基团优先进行反应。4 4、键选择性：键选择性： 酶在有机介质中进行的催化反应具有化学键酶在有机介质中进行的催化反应具有化学键选择性。键选择性与酶的来源和有机介质的种类选择性。键选择性与酶的来源和有机介质的种类有关。有关。 5 5、稳定性、稳定性热稳定性提高；储存稳定性提高热稳定性提高；储存稳定性提高例：丹麦例：丹麦Nove公司生产的脂肪酶公司生产的

22、脂肪酶Lipozyme TM TM，在水溶液，在水溶液中中6060保温保温1 1小时后剩余的酶活只有小时后剩余的酶活只有10%10%，而在橄榄油中同，而在橄榄油中同样条件下脂肪酶的剩余酶活仍近样条件下脂肪酶的剩余酶活仍近100%100%。 6060对乌桕脂和对乌桕脂和硬脂酸甲酯的转化反应硬脂酸甲酯的转化反应2424小时后，酶仍保持小时后，酶仍保持82%82%。 在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密切相关；在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密切相关；一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定；含水量超出临界一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定；含水量超出临界含水量后酶稳定性随含水量的增加而

23、急剧下降。含水量后酶稳定性随含水量的增加而急剧下降。 6 6、pHpH值特性值特性在有机介质反应中，酶所处的pH 环境与酶在冻干或吸附到载体上之前所使用的缓冲液 pH 值相同。这种现象称之为pH印记（pH-imprinting）或称为pH记忆。酶在有机介质中催化反应的最适pH值通常与酶在水溶液中反应的最适pH 值接近或者相同。利用酶的这种pH印记特性，可以通过控制缓冲液中pH值的方法，达到控制有机介质中酶催化反应的最适pH值。有机相酶反应的优点有机相酶反应的优点1 1有利于疏水性底物的反有利于疏水性底物的反应，应， 能催化在水中不能进行的反应。能催化在水中不能进行的反应。2 2可提高酶的热稳定

24、性。可提高酶的热稳定性。3 3可改变反应平衡移动方向。可改变反应平衡移动方向。4 4. . 可控制底物专一性。可控制底物专一性。5. 5. 酶和产物易于回收。酶和产物易于回收。6. 6. 可避免微生物污染。可避免微生物污染。6.4 6.4 有机介质中酶催化反应的条件及其控制有机介质中酶催化反应的条件及其控制酶在有机介质中可以催化多种反应，主要包括：酶在有机介质中可以催化多种反应，主要包括：合成反应、转移反应、醇解反应、氨解反应、异构合成反应、转移反应、醇解反应、氨解反应、异构反应、氧化还原反应、裂合反应等。反应、氧化还原反应、裂合反应等。酶在有机介质中的各种催化反应受到各种因素的酶在有机介质中

25、的各种催化反应受到各种因素的影响：酶的种类和浓度、底物的种类和浓度、有机影响：酶的种类和浓度、底物的种类和浓度、有机溶剂的种类，水含量、温度、溶剂的种类，水含量、温度、pHpH和离子强度等。和离子强度等。u酶种类的选择：酶种类的选择：应具有对有机介质变性的潜在能应具有对有机介质变性的潜在能力，在有机介质中能保持其催化活性构象，还要特力，在有机介质中能保持其催化活性构象，还要特别注意酶的稳定性、底物专一性、对映体选择性、别注意酶的稳定性、底物专一性、对映体选择性、区域选择性、键选择性等。区域选择性、键选择性等。 u酶形式的选择：酶形式的选择： 酶粉：酶粉：a-a-胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，催

26、化活性随胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，催化活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。反应体系中酶量的减少而显著增加。 化学修饰酶：化学修饰酶：SOD SOD 经糖脂修饰后变成脂溶性，对温度、经糖脂修饰后变成脂溶性，对温度、pHpH、蛋白酶水解的稳定性均高于天然、蛋白酶水解的稳定性均高于天然SODSOD。 固定化酶：酶固定在不溶性载体上，对抗有机介质变性固定化酶：酶固定在不溶性载体上，对抗有机介质变性的能力、反应速度、热稳定性等都可提高的能力、反应速度、热稳定性等都可提高。1 1、酶的选择、酶的选择固定化载体的影响固定化载体的影响 载体能通过分配效应剧烈地改变酶微环境中底物和产物载体能通过分配效应剧

