酶的非水相催化(2)
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第7章 酶的非水相催化
4、（正）胶束体系
胶束也称为正胶束或正胶团，是在大量水 溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂， 加入表面活性剂后形成的水包油（O/W）的 微小液滴。 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，既能溶解水溶性物质又能增溶疏水性 物质。
正胶束是通过表面活性剂的极性端朝外， 与水结合，非极性端朝内，有机溶剂包在 液滴内部，形成一个非极性的核心形成。 正胶束水相是连续相，有机相是分散相。 酶催化反应时，酶在胶束外面的水溶液中， 疏水性的底物或产物在胶束内部，反应在 胶束的两相界面中进行。
6、pH“记忆”与pH“忘记”
在有机介质反应中，酶所处的pH环境与酶 的冻干或吸附到载体之前所使用的pH值相 同，这种现象称为pH“印记”或pH“记忆”。
第四节 反胶束体系的酶学研究
反胶束酶催化体系是指在非极性有机溶剂 中，酶分子溶解在由表面活性剂形成的含 水反向胶团内催化底物的转化。
一、反胶束的形成和酶的包覆
4、导电有机聚合物的合成
辣根过氧化物酶可以在与水混溶的有机介质（如
丙酮、乙醇、二氧六环等）中，催化苯胺聚合生 成聚苯胺。 聚苯胺-导电装置 塑料电池, 新型飞机上的电子器件,发光二极管、 太阳能电池以及移动电话和迷你电视的显示屏,导 电塑料制作分子大小的道路
5、发光有机聚合物的合成
辣根过氧化物酶可以在有机介质中催化对苯
当体系中水和有机溶剂同时存在时，两性 表面活性剂分子溶解于有机溶剂，并能够 增溶一定量的水，随水/表面活性剂/有机 溶剂三相浓度不同，会形成球状或椭球状 的胶束，形成所谓的“油包水”的结构， 即反胶束。
二、反胶束体系的制备方法
（1）注入法：将含有酶的水相注入到含有表 面活性剂的有机相中。 （2）液体萃取法：将含酶的水相与含表面活 性剂的有机相直接接触。 （3）固体萃取相：将酶的固体粉末与含水的 反胶束有机溶剂一起搅拌。
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。
第八章酶的非水相催化ppt课件
– 1984 年之后，非水相中的酶催化研究开始活跃起来。
– 近年来，人们对非水介质中的酶结构与功能、酶作用 机制、酶作用动力学等进行了大量研究，建立起非水 酶学（non-aqueous enzymology）。
– 同时人们还对酶催化的介质进行了大量研究，开发出 各种非水介质和新的酶促反应体系，发展出了介质工 程（medium engineering），拓宽了酶催化反应的应 用范围，使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互 补充的合成方法。
– 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，并催化天然或非天然的底物发生转化，这一报道 引起了全球科学界的关注
• 引起全球关注的“非水相酶催化”的报道
– Porcine pancreatic lipase catalyzes the trans-esterification 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 counterpart, the dry enzyme does not react with bulky tertiary alcohols.
– 近年来，人们对非水介质中的酶结构与功能、酶作用 机制、酶作用动力学等进行了大量研究，建立起非水 酶学（non-aqueous enzymology）。
– 同时人们还对酶催化的介质进行了大量研究，开发出 各种非水介质和新的酶促反应体系，发展出了介质工 程（medium engineering），拓宽了酶催化反应的应 用范围，使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互 补充的合成方法。
– 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，并催化天然或非天然的底物发生转化，这一报道 引起了全球科学界的关注
• 引起全球关注的“非水相酶催化”的报道
– Porcine pancreatic lipase catalyzes the trans-esterification 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 counterpart, the dry enzyme does not react with bulky tertiary alcohols.
