【PPT】非水介质的酶促反应讲解
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非水介质中酶催化反应类型及其应用
非水介质中酶催化反应类型及其应用摘要：酶催化反应在医药、食品、以及化工领域有着广泛的应用。
酶催化反应体系，从水溶液转变到水互溶有机溶剂、水-有机介质两相反应体系、微水有机溶剂、反向胶束体系，该文对近几年来非水介质中酶催化反应研究进展进行了总结，详细地综述了非水体系酶催化反应的类型，提出了应用前景，系统的介绍了固定化酶在非水介质中的催化动力学行为。
关键词：非水介质酶催化反应固定化酶1.非水介质中酶的催化反应及其特征传统的理论认为，生物催化剂，包括酶、细胞均是在水溶液环境下催化水溶性底物的转化。
酶作为生物催化剂，在体外只能在水溶液环境才能保持活性，而再有机介质中往往失活或变性。
然而事实并非如此，如向酶溶液中加入能与水互溶的酒精等，或制作乳化的水-有机溶剂两相系统，甚至在无水的有机介质中没扔能具有催化活性，证明了在非水有机介质中酶仍能进行催化反应，并且还具有与水溶液系统不同的一些奇异特性。
1984年，美国麻省理工学院的科学家Klihanov成功地实现了猪胰脂肪酶在99%的有机溶剂中催化三丁酸甘油酯与醇之间的转酯反应，并证实了酶在100℃高温下，不仅能够在有机溶质中保持稳定，而且还能显示出很高的的催化没活力。
这一发现为酶学研究的应用又带来了一次革命性的飞跃，并成为生物化学和有机合成研究中迅速发展的领域。
这个试验为非水相酶学奠定了基础。
2.酶的固定化研究2.1 固定化酶的概论固定化没事20世纪50年代发展起来的一项新技术。
所谓固定化酶，即用固体材料将酶束缚或限制与一定区域内，仍能进行其特有的催化反应，并可回收及重复使用的一类技术。
2.2 固定化酶的优缺点与游离酶相比，固定化酶有以下优点：①容易将固定化酶和底物、产物分开②可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应③在大多数情况下，能够提高酶的稳定性④酶反应过程能够加以严格控制⑤产物溶液中没有酶的残留，简化了产物的提取纯化工艺⑥比游离酶更适于进行多酶反应⑦可以增加产物的收率，提高产物的质量⑧酶的使用效率高，成本低同时，固定化酶也存在一些缺点：①固定化时，酶活力有损失②增加了生产的成本，工厂初期投资较大③只能用于可溶性底物，而且适用于小分子底物，对于大分子底物不适合④与完整菌体相比不适于多酶反应，特别是需要辅助因子的反应⑤胞内酶经过酶的分离过程2.3 酶的固定化方法酶的固定化方法通常按照用于结合的化学反应的类型进行分类，可分为吸附法、包埋法、共价结合法、交联法4种。
第六章 酶的非水相催化 PPT
1）用于酶催化反应的超临界流体应当对酶的结构没有 破坏作用，对催化作用没有明显的不良影响；
2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性； 3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在
酶催化的最适温度附近； 4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用； 5）超临界流体要容易获得，价格要便宜等。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
一、酶非水相催化的几种类型
2、气相介质中的酶催化 定义：气相介质中的酶催化是指酶在气相介
质中进行的催化反应。 特点：
酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进 行的催化作用。
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。
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
酶的非水相催化
非水相酶催化的相关问题
★在完全无水的情况下，酶是无活性的，极少量的水就 会激发酶的活性；但含水量低于最适水量时，酶会失去 催化活性。
★有机溶剂可能直接与酶分子水合层中的必须水发生反 应，影响酶的结构和功能，尤其是极性较强的溶剂，它 可以溶解大量的水，将酶分子水合层中的必须水剥离掉， 导致酶失活，相对来讲，疏水性溶剂对水的溶解能力较 低，故对酶活和结构影响较小。
酶的非水相催化
酶的非水相催化 酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非
水相催化。 在非水相中，酶分子受到非水相介质的影响，
2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性； 3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在
酶催化的最适温度附近； 4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用； 5）超临界流体要容易获得，价格要便宜等。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
一、酶非水相催化的几种类型
2、气相介质中的酶催化 定义：气相介质中的酶催化是指酶在气相介
质中进行的催化反应。 特点：
酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进 行的催化作用。
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。
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
酶的非水相催化
非水相酶催化的相关问题
★在完全无水的情况下，酶是无活性的，极少量的水就 会激发酶的活性；但含水量低于最适水量时，酶会失去 催化活性。
★有机溶剂可能直接与酶分子水合层中的必须水发生反 应，影响酶的结构和功能，尤其是极性较强的溶剂，它 可以溶解大量的水，将酶分子水合层中的必须水剥离掉， 导致酶失活，相对来讲，疏水性溶剂对水的溶解能力较 低，故对酶活和结构影响较小。
酶的非水相催化
酶的非水相催化 酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非
水相催化。 在非水相中，酶分子受到非水相介质的影响，
非水相中的酶催化技术ppt课件
非水相中的酶催 化技术
Enzyme
酶作为一种高效生物催化剂, 具有高度的特异
立体选择性及区域选择性, 并在常温、常压和值 中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利 用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多 的目标产物, 避免了化学合成中的许多不足。目 前, 酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关 注的领域之一, 这主要是因为医药产品一般附加 值高, 且大多是光学活性物质, 作为十分优良的 手性催化剂—酶, 用于多种高效手性药物的合成 及制备将十分有效, 潜力巨大。
二辛酸丙二醇酯的工艺条件研究
底物摩尔比对酯化率的影响
辛酸与丙二醇的摩尔比对辛酸转化为二辛酸丙二醇 酯的酯化率影响较大，考察底物摩尔比对酯化率的影响。 固定丙二醇的量不变，按辛酸与丙二醇摩尔比为1:1、2:1、 3:1、4:1 加入辛酸，加酶量均为丙二醇质量的 1.5%进行反 应。测定不同底物摩尔比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯 计）随反应时间的变化，结果如下图所示。 由图可知，随着辛酸与丙二醇 摩尔比从1:1增加至2:1时，丙二醇转 化为二辛酸丙二醇酯的酯化率有很 大幅度的提高，继续增加至3:1、4:1 酯化率增加幅度不大。同时，考虑 到辛酸过高不利于二辛酸丙二醇酯 的纯化，故选择辛酸与丙二醇最佳 摩尔比为2:1.
按辛酸与丙二醇的摩尔比为 2:1加入原料，加酶量为丙二 醇质量的1.5%，分别在温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、 60 ℃、65 ℃下进行反应，每隔1d取样进行GC分析。测定不 同温度下的酯化率（以二辛酸丙二醇酯计），结果如下图所 示。由下图可见，BT—01脂肪酶催化合成二辛酸丙二醇酯最 佳反应温度为50 ℃，温度过高或过低均不利于反应进行。
GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯类占 有较大的比例。目前，合成该类化合物主要采用化 学合成法。而化学合成工艺往往需要使用腐蚀性强 的强酸作为催化剂，以毒性高的有机原料为溶剂， 易造成环境污染。随着人们对健康的关注和环保意 识的增强，开辟一条对环境友好、安全的合成工艺 路线极为重要。与化学合成法相比，生物催化是一 种“绿色的”环境友好的合成工艺，它具有反应条 件温和、催化效率高、催化专一性强等优点。目前， 国外用生物催化剂替代化学催化剂生产化学品已成 为必然的发展趋势。
Enzyme
酶作为一种高效生物催化剂, 具有高度的特异
立体选择性及区域选择性, 并在常温、常压和值 中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利 用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多 的目标产物, 避免了化学合成中的许多不足。目 前, 酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关 注的领域之一, 这主要是因为医药产品一般附加 值高, 且大多是光学活性物质, 作为十分优良的 手性催化剂—酶, 用于多种高效手性药物的合成 及制备将十分有效, 潜力巨大。
二辛酸丙二醇酯的工艺条件研究
底物摩尔比对酯化率的影响
辛酸与丙二醇的摩尔比对辛酸转化为二辛酸丙二醇 酯的酯化率影响较大，考察底物摩尔比对酯化率的影响。 固定丙二醇的量不变，按辛酸与丙二醇摩尔比为1:1、2:1、 3:1、4:1 加入辛酸，加酶量均为丙二醇质量的 1.5%进行反 应。测定不同底物摩尔比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯 计）随反应时间的变化，结果如下图所示。 由图可知，随着辛酸与丙二醇 摩尔比从1:1增加至2:1时，丙二醇转 化为二辛酸丙二醇酯的酯化率有很 大幅度的提高，继续增加至3:1、4:1 酯化率增加幅度不大。同时，考虑 到辛酸过高不利于二辛酸丙二醇酯 的纯化，故选择辛酸与丙二醇最佳 摩尔比为2:1.