27、烈地改变酶微环境中底物和产物的局部浓度。的局部浓度。例：在水浴液中，底物肉桂酸浓度在例：在水浴液中，底物肉桂酸浓度在0.1mmol/L 0.1mmol/L 以上可强以上可强烈抑制马肝酸脱氢酶，但在乙酸丁酯中使用亲水载体固定烈抑制马肝酸脱氢酶，但在乙酸丁酯中使用亲水载体固定化酶，底物浓度高达化酶，底物浓度高达50mmol/L 50mmol/L 也不会发生抑制作用。也不会发生抑制作用。 载体影响酶分子上的结合水载体影响酶分子上的结合水 通过载体与酶之间形成的多点结合作用，可稳定酶的催通过载体与酶之间形成的多点结合作用，可稳定酶的催化活性构象。化活性构象。例：例：-胰凝乳蛋白酶与聚丙烯酰胺凝胶共价结

28、合后，在乙胰凝乳蛋白酶与聚丙烯酰胺凝胶共价结合后，在乙醇中的稳定性明显提高，并且对有机溶剂的抗性随酶与载醇中的稳定性明显提高，并且对有机溶剂的抗性随酶与载体间共价键数量的增加而增强。体间共价键数量的增加而增强。 生物印迹生物印迹(bio-imprint)(bio-imprint)是一种通过酶与配体问是一种通过酶与配体问的相互作用、诱导，从而改变酶的构象的方法。的相互作用、诱导，从而改变酶的构象的方法。 其原理是利用酶在水溶液中的柔性，加人手性其原理是利用酶在水溶液中的柔性，加人手性竞争性抑制剂，然后将这种酶竞争性抑制剂，然后将这种酶- -抑制剂复合物转入抑制剂复合物转入亲脂性溶剂，使酶的三维结

29、构以一种改性的状态被亲脂性溶剂，使酶的三维结构以一种改性的状态被“冻结冻结”，除去抑制剂的改性酶凭借其，除去抑制剂的改性酶凭借其“记忆记忆”功功能就具有了对底物的立体选择性。能就具有了对底物的立体选择性。 利用生物印迹方法可以调控酶的底物专一性、利用生物印迹方法可以调控酶的底物专一性、立体选择性和对映体选择性等。立体选择性和对映体选择性等。生物印迹的过程如下：生物印迹的过程如下：(1)(1)将酶溶于含有其配体的缓冲溶液中，使酶的构将酶溶于含有其配体的缓冲溶液中，使酶的构 象被诱导而发生变化；象被诱导而发生变化；(2)(2)将此酶液冷冻干燥形成酶粉，水分不经融化直将此酶液冷冻干燥形成酶粉，水分不

30、经融化直 接升华，可以固定酶的构象；接升华，可以固定酶的构象；(3)(3)用有机溶剂冲洗冻干的酶粉，除去印迹分子；用有机溶剂冲洗冻干的酶粉，除去印迹分子；(4)(4)将有机溶剂冲洗过的酶粉过滤并真空干燥。将有机溶剂冲洗过的酶粉过滤并真空干燥。 人人们们利利用用酶酶与与配配体体的的相相互互作作用用性性质质，诱诱导导改改变变酶酶分分子子的的构构象象，制制备备出出具具有有结结合合特特定定配配体体能能力力的的新新型型酶酶制制剂剂。KlibanovKlibanov 等等将将枯枯草草杆杆菌菌蛋蛋白白酶酶从从含含有有竞竞争争性性抑抑制制剂剂N-Ac-TyrN-Ac-Tyr配配体体（竞竞争争性性抑抑制制剂剂）