第八章 酶的非水相催化
– 有机溶剂主要通过以下三种途径发生作用
• (1) 有机溶剂与酶直接发生作用，通过干扰氢键和疏水键等改 变酶的构象，从而导致酶的活性被抑制或酶的失活 • (2) 有机溶剂和能扩散的底物 / 反应产物相互作用，影响正常 反应的进行 • (3) 有机溶剂直接和酶分子周围的水相互作用
– 对酶分子表面结构的影响
• 对映体选择性
– 对映体选择性（enantioselectivity）是酶在对 称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大 小的指标。
– 酶在水溶液中催化的对映体选择性较强，而在 疏水性强的有机介质中对映体选择性较差
• 区域选择性
– 区域选择性（regioselectivity） ，即酶能够选择性地 催化底物分子中某个区域的基团优先发生反应
• 由有机溶剂和微量水组成的反应体系，即通常所说的有机介质 体系
• 大部分的微量水以酶分子的结合水形式存在，对维持酶分子的 空间构象和催化活性至关重要；另一部分水分配在有机溶剂中 • 酶以固态的形式悬浮于有机介质中
– 与水溶性有机溶剂组成的均一体系
• 水 / 极性有机溶剂混溶体系，水和有机相的比例都很大，酶和 底物以溶解的状态存在于此体系中
– 水对酶催化反应速率的影响
• 典型的非水酶体系中水含量通常只占 0.01%，但其 微小差距会导致酶催化活力的较大改变 • 最适含水量：在酶催化反应速率达到最大时的水含 量
– 酶含水量 < 最适含水量，酶构象过于“刚性”而失活 – 酶含水量 > 最适含水量，酶构象过于“柔性”，因变构而 失活
• 同一种酶，反应系统的最适含水量与有机溶剂的种 类、酶的纯度、固定化酶的载体性质和修饰性质等 因素有关
– 胶束体系
• 正胶束体系（normal micelles system）
• (1) 有机溶剂与酶直接发生作用，通过干扰氢键和疏水键等改 变酶的构象，从而导致酶的活性被抑制或酶的失活 • (2) 有机溶剂和能扩散的底物 / 反应产物相互作用，影响正常 反应的进行 • (3) 有机溶剂直接和酶分子周围的水相互作用
– 对酶分子表面结构的影响
• 对映体选择性
– 对映体选择性（enantioselectivity）是酶在对 称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大 小的指标。
– 酶在水溶液中催化的对映体选择性较强，而在 疏水性强的有机介质中对映体选择性较差
• 区域选择性
– 区域选择性（regioselectivity） ，即酶能够选择性地 催化底物分子中某个区域的基团优先发生反应
• 由有机溶剂和微量水组成的反应体系，即通常所说的有机介质 体系
• 大部分的微量水以酶分子的结合水形式存在，对维持酶分子的 空间构象和催化活性至关重要；另一部分水分配在有机溶剂中 • 酶以固态的形式悬浮于有机介质中
– 与水溶性有机溶剂组成的均一体系
• 水 / 极性有机溶剂混溶体系，水和有机相的比例都很大，酶和 底物以溶解的状态存在于此体系中
– 水对酶催化反应速率的影响
• 典型的非水酶体系中水含量通常只占 0.01%，但其 微小差距会导致酶催化活力的较大改变 • 最适含水量：在酶催化反应速率达到最大时的水含 量
– 酶含水量 < 最适含水量，酶构象过于“刚性”而失活 – 酶含水量 > 最适含水量，酶构象过于“柔性”，因变构而 失活
• 同一种酶，反应系统的最适含水量与有机溶剂的种 类、酶的纯度、固定化酶的载体性质和修饰性质等 因素有关
– 胶束体系
• 正胶束体系（normal micelles system）
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
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
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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。 .