按辛酸与丙二醇的摩尔比为 2:1加入原料，加酶量为丙二 醇质量的1.5%，分别在温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、 60 ℃、65 ℃下进行反应，每隔1d取样进行GC分析。测定不 同温度下的酯化率（以二辛酸丙二醇酯计），结果如下图所 示。由下图可见，BT—01脂肪酶催化合成二辛酸丙二醇酯最 佳反应温度为50 ℃，温度过高或过低均不利于反应进行。
GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯类占 有较大的比例。目前，合成该类化合物主要采用化 学合成法。而化学合成工艺往往需要使用腐蚀性强 的强酸作为催化剂，以毒性高的有机原料为溶剂， 易造成环境污染。随着人们对健康的关注和环保意 识的增强，开辟一条对环境友好、安全的合成工艺 路线极为重要。与化学合成法相比，生物催化是一 种“绿色的”环境友好的合成工艺，它具有反应条 件温和、催化效率高、催化专一性强等优点。目前， 国外用生物催化剂替代化学催化剂生产化学品已成 为必然的发展趋势。
第五章非水酶学ppt课件
6、 pH记忆
有机溶剂中的酶有些能够“记忆”它
冷冻干燥或丙酮沉淀前所在缓冲液中
的pH，这种现象为“pH记忆”。
实质内容是：
（1）酶的反应速度与其冷冻干燥前水溶 液的pH密切相关，
（2）反应的最适pH接近于水溶液中的最 适pH。
二、水
（一）水存在的方式 在有机溶剂中酶的催化活力与反应系统
的含水量密切相关。系统中含水量包括： 1、与酶粉水合的结合水，（必需水） 2、溶于有机溶剂中的自由水， 3、固定载体和其他杂质的结合水。
通过温度的调控可以有效地提高产率。
9、 pH和离子强度
因为在有机介质中的最适pH与水溶 液中的最适pH的酶反应是一样的，所以 在进行酶的冻干时，可以在最适pH的缓 冲液中冻干，再进行有机系统的反应。
这样，可以使酶在有机溶剂中反 应的微环境具有溶液酶的最适pH环境。
10、反相胶束中的酶活力的调控
反相胶束中的酶活力与体系组成 （pH、离子强度、含水量和表面活性剂 及有机溶剂的种类和浓度）密切相关。
现在它在乙酸丁酯中，使用亲水载体固定 化酶，底物浓度高达50mmol/L也不会发生抑制 作用。
例：研究几种不同载体的固定化脂肪酶时发现， 疏水性琼脂珠载体的固定化效果最好。
固定化后脂肪酶在有机介质中的活性比对 应酶粉高46.5％。
由于载体上疏水基团的存在，使疏水性
底物在疏水作用下分配到载体周围的浓度高 于
与酶结合的水量是影响酶的活力、稳定 性以及专一性的决定因素。
控制酶结合的水量（必需水）和水在酶 分子中的位置是关键。
（二）保证必需水含量 水是保证酶催化反应的必需条
件，活性构象是水分子直接或间接由氢 键等非共价键相互作用来维持。
因此水与酶分子紧密结合的一单 层水分子对催化作用非常重要。而其他 的水则相对不那么重要(即由有机介质替 代的那部分水不那么重要了）。
第七章 非水介质酶反应考试PPT课件
一 水对微水介质中酶催化的影响
和猪 正胰 庚脂 醇肪 的催 转化 酯甘 反油 应三
丁 酸 酯
1 水的作用
必需水：
紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化 活性所必需的最少量水称为必需水
2 ．酶活与水的关系
• 水分子直接或间接地通过氢键、疏水键及 范德华力等非共价键相互作用来维持酶的 催化活性所必需的构象。
1． 有机溶剂对酶结构的影响
（2） 有机溶剂与扩散的底物或产物相互 作用而影响酶活 （3） 有机溶剂直接与酶附近的必需水相 互作用。
2 有机溶剂对酶活的影响
• 溶剂参数lgP：即一种溶剂在辛醇/水两 相间分配系数的常用对数值，它能直接 反映溶剂的疏水性。
• lgP越大，溶剂的疏水性越强； lgP越小， 溶剂的亲水性越强
（１）热稳定性提高 （２）储存稳定性提高
结论
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； • 含水量超出临界含水量后酶稳定性随含水量的
增加而急剧下降。
二 活性
• 刚-柔并存 • 刚性：生物大分子结 构的精确性 • 柔性：生物大分子局 部区域具有一定的可 运动性。
