第七章 有机溶剂中的酶催化作用1

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2、有机溶剂对酶结构和功能的影响 、 （1）对酶分子表面结构的影响 （2）对酶活性中心底物结合位点的影响 3、有机溶剂对酶分子表面结合水的影响 、 有机溶剂的极性越强， 有机溶剂的极性越强，越易于夺取酶分子表面 的结合水，对酶活性的影响就越大。 的结合水，对酶活性的影响就越大。 例如，正己烷能夺取酶分子0.5%的结合水， 例如，正己烷能夺取酶分子0.5%的结合水，甲醇则可 0.5%的结合水 以夺取酶分子60%的结合水。 60%的结合水 以夺取酶分子60%的结合水。
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（2）、选择的溶剂对主反应必须是惰性的，即不参与主 ）、选择的溶剂对主反应必须是惰性的， 选择的溶剂对主反应必须是惰性的 反应。 反应。 例如，醇与酯之间发生的酯基转移反应或新醇和新酯， 例如，醇与酯之间发生的酯基转移反应或新醇和新酯， 就不能用醇也不能用酯作为溶剂。 就不能用醇也不能用酯作为溶剂。 （３）、溶剂的密度、黏度、表面张力、毒性、废物处理 ）、溶剂的密度、黏度、表面张力、毒性、 溶剂的密度 和成本等（溶剂因底物而宜） 和成本等（溶剂因底物而宜）。
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超临界介质中的酶催化 温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流 fluid)。 体(supercritical fluid)。 超临界流体的许多物理化学性质介于气体和液体 之间，并具有两者的优点， 之间，并具有两者的优点，如具有与液体相近的溶 解能力和传热系数， 解能力和传热系数，具有与气体相近的黏度系数和 扩散系数。 扩散系数。同时它也具有区别于气态和液态的明显 特点： 特点： 可以得到处于气态和液态之间的任一密度； （1）可以得到处于气态和液态之间的任一密度； 在临界点附近， （2）在临界点附近，压力的微小变化可导致密度的 巨大变化。 巨大变化。
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四、 有机相酶反应具备条件 1． 保证必需水含量。 保证必需水含量。 选择合适的酶及酶形式。 2． 选择合适的酶及酶形式。 选择合适的溶剂及反应体系。 3． 选择合适的溶剂及反应体系。 选择最佳pH pH值 4． 选择最佳pH值。
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第七章 有机溶剂中的酶催化作用
Go Go Go Go
1、酶非水相催化的几种类型 2、有机介质反应体系 3、有机溶剂中酶催化作用的影响因素 4、有机介质中酶催化的应用
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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剂。 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(底物 在水介质中难溶或不溶。 底物)在水介质中难溶或不溶 因为许多有机化合物 底物 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、 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。 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？？
1984年，克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行了 年 克利巴诺夫（ ） 酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作 酶催化反应的研究， 获得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物， 用，获得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶 可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应。 可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应
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E E S S E ... . ..E . . 水相
非水 相
反胶束体系
பைடு நூலகம்
胶束体系
（正）胶束体系：表面活性剂的极性段朝外，非极性端朝内， 胶束体系：表面活性剂的极性段朝外，非极性端朝内， 反应时酶在胶束外面的水溶剂中， 反应时酶在胶束外面的水溶剂中，疏水性的底物或产物在胶束 内部。反应在胶束的两相界面进行。 内部。反应在胶束的两相界面进行。 反胶束体系：表面活性剂的极性端朝内，非极性端朝外， 反胶束体系：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。反应时，酶分子在反胶束内部的“小水池” 溶液包在胶束内部。反应时，酶分子在反胶束内部的“小水池” 中进行催化。 中进行催化。 武汉生物工程学院生物工程系酶工程教研室
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最适水含量： 最适水含量：在催化反应速度达到最大时的水含量称为最 适水含量。 适水含量。 在实际应用时应当根据实际情况， 在实际应用时应当根据实际情况，通过实验确定最适 合水含量。 合水含量。 酶
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二、有机溶剂对有机介质中酶催化反应的影响
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离子液介质中的酶催化 离子液（ liquids）是由有机阳离子与有机（ 离子液（ionic liquids）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 挥发性低、稳定性好。 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、 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。 键选择性等显著特点。 与传统的有机溶剂不同的是， 与传统的有机溶剂不同的是，离子液体没有蒸汽 但是有很好的溶解性，热稳定范围很宽， 压，但是有很好的溶解性，热稳定范围很宽，超过 液态温度范围（≤300℃） 液态温度范围（≤300℃） 。
