酶非水相催化 (2)优秀课件
合集下载
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。
第六章 酶的非水相催化 PPT
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。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
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：
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。
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
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。
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，
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。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
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：
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。
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
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。
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，
非水相中的酶催化技术ppt课件
非水相中的酶催 化技术
Enzyme
酶作为一种高效生物催化剂, 具有高度的特异
立体选择性及区域选择性, 并在常温、常压和值 中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利 用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多 的目标产物, 避免了化学合成中的许多不足。目 前, 酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关 注的领域之一, 这主要是因为医药产品一般附加 值高, 且大多是光学活性物质, 作为十分优良的 手性催化剂—酶, 用于多种高效手性药物的合成 及制备将十分有效, 潜力巨大。
二辛酸丙二醇酯的工艺条件研究
底物摩尔比对酯化率的影响
辛酸与丙二醇的摩尔比对辛酸转化为二辛酸丙二醇 酯的酯化率影响较大，考察底物摩尔比对酯化率的影响。 固定丙二醇的量不变，按辛酸与丙二醇摩尔比为1:1、2:1、 3:1、4:1 加入辛酸，加酶量均为丙二醇质量的 1.5%进行反 应。测定不同底物摩尔比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯 计）随反应时间的变化，结果如下图所示。 由图可知，随着辛酸与丙二醇 摩尔比从1:1增加至2:1时，丙二醇转 化为二辛酸丙二醇酯的酯化率有很 大幅度的提高，继续增加至3:1、4:1 酯化率增加幅度不大。同时，考虑 到辛酸过高不利于二辛酸丙二醇酯 的纯化，故选择辛酸与丙二醇最佳 摩尔比为2:1.
按辛酸与丙二醇的摩尔比为 2:1加入原料，加酶量为丙二 醇质量的1.5%，分别在温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、 60 ℃、65 ℃下进行反应，每隔1d取样进行GC分析。测定不 同温度下的酯化率（以二辛酸丙二醇酯计），结果如下图所 示。由下图可见，BT—01脂肪酶催化合成二辛酸丙二醇酯最 佳反应温度为50 ℃，温度过高或过低均不利于反应进行。
GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯类占 有较大的比例。目前，合成该类化合物主要采用化 学合成法。而化学合成工艺往往需要使用腐蚀性强 的强酸作为催化剂，以毒性高的有机原料为溶剂， 易造成环境污染。随着人们对健康的关注和环保意 识的增强，开辟一条对环境友好、安全的合成工艺 路线极为重要。与化学合成法相比，生物催化是一 种“绿色的”环境友好的合成工艺，它具有反应条 件温和、催化效率高、催化专一性强等优点。目前， 国外用生物催化剂替代化学催化剂生产化学品已成 为必然的发展趋势。
Enzyme
酶作为一种高效生物催化剂, 具有高度的特异
立体选择性及区域选择性, 并在常温、常压和值 中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利 用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多 的目标产物, 避免了化学合成中的许多不足。目 前, 酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关 注的领域之一, 这主要是因为医药产品一般附加 值高, 且大多是光学活性物质, 作为十分优良的 手性催化剂—酶, 用于多种高效手性药物的合成 及制备将十分有效, 潜力巨大。
二辛酸丙二醇酯的工艺条件研究
底物摩尔比对酯化率的影响
辛酸与丙二醇的摩尔比对辛酸转化为二辛酸丙二醇 酯的酯化率影响较大，考察底物摩尔比对酯化率的影响。 固定丙二醇的量不变，按辛酸与丙二醇摩尔比为1:1、2:1、 3:1、4:1 加入辛酸，加酶量均为丙二醇质量的 1.5%进行反 应。测定不同底物摩尔比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯 计）随反应时间的变化，结果如下图所示。 由图可知，随着辛酸与丙二醇 摩尔比从1:1增加至2:1时，丙二醇转 化为二辛酸丙二醇酯的酯化率有很 大幅度的提高，继续增加至3:1、4:1 酯化率增加幅度不大。同时，考虑 到辛酸过高不利于二辛酸丙二醇酯 的纯化，故选择辛酸与丙二醇最佳 摩尔比为2:1.
