酶的非水相催化
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酶的非水相催化 (2)
Contents of chapter 10
10.1 非水介质酶学基础
10.1.1 非水介质体系与非水相生物酶学特点 10.1.2 非水介质中酶的结构与性质 10.1.3 水在酶催化反应中的作用 10.1.4 有机溶剂对酶催化反应的影响 10.1.5 有机有机溶剂单向体系是指用水不互溶的有机溶剂取代 几乎所有的水，即有机溶剂含量》98% ，有机溶剂 中含有微量水《2%，固相酶分散在单项的有机溶剂 中形成颗粒。虽然宏观地看在此体系中酶是干的状 态，但是其表面必须有能保证酶的催化活性的残余 的结合水。
（2）水互溶有机溶剂单相体系
水互溶有机溶剂单相体系是指由水和与水互溶的
种固体化合物混合而得到的具有一个最低共熔点的
状态，在低共熔固 - 固体系中进行的酶促反应的特 点是靠反应底物形成低共熔点，由于反应体系的液
- 固体积比远小于水溶液或有机溶剂，从而反应底
物浓度高、反应速度快、产物浓度和收率高。反应
体积小，还可以大大降低产物分离提纯的成本。
非水相生物酶促反应的特点
1. 可以将加水分解反应转为其逆反应 2. 热稳定性比水中要高 3. 改变酶对底物的转移性 4. 从低沸点的溶剂中可以容易地分离纯化产物 5. 能抑制依赖于水的某些不利反应 6. 没有微生物的污染
氟利昂湖泊无机化合物等都可以作为酶催化亲脂性
底物的溶剂，酶在这些溶剂中就像在亲脂性有机溶 剂中一样稳定。超临界气体对多数酶都能适用，酶 催化的酯化、转脂、醇解、水解、羟化等反应都可 在此体系中进行。
（6）低共熔混合体系
低共熔酶促反应是继有机相没促反应基础上发展起
来的新的酶促反应技术。低共熔状态是由两种或多
人们对有机介质中酶的催化作用进行了许多研究表明 酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等水解酶， 过氧化氢酶、过氧化物酶、醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、 多酚氧化酶、细胞色素氧化酶等氧化还原酶以及醛缩 酶等转移酶中的十几种酶都可以在适当的有机溶剂中 起催化作用。而且酶在有机介质中的热稳定比在水溶 液中显著提高。
第七讲 酶的非水相催化
?用酶催化转酯反应拆分外消旋体得高光学纯度对应体?在酶促反应体系中添加?糊精可提高对映体的纯度?枯草溶菌素有效催化合成氨基酸及肽的转酯等?杨波等提出了有机溶剂中在脂肪酶的催化作用下含手性中心碳原子的胺类化合物酰胺化的异构选择性规则?李志远等用胰脂酶在有机介质中催化反应得到高光学纯度的2氨基丙醇r和s对映体?宗敏华等探讨了超声辐射对有机相中脂肪酶催化有机硅醇与脂肪酸反应的促进作用?刘平等研究了有机溶剂中酶催化合成五肽前体的反应22气相介质中的酶催化?酶在气相介质中进行的催化反应
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
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
酶非水相催化的名词解释
酶非水相催化的名词解释酶非水相催化是一种特殊的生物化学反应过程，其特点是在无水环境中，通过酶作用催化生物分子的转化。
在酶非水相催化中，不同于传统的酶催化过程，水分子并不直接参与反应，而是由其他非水相溶剂来替代。
这种非水相催化的特性赋予了酶非常高的催化活性和选择性。
酶非水相催化的概念源于生物体内一些特殊的蛋白质，即金属蛋白和脱水酶。
这些蛋白质具有能够在缺水环境下活跃的特性。
在生物体内，金属离子可以起到酶的活性中心的作用，而脱水酶则可以在非常干燥的环境下，通过形成氢键网络来稳定酶的结构，并促进催化反应的进行。
酶非水相催化的研究对于认识生物体内酶催化反应的本质以及开发新型催化剂具有重要的意义。
通过研究酶非水相催化过程，科学家们可以揭示酶活性中心的结构和功能，以及介观生物学的规律。
此外，酶非水相催化还可以为合成有机化合物提供新思路和新方法，通过模拟生物体内的催化反应，可以设计和合成出高效、高选择性的催化剂。
在研究酶非水相催化的过程中，科学家们不仅仅关注酶本身，还对非水相溶剂的选择和影响进行了深入研究。
非水相溶剂可以影响酶非水相催化的活性和选择性，不同的溶剂性质会对酶的构象和催化效果产生直接的影响。
同时，科学家们还研究了不同非水相催化体系之间的相互作用，以及非水相溶剂的理论模拟和定量描述。
酶非水相催化的应用范围非常广泛。
在传统的酶催化反应中，水分子的存在常常会引起反应的副反应，限制了反应的效率和产率。
而在非水相催化反应中，由于水分子的排除，反应体系更为干燥，酶的活性得到了有效提升。
酶非水相催化可以应用于生物医学、制药、有机合成等领域，用于合成生物活性物质、开发新药物和催化有机反应等。
总结起来，酶非水相催化是一种在无水环境中利用酶催化生物分子转化的特殊过程。
通过研究酶非水相催化，我们可以认识酶的活性中心结构和功能，揭示生物催化的规律，为合成有机化合物提供新的思路和方法。
此外，酶非水相催化还有广泛的应用前景，可以应用于医学、制药和有机合成等领域。
第五章 酶的非水相催化 to 学生
第五章 非水相生物催化
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。
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。
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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。
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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。
第七章_酶的非水相催化
第七章 酶的非水相催化
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
拒接翻版
Go Go Go Go Go
1、酶非水相催化的主要内容 2、有机介质中水和有机溶剂对催化反应的 影响 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 5、酶非水相催化的应用
非水酶学的研究主要内容
第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催 化的主要因素以及非水介质中酶学性质； 第二，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； 第三：应用