31、的的缓缓冲冲液液中中沉沉淀淀、干干燥燥、除除配配体体后后，放放在在无无水水有有机机溶溶剂剂中中，发发现现被被配配体体印印迹迹后后酶酶的的催催化化活活性性提提高高100100倍，而在水溶液中则无此现象产生。倍，而在水溶液中则无此现象产生。生物印迹的实例生物印迹的实例2 2、底物的选择和浓度控制、底物的选择和浓度控制 酶在有机介质中的底物专一性与在水溶液中的专酶在有机介质中的底物专一性与在水溶液中的专一性有些差别，所以要根据酶在所使用的有机介质一性有些差别，所以要根据酶在所使用的有机介质中的专一性选择适宜的底物。中的专一性选择适宜的底物。底物的浓度对酶催化反应速度有显著影响，一般底物的浓度对酶催化

32、反应速度有显著影响，一般说来，在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度说来，在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速度随底物浓度的升高而增大。当底物达到一定浓度以随底物浓度的升高而增大。当底物达到一定浓度以后，再增加底物浓度，反应速度的增大幅度逐渐减后，再增加底物浓度，反应速度的增大幅度逐渐减少，最后趋于平衡，逐步接近最大反应速度。少，最后趋于平衡，逐步接近最大反应速度。 3 3、有机溶剂的选择、有机溶剂的选择 有机溶剂是影响酶在有机介质中催化的关键因素之一，有机溶剂是影响酶在有机介质中催化的关键因素之一，在使用过程中要根据具体情况进行选择。在使用过程中要根据具体情况进行选择。有机溶剂的极性选择要适

33、当有机溶剂的极性选择要适当极性过强（极性过强（lgP 2）的溶剂，会夺取较多的酶分子表面）的溶剂，会夺取较多的酶分子表面结合水，影响酶分子的结构，并使疏水性底物的溶解度降结合水，影响酶分子的结构，并使疏水性底物的溶解度降低，从而降低酶反应速度，在一般情况下不选用；低，从而降低酶反应速度，在一般情况下不选用； 极性过弱（极性过弱（lgP 5）的溶剂，虽然对酶分子必需水的夺）的溶剂，虽然对酶分子必需水的夺取较少，疏水性底物在有机溶剂中的溶解度也较高，但是取较少，疏水性底物在有机溶剂中的溶解度也较高，但是底物难于进入酶分子的必须水层，催化反应速度也不高。底物难于进入酶分子的必须水层，催化反应速度也不

34、高。通常选用通常选用2 lgP 5 的溶剂作为催化反应介质。的溶剂作为催化反应介质。 有机溶剂与反应的匹配性有机溶剂与反应的匹配性（即相容性）（包括反应产物（即相容性）（包括反应产物与溶剂的匹配性，极性产物倾向于保留在酶附近，可能引与溶剂的匹配性，极性产物倾向于保留在酶附近，可能引起产物抑制或不必要的副反应发生。起产物抑制或不必要的副反应发生。例：对于酶促糖改性而言，使用疏水性的，与水不互溶例：对于酶促糖改性而言，使用疏水性的，与水不互溶的溶剂是不现实的，因为不溶性底物和不溶性的酶之间无的溶剂是不现实的，因为不溶性底物和不溶性的酶之间无相互作用，必须用亲水性的溶剂（如吡啶或二甲基甲酰胺）相互作

35、用，必须用亲水性的溶剂（如吡啶或二甲基甲酰胺）例：在己烷中聚苯酚氧化酶催化反应中，极性的苯醌产例：在己烷中聚苯酚氧化酶催化反应中，极性的苯醌产物不溶于己烷，导致在酶周围的水层发生不需要的聚合，物不溶于己烷，导致在酶周围的水层发生不需要的聚合，该聚合物缠住酶，降低酶活，而在极性更强的氯仿中，苯该聚合物缠住酶，降低酶活，而在极性更强的氯仿中，苯醌分配到主体溶剂中不会使酶失活。醌分配到主体溶剂中不会使酶失活。有机溶剂对酶催化反应是惰性的有机溶剂对酶催化反应是惰性的例：酯基转移反应涉及到醇对于酯的亲核攻击而产生另一例：酯基转移反应涉及到醇对于酯的亲核攻击而产生另一种酯，如果溶剂也是酯，就会生成以溶剂为