按辛酸与丙二醇的摩尔比为 2:1加入原料，加酶量为丙二 醇质量的1.5%，分别在温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、 60 ℃、65 ℃下进行反应，每隔1d取样进行GC分析。测定不 同温度下的酯化率（以二辛酸丙二醇酯计），结果如下图所 示。由下图可见，BT—01脂肪酶催化合成二辛酸丙二醇酯最 佳反应温度为50 ℃，温度过高或过低均不利于反应进行。
GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯类占 有较大的比例。目前，合成该类化合物主要采用化 学合成法。而化学合成工艺往往需要使用腐蚀性强 的强酸作为催化剂，以毒性高的有机原料为溶剂， 易造成环境污染。随着人们对健康的关注和环保意 识的增强，开辟一条对环境友好、安全的合成工艺 路线极为重要。与化学合成法相比，生物催化是一 种“绿色的”环境友好的合成工艺，它具有反应条 件温和、催化效率高、催化专一性强等优点。目前， 国外用生物催化剂替代化学催化剂生产化学品已成 为必然的发展趋势。
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
酶工程 第九章 酶非水相催化 2013-2
⑤ 有机物溶解度高
⑥ 仍低沸点的溶剂中容易分离纯化产物
⑦ 抑制某些丌利反应 ⑧ 没有微生物污染 ⑨ 固定化酶方法简单，酶丌易脱落
16/138
常用非水介质
18/138
水丌互溶有机溶剂单相体系(微水有机介质体系)
monophasic organic solution
是指不水丌互溶有机溶剂叏代几乎所有的水，即有机溶剂
Abstract
Porcine pancreatic lipase catalyzes the transesterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent
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？？
4/138
非水溶剂（有机介质）中酶催化的研究
20丐纨初，Bourquelot等人，将微量乙醇、丙酮类有机溶 剂加到酶的水溶液中，酶有活性，但比水溶液中低得多 1966年以来，Dostoli 和Siegel分别报道胰凝乳蛋白酶和
近20年来，収现10多种水解酶和氧化还原酶在有机溶剂
中具有活性
酶反应转入其他非水相环境（非常觃介质）
超临界流体
气体
低共熔混合的固体
多相混合介质
15/138
非水介质中生物催化特点
① 将加水分解转为逆反应 ② 热稳定性高 ③ 酶容易回收和反复使用
④ 改发对底物的与一性，表现出丌同的立体选择性
⑥ 仍低沸点的溶剂中容易分离纯化产物
⑦ 抑制某些丌利反应 ⑧ 没有微生物污染 ⑨ 固定化酶方法简单，酶丌易脱落
16/138
常用非水介质
18/138
水丌互溶有机溶剂单相体系(微水有机介质体系)
monophasic organic solution
是指不水丌互溶有机溶剂叏代几乎所有的水，即有机溶剂
Abstract
Porcine pancreatic lipase catalyzes the transesterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent
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？？
4/138
非水溶剂（有机介质）中酶催化的研究
20丐纨初，Bourquelot等人，将微量乙醇、丙酮类有机溶 剂加到酶的水溶液中，酶有活性，但比水溶液中低得多 1966年以来，Dostoli 和Siegel分别报道胰凝乳蛋白酶和
近20年来，収现10多种水解酶和氧化还原酶在有机溶剂
中具有活性
酶反应转入其他非水相环境（非常觃介质）
超临界流体
气体
低共熔混合的固体
多相混合介质
15/138
非水介质中生物催化特点
① 将加水分解转为逆反应 ② 热稳定性高 ③ 酶容易回收和反复使用
④ 改发对底物的与一性，表现出丌同的立体选择性
非水相催化课件
非水相催化课件
常用表面活性剂：AOT [丁二酸二（2-乙基）己酯磺酸钠]、 Tween
酶被限制在含水的微环中，而底物和产物可以自由进出胶束。
非水相催化课件
小结
非水相催化课件
（二）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； 优点：某些酶在液相中使用受到一定限制，如酶和辅
是否可以在非水介质中能够保证酶催化？
非水相催化课件
一、非水相酶学的研究历史
非水相催化课件
非水相催化课件
水相和非水相酶的催化反应
非水相催化课件
二、非水相酶催化的特点和优势
(8) 改变酶选择性，包括底物专一性、对映和区域选择性
