酶的非水相催化(2)

– 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
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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
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
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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。
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。
• 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
• 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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– 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）
– 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
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。
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.