36、基础的酯，如种酯，如果溶剂也是酯，就会生成以溶剂为基础的酯，如果溶剂是醇，也会得到类似结果。果溶剂是醇，也会得到类似结果。4 4、水含量的控制、水含量的控制 有机介质中，水的含量对酶分子的空间构象和有机介质中，水的含量对酶分子的空间构象和酶催化反应速度有显著影响。酶催化反应速度有显著影响。要通过试验确定反应体系的最适水含量。要通过试验确定反应体系的最适水含量。最适水含量与溶剂的极性有关，通常随溶剂极性最适水含量与溶剂的极性有关，通常随溶剂极性的增大，最适水含量也增大；而达到最大反应速的增大，最适水含量也增大；而达到最大反应速度的水活度却变化不大，都在度的水活度却变化不大，都在0.50.50.6

37、0.6之间。之间。在实际应用时应当控制反应体系的水活度在在实际应用时应当控制反应体系的水活度在0.50.50.60.6的范围内。的范围内。5 5、温度控制、温度控制 温度是影响酶催化作用的主要因素之一。温度是影响酶催化作用的主要因素之一。在最适温度下酶催化的反应速度达到最大。在最适温度下酶催化的反应速度达到最大。在微水有机介质中，由于水含量低，酶的热在微水有机介质中，由于水含量低，酶的热稳定性增强，所以其最适温度高于在水溶液中稳定性增强，所以其最适温度高于在水溶液中催化的最适温度。催化的最适温度。要注意的是酶与其它非酶催化剂一样，温度要注意的是酶与其它非酶催化剂一样，温度升高时，其立体选择性降

38、低。升高时，其立体选择性降低。 6 6、 pHpH值的控制值的控制 酶在有机介质中催化的最适酶在有机介质中催化的最适pHpH值通常与在水溶值通常与在水溶液中催化的最适液中催化的最适pHpH值相同或者接近。值相同或者接近。在有机介质中，酶的催化活性与酶在缓冲溶液中在有机介质中，酶的催化活性与酶在缓冲溶液中的的pHpH值和离子强度有密切关系。值和离子强度有密切关系。酶分子从缓冲溶液转到有机介质后，酶分子保留酶分子从缓冲溶液转到有机介质后，酶分子保留了原有的了原有的pHpH印记。印记。通过调节缓冲溶液通过调节缓冲溶液pHpH和离子强度的方法对有机介和离子强度的方法对有机介质中酶催化的质中酶催化的pH

39、pH值和离子强度进行调节控制。值和离子强度进行调节控制。6.5 6.5 酶非水相催化的应用酶非水相催化的应用 酶酶 催化反应催化反应 应用应用 脂肪酶脂肪酶 肽合成肽合成 青霉素青霉素G G前体肽合成前体肽合成 酯合成酯合成 醇与有机酸合成酯类醇与有机酸合成酯类 转酯转酯 各种酯类生产各种酯类生产 聚合聚合 二酯的选择性聚合二酯的选择性聚合 酰基化酰基化 甘醇的酰基化甘醇的酰基化蛋白酶蛋白酶 肽合成肽合成 合成多肽合成多肽 酰基化酰基化 糖类酰基化糖类酰基化羟基化酶羟基化酶 氧化氧化 甾体转化甾体转化过氧化物酶过氧化物酶 聚合聚合 酚类、胺类化合物的聚合酚类、胺类化合物的聚合多酚氧化酶多酚氧化

40、酶 氧化氧化 芳香化合物的羟基化芳香化合物的羟基化 胆固醇氧化酶胆固醇氧化酶 氧化氧化 胆固醇测定胆固醇测定醇脱氢酶醇脱氢酶 酯化酯化 有机硅醇的酯化有机硅醇的酯化一、手性药物的拆分一、手性药物的拆分 手性药物：化学组成相同，而其立体结构手性药物：化学组成相同，而其立体结构互为对映体的两种异构体化合物。互为对映体的两种异构体化合物。手性药物两种对映体的药理作用手性药物两种对映体的药理作用 药物名称有效对映体的作用另一种对映体的作用普萘洛尔（Propranolol）萘普生（Neproxen）青霉素胺（Penicillamine）羟基苯哌嗪(Dropropizine)反应停（Thalidomide