非水相催化课件
非水相催化课件
三、非水相酶催化的主要类型
（一）有机介质的酶催化； （二）气相介质的酶催化； （三）超临界流体介质中的酶催化； （四）离子液介质中的酶催化
P：一定条件下体系中水的蒸汽压
Po：相同条件下纯水的蒸汽压
水活度与溶剂极性大小无关，故采用水活度作参 数更确切。
非水相催化课件
三、水活度（activity of water）
2、水活度与酶的活性
酶活性与反应体系的Aw直接相关，如米黑 毛霉脂肪酶在Aw=0.55时，在不同极性的 溶剂中都表现出最高的酶活性，其中在正 己烷溶剂中活性最强，有机溶剂中过多的 水或过少的水都会影响酶活性。
非水相催化课件
水在反应系统中的分配与平衡
水在反应体系会发生分 配， 这种分配导致直接 以溶剂中的水含量计算 酶的结合水会出现误差， 以水活度计算才比较准 确。
非水相催化课件
三、水活度（activity of water）
常用表面活性剂：AOT [丁二酸二（2-乙基）己酯磺酸钠]、 Tween
酶被限制在含水的微环中，而底物和产物可以自由进出胶束。
非水相催化课件
小结
非水相催化课件
（二）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； 优点：某些酶在液相中使用受到一定限制，如酶和辅
是否可以在非水介质中能够保证酶催化？
非水相催化课件
一、非水相酶学的研究历史
非水相催化课件
非水相催化课件
水相和非水相酶的催化反应
非水相催化课件
二、非水相酶催化的特点和优势
(8) 改变酶选择性，包括底物专一性、对映和区域选择性
非水相催化课件
非水相催化课件
三、非水相酶催化的主要类型
（一）有机介质的酶催化； （二）气相介质的酶催化； （三）超临界流体介质中的酶催化； （四）离子液介质中的酶催化
P：一定条件下体系中水的蒸汽压
Po：相同条件下纯水的蒸汽压
水活度与溶剂极性大小无关，故采用水活度作参 数更确切。
非水相催化课件
三、水活度（activity of water）
2、水活度与酶的活性
酶活性与反应体系的Aw直接相关，如米黑 毛霉脂肪酶在Aw=0.55时，在不同极性的 溶剂中都表现出最高的酶活性，其中在正 己烷溶剂中活性最强，有机溶剂中过多的 水或过少的水都会影响酶活性。
非水相催化课件
水在反应系统中的分配与平衡
水在反应体系会发生分 配， 这种分配导致直接 以溶剂中的水含量计算 酶的结合水会出现误差， 以水活度计算才比较准 确。
非水相催化课件
三、水活度（activity of water）
最新精品优质课件第八章 非水相酶催化
水 酶 底物 有机溶剂
（极性的一端朝内，
非极性的一端朝外） 。
（6）（正）胶束体系
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 油的微小颗粒（非极
有机溶剂 底物 酶 水
性的一端朝内，极性
的一端朝外） 。
把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，
而微观上是微水相反应。因此非水体系又称低水
(1) 形成不规则结构。 (2) 通过β消除使S—S键破坏。 （β-消除是指氨 基酸残基中β碳原子上基团的消除）。 (3) Asn（天冬酰酸）和Gln（谷氨酰胺）脱酰
胺。
(4) Asn残基水解。
酶在无水环境中不发生上述反应，表现异常稳定。
必需水量对酶活性的影响
1983年，Rupley等人从溶菌酶的结论得知，一个
（2）水对酶催化反应速度的影响
在催化反应速度达到最大时的水含量为最适水含 量。与有机溶剂的种类，酶的纯度，固定化酶的
载体性质和修饰剂有关。
例：马肝醇脱氢酶在水含量较低的条件下，酶 的催化反应速度随水的含量的增加而升高。
(3) 水活度(Thermodynamic Water Activity，Aw)： （确定酶结合水的多少的一个参数）在一定温
体系。 所以酶在有机介质中进行催化反应时，水是不可 缺少的成分之一，对酶催化有影响。
二. 有机介质中酶促反应的影响因素 水的影响
有机溶剂
pH 固定化 酶的形态 温度
添加物
（一）水对有机介质中酶促反应的影响 （1）对酶分子空间构象的影响 （2）对酶催化反应速度的影响 （3）水活度
第二节：有机介质中的酶促反应
一. 有机介质反应体系 酶在含有一定量水的有机溶剂中进行催化反应的体 系。
（极性的一端朝内，
非极性的一端朝外） 。
（6）（正）胶束体系
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 油的微小颗粒（非极
有机溶剂 底物 酶 水
性的一端朝内，极性
的一端朝外） 。
把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，
而微观上是微水相反应。因此非水体系又称低水
