非水相催化.
第七讲 酶的非水相催化
酶的非水相催化
7.1、酶催化反应的介质 7.2、有机介质反应体系 7.3、有机介质反应体系影响因素 7.4、酶在有机介质中的催化特性
7.5、有机介质中酶催化反应的条件及其控制
7.6、酶非水相催化的应用
7.1 酶催化反应的介质
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。 因为许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。
3、非极性有机溶剂—水两相/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。游离酶、亲水性底 物或产物溶解于水相，疏水性底物或产物溶解于有 机相。 如果采用固定化酶，则以悬浮形式存在于两相的界 面，催化反应通常在两相的界面进行。 一般适用于底物或者产物两者或其中一种属于疏水 性化合物的催化反应。
第七讲 酶的非水相催化
ห้องสมุดไป่ตู้学目标：
了解非水相中酶催化研究概况和反胶束体系的酶学研究情况 理解酶在有机介质中催化的反应的具体应用 掌握酶在有机介质中的催化特性
教学重点：
酶非水相中酶催化的影响因素、催化特性以及应用
教学难点：
有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响
酶的非水相催化及其应用
天津科技大学《食品酶学》本科生课程论文酶的非水相催化及其应用non-aqueous enzymatic catalysis technology and its applications学生姓名：学号：专业：任课教师：摘要非水相酶催化反应是酶催化反应中的一个重要方面。
非水相溶剂通常可增加底物溶解度, 减少水相中的副反应, 加快生物催化的速率和效率, 在药物及药物中间体和食品等方面具有较大的应用价值。
以下主要分析了在非水介质中酶促反应的几个重要影响因素; 介绍了非水介质中酶催化反应的应用,以及其前景发展。
关键词：非水相催化，影响因素，实际应用，发展前景Abstract It is well known that non-aqueous enzymatic catalysis has emerged as animportant area of enzyme engineering with the advantages of highersubstrate solubility, increased stereoselectivity, modified substratespecificity and suppression of unwanted water-dependent side reactions.As a result, non-aqueous enzymatic catalysis has been applied in thebiocatalytic synthesis of important pharmaceuticals and nutriceuticals.The following main analyzed several important factors in non-aqueousenzymatic catalysis：introduced in non-aqueous enzymatic catalysis infront of the catalytic reaction，introduced the bright future ofnon-aqueous enzymatic catalysis technologyKey words：non-aqueous enzymatic catalysis；important factors；applications，Development prospect目录1 前言 (5)2酶非水相催化的几种基本类型介绍 (6)3 非水介质中酶促反应的几个重要影响因素3.1 反应溶剂的影响 (7)3.2 反应时间、温度和pH 值的影响 (8)3.3 不同反应试剂的影响 (8)3.4 反应时的物理因素 (9)3.5 超声对非水介质中酶促反应的影响 (9)4 非水介质中酶促反应的应用4.1 非水介质中酶促反应基本应用范畴4.1.1 在有机相中的应用 (10)4.1.2 低共熔多相混合物体系中的酶促反应 (10)4.1.3 固定化酶催化反应 (11)4.2 非水介质中酶促反应的具体应用进展4.2.1 微生物酶法拆分环氧丙醇丁酸醋 (11)4.2.2 非水相酶催化拆分外消旋2-辛醇 (12)4.2.3 固定化脂肪酶合成鲸蜡油工艺和设备 (13)4.2.4 酶法生产类可可醋的开发和中试 (14)4.2.5 非水相酶催化生产类可可脂技术 (15)4.2.6 非水相酶法单甘醋生产专用脂肪酶 (15)5 前景展望 (16)6 参考文献 (17)1、前言酶已经在医药、食品轻工、化工能源、环保等领域广泛应用。
