第七章 非水相酶催化

的选择性增加。含水量继续增加，选择性下降。
Enzyme Engineering 第二节
4.
有机介质中的酶促反应
有机介质反应体系中水含量的调控（低水体系）
反应前，控制加入的水量。 将酶、底物和溶剂分别在饱和盐溶液所形成的气相环境中进
（ 1） （ 2）
行预平衡。
（ 3）
向反应体系中通入一定含水量的惰性气体或空气来调节体系
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。
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
二、生物表面活性剂的合成
生物表面活性剂是指利用酶或微生物通过生物催化和生
物合成方法得到的具有表面活性的物质，如糖脂类、氨 基酸类、蛋白类等表面活性剂。
生物表面活性剂具有优良的表面性能，抗菌、抗病毒、
ห้องสมุดไป่ตู้
抗肿瘤等药理作用。
特点是无毒，可完全降解，不会造成环境污染。 通过酶在非水体系中催化合成的生物表面活性剂主要有
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。
lg P lg
有机溶剂在辛醇的分配 浓度 有机溶剂在水中分配浓 度
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应


Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
脂肪酶活性与水活度的关系
Enzyme Engineering 第二节
3.

有机介质中的酶促反应
水对酶催化反应平衡及立体选择性的影响
调节有机介质反应体系水的活度，可调节反应的平衡点

在含水量很低很窄的范围内，随着水活度的增加，酶对对映异构体
酶蛋白 抑制剂
有机溶剂
冻干
枯草杆菌蛋白 酶的分子记忆
水溶液
除去抑制 剂
Enzyme Engineering 第三节 有机介质中酶的性质
四、底物专一性的改变
1.
酶催化的相对专一性的变化
极性较强的溶剂中，疏水性较强的底物易发生反应，反之亦然。
有机溶剂中，酶偏向于作用小分子底物。
2.
单甘酯、糖酯、磷脂、氨基酸型表面活性剂等。
Enzyme Engineering 第五节 非水相酶催化的应用
一、有机介质体系中酶活性的变化
一般来说，酶在有机溶剂中的活性比在水溶液中要低得
多。
原因：
1.
传质障碍；
2.
3.
有机溶剂增加酶促反应的活化能；
酶分子活性中心刚性的增加。
Enzyme Engineering 第三节 有机介质中酶的性质
二、酶的稳定化变化
酶在有机溶剂中的稳定性比在水溶液中的稳定性显著提
Catalysis in Organic Media at 100℃”
传统的生物催化必须在水溶液中进行的酶学概念发生了
革命性的变化。
Enzyme Engineering 第一节 非水酶学概述
Enzymatic catalysis in organic media at 100℃
猪胰脂肪酶在不同溶剂中加热后酶活性的改变 溶剂1：水或0.1,mol/L磷酸缓冲液； 溶剂2：2mol/L戊醇、三丁醇甘油酯（含0.8%水）； 溶剂3：2mol/L戊醇、三丁醇甘油酯（含0.015%水）；
脂肪酶 水溶液
酯的水解
X为O或者NH
脂肪酶 有机溶剂
转酯反应
脂肪酶在水相和有机相中催化的反应
Enzyme Engineering 第三节 有机介质中酶的性质
六、酶促动力学的变化
酶在非水介质中的催化反应符合米氏方程。
底物的种类、溶剂的性质都会影响动力学参数。
非水介质中的最大反应速度较水中明显降低。
当溶剂logP>4时，酶能保持活性 和高稳定性，如（丁醇）。 当溶剂2<logP<4时，酶活性难预 测，如（氯仿）。 当溶剂logP<2时，酶易于发生变 性失活，如（甲醇等）。
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
2.有机溶剂对底物和产物分配的影响

有机溶剂极性过强，造成酶分子必需水层的脱去，同时造成疏水性 底物在溶剂体系中溶解度降低，使酶促反应速度降低。 有机溶剂疏水性过强，疏水性底物在溶剂中的浓度高，但很难进入 到酶分子必需水层，进入活性中心的底物分子浓度低，而降低反应 速度。
水对酶催化反应速率的影响
催化速度达到最大时的含水量称为最适含水量。
最适含水量会随着有机溶剂的类 型、酶活性位点的极性、酶是否 修饰、修饰剂的种类以及反应条 件等的变化而不同。 一般情况下，最适含水量随
溶剂极性的增加而增加。
低水催化体系中酶活性与含水量之间的关系
Enzyme Engineering 第二节
第四节 气相和超临界介质的酶促反应和应用（自学）
Enzyme Engineering
Enzyme Engineering 第五节 非水相酶催化的应用
一、手性药物的制备
例如，反应停是一种外消旋体的手性药物，其(R)-异构
体具有镇静作用，而(S)-异构体则具有致畸功能。
Enzyme Engineering 第五节 非水相酶催化的应用
二、有机介质中酶促反应的影响因素
（一）水对有机介质中酶催化反应的影响
1.
水对酶分子空间构象的影响
只有与酶分子紧密结合的一层左右的水分子对酶的催化活性是至
关重要的，这些对于维持酶活性所必需的最低水量称为必需水， 又称结合水。
Enzyme Engineering 第二节
2.
有机介质中的酶促反应
（五）酶的形态对有机介质中酶催化的影响

非水介质体系中酶的主要存在形式：
①
② ③ ④ ⑤
以固体酶粉的形式悬浮在有机介质中
酶结合在固定化载体上悬浮在有机介质中 修饰酶溶解在有机溶剂中 两相催化系统中，酶溶解在水相 以交联酶晶体或交联酶聚集体的形式悬浮在有机介质中
（六）温度对有机介质中酶催化的影响

