酶的非水相催化
酶的非水相催化
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
底物特异性 立体选择性 位置特异性 化学选择性 热稳定性
底物特异性: 底物特异性:是指酶具有区分两个结构相 似的不同底物的能力。 似的不同底物的能力。它取决于底物疏 水性能的差异。 水性能的差异。
底物的种类和浓度
有机溶剂的种类
水含量
温度
pH
离子强度
化学选择性： 化学选择性：酶选择性地催化底物分子 中不同功能基团中某个基团的反应的特 性。
热稳定性：分为两种情况， 热稳定性：分为两种情况，一种是酶处 于高温中， 于高温中，随着时间延长逐步发生的不 可逆的失去活性；另一种是由热诱导产 可逆的失去活性； 生的酶分子整体伸展失活， 生的酶分子整体伸展失活，这种通常是 瞬间的、可逆的失活。 瞬间的、可逆的失活。
本章 目录
6.4 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
酶的种类和浓度 底物的种 本章 目录
酶的种类和浓度
在有机介质中进行的酶促反应，可以省略产物的萃取分离过程 提高收率。 在有机介质中进行的酶促反应，可以省略产物的萃取分离过程, 提高收率。
某些酶在有机介质与水溶液中的热稳定性
酶 猪胰脂肪酶 酵母脂肪酶 脂蛋白脂肪酶 胰凝乳蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶 核糖核酸酶 酸性磷酸酶 腺苷三磷酸酶 ( F1-ATPase) 限制性核酸内切酶 （Hind Ⅲ） β-葡萄糖苷酶 溶菌酶 介质条件 三丁酸甘油酯 水， pH7.0 三丁酸甘油酯/庚醇 水，pH7.0 甲苯，90℃，400 h 正辛烷，100℃ 水，pH 8.0, 55℃ 正辛烷，110℃ 壬烷，110℃，6 h 水，pH 8.0, 90℃ 正十六烷，80℃ 水，70℃ 甲苯，70℃ 水， 60℃ 正庚烷，55℃，30d 2-丙醇，50℃，30 h 环己烷，110℃ 水90℃ 热稳定性 T1/2 < 26 h T1/2 < 2 min T1/2 =1.5 h T1/2 < 2 min 活力剩余40％ T1/2 = 80 min T1/2 = 15 min T1/2 = 80 min 活力剩余95％ T1/2 < 10 min T1/2 = 8 min T1/2 = 1 min T1/2 > 24 h T1/2 < 10 min 活力不降低 活力剩余80％ T1/2 =140 min T1/2 = 10 min
第七讲 酶的非水相催化
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。
非水相中酶催化技术
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
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。
本章
目录
6.2 有机介质反应体系
非极性有机溶剂酶悬浮体系(微水介质体系) 用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。但
反应体系中水对酶催化反应的影响
酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件下，酶分子才能进行 催化反应。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。有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶的催 化活性、酶的稳定性、酶的催化反应速度等都有密切关系，水还 与酶催化作用的底物和反应产物的溶解度有关。
本章 目录
6.3 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
底物特异性 立体选择性 区域选择性 键选择性 热稳定性
有机介质酶催化反应的优点
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，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。
酶非水相催化
黏合剂、导电聚合物和发光聚合物等）。
15
3.与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
概念：是指由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相
或多相反应体系。
反应体系中酶的存在形式：游离酶以溶解状态存在；
固定化酶以悬浮形式存在。
➢催化反应通常在两相界面进行；
➢适用于底物和产物两者或其中一种属于疏水化合物的催
化反应；
具有与水溶液中可比的催化活性。5用于酶 Nhomakorabea催
化
的
非
水
介
质
包
括
① 含微量水的有机溶剂
② 与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系
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
⑤ 超临界流体
⑥ 气相
⑦ 离子液
它们不同于标准的水溶液体系，在这些体系中水含量