第五章 酶的非水相催化 to 学生
1
酶的非水相催化体系
有机介质中的酶催化： 1、微水有机介质体系、 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、 3、胶束和反胶束体系； 气相介质中的酶催化体系 超临界流体介质中的酶催化体系 离子液介质中的酶催化体系
2
有机介质中的酶催化
1、微水有机介质：由有机溶剂和微量的水 组成的反应体系。微量的水主要是酶分子的 结合水，它对维持酶分子的空间构象和催化 活性至关重要。另外一部分水分布在有机溶 剂中。 2、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溶组成的反应体 系，水和溶剂含量均较大，酶和底物以溶解 状态存在于均一体系。
31
水活度的定义：系统中水的逸度与纯水逸度 之比（水的逸度在理想条件下用水的蒸汽压 代替） aw可以用体系中水的蒸汽压与同样条件下 纯水的蒸汽压之比来表示 公式：aw=γw . xw=P/P0 xw :水的摩尔比； γw ：活度系数
32
水活度对酶活的影响
一般情况下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加。 同一种酶在不同有机溶剂中需水量不同，溶剂疏水性 越强，需水量越少。 水活度有助于预测和研究相中酶活力与水的作用： 不控制水活度时，最佳水含量会随着溶剂的极性增加 而增加 而溶剂的极性有己烷变成苯或戊醇时，最佳水活度几 乎不变0.55。 说明：最佳水活度与溶剂的极性几乎无关。
11
1.非水相介质中酶的热力学稳定性
试验证明：有机溶剂中酶的热稳定性和储存稳定性都 比水溶液中高。 例如：猪胰脂肪酶(PPL)在苯中催化脂交换反应。有 机相中100C半衰期10h以上，而在水相中100C马 上失活。 原因：有机溶剂中缺少使酶失活的水分子，而水会引 起酶分子中一些氨基酸的脱氨基、水解、二硫健的破 坏、半胱氨酸的氧化、AA异构化等蛋白质热失活使 得热不稳定。
非水相中酶催化技术
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
第七章 非水相酶催化
1）与水互溶的有机溶剂-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。这种反应体系主要适用于在单一水溶液中溶解 度很低、反应速度也很慢的亲脂性底物的生物转化。
2）非极性有机溶剂-水两相体系
由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂相所组成的两相体 系。反应一般发生在水相或者是两相的界面上。
适宜的温度下进行反应。
第一节 非水酶学概述
Enzyme Engineering
有机介质酶反应的应用现状
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
一、酶促反应的有机介质体系
低水体系(A)
高水分含量体系
A
B
(B、C、D)
C
D
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
渗透蒸发法调控水分的原理源自Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
（二）有机溶剂对有机介质中酶催化反应的影响
1.有机溶剂对酶活性的影响
有机溶剂直接与酶分子周围的水相互作用，造成酶分子必需水的 变化和重新分配，从而影响酶的构象和活性。
溶剂的极性越强，对酶活性影响越大。溶剂的疏水性越强，酶在 该介质中的反应活性愈高。
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
100
酶
活 50
力
CLECs（辛烷） 冻干酶（辛烷）
CLECs（乙腈） 冻干酶（乙腈）
0
1
2
3
4
5
6
时间（天）
枯草杆菌蛋白交联酶晶体与冻干酶在己烷和乙腈中的稳定性