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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 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。
蛋白质与酶工程
式中，KLD ：立体选择系数 L: L-型异构体 D: D-型异构体 Km: 米氏常数。即酶催化反应速度达到最大反应速度一半时的底 物浓度。 Kcat: 酶的转换数。是酶催化效率的一个指标。指每个酶分子每 分钟催化底物转化的分子数。 ◆酶在有机介质中催化，与在水溶液中催化比较，由于介质的特 性发生改变，而引起酶的对映体选择性也发生改变。 ◆酶在水溶液中催化的立体选择性较强，而在疏水性强的有机介 质中，酶的立体选择性较差。
◇在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反应；而 在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易反应。
2.对映体选择性
◆酶的对映体选择性（enantioselectivity）又称为立体选择性或立体异构专 一性，是酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小的指标。 ◆酶立体选择性的强弱可以用立体选择系数（KLD）的大小来衡量。立体 选择系数越大，表明酶催化的对映体选择性越强。 ◆立体选择系数与酶对L-型和D-型两种异构体的酶转换数（Kcat）和米氏常 数（Km）有关。即： KLD = ( Kcat/Km)L /(Kcat/Km)D
反胶束体系 （1）反胶束又称为反胶团，是指在大量与水不相混溶的有机溶剂 中，含有少量的水溶液，加入表面活性剂后形成的油包水的微小液 滴。 （2）表面活性剂的极性端朝内，非极性端朝外，水溶液包在胶束 内部。 （3）反应时，酶分子在反胶束内部的水溶液中，疏水性底物或产 物在反胶束外部，催化反应在两相的界面中进行。
四、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响
A、有机溶剂对酶结构与功能的影响
1）有机溶剂中，酶分子的动态结构、表面结构和 活性中心发生变化。
2）有机溶剂介电常数的变化会引起酶活性中心的 变化。
3）有机溶剂能甚至能破坏某些酶的空间结构，需 加保护剂保护，并冷冻干燥保存。
◇在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反应；而 在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易反应。
2.对映体选择性
◆酶的对映体选择性（enantioselectivity）又称为立体选择性或立体异构专 一性，是酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小的指标。 ◆酶立体选择性的强弱可以用立体选择系数（KLD）的大小来衡量。立体 选择系数越大，表明酶催化的对映体选择性越强。 ◆立体选择系数与酶对L-型和D-型两种异构体的酶转换数（Kcat）和米氏常 数（Km）有关。即： KLD = ( Kcat/Km)L /(Kcat/Km)D
反胶束体系 （1）反胶束又称为反胶团，是指在大量与水不相混溶的有机溶剂 中，含有少量的水溶液，加入表面活性剂后形成的油包水的微小液 滴。 （2）表面活性剂的极性端朝内，非极性端朝外，水溶液包在胶束 内部。 （3）反应时，酶分子在反胶束内部的水溶液中，疏水性底物或产 物在反胶束外部，催化反应在两相的界面中进行。
四、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响
A、有机溶剂对酶结构与功能的影响
1）有机溶剂中，酶分子的动态结构、表面结构和 活性中心发生变化。
2）有机溶剂介电常数的变化会引起酶活性中心的 变化。
3）有机溶剂能甚至能破坏某些酶的空间结构，需 加保护剂保护，并冷冻干燥保存。
酶工程重点 (2)
酶的改性：通过各种方法改进酶的催化特性的技术过程，主要包括酶分子修饰、酶固定化、酶非水相催化和酶定向进化等。
非竞争性抑制（noncompetitive inhhibition）：指抑制剂与底物分别与酶分子上的不同位点结合而引起酶活性降低的抑制作用反竞争性抑制（uncompetitiv inhibition）：在底物与酶分子结合生成中间复合物后，抑制剂再与中间复合物结合而引起的抑制作用裂合酶（iyases）：催化一个化合物裂解成两个较小的化合物及其逆反应的酶摩尔催化活性（molar catalytic activity）：指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数分子印记（molecular imprinting）：是制备对某一特定分子（印记分子）具有选择性的聚合物的过程基因扩增（gene amplification）：通过增加基因的数量来调节基因的表达的一种方式。