4 正胶束体系 • 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。 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-2-乙 基酯磺酸钠。
4 正胶束体系
• 临胶束浓度：是胶束形成时所需表面活 性剂的最低浓度，用CMC来表示。
ou Know, The More Powerபைடு நூலகம்ul You Will Be
Thank You
非水相中酶催化技术
酶催化技术：利用酶的催化作用，提高生物燃料生产效 率
非水相：在非水相环境中进行酶催化反应，提高反应速 率和选择性
应用前景：非水相中酶催化技术在生物燃料生产中具有 广阔的应用前景，有助于实现绿色、可持续的能源生产。
非水相中酶催化技术在环境保护中的应用
生物降解：利用酶催 化技术降解有机污染 物，减少环境污染
3
4
酶的生物合成：通过生物合成技术， 将酶的基因引入微生物中，实现酶
的工业化生产。
酶的生物催化反应：利用酶的生物 催化特性，实现化学反应的绿色化
和高效化。
谢谢
酶催化反应具有高度专一性，即一种酶只能催化 一种或一类底物。
酶催化反应具有高效性，即酶催化反应的速度比 非酶催化反应快得多。
非水相中酶催化反应的条件
01
非水相介质：如有机
溶剂、离子液体等
02
酶的稳定性：在非水
相中保持活性和稳定
性
03
底物浓度：底物浓度
对反应速率有影响
04
温度和pH值：反应温
度和pH值对反应速率
和产物选择性有影响
非水相中酶催化反应的影响因素
01
酶的性质：酶的活性、 稳定性和选择性
02
底物浓度：底物浓度 对酶催化反应的影响
03
反应条件：温度、pH 值、离子强度等对酶催 化反应的影响
04
非水相溶剂：溶剂的性 质、极性、粘度等对酶 催化反应的影响
非水相中酶催化 技术的应用
非水相中酶催化技术在生物制药中的应用
机遇：非水相
3 中酶催化技术 在生物医药领 域的应用
机遇：非水相
4 中酶催化技术 在环境保护领 域的应用
非水相中酶催化技术的未来发展方向
非水相：在非水相环境中进行酶催化反应，提高反应速 率和选择性
应用前景：非水相中酶催化技术在生物燃料生产中具有 广阔的应用前景，有助于实现绿色、可持续的能源生产。
非水相中酶催化技术在环境保护中的应用
生物降解：利用酶催 化技术降解有机污染 物，减少环境污染
3
4
酶的生物合成：通过生物合成技术， 将酶的基因引入微生物中，实现酶
的工业化生产。
酶的生物催化反应：利用酶的生物 催化特性，实现化学反应的绿色化
和高效化。
谢谢
酶催化反应具有高度专一性，即一种酶只能催化 一种或一类底物。
酶催化反应具有高效性，即酶催化反应的速度比 非酶催化反应快得多。
非水相中酶催化反应的条件
01
非水相介质：如有机
溶剂、离子液体等
02
酶的稳定性：在非水
相中保持活性和稳定
性
03
底物浓度：底物浓度
对反应速率有影响
04
温度和pH值：反应温
度和pH值对反应速率
和产物选择性有影响
非水相中酶催化反应的影响因素
01
酶的性质：酶的活性、 稳定性和选择性
02
底物浓度：底物浓度 对酶催化反应的影响
03
反应条件：温度、pH 值、离子强度等对酶催 化反应的影响
04
非水相溶剂：溶剂的性 质、极性、粘度等对酶 催化反应的影响
非水相中酶催化 技术的应用
非水相中酶催化技术在生物制药中的应用
机遇：非水相
3 中酶催化技术 在生物医药领 域的应用
机遇：非水相
4 中酶催化技术 在环境保护领 域的应用
非水相中酶催化技术的未来发展方向
第八章非水介质中的酶催化ppt课件
Fig. 4 The Cell-ALD 5k, Cell-ALD 10k and Cell-ALD 20k activity after pre-incubation with various concentrations of [Bmim][Cl]. The preincubation temperature was 50 °C with samples taken at 2 h of incubation.
2.水—有机溶剂两相体系 由水相和非极性有机溶剂相组成的分相 反应体系，酶溶解于水相中，底物和产 物溶解于有机相中。 有机相：一般为亲脂的溶剂，如烷烃、 醚、酯和氯代烷烃等 。
பைடு நூலகம்
3. 水不互溶有机溶剂单相体系 （含微量水的有机溶剂体系） 由水不互溶的有机溶剂取代所有的溶剂 水（＞ 98 ％），形成固相酶分散在有机 溶剂中的单相体系。 有机溶剂：烷烃类、醚、芳香族化合物、 卤代烃等。