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
名词解释
名词解释非水相催化：（据说酶工程上有）物质在非水介质中的催化作用反应计量学：是对反应物系的组成和转化程度的数量化研究。
得率系数：又称宏观系数，常用Y j i /表示，其中i 表示细胞或产物，j 表示底物。
Y j i /=j i m m ∆∆ 本征反应动力学:是一种仅描述反应生物反应本身的动力学规律的动力学。
酶的固定化：通过物理或化学的方法使溶液酶转变为在一定空间内收到约束的一种不溶于水但仍有酶活性的酶。
细胞固定化：与酶的固定化相似，通过各种手段将细胞与水不溶性载体结合，之辈固定化细胞的过程反胶束体系：是由水、有机相及表面活性剂组成，是表面活性剂分散于连续有机相中自发形成的一种具有微水池结构的油包水微乳液。
细胞生长：细胞的生长，主要是指细胞体积的增大，细胞分化完成后并不是所有的细胞都有生长的过程 （百度）代谢工程：通过某些特定生化反应的修饰来定向改善细胞的特性或运用DNA 重组技术来创造新的化合物的过程。
代谢网络：分解代谢途径、合成代谢途径和膜输送体系的有序组合构成代谢网络。
广义的代谢网络包括物质代谢网络和能量代谢网络。
代谢通量：物质或信息通过代谢途径被加工的速率。
节点：网络分流处的代谢产物细胞破碎：指利用外力（物理、化学、酶或机械的方法）破坏细胞膜和细胞壁，使细胞内容物包括目的产物成分释放出来的技术。
表面活性剂：是由亲水的极性头和疏水的非极性尾组成的物质。
（书本上的定义）具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。
（百度） 宏观反应动力学：是一种描述反应生物化学反应和传递因素对动力学综合影响结果的动力学 酶固定时的酶活力表现率：指实际测定的固定化酶活力与被固定化酶在溶液状态下的总获利之比。
)(323E E E + 其中，2E 是固定化造成的失活，3E 指实测的固定化酶活力。
代谢途径：指催化总的代谢物的转化，信息传递和其他新报功能的酶促反应的集合。
载流途径：代谢主流途径中的代谢途径称为主要载流途径，简称载流途径。
第八章 酶非水相催化09
非水相体系中的酶反应
有许多底物和产物（如甾体化合物、脂质类、 碳氢化合物等），几乎不溶于水，这类物质 的反应在水相系统有困难，如果把这些反应 在非水相中进行，我们可使用更高的浓度， 同时减少微生物污染的可能性。然而，通常 酶存在于水环境中，但细胞膜中存在的酶则 处于非水相中仍保持活性，但通常把酶放置 于非水溶剂中会引起酶变性或失活，如何使 酶在非水相仍保持活性？
14
例如，在辛烷介质中，每分子糜蛋白酶只需50 分子水，就可维持其活性；而在氯仿介质中， 每分子多酚氧化酶却需3.5×107水分子。如每 分子α-胰凝乳蛋白酶需要数十个水分子的必 需水,而每分子醇脱氢酶的必需水高达几百个 水分子。 低于必需水的下限，酶蛋白会因构象剧烈变化 而失活，然而在水量增加的情况下，酶也会因 水份过多而活性降低,因此酶也应有一个因过 量水而失活的水量上限。
16
在非水相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。
有机溶剂中酶活性与含水量的关系
17
通常用热力学水活度αw (thermodynamic water activity) 来描述有机溶剂中酶的活 性与水量的关系。 水活度是指在一定的温度与压力下反应体系 中水的蒸气压与纯水蒸气压的比值。 体系含水的多少是由溶剂的极性决定的,溶 剂对酶的影响实际上是酶的必需水被溶剂剥 夺而使酶的活性发生变化。
9
8.1、酶在非水相介质中的催化特性 、
酶在非水相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
（1）底物专一性、 立体异构选择性 底物专一性、 底物专一性 立体异构选择性。在非水相介质中，由于酶分子 结构发生变化，致使酶的底物特异性会发生一些改变。例如，枯草芽 孢杆菌蛋白酶催化N-乙酰-L-丝氨酸乙酯和N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯与 丙醇的转酯反应，在二氯甲烷或苯介质中，含丝氨酸的底物优先反应； 而在吡啶或季丁醇介质中，则含苯丙氨酸的底物首先发生转酯反应。 一般来说，在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易进行反 应；在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易进行反应。 在非水相介质中，酶的立体异构专一性也发生改变，一般来说， 在非水相介质中 ， 酶的立体异构专一性也发生改变 ， 一般来说 ， 在疏水性强的介质中， 型异构体比L 在疏水性强的介质中，D-型异构体比L-型异构体更容易与酶结合而发 生反应。 生反应。这一点在手性药物的制造中，有重要应用。