41、）酮基布洛芬（Ketoprofen）喘速宁（Trtoquinol）乙胺丁醇（Ethambutol）萘必洛尔（Kebivolol）S构型，治疗心脏病,-受体阻断剂S构型，消炎、解热、镇痛S构型，抗关节炎S构型，镇咳S构型，镇静剂S构型，消炎S构型，扩张支气管S,S构型，抗结核病右旋体，治疗高血压,-受体阻断剂R构型，钠通道阻滞剂R构型，疗效很弱R构型，突变剂R构型，有神经毒性R构型，致畸胎R构型，防治牙周病R构型，抑制血小板凝集R,R构型，致失明左旋体，舒张血管1992年，美国FDA明确要求对于具有手性特性的化学药物，都必需说明其两个对映两个对映体在体内的不同生理活性、药理作用以及药物代谢动力学

42、情况体在体内的不同生理活性、药理作用以及药物代谢动力学情况。许多国家和地区也都制定了有关手性药物的政策和法规。这大大推动了手性药物拆分的研究和生产应用。目前提出注册申请和正在开发的手性药物中，单一对映体药物占绝大多数。 概念 光学活性物质：能使平面偏振光旋转的化合物为光学活性物质：能使平面偏振光旋转的化合物为光学活性物质。光学活性物质。 手性：一个具有光学活性的有机物不能与它的镜手性：一个具有光学活性的有机物不能与它的镜像重合像重合 对映异构体：两个互为镜像但不能重合的对映体对映异构体：两个互为镜像但不能重合的对映体称为对映异构体，它们旋光能力相同，但方向相反。称为对映异构体，它们旋光能力相同

43、，但方向相反。 外消旋体：等量对映异构体的混合物没有光学活外消旋体：等量对映异构体的混合物没有光学活性，成为外消旋体。性，成为外消旋体。 外消旋体拆分：即利用拆分技术将外消旋体的两外消旋体拆分：即利用拆分技术将外消旋体的两个对映体分开。通过外消旋体的拆分可得纯的光绪个对映体分开。通过外消旋体的拆分可得纯的光绪活性物质。活性物质。光学活性物质的制备技术光学活性物质的制备技术 不对称合成法不对称合成法 以含有手性中心的天然化合物即手性源为原以含有手性中心的天然化合物即手性源为原料，通过传统的化学合成方法，保留其活性中心，料，通过传统的化学合成方法，保留其活性中心，获得新的手性化合物；也可以用前手性

44、底物与手获得新的手性化合物；也可以用前手性底物与手性助剂或手性催化剂反应，生成光学活性产物。性助剂或手性催化剂反应，生成光学活性产物。酶是一类具有催化活性的蛋白质，本身就是手性酶是一类具有催化活性的蛋白质，本身就是手性物质，因此可作为不对称合成的手性催化剂。物质，因此可作为不对称合成的手性催化剂。外消旋体拆分外消旋体拆分 利用拆分技术将外消旋体的两个对映体分开。利用拆分技术将外消旋体的两个对映体分开。非生物拆分法：非生物拆分法： 机械分离法；机械分离法； 形成和分离对形成和分离对映体异构法；映体异构法； 色谱分离法；色谱分离法； 动力学拆分。动力学拆分。生物拆分法：利用一个酶或一系列酶。生物拆

45、分法：利用一个酶或一系列酶。 非水相酶反应的应用研究热点是手性产品的合成非水相酶反应的应用研究热点是手性产品的合成和开发。脂肪酶和酯酶应用最多。和开发。脂肪酶和酯酶应用最多。 工业应用：奥地利的工业应用：奥地利的Chemie-linz 公司已从美国公司已从美国MIT 购买了购买了Klibanov 教授的非水相酶催化法拆分教授的非水相酶催化法拆分a-a-卤代丙酸的专利许可，并建立了中试工厂，大批量卤代丙酸的专利许可，并建立了中试工厂，大批量生产光学活性除草剂中间体。生产光学活性除草剂中间体。 生物拆分法原理生物拆分法原理：实质为动力学拆分过程，即两：实质为动力学拆分过程，即两个对映体竞争酶的同一