(1) 形成不规则结构。 (2) 通过β消除使S—S键破坏。 （β-消除是指氨 基酸残基中β碳原子上基团的消除）。 (3) Asn（天冬酰酸）和Gln（谷氨酰胺）脱酰
胺。
(4) Asn残基水解。
酶在无水环境中不发生上述反应，表现异常稳定。
必需水量对酶活性的影响
1983年，Rupley等人从溶菌酶的结论得知，一个
（2）水对酶催化反应速度的影响
在催化反应速度达到最大时的水含量为最适水含 量。与有机溶剂的种类，酶的纯度，固定化酶的
载体性质和修饰剂有关。
例：马肝醇脱氢酶在水含量较低的条件下，酶 的催化反应速度随水的含量的增加而升高。
(3) 水活度(Thermodynamic Water Activity，Aw)： （确定酶结合水的多少的一个参数）在一定温
体系。 所以酶在有机介质中进行催化反应时，水是不可 缺少的成分之一，对酶催化有影响。
二. 有机介质中酶促反应的影响因素 水的影响
有机溶剂
pH 固定化 酶的形态 温度
添加物
（一）水对有机介质中酶促反应的影响 （1）对酶分子空间构象的影响 （2）对酶催化反应速度的影响 （3）水活度
第二节：有机介质中的酶促反应
一. 有机介质反应体系 酶在含有一定量水的有机溶剂中进行催化反应的体 系。
酶非水相催化PPT精品课件
二
酶都溶于水，只有在一定量水存在的条件下，酶分
、 子才能进行催化反应，所以有机介质中水的含量对酶的
水 催化作用有一定的影响。
对
有 机
1、必需水的概念：是指维持酶分子完整
介 质 中 酶 催 化 的
构 象 的 影 响
酶 分 子 空 间
（ 一 ） 水 对
的空间构象所必需的最低水量。 2、影响：酶分子失去必需水后，其空间
水
相
4、非极性底物或者产物的溶解度增加。
催 化
5、酶的底物特性和选择性有所改变。
的 特
6、减少产物对酶的反馈抑制。
点
7、提高手性化合物不对称反应的对映体选择性。
2021/3/1
6
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
系 中所
水溶液反应体系（最常规的酶反应体系）
进有 行的
微水介质体系（研究
，酶
气相介质反应体系
最多，应用最广泛）
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2021/3/1
2021/3/1
3
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
介（ 质三 中） 的超 酶临 催界 化流
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
六、pH值特性
在有机介质中酶所处的pH环境与酶在冻干或吸 附到载体上之前所使用的缓冲液pH值相同，称 为pH印记或pH记忆（pH-imprinting）;
现象：脂肪酶催化三丁酸甘油与正庚醇的转酯 反应，酶的反应速度与其冷冻干燥前水溶液的 的PH密切相关，反应的最适PH接近于水溶液 中的最适PH
疏水性强的有机溶剂中酶的立体选择性差。 例如：某些蛋白水解酶在有机溶剂中可以合
成由D－氨基酸组成的多肽，而在水溶液中 酶只选择L-氨基酸。
三、区域选择性
酶能够选择底物分子中某个区域的基团优先发生反应； 用区域选择系数的大小衡量。
用1、2代表底物分子的区域位置；
区域选择系数：
K1，2=（kcat/Km)1/ （kcat/Km)2
性药物拆分的研究。
第二节 有机介质中水和有机溶剂
对酶催化反应的影响
一、有机介质反应体系
微水介质体系
是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系。 微量的水主要是酶分子的结合水,对维持酶
分子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。 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机
介质中，是常见的有机反应体系。
原因：当酶分子从水溶液转移到有机介质时，原 有的解离状态不变，被保持在有机介质中；
有机介质中酶催化反应的最适ph通常与在水溶 液的pH接近；
但有些有机溶剂中酶的最PH与水溶液中相差较 大，还与缓冲液种类和离子强度有关;
第四节 有机介质中酶催化反应的
有机介质中的酶催化
指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。 适用范围:底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的
酶催化作用。 原因: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。 特性:酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键