第八章非水介质中的酶催化
Fig. 3 The cellulase and PEGylated cellulase activity after preincubation with various concentrations of [Bmim][Cl]. The temperature was 50 °C (A) and 80 °C (B) with samples taken at 2 h of The DM was 6.25% for Cell-ALD 5k and 87.3% for Cell-SPA 5k.
脂肪酶催化5-氨基-1-己醇的酰化反应时， 羟基的酰化占绝对优势 。
重点掌握： 1.酶在非水介质体系中的催化特征； 2.常用的有机溶剂体系； 3.必需水的重要性； 4.有机介质对酶性质的影响及其机理。
酶的非水相催化 ppt课件
ppt课件
3
人类认识的进步
1966 年，Dostoli 和 Siegel 分别报道胰凝乳蛋白酶和辣根
过氧化物酶在几种非极性有机溶剂中具有催化活力 1975～1983 年间，Buckland 和 Martinek 等对游离酶和 固定化酶在有机溶剂中合成类固醇及甾醇转化中的应用进 行了大量的探索 1977 年，Klibanov 等人报道了在水/氯仿两相体系中脂肪 酶催化 N-乙酰-L-色氨酸与乙醇的酯化反应，在水中收率 极低，而在两相体系中竟达到 100% 1984 年，Zaks 和 Klibanov 在 Science 杂志上发表了一篇 关于酶在有机介质中催化条件和特点的文章，他们指出， 只要条件适合，酶可以在非水体系中表现出活性，并催化
ppt课件 4
引起全球关注的“非水相酶催化”的报道
Porcine pancreatic lipase catalyzes the transesterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent organic medium. Upon further dehydration, the enzyme becomes extremely thermo-stable. Not only can the dry lipase withstand heating at 100 degrees C for many hours, but it exhibits a high catalytic activity at that temperature. Reduction in water content also alters the substrate specificity of the lipase: in contrast to its wet c o u n t e r p a r t , t h e d r y
酶工程 非水介质中的酶促反应(5.1)--非水介质中的酶促反应
酶分子的计算模拟
Bioinformatics&biocomput
高性能计算的应用与发展
大气、海洋等环境的模拟 核爆炸的计算机模拟 建筑设计、设备设计、飞机设计 计算机探矿、采油 酶分子的模拟与设计
把酶放到计算机里
？
酶什分子么的是计酶算分析
什么是酶？ 如何把他放到计算机里 ？
什么是酶
5
什么是酶
266 N GLU 18 267 H GLU 18 268 CA GLU 18 269 HA GLU 18 270 CB GLU 18 271 HB2 GLU 18 272 HB3 GLU 18 273 CG GLU 18 274 HG2 GLU 18 275 HG3 GLU 18 276 CD GLU 18 277 OE1 GLU 18 278 OE2 GLU 18 279 C GLU 18 280 O GLU 18
蛋氨酸－赖氨酸－甘氨酸－天冬酰胺－苏氨酸
O
O
O
O
O
H
H
H
H
H2N CH C N CH C N CH C N CH C N CH C OH
CH2
CH2
H
CH2
CH OH
CH2
CH2
CO
CH3
S
CH2
NH2
CH3
CH2
NH2
7
基因 氨基酸 蛋白序列
酶的结构
O
H2N
CH C
OH
O
O
H
H2N
CH C
N
CH C
Wh键at作is用th力e enzyme?