2 非水相生物催化
水/有机溶剂两相体系 有机溶剂两相体系
指由水相和与水不互溶的有机溶剂组成的两相反应体系。 指由水相和与水不互溶的有机溶剂组成的两相反应体系。 常用的有机溶剂一般为亲脂性溶剂，如烷烃、醚和氯代烷烃等。 常用的有机溶剂一般为亲脂性溶剂，如烷烃、醚和氯代烷烃等。 在该分相体系中，酶处于水相，底物和产物溶解于有机相， 在该分相体系中，酶处于水相，底物和产物溶解于有机相，从而 减少了底物及产物对酶的抑制作用， 减少了底物及产物对酶的抑制作用，降低有机溶剂对酶的毒害作 用。同时，酶反应的产物进入有机相，减少了逆反应的发生，使 同时，酶反应的产物进入有机相，减少了逆反应的发生， 反应朝着产物合成的方向进行。 反应朝着产物合成的方向进行。 由于两相体系中酶催化反应仅在水相中进行， 由于两相体系中酶催化反应仅在水相中进行，因而必然存在着底 物和产物在两相之间的质量传递， 物和产物在两相之间的质量传递，因此振荡和搅拌可加快两相反 应体系中生物催化反应的速度。 应体系中生物催化反应的速度。 该两相体系适用于强疏水性底物如脂类和烯烃类的生物转化。 该两相体系适用于强疏水性底物如脂类和烯烃类的生物转化。
无溶剂系统
指一类无其它有机溶剂，只含有底物和酶的反应体系。 指一类无其它有机溶剂，只含有底物和酶的反应体系。 此类反应体系底物浓度高，反应速度快；无需分离反应介质， 此类反应体系底物浓度高，反应速度快；无需分离反应介质，分 离纯化工艺简单；同时，无溶剂体系不需要使用其它有机溶剂， 离纯化工艺简单；同时，无溶剂体系不需要使用其它有机溶剂， 既降低了生产成本，又减少了有机溶剂对环境的污染， 既降低了生产成本，又减少了有机溶剂对环境的污染，是一种绿 色反应体系。 色反应体系。 无溶剂体系主要用于熔点较低、在酶的最适温度下呈液态的底物 无溶剂体系主要用于熔点较低、 之生物转化，如酶催化油脂的转酯反应。 之生物转化，如酶催化油脂的转酯反应。 但是，此反应体系不适合于底物对酶有强烈抑制作用的生物转化。 但是，此反应体系不适合于底物对酶有强烈抑制作用的生物转化。
酶的非水相催化
2 有机溶剂对酶活性的影响
极性较强的有机溶剂能够夺取酶蛋白表面的“必需 水”，扰乱酶分子的天然构象的形成，从而导致酶 的失活。 极性系数lgP：P为溶剂在正辛烷与水两相中的分配 系数。lgP越小，极性越强。 lgP小于2的极性溶剂不宜使用。
在有机介质中进行酶催化时，应选择好所用 溶剂，或通过酶分子修饰提高酶的亲水性。
（三）有机溶剂对酶催化反应的影响 1 2 3 4 有机溶剂对酶结构的影响 有机溶剂对酶催化活力的影响 有机溶剂对底物和产物的影响 有机溶剂对酶选择性的影响
酶在非水介质中的存在形式 一、固态酶。 冻干酶粉、固定化酶、结晶酶 以固体形式悬浮在有机溶剂中 二、可溶解酶。 水溶性大分子共价修饰酶 非共价修饰的高分子—酶复合物 表面活性剂—酶复合物 微乳液中的酶等
（二）水对非水介质中酶催化的影响 酶只有在一定量水的存在下，才能进行催 化反应，特别是在有机介质中的酶催化反应， 水含量的多少对酶的空间构象、催化活性、稳 定性、催化反应的速度、底物和产物的溶解度 等都有密切关系。
1 必需水
维持酶分子完整的空间构象所必需 的最低水量。 氢键、盐键等次级键。 在无水的条件下，酶的空间构象被 破坏，酶将变性失活。 通过必需水的调控，可以调节有机 介质中酶的催化活性和选择性。
【生物学】第六章酶的非水相催化
第六章酶的非水相催化◆人们以往普遍认为只有在水溶液中酶才具有催化活性。
◆酶在非水相介质中催化反响的研究:在理论上进行了非水介质〔包括有机溶剂介质，超临界流体介质，气相介质，离子液介质等〕中酶的结构与功能、非水介质中酶的作用机制，非水介质中酶催化作用动力学等方面的研究，初步建立起非水酶学〔non-aqueousenzymology〕的理论体系。
◆非水介质中酶催化作用的应用研究，取得显著成果。
1.酶非水相催化的研究概况◆酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非水相催化。