3.有机溶剂的结构对酶促反应的影响
4.有机溶剂的选择

溶剂极性强弱、反应平衡、主反应影响、成本、毒性
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
（三）pH对有机介质中酶催化的影响
有机溶剂中的酶能够保持其冷冻干燥前或沉淀前所在缓
冲液中的pH值，这种现象称为pH记忆。

在低水有机介质体系中，酶的最适温度比在水溶液中的最适温度高 温度也会影响酶的选择性，一般在较低的温度，酶的立体选择性高
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
（七）添加物对有机介质中酶催化的影响
在有机介质反应体系中，加入甘油、甲酰胺、多羟基化
合物可提高酶分子在有机溶剂中的稳定性和催化活性。 这些溶剂称为仿水溶剂，一般为强极性有机溶剂。
2、高水分含量体系
1）非极性有机溶剂-酶悬浮体系
底物 有机溶剂
底物分子以扩散形式通过酶分子表面
酶
产物
的水层进入活性中心，完成催化后再 扩散进入有机相
2）非极性有机溶剂－PEG修饰酶单相体系 3）反胶束体系
界面
有机溶剂 底物
酶
产物
界面
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
立体异构选择性的变化
不同而变化。
溶剂疏水性增加，酶的立体选择性降低。立体选择性还随底物的
Enzyme Engineering 第三节
3.
有机介质中酶的性质
区域选择性的变化
在酶促反应中，底物某一位臵上的基团被酶转化，而另一位臵上的 相同基团不被转化，这种现象称为酶的区域选择性。
脂肪酶催化1,4-二丁酰基-2-辛基苯与丁醇之间的转酯反应
添加盐类也可改变酶的催化速度，因为盐可以改变酶分
子表面的离子化状态。
在制备有机介质催化用酶时，加入一些有机物或无机物 可提高酶在有机介质中的催化速度。氯化钾、PEG 在有机介质反应体系中，一定浓度的变性剂可增加酶的
催化活性。盐酸胍
Enzyme Engineering 第三节 有机介质中酶的性质
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
（四）固定化对有机介质中酶催化的影响
1
两相催化体系中可使酶分子处在水相中，避免变性。
2
3 4 5
固定化载体疏水性越强，有利于酶活性的保持
可使酶改善分散程度，减少底物或产物的扩散限制。 载体性质会影响到酶在有机介质中的反应动力学。 固定化可提高酶在有机介质中的操作稳定性。
的含水量。
（ 4） （5）
添加干燥剂控制水分的含量。
渗透蒸发法。
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
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
Enzyme Engineering 第一节 非水酶学概述
二、酶催化反应的介质
水介质 有机介质 非水介质（一定量的水） 超临界流体 气相介质 离子液介质
研究热点：介质工程，溶剂工程。
Enzyme Engineering 第一节 非水酶学概述
三、非水介质酶催化反应的特点

（1）非极性底物溶解度高，酶易回收和再利用。
Enzyme Engineering
酶 工 程
Enzyme Engineering
第八章 非水相酶催化
Enzyme Engineering 第一节 非水酶学概述
一、背景
20世纪60年代发现几种酶在有机溶剂中仍具有活性。
1984年，A.M.Klibanov在Science上发表“Enzymatic
高。
1. 2.
热稳定性提高； 储存稳定性提高；
3.
对变性剂的稳定性。
Enzyme Engineering 第三节 有机介质中酶的性质
三、pH记忆和分子印记
酶分子记忆原来在水相中的一些特性的现象，称为分子
印记。
利用酶在有机溶剂中具有分子印迹这一特性
，可用来作 为提高或改变有机介质中酶专一性（选择性)的有效手段 。如配体印迹酶。

有机介质中的酶促反应
水活度（aw ）是指在一定的温度与压力下，反应体系中水 的蒸气压与同样状态下纯水蒸气压的比值。 水活度是确定酶结合水的多少的一个参数，可以很好的表征 酶分子表面水含量的多少以及水对有机相中酶催化反应的影 响。 当体系的含水量一定时，溶剂的亲水性越强，aw值也越小， 酶的活性越低 。 在含有不同底物的各种有机溶剂中，酶的最适aw一般都在 0.55左右，酶的最适aw与溶剂的极性、底物的性质及浓度 无关。
4.

前手性选择性的变化
前手性选择性是指酶催化非手性底物选择性地形成具有一定立体构 型的产物。 溶剂的疏水性增加，前手性选择性降低。

Enzyme Engineering 第三节 有机介质中酶的性质
五、反应平衡方向的移动
在有机介质反应体系中，有机溶剂可明显改变反应的平衡，甚至
可以使一些反应发生逆转。
（2）改变反应平衡，催化在水中不能进行的反应。
（3）抑制依赖于水的不利反应和副产物。 （4）产物易分离纯化。


（5）热稳定性和储存稳定性增加，可减少微生物污染。
（6）控制底物的特异性、区域选择性和立体选择性。 （7）有机溶剂的凝固点远低于水，使一些对温度敏感 适宜的温度下进行反应。 的酶可在
Enzyme Engineering 第一节 非水酶学概述 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
100
酶 活 力
50
CLECs（辛烷） 冻干酶（辛烷） CLECs（乙腈） 冻干酶（乙腈）
0
1
2
3 时间（天）
4
5
6
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
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 (B、C、D)
A
B
C
D
Enzyme Engineering 第二节 有机介质中的酶促反应
1、低水体系
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