W h改a t变i s的t h代e价e n z y m e ?
W h微a t观i s体t h系e的e n能z 量y m e ?
Bioinformatics&biocomput
高性能计算的应用与发展
大气、海洋等环境的模拟 核爆炸的计算机模拟 建筑设计、设备设计、飞机设计 计算机探矿、采油 酶分子的模拟与设计
把酶放到计算机里
？
酶什分子么的是计酶算分析
什么是酶？ 如何把他放到计算机里 ？
什么是酶
5
什么是酶
266 N GLU 18 267 H GLU 18 268 CA GLU 18 269 HA GLU 18 270 CB GLU 18 271 HB2 GLU 18 272 HB3 GLU 18 273 CG GLU 18 274 HG2 GLU 18 275 HG3 GLU 18 276 CD GLU 18 277 OE1 GLU 18 278 OE2 GLU 18 279 C GLU 18 280 O GLU 18
蛋氨酸－赖氨酸－甘氨酸－天冬酰胺－苏氨酸
O
O
O
O
O
H
H
H
H
H2N CH C N CH C N CH C N CH C N CH C OH
CH2
CH2
H
CH2
CH OH
CH2
CH2
CO
CH3
S
CH2
NH2
CH3
CH2
NH2
7
基因 氨基酸 蛋白序列
酶的结构
O
H2N
CH C
OH
O
O
H
H2N
CH C
N
CH C
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•成功的 原因？
Klibanov 的实验
非水介质的组成
• 有机溶剂 • 超临界流体 • 气相介质
• 低共熔混合体系：两种或多种固体化合物混合而得到的具 有一个最低共熔点的状态。 • 热点：介质工程、溶剂工程
• 改变反应介质来改变酶催化反应的选择性，从而达到人为 的改变和控制酶的立体专一性。
第一节 有机介质中的酶促反应概述
一 必需水
庚猪 醇胰 的脂 转肪 酯催 反化 应甘 油 三 丁 酸 酯 和 正
必需水
一 必需水
1 概念：
紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活性所必需的最少量
水称为必需水
2 ．干燥的酶水合过程：
• 溶菌酶为例：
• （1） 结合水量在0-7%g/g（水/酶）， • （2）结合水量在7-25%g/g（水/酶），
• 2 向反应体系中直接加一种水合盐
• 3 向每一溶剂中加入不同量的水
水活度缓冲体系
二 酶的选择
• 1 酶参加的反应：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 • 参加反应酶的种类选择除与反应类型有关，还与酶-底
物、产物-溶剂间关系有关。
常用酶的分类
• （1） 氧化还原酶类：
利用酶与配体的相互作用，诱导、改变酶的构象，制备 具有结合该配体及其类似物能力的新酶称为生物印迹酶
有机相生物印迹酶
为什么在有机相中会产生印迹现象？
水
刚性
有机相生物印迹酶
水在酶催化反应中的作用
• 水直接或间接参与了酶天然构象中所有的非共价相互作用
•
水充当了酶结构的“润滑剂”，使酶分子的柔性增强
有机相生物印迹酶
反胶束体系中的含水量
C．基本原理：“水壳”模型
• 反胶束系统中的水通常可分为结合水和自由水。 • 结合水是指位于反胶束内部形成水池的那部分水
• 自由水即为存在于水相中的那部分水
“水壳”模型
• 水壳模型很好地解释了蛋白质在反胶束内的状况，其间接证据较 多。 • 1.从弹性光散射的研究证实在蛋白质分子周围至少存在一个单分
2．酶形式的选择