大分子结合修饰（macro molecules combine modifiaction）：采用水溶性大分子与酶的侧链基团共价结合，使美分子的空间构象发生改变，从而改变酶的催化特性的方法侧链基团修饰（side residuse modification）：采用一定的方法使酶的侧链基团发生改变，从而改变酶的催化特性的修饰方法肽链有限水修饰（peptide chain limit hydrolysis modification）：在肽链的限定位点进行水解，使酶的空间结构发生某些精细的改变，从而改变酶的催化特性的方法酶的非水相催化（enzyme non-aqueous catalysis）：酶在非水介质中的催化作用无性进化（asexual evolution）：易错PCR技术所引起的基因突变和遗传进化仅在单一分子内发生DNA重排技术：又称为DNA改组技术，是从正突变基因文库中分离的到的同源DNA，用酶切割成随机片段，经过不加引物的多次PCR循环，使DNA的碱基序列重新排布而引起基因突变的技术过程随机引物体外重组技术（random-priming in vitro recombination RPR）:采用单链DNA 为模版，配合若干条随即序列的引物进行PCR反应，产生若干个与模板不同部分的序列互补的DNA小片段，然后除去模板，这些DNA小片段互为模板和引物进行扩增，通过碱基序列的重新排布而获得全长突变基因基因家族重排（geng family shuffing）又称为基因家族改组技术，是从基因家族的若干同源出发，用酶切割成随机片段，经过不加引物的多次PCR循环，使DNA的碱基序列发生重新排布而引起基因突变的技术过程氧化还原酶（oxidoreductases）：催化氧化还原反应的酶转移酶（transferases）：催化某基团从供体化合物转移到受体化合物上的酶自我剪切酶（self-cleavage ribozyme）:催化本身RNA进行剪切反应的R酶自我剪接酶（self-splicing ribozyme）:在一定条件下催化本身RNA分子同时进行剪切和连接的R酶组成型酶（constitutive enzyme）:在细胞中的含量比较恒定，环境因素对其合成速率影响不大的酶，如DNA聚合酶，RNA聚合酶，糖酵解途径的各种酶等适应型酶（adaptive enzyme）或称调节型酶(regulated enzyme)：在细胞中含量变化很大，合成速率明显受环境因素影响的酶阻遏物（repressor）：引起反馈阻遏作用的物质端粒（telomere）:真核生物染色体的末端结构，是由富含G和T的DNA简单重复序列不断重复而成端粒酶（telomerase）:催化端粒合成和延长的酶增强子（modulator）：又称为调变子，是一段能高效增强或促进基因转录的DNA序列P66抗体酶（abzyme）:又称为催化性抗体，是一类具有生物催化功能的抗体分子原生质体（protoplast）:除去细胞壁后得到的微球体刺激剂（elector）:可以促使植物细胞中的物质代谢朝着生成某些次级代谢物的方向进行，从而强化次级代谢物的生物合成，提高某些次级代谢物的主率的一种刺激物质层析聚集（chromatofocusing）:将酶等两性物质的等电点特性与离子交换层析的特性结合在一起，实现组分分离的层析技术定点突变（site directed mutagenesis）:在DNA序列中的某一特定位点上进行碱基的改变从而获得突变基因的操作技术PCR技术(polymer rase chain reaction),即聚合酶链反应技术，是在DNA聚合酶的作用下进行体外DNA扩增的一种分子生物学技术，该技术的基本过程包括双链DNA的热变性（解链），引物与单链DNA的退火结合，引物的延伸3个步骤酶的固定化（enzyme immobilization）:采用各种方法，将酶固定在水不溶性的载体上，制备成固定化酶的过程固定化酶（immobilized enzyme）:固定在载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶必需水（essential water）:维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量水活度（water activity）:是指体系中水的逸度与纯水逸度之比。
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.