一、非水介质中酶的结构与性质
(一) 非水介质中酶的状态 存在状态有多种形．主要分为两大类 第一类为固态酶 它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固 固态酶， 固态酶
(二)非水介质中的酶学性质
有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精 细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶 剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相 结合的自由能就会受到影响，而这些至少会 部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、 立体选择性、区域选择性和化学键选择性等 酶学性质。
第二节:水对非水相介质中酶催化的影 响
第一节： 第一节：酶催化水相的主要内容
酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。 用于酶催化的非水介质包括 非水介质包括
有机溶剂体系
• • • • ①含微量水的有机溶剂单相体系； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系： ④胶束与反胶束体系；
超临界流体 气相 低共熔混合体系 又称为非常规介质。
体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶 结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率 也远高于其他类型的固态酶。
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
拒接翻版
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1、酶非水相催化的主要内容 2、有机介质中水和有机溶剂对催化反应的 影响 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 5、酶非水相催化的应用
非水酶学的研究主要内容
第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催 化的主要因素以及非水介质中酶学性质； 第二，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； 第三：应用
一、非水介质中酶的结构与性质
(一) 非水介质中酶的状态 存在状态有多种形．主要分为两大类 第一类为固态酶 它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固 固态酶， 固态酶
(二)非水介质中的酶学性质
有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精 细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶 剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相 结合的自由能就会受到影响，而这些至少会 部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、 立体选择性、区域选择性和化学键选择性等 酶学性质。
第二节:水对非水相介质中酶催化的影 响
第一节： 第一节：酶催化水相的主要内容
酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。 用于酶催化的非水介质包括 非水介质包括
有机溶剂体系
• • • • ①含微量水的有机溶剂单相体系； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系： ④胶束与反胶束体系；
超临界流体 气相 低共熔混合体系 又称为非常规介质。
体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶 结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率 也远高于其他类型的固态酶。
酶工程-07-酶非水相催化2
（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）容易获得，价格要便宜。
4
第七章 酶非水相催化
第一节 酶非水相催化的主要内容和特 点
二 、
根据所用非水介质的不同，分为四种：
酶
非
水 相 催 化 的 主 要 内 容
中（ 的四 酶） 催离 化子
液 介 质
概念：是指酶在离子液介质中进行 的催化作用。
5
第七章 酶非水相催化
第一节 酶非水相催化的主要内容和特 点
三
1、酶的热稳定性提高。
、
2、酶的催化活性有所降低。
酶
非
3、水解酶可以在非水介质中催化水解反应的逆反应。
水
相
4、非极性底物或者产物的溶解度增加。
酶催
催化 化反 反应 应都 的要 体在 系一 主定 要的 有反
非
水 有机介质反应体系
介 质 反
（研究最多，应用 最广泛）
应
体 超临界流体介质反
系 应体系
与水溶性有机溶剂组 成的均一体系
与水溶性有机溶剂组成 的两相或多相体系
（正）胶束体系
：
应 体
离子液介质反应体系
反胶束体系
7
第七章 酶非水相催化
第二节 有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响 （一）微水介质体系
KLD L
D
Km Kcat
立体选择系数 L-型异构体 D-型异构体 米氏常数 酶的转换数
酶在有机介质与在水溶液中催化比较,
影
由于介质的特性发生改变,使酶的对映体选
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
第七章 非水相酶催化
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 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
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
酶的非水相催化
.