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响。
◆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全然维持其完整的结构和活性中心的空间构象，因此能够发扬其催化功能。
◆酶在有机介质中起催化作用时，酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性和热稳定性等都有所改变。
气相介质中的酶催化：◆气相介质中的酶催化是指酶在气相介质中进行的催化反响。
◆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响。
◆由于气体介质的密度低，扩散轻易，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。
超临界流体介质中的酶催化：◆超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体中进行的催化反响。
◆用于酶催化反响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碍事；具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性；超临界温度不能太高或太低，最好在室温四面或在酶催化的最适温度四面；超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用；超临界流体要轻易获得，价格要廉价等。
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〔ionicliquids〕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。
酶工程-第七-酶的非水相催化
过多水的危害
➢ 过多的水分会进一步水化蛋白中极性低的基团使蛋白构 象更松散引起一些构象微调来降低酶活性，尤其是酶的 “热失活” ；（物理）
➢ 温度升高时酶分子发生可逆折叠，然后进行下述一种或 几种反应：(1)形成不规则的结构；(2)通过消除反应使 二硫键破坏；(3)天冬氨酸和谷氨酰氨残基的脱酰氨；(4) 天冬氨酸残基的肽键水解。（化学）
* 离子液体强极性的特点使它对精细化工和医用产品起始材料的 “构建单元”(如肽、糖、核酸等极性底物)具有的较强的溶解性， 预示着离子液体可能在精细化工和医用产品生产上扮演重要角色。
（3）同时还有很多研究者认为离子液体是一种“可设计”的溶剂，可 以通过合成手段合成一系列结构和性质迥异的离子液体来满足各方 面研究和应用的需求。
(三) 离子液体缺点
离子液体也有一些缺点妨碍着它的应用。 已合成的离子液体大多黏度很高，这势必给底物和产
物的传质带来困难。Kragl等人发现尽管β-糖苷酶在 80°C高温下在离子液体1-甲基-3-甲基咪唑甲基璜酸 盐(1-methyl-3-methylimidazolium methanesulfonate,[MMIM][CH3SO3])中仍具有很高的 稳定性，但80°C的高温仍然没有解决离子液体粘度 较大带来的传质困难。 尽管有些离子液体成本可达到70欧元/kg，但价格仍 然是限制其应用的重要因素。因此离子液体能否能完 全回收利用是其能否工业化应用的重要条件。
五 酶非水相催化的反应介质—离子液体
(一) 离子液体的结构及分类 离子液体是呈现为液态的盐 离子液体是完全由阴阳离子组成且常温下呈液态的
离子化合物，这些离子化合物结构上存在离子结构对 称性低、分子间作用力弱等特点，导致了离子液体熔 点接近室温或低于室温，使离子液体成为一种以液态 方式存在的盐。
酶的非水相催化
异性、立体选择性、区域选择性、键选 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、酶的催化特性及酶催化速度等都有显著影响。
产物是:酯类、肽类、手性醇等有机化合物
择性和热稳定性等都有所改变。 因此，作为催化介质使用的有机溶剂必须通过实验进行选择、确定。
二、气相介质中的酶催化
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。
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，
所以酶在气象介质中的酶催化作用与在 水溶液中的催化作用有明显的不同特点 。