46、个活性中心位置，两者的反个对映体竞争酶的同一个活性中心位置，两者的反应速率不同，产生选择性，从而使反应产物具有光应速率不同，产生选择性，从而使反应产物具有光学活性。学活性。生物拆分法生物拆分法快：E+AE+P慢：E+BE+Q 表征参数：对映体选择率 底物中一对异构体（同一个酶的两种竞争性底物）的Vm/Km之比；反映某一拆分过程的效果，也表征酶选择性的大小，是酶反应的特征参数。二、多肽的合成二、多肽的合成 例：例：a-a-胰蛋白酶可以催化胰蛋白酶可以催化N- N- 乙酰色氨酸乙酰色氨酸与亮氨酸合成二肽。与亮氨酸合成二肽。u水中反应合成率为0.1%以下；u在乙酸乙酯和微量水组成的系统中，合成率可达

47、100%。三、甾体转化三、甾体转化 例可的松转化为氢化可的松的酶促反应，例可的松转化为氢化可的松的酶促反应，在水在水- -乙酸丁酯或水乙酸丁酯或水- -乙酸乙酯组成的系统乙酸乙酯组成的系统中，转化率高达中，转化率高达100%100%和和90%90%。脂肪酶脂肪酶- -位置选择性酯化反应位置选择性酯化反应葡萄糖苷葡萄糖苷-6-O-6-O-酰基衍生物是一种可生物降解的非离子表酰基衍生物是一种可生物降解的非离子表面活性剂，它可以用脂肪酸和葡萄糖苷在脂肪酶催化下进面活性剂，它可以用脂肪酸和葡萄糖苷在脂肪酶催化下进行选择性酯化得到：行选择性酯化得到：糖酯的合成糖酯的合成脂肪酶脂肪酶- -消旋化合物选择性

48、酯化消旋化合物选择性酯化以以2-2-取代取代-1,3-1,3-丙二醇和脂肪酸为原料，在有机溶剂介丙二醇和脂肪酸为原料，在有机溶剂介质中用脂肪酶质中用脂肪酶(CCL)(CCL)或猪肝酯酶（或猪肝酯酶（PLEPLE）催化酯化反应，）催化酯化反应，可得到较高光学纯度的可得到较高光学纯度的R R- -或或S-S-酯。酯。脂肪酶脂肪酶- -消旋化合物的拆分消旋化合物的拆分 有机介质中用脂肪酶有机介质中用脂肪酶(PSL)(PSL)催化酯化用于催化酯化用于-羟基羟基- -,- -不饱和酯的拆分。可以避免副反应的发生。不饱和酯的拆分。可以避免副反应的发生。脂肪酶脂肪酶- -内酯合成反应内酯合成反应 - -羟基

49、酸或它的酯在羟基酸或它的酯在脂肪脂肪酶催化下，发生分子内环化作用酶催化下，发生分子内环化作用得到内酯化合物。内酯可继续反应形成开链寡聚物得到内酯化合物。内酯可继续反应形成开链寡聚物. .内酯化内酯化产物形式主要取决于羟基酸的长度外产物形式主要取决于羟基酸的长度外，也取决于脂肪酶的也取决于脂肪酶的类型类型、溶剂及温度等溶剂及温度等。生物柴油生物柴油 生物柴油是利用生物油脂生产的有机燃料，是由动物、生物柴油是利用生物油脂生产的有机燃料，是由动物、植物或微生物油脂与小分子醇类经过酯交换反应而得到植物或微生物油脂与小分子醇类经过酯交换反应而得到的脂肪酸酯类物质。可以代替柴油作为柴油发动机的燃的脂肪酸酯

50、类物质。可以代替柴油作为柴油发动机的燃料使用。料使用。 生物油脂的来源：菜子油，豆油，椰子油，棕榈油、蓖麻油、棉籽油，葵花籽 油，废食用油等优点：优点：（1） 具有良好的环境属性（2） 具有较好的低温发动机启动性能。（3） 具有较好的润滑性能。（4） 具有较好的安全性能。（5） 具有良好的燃料性能。（6） 具有可再生性能。从生物质到生物柴油生物柴油生产装备美国生物柴油发展趋势美国生物柴油发展趋势生物柴油的生产方法生物柴油的生产方法目前生物柴油主要是用化学法生产，采用酸、碱催化油脂与甲采用酸、碱催化油脂与甲醇之间的转酯反应，而生成脂肪酸甲酯醇之间的转酯反应，而生成脂肪酸甲酯。反应时间短，成本低。