• （２） 化学修饰酶：
2．酶形式的选择
• （３） 固定化酶：
• 把酶吸附在不溶性载体上（如硅胶、硅藻土、玻璃珠
等）制成固定化酶，其对抗有机介质变性的能力、反 应速度、热稳定性等都可提高。
2．酶形式的选择
• （３） 固定化酶：
有机相中固定化后载体对酶的影响
• A.载体能通过分配效应剧烈地改变酶微环境中底物和 产物的局部浓度。
冻干
枯草杆菌 蛋白酶
（2）
在辛烷中催化酯化反应的速度比较：
反应（1）中得到的酶比反应（2）中得到的酶高100倍
在水溶液中其活性 ： 相同
有机相生物印迹酶
酶的水解活力与溶解酶的缓冲液pH值有很大关系
有机相生物印迹酶
概念：
酶在含有其配体的缓冲液中，肽链与配体之间的氢键等 相互作用使酶的构象改变，这种新构象除去配体后在无水 有机溶剂中仍可保持，并且酶通过氢键能特异地结合该配 体，这种方法叫生物印迹。
度的一种聚集体。反胶束溶液是透明的热力学稳定的
系统。
概念表面活性剂
• 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。
• 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-2-乙基酯磺酸 钠。
概念临胶束浓度
• (1). 有机溶剂与反应的匹配性（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，可能引起产物抑制或不必要的副反应发生。)
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
一 有机介质中酶催化的应用
• 酶 • 脂肪酶 催化反应 肽合成 酯合成 转酯 聚合 应用 青霉素G前体肽合成 醇与有机酸合成酯类 各类酯类生产 二酯的选择性聚合
酰基化
甘醇的酰基化
二． 有机相酶反应的优点：
• 1． 有利于疏水性底物的反应，能催化在水中不能进
行 的反应
• 2． 可提高酶的热稳定性. 3． 可改变反应平衡移动方向 • 4. 可控制底物专一性 • 5. 酶和产物易于回收。 • 6. 可避免微生物污染。
B.反胶束体系的制备
• 将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中，并使其浓度 超过临界胶束浓度（CMC），便会在有机溶剂内形成
聚集体，这种聚集体则为反胶束。
反胶束体系的制备
影响因素
• 反胶束的尺寸和形状随表面活性剂-溶剂系统的变化而
变化，同时也受温度、压力、离子强度的影响。
• 反胶束的大小取决于反胶束的含水量Wo。Wo的定义 为反胶束中水分子数与表面活性剂分子数之比，也即 有机溶剂中水的摩尔浓度与表面活性剂的摩尔浓度之 比。
非水介质的酶促反应
生物工程学院 常雅宁
第四章 非水介质中的酶反应
• 第一节 有机介质中的酶促反应概述 • 第二节 有机介质中酶促反应的条件 • 第三节 有机介质对酶性质的影响 • 第四节 有机介质中酶促反应应用（生物能源） • 第五节 超临界流体中的酶促反应
有机相酶催化历史
• 古代： • Hill.A.C(1898)J.Chem.Soc,73,634-658 • Kastlc,J.C.and LocvCnhart,A.a.(1900)Am Chem,J,24, 491-525 • Sym,E,A(1933)Biochem,Z,258,304-324 • Sym,E,A(1936)Enzymologia 1,156-160
三. 研究热点
• 仿水溶剂和印迹技术 • （1） 仿水溶剂体系 • （2） 分子印迹技术
（1） 仿水溶剂体系
