反胶束体系中的酶催化反应

反胶束体系中的酶催化反应1

曾家豫，唐功，周兴辉，高亚娟

西北师范大学生命科学学院，兰州（730070）

E-mail: sdeztg@

摘要：反胶束是新的酶催化反应的介质工程，酶在反胶束体系中的性质与在水溶液中相比有较大区别。本文综述了含酶反胶束体系的制备、反胶束体系中影响酶催化化学反应的因素，以及在反胶束体系中酶的活性及动力学特性，介绍了反胶束体系下酶催化反应的优点及应用，并展望了其发展前景。

关键词：反胶束，酶催化反应，介质工程

传统的酶学实验都是在生物体外的水溶液介质中进行的，而酶起作用却发生在生物体特定的微环境中。介质工程(medium engineering)反胶束为生物催化过程提供理想的溶剂体系，能保持或提高生物催化剂的活性和稳定性。

自1974年Wells[1]发现磷酸酯酶A2在卵磷脂/乙醚/水反胶束体系中具有卵磷脂水解活性以来，国外有二十多个实验室50 多种酶在反胶束中的酶学性质进行了广泛而深入的研究[2、3、4]，由此促进了一个新的研究领域-----胶束酶学(micellar enzymology) 的兴起。分散在有机相中的含酶水滴作为微型反应器(microreactor) 的概念已普遍为人们所接受。胶束酶学研究的权威Martinek[5]预言：反胶束体系有可能成为生物转化的通用介质。酶催化的介质工程的研究经历了从水→有机溶剂→反胶束(reversemicelles)的过程。在水/有机溶剂两相体系和微水有机溶剂单相体系中，仅有少数酶能够保持催化活性。由于反胶束体系能够较好地模拟酶的天然环境，因而在反胶束体系中, 大多数酶能够保持催化活性和稳定性，甚至表现出“超活性”(superactivity)[6、7]。本文综述了酶催化反应在介质工程反胶束体系中的研究。

1 反胶束体系研究

1.1 反胶束体系概述

反胶束是表面活性剂分子在非极性溶剂中自发形成的纳米级的油包水胶体分散系，反胶束体系中，表面活性剂分子在界面上定向排列，碳氢链伸向有机相，极性头或荷电头部及抗衡离子则向内排列，形成极性核[8]。在反胶束体系内部，水可溶解到极性核中形成一个纳米级“水池”（Water pool）[9]，该“水池”可增溶水和酶等极性物质。水含量Wo（Wo为反胶束体系中水和表面活性剂S的物质的量之比即Wo=[H2O]/[S]）它影响反胶束的大小、结构和酶活性。反胶束内部独特“水池”的存在使得其内部环境接近于细胞内环境。这样，包埋于反胶束中的酶不仅避免了与周围有机溶剂直接接触而可能导致的失活，而且为高度分散的反胶束提供了巨大的相界面，使得通过反胶束内外间的传质阻力变的很小。

1.2 反胶束体系的制备

反胶束体系具有三种溶解环境：连续有机相、胶束界面、胶束水池。有机溶剂参与的酶反应常应用于该体系，酶增溶于反胶束体系的方法主要有：

（1）注入法这是将含有酶的缓冲液注入到表面活性剂有机溶剂中，然后搅拌至形成透明溶液即反胶束酶体系，这是一种常用的方法，该方法可很好的控制反胶束的水含量（Wo）。

1本课题得到基金项目：甘肃省教育厅科研项目（0601-28，0501B-16）的资助。

（2）液体萃取法这是酶从主体水溶液中转移到含有表面活性剂反胶束溶液中而形成反胶束酶体系的另一种方法，一般情况下，该方法制得反胶束酶的浓度较高。

（3）固体萃取法它是将反胶束溶液和固体酶直接混合搅拌，使酶进入反胶束体系的一种方法。该方法使酶失活严重，一般很少使用。

1.3 反胶束体系中酶催化的影响因素

（1）反胶束体系中水含量（Wo）对酶催化活性的影响

反胶束水池中的水不同于溶液中的水，包括自由水和结合水。文献研究表明每一种酶都有一个最适Wo值，酶活力与Wo的关系一般符合钟罩形曲线[10]。当Wo很小时，大部分的酶分子不能增溶于反胶束内核，而直接暴露于有机溶剂中失活；在Wo相对较低时，酶的活力也相对较低，可能是由于不能满足酶分子周围需要的一层必须水，而影响了酶活化构象的形成；当Wo较大时，酶活力随Wo增加而下降，可能是由于反胶束内部水含量的增加，引起酶流动性的增大，导致酶活化构象的破坏，同时Wo太大时，底物浓度下降，也使酶活力降低的因素之一。

（2）反胶束体系中pH值对酶催化行为的影响

酶催化反应对微环境中的pH值非常敏感，最佳pH值的选择与酶的种类、反应的类型有关。大多数酶在反胶束体系中的活性随pH值的变化呈“钟罩形”曲线关系[11、12]，即有一最佳pH值，此时酶表观活性最大，这与水溶液中情况类似。例如在AOT/异辛烷反胶束体系中，脂肪酶（PCL）催化三油酸甘油酯的水解时[13]，使用pH值范围（4.0-9.0）不同的缓冲液（乙酸盐pH=4.0-4.5，磷酸盐pH=6.0-8.0和Tris-HCL pH=8.0-9.0），测得酶活力与也呈钟罩形曲线。在pH=8.0时，酶的活力最大，此值与PCL在水溶液中的活力基本一致。

（3）温度对酶在反胶束体系中催化活性的影响

在反胶束体系中温度对于酶催化反应的影响与有机介质体系中的规律一样[14]，即在一定温度范围内反应速率随温度的升高而加快。但当温度升高到一定限度时，酶催化反应速率不仅不再加快反而随温度的升高而下降。在一定条件下，每一种酶在某一温度时活力最大，这个温度称为这种酶的最适温度。不过，有一点应注意的是温度与反胶束体系的相行为有关。高温和高离子浓度将导致电泳，从而导致电导率的变化进而导致反胶束中双连续相的形成。

1.4 反胶束酶体系活性

反胶束中, 酶活性与Wo的关系有四种情况(图1)[15]：（1）饱和型酶为了达到最大活性，要求胶束中有自由水(free water)存在, 较高的Wo对酶活无影响；（2）钟罩型对应于酶的最高活性, 有一个最佳含水量, 此时胶束中水池的直径与酶的尺寸相当；（3）渐减型酶活性随Wo增大逐渐降低, 低Wo下酶活性较高；（4）超活性效应型 某些酶在反胶束中的Kcat比在水中大得多，即所谓超活性效应。Martinek[16]认为在水中, 酶结构的波动(fluctuation) 扰动了催化构象。而在反胶束中, 表面活性剂壳层的刚性缓冲了这种波动, 使酶分子的刚性增加, 从而使酶表现出超活性。