51、但在反应过程中使用过量的甲醇，而使后处理过程变得较为繁杂。能耗高；色泽深，在高温下容易变质；酯化产物难于回收；生产过程有废碱液排放新方法：生物酶法，生物酶法，在有机介质中，脂肪酶可以催化油脂与小在有机介质中，脂肪酶可以催化油脂与小分子醇类的酯交换反应，生成小分子的酯类混合物分子醇类的酯交换反应，生成小分子的酯类混合物。条件温和，醇用量小、无污染排放。缺点：对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为40%60%，酶的使用寿命短。副产物甘油和水难于回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对固定化酶有毒性，使固定化酶使用寿命短。本章目录思思 考考 题题1 1、何谓酶的非水相催化，非水相中酶的特性和酶促、何谓酶的非水

52、相催化，非水相中酶的特性和酶促反应的特点是什么？反应的特点是什么？2 2、为什么在非水相中酶仍然可以保持催化活性和稳、为什么在非水相中酶仍然可以保持催化活性和稳定性？定性？3 3、什么是必需水和水活度，水如何影响非水相中酶、什么是必需水和水活度，水如何影响非水相中酶的特性？的特性？4 4、分析、分析lgPlgP与酶活性之间的关系。与酶活性之间的关系。5 5、在有机溶剂中如何调节酶的催化活性和选择性？、在有机溶剂中如何调节酶的催化活性和选择性？ 何谓酶的非水相催化，非水相中酶的何谓酶的非水相催化，非水相中酶的特性和酶促反应的特点是什么？特性和酶促反应的特点是什么？酶在非水介质中进行的催化作用称为

53、酶的非水相酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非水相催化。催化。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，从而显示出与水相介质中不同的催化特性。如底物专一性发生变化，具有对映体选择性、区域选择性、化学键选择性；热稳定性提高，储存稳定性提高；最适pH相近。1 1有利于疏水性底物的反有利于疏水性底物的反应，应， 能催化在水中不能进行的反应。能催化在水中不能进行的反应。2 2可提高酶的热稳定性。可提高酶的热稳定性。3 3可改变反应平衡移动方向。可改变反应平衡移动方向。4 4. . 可控制底物专一性。可控制底物专一性。

54、5. 5. 酶和产物易于回收。酶和产物易于回收。6. 6. 可避免微生物污染。可避免微生物污染。非水相中酶促反应的特点非水相中酶促反应的特点 为什么在非水相中酶仍然可以保持为什么在非水相中酶仍然可以保持催化活性和稳定性？催化活性和稳定性？ 在适宜的非水相中，合适的水分含量维在适宜的非水相中，合适的水分含量维持了酶分子的完整空间构象，使得酶分子持了酶分子的完整空间构象，使得酶分子结构具有一定的柔性，极性适宜的有机溶结构具有一定的柔性，极性适宜的有机溶剂使得酶分子的刚性增加，因此，在非水剂使得酶分子的刚性增加，因此，在非水相中酶仍然可以保持催化活性和稳定性。相中酶仍然可以保持催化活性和稳定性。 什

55、么是必需水和水活度，水如何影什么是必需水和水活度，水如何影响非水相中酶的特性？响非水相中酶的特性？ 紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活性所必需的最少水量，称为必需水。性所必需的最少水量，称为必需水。 水活度是指非水相酶反应体系中水的逸水活度是指非水相酶反应体系中水的逸度与纯水的逸度之比。度与纯水的逸度之比。 非水相酶反应体系中水含量为水活度在非水相酶反应体系中水含量为水活度在0.50.60.50.6之间时酶的活性最高，若水含量之间时酶的活性最高，若水含量过高，则酶的稳定性降低。过高，则酶的稳定性降低。分析分析lgPlgP与酶活性之间的关系与酶活性之间的关系 在非水相酶反应体系中，有机溶剂的极性越强（lgP 2） ，越容易夺取酶分子结合水，对酶活力的影响就越大；有机溶剂的疏水性越强（lgP 5），酶反应底物和产物的分配受到影响，对酶活力的影响就越大。所以，通常选用2 lgP 5 的溶剂作为催化反应介质。