。 有机溶剂中酶对底物的对映体选择性由于介质的亲(疏)水性的变化而发生改变，例如胰凝乳蛋白酶，胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶、弹性
蛋白酶等蛋白水解酶对于底物N—Ac-A1a—OetCl(N—乙酰基丙氨酸氯乙酯)的立体选择因子[即(kcaL／Km)l／(kcat／Km)D的比值]在有
aw=rwXw
体系
是
由
水
和
极
性
较
大
的
有
机
溶
剂
互
相混合组成的反应体系。 三、超临界流体介质中的酶催化
酶催化过程，pH值影响酶活性中心基团和底物的解离状态，直接影响酶的催化活性; 第三节
酶和反 酶在有机介质中的催化特性
而最佳水活度与溶剂的极性大小无关。
应
底
物
都
是
以
溶
解
状
态
存
在
均
一
体
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
酶的非水相催化 (2)
相同的酶，反应体系的最适含水量随有机溶剂种 类、固定化载体特性、修饰剂种类等不同而不同。
8
反应体系中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，季 丁醇，丙醇，乙腈，已酯，二氯甲烷等。
18
一、手性药物拆分
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） 酮基布洛芬（Ketoprofen） 喘速宁（Trtoquinol） 乙胺丁醇（Ethambutol） 萘必洛尔（Kebivolol）
2、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。 因此应选择好所使用的溶剂，控制好介质中的含水 量，或者经过酶分子修饰提高酶分子的亲水性，避 免酶在有机介质中因脱水作用而影响其催化活性。 3、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。
S构型，治疗心脏病,β -受体阻断 剂
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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
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4、胶束和反相胶束体系
反相胶束体系是含有表面活性剂与少量水的有机 溶剂系统。 当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的极 性端朝向外侧，有机溶剂被包在胶束内部，称为 正相胶束。当体系中水浓度低于有机溶剂时，形 成胶束的极性端朝向胶束中部，而非极性端朝向 胶束外侧，水被包在胶束的内部，称为反相胶束。
一、非水相酶学的研究历史
水相和非水相酶的催化反应
二、非水相酶催化的特点和优势
(8) 改变酶选择性，包括底物专一性、对映和区域选择性
三、非水相酶催化的主要类型
（一）有机介质的酶催化； （二）气相介质的四）离子液介质中的酶催化
（一）有机介质的酶催化
指酶在含有一定水的有机溶剂中进行催化反应。
1、水不互溶有机溶剂单相体系（微水有机介质体系）
2、水互溶有机溶剂单相体系
3、水- 有机溶剂两相系统；
4、胶束和反相胶束体系
1、水不互溶有机溶剂单相体系 （微水有机介质体系）
是指用水不互溶有机溶剂（含量>98%）取代几 乎所有的水，微量水一部分为酶分子的结合水， 才能保证其空间构象和催化活性。 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机溶剂 中，在悬浮状态下进行反应。 水不互溶性有机溶剂通常是烷烃类、芳香族化 合物、卤代烃、醚等。
非水相酶催化
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
内 容
第一节 非水酶学概述
第二节 非水介质中酶的结构与性质
第三节 水对有机介质中酶催化的影响
第一节 非水酶学概述
传统观念认为酶只能在水溶液中发挥作用，而一 旦和有机溶剂接触则失去活性。有关酶的催化理 论是基于酶在水溶液中的催化反应建立起来的。 但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适 宜的溶剂。许多有机化合物底物在水介质中难溶 或不溶。 是否可以在非水介质中能够保证酶催化？
四、非水相酶催化的主要研究内容