选择性、热稳定性等有所改变。 应用：多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合成、手
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）在苯中催化酯交换反 应时，
（1）酶活性随温度升高（20～70℃）而增加，
（2）在70℃连续反应7次（每次96 h）后酶活力仍 保持 60％，
（3）在100℃时的半衰期可达数十小时，而在水 中100℃几乎马上失活。
PPL的稳定性取决于有机溶剂中水的浓度， 1％的水，会使PPL的稳定性降低到和水溶液中 相同的水平。
水量; 不同的酶所需求的必需水的量差别较大; 每分子凝乳蛋白酶只需50分子的水，每分子多
酚氧化酶却需3.5×102个水分子 原因:必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等
副键所必需的。
2.水对酶催化反应速度的影响
有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影 响。
在催化反应速度达到最大时的水含量称为最适水 含量。
二、水对有机介质中酶催化的影响
有机溶剂中酶的催化活力与反应系统的 含水量密切相关。
系统含水量:与酶分子紧密结合的结合水、 溶解在有机溶剂中的游离水。
与酶结合的水量是影响酶的活力、稳定 性以及专一性的决定因素
1、水对酶分子空间构象的影响
无水下酶空间构象被破坏,故需一层水化层; 必需水:维持酶分子完整空间构象所必需的最低
在实际应用时应当根据实际情况，通过实验确定 最适水含量。
三、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响
1. 有机溶剂对酶结构与功能的影响
在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，较好 地保持其构象； 有机溶剂中酶分子不能直接溶解，因此根据酶分 子特性与有机溶剂特性不同，其空间结构的保持 也有不同。 有些酶在有机溶剂作用下，其结构受到破坏； 有的酶分子则保持完整；
例：
1,4-二丁酰基-2-辛基苯 + 丁醇
脂肪酶 甲苯 转脂反应 乙腈
K4，1 2
0.5
四、键选择性（chemoselectivity)
即在同一个底物分子中有两种以上的化学键都 可以与酶反应时，酶对其中一种化学键优先进 行反应。
占优势
黑曲霉脂肪
6-氨基-1-已醇 酶
毛霉脂肪酶
羟基酰化 氨基酰化
五、热稳定性
2. 有机溶剂对酶活性的影响
（1）有机溶剂对结合水的影响
一些相对亲水性的有机溶剂能够夺取酶 表面的必需水而导致酶失活。
由于酶与溶剂竞争水分子，体系的最适 含水量与酶的用量及底物浓度有关。
提高酶分子的亲水性，可以限制酶在有 机溶剂中的脱水作用。
３、溶剂对底物和产物分配的影响
溶剂能直接或间接地与底物和产物相互作用。 溶剂能改变酶分子必需水层中底物或产物的
浓度。 ①有机溶剂极性小，疏水性强，则疏水性底物
难于进入必需水层； ②有机溶剂极性过强，亲水性强，则疏水性底
物在有机溶剂中的溶解度低。 故选择2≦lgp≦5的有机溶剂作为有机介质为
宜。
第三节 酶在有机介质中的催化特性
酶在有机介质中起催化作用时，由于有机溶剂的 极性与水有很大差别，对酶的表面结构、活性中心 的结合部位和底物性质都会产生一定的影响，从而 显示出与水相介质中不同的催化特性。
有机介质中有机溶剂与底物的疏水作用更强;
(2)不同的有机介质，酶的底物专一性也不一 样:
极性较强的有机溶剂中,应;
二、对映体选择性
酶的对映体选择性是指酶识别外消旋 化合物中某种构象对映体的能力。
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。
一、底物专一性
酶在有机溶剂中对底物的化学结构和 立体结构均有严格的选择性。
例如：青霉脂肪酶 在正己烷中催化2-辛醇与不同链长的脂
肪酸进行酯化反应时，该酶对短链脂肪酸 具有较强的特异性。
(1)有机介质中酶活性中心结合部位与底物的结 合状态发生改变,致使酶的底物特异性发生改 变:
水溶液中底物与酶活性中心结合靠疏水作用;
酶非水相催化 (2)优秀课件
观念的改变
有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化 反应建立起来的。
近年来，进行了非水介质的酶结构与功能、酶 作用机制、酶作用动力学的研究，建立起非水 酶学（non-aqueous enzymology)。
第一节 酶非水相催化的主要内容
受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同。