• 思路：水在酶催化反应中的作用（具有高介电常数和
形成氢键的能力）
结论：有机溶剂可以替代部分水
（1） 仿水溶剂体系
• 概念
• 可用二甲基甲酰胺（DMF），乙二醇，丙三醇等极性 添加剂部分或全部替代系统中的辅助溶剂水，从而影 响酶的活性和立体选择性。称为仿水溶剂体系。
• 一．有机介质酶反应的应用现状 • 二. 有机介质酶反应的优点 • 三. 有机介质酶研究热点 • 四. 有机介质酶反应具备条件
一 有机介质酶反应的应用现状
• 酶
• 蛋白酶
催化反应
肽合成 酰基化
应用
合成多肽 糖类酰基化
羟基化酶
过氧化物酶 胆固醇氧化酶 醇脱氢酶
氧化
聚合 氧化 酯化
甾体转化
酚类、胺类化合物的聚合 胆固醇测定 有机硅醇的酯化
• （3）结合水量在25-38%g/g（水/酶），
• （4） 酶分子表面完全水化，被一层水分子覆盖
2 ．酶活与水的关系：
• 酶活最大时——蛋白质结构的动力学刚性和热力学稳定性 （柔性）之间达到最佳平衡点。
• “刚柔并济”
•
3．影响酶必需水含量的因素（酶和溶剂）
a．不同酶需水量不同
• 在辛烷中糜蛋白酶催化仅需吸附50个水分子，而脂肪
有机相中刚性增强原因？
四． 有机相酶反应具备条件
• 1． 保证必需水含量。
• 2． 选择合适的酶及酶形式。 • 3． 选择合适的溶剂及反应体系。 • 4． 选择合适pH值。
第二节 有机介质中酶促反应的条件
• 1． 保证必需水含量
• 2． 选择合适的酶及酶形式
• 3． 选择合适的溶剂及反应体系
• 4． 选择最佳pH值和离子强度
•失败的 原因？
有机相酶催化历史
• 近代有机相酶催化研究再次起飞的里程碑 • Zaks,A.and Kilbanov,A.M(1984),Science224,1249-1 251 • ZoKs,A. and Kilbanov,A.M.(1985),Proc.Natl,Acad,Sc i.u.s.a.82,3192-3196
双相体系与水相体系中产物纯度的比较
双相体系中，由于乙酸丁酯对产物苯乙酸的萃取，促进 了酶反应的平衡，使得L-型底物的转化率为99.95％，
而这样得到的D-叔亮氨酸的纯度也提高到99.5％。
2． 有机溶剂影响酶催化的方式
• (1） 有机溶剂能通过直接与酶相互作用引起抑制或失活
A 增大酶反应的活化能来降低酶反应速度
子的水层。
• 2.α -糜蛋白酶在反胶束中的荧光特性与在主体水中的特性很相象。 • 3.反胶束中酶显示的动力学特性接近于在主体水中的特性。
构建双水相体系实现在线产物分离
Top phase Product
Substrates
Biocatalyst
Product
Side product
Bottom phase
B 降低中心内部极性并加强底物与酶之间形成的氢键，使酶活 性下降。 C 酶三级结构变化，间接改变酶活性中心结构影响失活。
2． 有机溶剂影响酶催化的方式
• （2） 有机溶剂与扩散的底物或产物相互作用而影响酶活
2． 有机溶剂影响酶催化的方式
• （3） 有机溶剂直接与酶附近的必需水相互作用。
3．选择有机溶剂必须考虑因素
有机相中固定化后载体对酶的影响
• B.载体影响酶分子上的结合水 • 通过选择合适的载体可使体系中的水进行有利分配。
有机相中固定化后载体对酶的影响
• C.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。
有机相中固定化后载体对酶的影响
• D.酶动力学影响一个酶同时催化的两个反应的相对速
• （2 ）水解酶类
• （3 ）异构酶
2．酶形式的选择
• 两大类：
• 第一类是固态酶，冷冻干燥的酶粉和固定化酶，结晶 酶