表面活性剂： 表面活性剂：表面活性剂是由亲水憎油的极性基团和亲 油憎水的非极性基团两部分组成的两性分子。 油憎水的非极性基团两部分组成的两性分子。 在有机相酶反应中用得最多的是阴离子表面活性剂： 在有机相酶反应中用得最多的是阴离子表面活性剂： AOT(AerosolOT)，其化学名为丁二酸- 乙基酯磺酸钠。 AOT(AerosolOT)，其化学名为丁二酸-2-乙基酯磺酸钠。
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直到１９８４年 直到１９８４年，非水溶剂中酶催化的研究才取得了突破性 １９８４ 的进展。 的进展。 此后十几年来，酶在非水介质中催化反应的研究十分活跃。 此后十几年来，酶在非水介质中催化反应的研究十分活跃。
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二、酶非水相催化的几种类型 有机介质中的酶催化 有机介质中的酶催化是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 机溶剂中进行的催化反应。适用于底物、 者或其中之一为疏水性物质的酶催化 作用。 作用。 气相介质中的酶催化 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。 酶催化反应。
常用的有机溶剂： 常用的有机溶剂： 水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、丙酮、 水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、丙酮、 乙晴等 水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、辛烷、 甲苯、 水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、辛烷、苯、甲苯、 氯仿、乙醚、 氯仿、乙醚、戊醚等
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1、选择有机溶剂必须考虑的因素 、
（１）、极性系数 ：即一种溶剂在正辛烷/水两相间分配 ）、极性系数lgP：即一种溶剂在正辛烷/ 极性系数 系数的常用对数值，它能直接反映溶剂的疏水性。 系数的常用对数值，它能直接反映溶剂的疏水性。极性系数 越大，表明其极性越弱，极性系数越小，则极性越强。 越大，表明其极性越弱，极性系数越小，则极性越强。 一般选用2≤lgP≤5的有机溶剂。 一般选用 ≤lgP≤5的有机溶剂。 ≤lgP≤5的有机溶剂 ２、 有机溶剂与反应的匹配性（即相容性） 有机溶剂与反应的匹配性（即相容性） 例：对于酶促糖改性而言，使用疏水性的，与水不互溶的 对于酶促糖改性而言，使用疏水性的， 溶剂是不现实的， 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） 互作用，必须用亲水性的溶剂（如吡啶或二甲基甲酰胺）
第三节
有机溶剂中酶催化作用的影响因素
一、水对有机介质中酶催化反应的影响
有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶的催化活 有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶的催化活 空间构象 酶的稳定性 酶的催化反应速度等都有密切关系， 稳定性、 反应速度等都有密切关系 性、酶的稳定性、酶的催化反应速度等都有密切关系，水还 底物和反应产物的溶解度有关 与酶催化作用的底物和反应产物的溶解度有关。 与酶催化作用的底物和反应产物的溶解度有关。 必需水：维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量。 必需水：维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量。 例如：凝乳蛋白酶，只需５０分子的水。 例如：凝乳蛋白酶，只需５０分子的水。 ５０分子的水 多酚氧化酶， ３５０个水分子。 多酚氧化酶，需３５０个水分子。 个水分子
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长期以来，人们一直认为酶是水溶性生物大分子， 长期以来，人们一直认为酶是水溶性生物大分子， 只能在水溶液中发挥其催化功能， 只能在水溶液中发挥其催化功能，而有机介质会 使酶活性丧失。 使酶活性丧失。这种传统思想极大地限制了酶学 的发展。1984年 A和 的发展。1984年Zaks A和 Klibanov A.M 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。传统的酶学 性的研究报道，引起了广泛的关注。 领域迅速地产生了一个全新的分支—— ——非水酶学 领域迅速地产生了一个全新的分支——非水酶学 enzymology)。 (nonaqueous enzymology)。
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第二节 有机介质反应体系
一、常见的有机介质体系
微量水－非极性有机溶剂(微水介质体系) 微量水－非极性有机溶剂(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。 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。 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态， 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。 表面上。 水－与水互溶有机溶剂（均一体系） 与水互溶有机溶剂（均一体系） 有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。 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。 这种体系中。 水－非极性有机溶剂（两相体系） 非极性有机溶剂（两相体系） 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性) 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。 两相体系。 胶束体系和反胶束体系 “水包油”和“油包水” 水包油” 油包水”