第七讲 酶的非水相催化
反胶束体系
①溶剂：
非极性有机溶剂，常用的是六碳以上的直链及支链烷 烃、部分芳香族化合物及卤代烷烃（辛烷、氯仿、二 乙醚），其中正辛烷或异辛烷用得最多
②表面活性剂：
阳离子型(CTAB：溴化十六烷基三甲基胺) 阴离子型(AOT：2-乙基己基-琥珀酸酯磺酸钠) 非离子型（Tween系列） 两性型（卵磷脂）
国内外研究进展：
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ß -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
近年来受到人们的普遍关注，其中研究最多的是肽的合成 和脂肪酶的催化反应： Xing等研究了AOT／正辛烷的反胶束体系中α-胰凝乳蛋白酶催 化合成肽衍生物的反应得到56％～88％的产率，而且还对反应 体系的Wo值、反应时间和酶浓度等条件进行了讨论； Chen等在反胶束体系中用不同的蛋白酶合成了二肽； Tsai等研究了AOT／异辛烷／磷酸盐缓冲液中脂肪酶催化油脂 水解反应时表面活性剂浓度对脂肪酶水解活力的影响； 李干佐等研究了AOT／异辛烷／水体系中解脂假丝酵母脂肪酶 催化庚酸和庚醇的酯化反应动力学； Rees等研究了阳离子表面活性剂CTAB的反胶束体系中有色黏 性细菌脂肪酶催化癸酸辛酯的合成； 马成松等还研究了辣根过氧化物酶在AOT／水／异辛烷中多底 物酶促反应等。
分析反胶束体系应用较广的原因？
酶的非水相催化 ppt课件
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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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• 人类认识的进步
– 1984 年之后，非水相中的酶催化研究开始活跃起来。
– 近年来，人们对非水介质中的酶结构与功能、酶作用 机制、酶作用动力学等进行了大量研究，建立起非水 酶学（non-aqueous enzymology）。
– 同时人们还对酶催化的介质进行了大量研究，开发出 各种非水介质和新的酶促反应体系，发展出了介质工 程（medium engineering），拓宽了酶催化反应的应 用范围，使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互 补充的合成方法。
– 有机溶剂中酶分子存在形式
• 固态酶：以固体形式存在于有机相中
– 冷冻干燥的酶粉 – 固定化酶 – 结晶酶 —— 今后的热点
• 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
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常见有机介质反应体系
– 微水介质体系（micro-aqueous media system）
离子液介质中的酶催化
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。
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第二节 有机介质中水和有机溶剂 对酶催化反应的影响
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第一节 酶的非水相催化概论
• 非水相酶催化的优势
– 增加某些底物的溶解度 – 改变反应平衡 – 改变或提高酶的选择性
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酶非水相催化的几种类型
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。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。
• 由有机溶剂和微量水组成的反应体系，即通常所说的有机介质 体系
• 大部分的微量水以酶分子的结合水形式存在，对维持酶分子的 空间构象和催化活性至关重要；另一部分水分配在有机溶剂中
• 酶以固态的形式悬浮于有机介质中
性，并催化天然或非天然的底物发生转化，这一报道
引起了全球科学界的关注
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• 引起全球关注的“非水相酶催化”的报道
– Porcine pancreatic lipase catalyzes the trans-esterification 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 counterpart, the dry enzyme does not react with bulky tertiary alcohols.
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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
– 20 世纪初，Bourquelot 等人将乙醇、丙酮等有机溶剂 加入到酶的水溶液中，发现当含水量很高时，酶仍具 有一定催化活力，但比水相中低很多
– 1936 年，Sym（波兰）报道了酯酶在有机溶剂中的催
化作用，但一直存在争议，未能引起科学界的重视
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• 人类认识的进步 – Sym E. A., Biochemical Journal, 1936, 30: 609-617
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。
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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。超临界流体是指 温度和压力超过某物质超临界点的流体。
– 19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
• Zaks A., and Klibanov A. M., Enzymatic catalysis in organic media at 100 degrees C, Science, 1984, 224: 1249-1251 (DOI: 10.1126/science.6729453)
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Chapter 8 Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
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非水相酶催化反应
• 人类认识的进步
– 长期以来，人们认为酶只能在水相中进行催化，而有 关酶的催化理论是基于酶在水溶液中催化反应建立起 来的传统的酶学理论认为，有机溶剂是酶的变性剂、 失活剂，酶在非水相中不具有催化能力