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的 有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是 因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量 有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与 配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会 加速这种记忆丧失。
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
.
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
.
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。 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。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行 了酶催化反应的研究，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。 .
.
酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
.
一、酶非水相催化的几种类型
1、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。 特点：
1）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。
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的 有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是 因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量 有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与 配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会 加速这种记忆丧失。
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
.
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。 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。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行 了酶催化反应的研究，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。 .
.
酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
.
一、酶非水相催化的几种类型
1、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。 特点：
1）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。
【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。
第七章 酶的非水相催化
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。
在水溶液中，酶分子均一地溶解于水溶液中，可以较好地
保持其完整的空间结构。在有机溶剂中，酶分子不能直接
溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反应。根据酶分子的特 性和有机溶剂的特性的不同，保持其空间结构完整性的情 况也有所差别。
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
四、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：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。
主要应控制的条件有： 水含量
酶的种类和浓度
底物的种类和浓度
有机溶剂的种类
温度 pH 离子强度
必需水
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。
构和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。
二、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。
三、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
化特性
底物特异性 立体选择性
区域选择性
键选择性 热稳定性
酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构 象表现出比水溶液中更具有“刚性”特点。
因而使通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些特性成为可
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
而达到最大反应速度的水活度却变化不大，都在的范围内。 还可以在只含有微量水的有机介质（microaqueous media,又称为微水介质）中进行催化反应。
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
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
第26次课第6章酶的非水相催化精品文档
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。 因此认为酶分子结构的动态变化很可 能是主要因素.
北口博司认为酶分子的“紧密”和 “开启”两种状态处于一种可动平衡 中，表现出一定柔性。
有机溶剂中酶分子和水合作用、蛋白 质柔性和酶活力之间和关系比过去的 认识要复杂得多。
酶结合水 酶
水或有机剂
4、（正）胶束体系
大量水溶液中含少量与水不溶的有机溶剂，加入表面活性剂形 成水包油微小液滴； 表面活性剂极性端朝外,非极性端朝内,有机溶剂包在液滴内部; 酶在水溶液中,疏水底物或产物在胶束内,反应在胶束界面进行.