非水介质中酶学基本理论研究，包括酶学性质、 影响非水介质中没催化的主要因素以及酶作用动 力学；
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，建立和完善非水酶学 的基本理论
利用基本理论来指导非水介质中酶催化反应的研 究和应用。
第二节 非水介质中酶的结构与性质
2、酶的特异性发生变化
对于一个给定的酶来说，选择性被看成是酶的 固有特性，要改变其选择性，就要改变酶分子 自身，比如通过定点突变。只要酶是在水中发 挥作用，或者说当反应介质固定不变时，这一 概念就是正确的。但当酶催化过程是在有机溶 剂中进行时，当从一个溶剂中换到另一种溶剂 中时，酶的各种选择性都会发生深刻的变化。
酶活性部位与水溶液中的结构式相同。 有机溶剂中酶反应机制与水溶液中的酶反应机 制相同。如在有机溶剂中的酶促转酯反应遵循 米氏方程；酶在有机溶剂中的最大催化活力对 应的pH也是酶在水溶液中的最佳pH。
（三）有机溶剂中酶分子的柔性
在非水溶剂中酶所需的水能给予酶分子在构象上
有足够的柔性而使其具有催化活性。 酶分子的“紧密”和“开启”；两种状态处于一 个动态平衡，表现出一定柔性。 不同介质中酶活性中心的完整性相差不大，但酶 活力却相差4个数量级。因此认为酶分子的动态 变化很可能是主要因素。
一、非水介质中酶的结构
（一）非水介质中酶的状态 固态酶：包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它 们以固定形式存在有机溶剂中。 可溶性酶：包括水溶性大分子共价修饰酶和非 共价修饰的高分子-酶复合物、表面活性剂-酶 复合物以及微乳液中的酶等。
一、非水介质中酶的结构
（二）活性位点和机制
在有机相中酶能够保持其整体结构的完整性，
3、水- 有机溶剂两相系统
指由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相体系。疏水 性底物和产物溶解于有机相中，酶溶解于水相中。 由于双相体系中的酶催化反应是在水相中进行，必须保 证反应底物和产物在酶与两相之间又良好的质量传递条 件，因此振荡和搅拌将是该生物催化反应体系中最重要 的参数。
常使用的水不溶性溶剂有烃、醚、酯等。一般应用于强 疏水性的底物，如甾体类、脂类和烯烃类生物转化。
刚性与柔性的动态平衡
紧密状态：取决于蛋白质分子内的氢键 溶液中水分子与蛋白质分子之间所形成的氢键 使蛋白质分子内氢键受到一定程度的破坏，蛋 白质结构变动松散，呈一种“开启”状态。
（蛋白质与水分子之间）
二、非水介质中酶的性质
1、酶的稳定性提高
酶的热不稳定性分为两种情
况：一种是当酶处于高温中 随着时间延长逐步发生的不 可逆的失去活性；另一种是 由热诱导产生的瞬间和可逆 的酶分子去折叠。无论是哪 一种失活方式，水在其中均 起到非常关键的作用。
2、水互溶有机溶剂单相体系
是指由水和与水互溶的有机助溶剂（10~20%） 组成的反应体系，酶、底物、产物均能溶解于 该体系中。 主要适用于在单一水溶液中溶解度很低、反应 速度也很慢的亲脂性底物的生物转化。 常用的有机溶剂有二甲基亚砜（DMSO）、二 甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、二噁烷、 丙酮和低级醇。
正胶束体系
反相胶束体系
反相胶束：在与水不互溶的大量有机溶剂中，加入表 面活性剂后形成的油包水的微小水滴。
常用表面活性剂：AOT [丁二酸二（2-乙基）己酯磺酸钠]、 Tween 酶被限制在含水的微环中，而底物和产物可以自由进出胶束。
小结
（二）气相介质的酶催化
指酶在气相介质中进行催化反应； 适用范围：底物是气体或能转化为气体的物质； 优点：某些酶在液相中使用受到一定限制，如酶和辅 酶的操作不稳定性，底物及产物的不溶性和酶的活性 被产物抑制等，而气相中的反应可以克服这些缺点。
（三）超临界流体介质中的酶催化
超临界流体指温度和压力超过临界点的流体。
常用的超临界流体有：CO2、氟利昂（CF3H）、
烷烃类（甲烷、乙烯、丙烷）或无机化合物
（SO2、N2O）。酶在这些溶剂中就像在亲脂 性有机溶剂中一样稳定。
（四）离子液介质中的酶催化
指酶在离子液中进行催化作用； 离子液(Ionic liquids)是有机阳离子、有机阴离子 在室温下呈液态低熔点盐类。 特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择性、 立体选择性、键选择性。