有机相 酶
水相
5、反相胶束体系
反相胶束: 在与水不互溶的在量有机溶剂中,加入表面活性剂后形成的 油包水的微小水滴；
有机溶剂中 酶含水量>最适水量，酶构象过于“柔性”，因变 构而失活；
最适水量：蛋白质结构的动力学刚性和热力学稳定性之间的最 佳点平衡点，酶活性最大，保证酶的极性部位水合，表现酶活 力所必需
同一种酶，反应系统的最适水量与有机溶剂的种类、酶的纯度、 固定化酶的载体性质核修饰性质有关
3.水活度（activity of water)
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； 特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水
相中明显不同；
有优于液相反应的优点：某些酶在液相中使用受到一定的 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，而气相中的反应就可以克服这 些缺点，而且气相中的酶促反应更利于易挥发性产品的生 产； Hwang 等研究了固定化醇氧化酶在气相中的催化反应
水的影响
另一方面水是导致酶的热失活的重要因素,有水存在时随着温 度的升高酶分子会发生以下变化而失活: (1)形成不规则结构; (2)二硫键受到破坏; (3)天冬酰胺和谷氨酰胺水解变为相应的天冬氨酸和谷氨酸; (4)天冬氨酸肽键发生水解.
北口博司认为酶分子的“紧密”和 “开启”两种状态处于一种可动平衡 中，表现出一定柔性。
有机溶剂中酶分子和水合作用、蛋白 质柔性和酶活力之间和关系比过去的 认识要复杂得多。
酶结合水 酶
水或有机剂
4、（正）胶束体系
大量水溶液中含少量与水不溶的有机溶剂，加入表面活性剂形 成水包油微小液滴； 表面活性剂极性端朝外,非极性端朝内,有机溶剂包在液滴内部; 酶在水溶液中,疏水底物或产物在胶束内,反应在胶束界面进行.
有机相 酶
水相
5、反相胶束体系
反相胶束: 在与水不互溶的在量有机溶剂中,加入表面活性剂后形成的 油包水的微小水滴；
有机溶剂中 酶含水量>最适水量，酶构象过于“柔性”，因变 构而失活；
最适水量：蛋白质结构的动力学刚性和热力学稳定性之间的最 佳点平衡点，酶活性最大，保证酶的极性部位水合，表现酶活 力所必需
同一种酶，反应系统的最适水量与有机溶剂的种类、酶的纯度、 固定化酶的载体性质核修饰性质有关
3.水活度（activity of water)
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； 特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水
相中明显不同；
有优于液相反应的优点：某些酶在液相中使用受到一定的 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，而气相中的反应就可以克服这 些缺点，而且气相中的酶促反应更利于易挥发性产品的生 产； Hwang 等研究了固定化醇氧化酶在气相中的催化反应
水的影响
另一方面水是导致酶的热失活的重要因素,有水存在时随着温 度的升高酶分子会发生以下变化而失活: (1)形成不规则结构; (2)二硫键受到破坏; (3)天冬酰胺和谷氨酰胺水解变为相应的天冬氨酸和谷氨酸; (4)天冬氨酸肽键发生水解.
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
酶的非水相催化原理及应用
酶的非水相催化原理及应用前言酶是生物体内一类特殊的蛋白质，具有催化生物化学反应的能力。
传统上，酶的催化作用都是在水相中进行的，但近年来研究发现，酶在非水相条件下也能展现出催化的活性。
这种非水相催化的酶活性，为许多化学合成过程和工业生产提供了新的思路和方法。
本文将介绍酶的非水相催化原理及应用，并探讨其潜在的发展前景。
非水相催化原理酶在非水相条件下催化反应的原理主要与以下几个方面相关：1.氢键网络的重构：在非水相条件下，酶的氢键网络会重构，使得酶分子更加紧密地结合在一起，从而增强催化效率。
2.构象变化的灵活性：在非水相条件下，酶分子的构象变化更加灵活，可以更好地适应反应物分子的结构，提高反应效率。
3.介质的溶解能力：非水相介质对反应物分子的溶解能力较低，可以促使反应物更易进入酶的活性位点，从而提高催化效率。
4.宽广的反应条件：与水相催化相比，非水相催化酶能够在更广泛的反应条件下工作，例如高温、极端酸碱环境等。
非水相催化的应用领域非水相催化酶已经在许多应用领域中展示出了巨大的潜力和优势，下面列举几个典型的应用：•有机合成：非水相催化酶在有机合成领域中具有广泛的应用。
例如，通过选择合适的非水相介质和反应条件，酶可以催化各种有机反应，如醇酸酯化、酮-醇转化等，从而实现高效、绿色的有机化学合成。
•生物燃料生产：非水相催化酶在生物燃料生产中起到了重要的作用。
酶可以催化生物质的降解和转化，将其转化为可燃的生物燃料，如生物柴油、乙醇等。
非水相条件下的催化反应具有高效性和高产率的特点，能够提高生物燃料的产量和质量。
•医药领域：非水相催化酶在医药领域中也有广泛的应用。
例如，利用酶在非水相条件下的催化活性，可以加速药物合成的速度，提高药物的纯度和效果。
此外，非水相催化酶还可以用于合成药物的关键中间体，从而为医药研发提供有力支持。
非水相催化的发展前景随着对酶催化机制的深入研究和非水相条件下催化反应的优势的认识，非水相催化酶在许多领域中的应用前景越来越广阔。
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酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
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一、酶非水相催化的几种类型
1、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。 特点：
1）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。
2）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。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
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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：
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
Chapter 6 Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
制作：崔建东 cjd007cn@
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Contents of chapter 6
Go 1、酶催化反应的介质 Go 2、有机介质反应体系 Go 3、酶在有机介质中的催化特性 Go 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go 5、酶非水相催化的应用
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
有机介质 反应体系微水介质 Nhomakorabea水与有机溶剂 的均一体系
水与不溶有机 溶剂的
非均一体系
正胶束体系
反胶束体系
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(1)微水介质体系: ◆微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体
系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反应体系。 ◆微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的
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一、酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
常见的阳离子有季铵盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐 离子等（如下图所示），阴离子有卤素离子、四氟 硼酸根离子、六氟磷酸根离子等.
特点: 不挥发、不可燃、导电性强、黏度低、热容大、蒸
汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好 的溶解性，在电化学、有机合成、催化、分离等领 域被广泛的应用。
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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。
性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能 在该反应体系的进行催化反应的酶较少。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系 (3)与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系： ◆这种体系是由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相
1）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。
2）由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相 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。
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一、酶非水相催化的几种类型
3、超临界流体介质中的酶催化 定义：超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体
中进行的催化反应。 条件要求：
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，
其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。
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酶的非水相催化
非水相酶催化的特性
（1）增加非极性基质的溶解度； （2）使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如
肽的合成、酯的合成等； （3）可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、
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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。 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。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行了 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。精品课件
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
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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。
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。
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一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的有 机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是因 为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量有 机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与配 体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会加 速这种记忆丧失。
酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
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一、酶非水相催化的几种类型
1、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。 特点：
1）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。
2）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。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
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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：
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
Chapter 6 Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
制作：崔建东 cjd007cn@
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Contents of chapter 6
Go 1、酶催化反应的介质 Go 2、有机介质反应体系 Go 3、酶在有机介质中的催化特性 Go 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go 5、酶非水相催化的应用
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
有机介质 反应体系微水介质 Nhomakorabea水与有机溶剂 的均一体系
水与不溶有机 溶剂的
非均一体系
正胶束体系
反胶束体系
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(1)微水介质体系: ◆微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体
系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反应体系。 ◆微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的
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一、酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
常见的阳离子有季铵盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐 离子等（如下图所示），阴离子有卤素离子、四氟 硼酸根离子、六氟磷酸根离子等.
特点: 不挥发、不可燃、导电性强、黏度低、热容大、蒸
汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好 的溶解性，在电化学、有机合成、催化、分离等领 域被广泛的应用。
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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。
性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能 在该反应体系的进行催化反应的酶较少。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系 (3)与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系： ◆这种体系是由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相
1）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。
2）由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相 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。
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一、酶非水相催化的几种类型
3、超临界流体介质中的酶催化 定义：超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体
中进行的催化反应。 条件要求：
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，
其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。
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酶的非水相催化
非水相酶催化的特性
（1）增加非极性基质的溶解度； （2）使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如
肽的合成、酯的合成等； （3）可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、
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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。 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。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行了 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。精品课件
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
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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。
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。
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一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的有 机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是因 为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量有 机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与配 体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会加 速这种记忆丧失。