受到不同程度的严格控制，因此又称为非常规介质。
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、
手性药物拆分的研究。
9
二、气相介质中的酶催化
指酶在气相介质中进行的催化反应。
适用范围：底物是气体或者能够转化为气体物质的酶
催化反应。
特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水相中明显
离子液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，挥发性好，稳定性好。
酶反应具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、
键选择性等优点。
13
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
1、微水介质体系
酶的非水相催化
2 有机溶剂对酶活性的影响
极性较强的有机溶剂能够夺取酶蛋白表面的“必需 水”，扰乱酶分子的天然构象的形成，从而导致酶 的失活。 极性系数lgP：P为溶剂在正辛烷与水两相中的分配 系数。lgP越小，极性越强。 lgP小于2的极性溶剂不宜使用。
在有机介质中进行酶催化时，应选择好所用 溶剂，或通过酶分子修饰提高酶的亲水性。
（三）有机溶剂对酶催化反应的影响 1 2 3 4 有机溶剂对酶结构的影响 有机溶剂对酶催化活力的影响 有机溶剂对底物和产物的影响 有机溶剂对酶选择性的影响
酶在非水介质中的存在形式 一、固态酶。 冻干酶粉、固定化酶、结晶酶 以固体形式悬浮在有机溶剂中 二、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 微乳液中的酶等
（二）水对非水介质中酶催化的影响 酶只有在一定量水的存在下，才能进行催 化反应，特别是在有机介质中的酶催化反应， 水含量的多少对酶的空间构象、催化活性、稳 定性、催化反应的速度、底物和产物的溶解度 等都有密切关系。
1 必需水
维持酶分子完整的空间构象所必需 的最低水量。 氢键、盐键等次级键。 在无水的条件下，酶的空间构象被 破坏，酶将变性失活。 通过必需水的调控，可以调节有机 介质中酶的催化活性和选择性。
【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。
第九章酶的非水相催化
冻干 除去抑制剂
枯草杆菌蛋白酶得分子记忆
原理:
竞争性抑制剂诱导酶活性中心构象发生变化,形 成一种高活性得构象形式,而此种构象形式在除 去抑制剂后,因酶在有机介质中得高度刚性而得 到保持。
水直接或间接参与了酶天然构象中所有得非共 价相互作用,水充当了酶结构得“润滑剂”,使酶分 子得柔性增强,原来形成得高活性构象不再保持 。
Ø介质得转换对酶得化学键选择性有不同程度得影响
(2)分子记忆
根据分子识别理论,酶通过配体得诱导、相 互作用改变酶得构象,从而获得与配体类似 物结合得能力,这种由配体诱导产生得酶得 记忆得方法称为分子记忆(molecular memory)
酶蛋白分子在有机相中具有对配体得“记忆” 功能。
有机相生物印迹酶
实验现象:随着冻干时用得缓冲溶液得离子 强度增大,酶活会增大。
6、6 酶非水相催化得应用
酶 催化反应
应用
脂肪酶 肽合成 青霉素G前体肽合成
酯合成 醇与有机酸合成酯类
转酯
各种酯类生产
聚合
二酯得选择性聚合
酰基化 甘醇得酰基化
蛋白酶 肽合成 合成多肽
酰基化 糖类酰基化ຫໍສະໝຸດ 羟基化酶 氧化甾体转化
过氧化物酶 聚合
(20℃)
≤2 极性溶剂 ＞0、4 容易使酶失活,较少使用
＞2,＜4 中等极性 0、04～0、4 酶得活性难以预测,小心 使用。可以表现酶活
≥4
非极性
＜0、04 不会引起酶得变性,能保
持酶得高活性
(1)有机溶剂对酶必需水得影响
极性弱得溶剂:影响小 极性强得溶剂:夺取酶必需水 疏水性溶剂:不易溶解吸附酶必需水
酶得失水与溶剂得极性参数(lgP)和介电常数(ε)相 关,与系统中底物得极性、底物浓度和含水量均 有关系
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
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
非水相催化
建议用水活度（aw）描述有机介质中酶催化活 力与水的关系：
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。
三、水活度（activity of water）
1、定义：一定温度和压力下，体系中水的逸 度与纯水逸度之比； 用体系中水蒸汽压与相同条件下纯水蒸汽压之 比表示： Aw=P/Po
指酶在含有一定水的有机溶剂中进行催化反应。
1、水不互溶有机溶剂单相体系（微水有机介质体系）
2、水互溶有机溶剂单相体系
3、水- 有机溶剂两相系统；
4、胶束和反相胶束体系
1、水不互溶有机溶剂单相体系 （微水有机介质体系）
是指用水不互溶有机溶剂（含量>98%）取代几 乎所有的水，微量水一部分为酶分子的结合水， 才能保证其空间构象和催化活性。 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机烷烃类、芳香族化 合物、卤代烃、醚等。
第三节 水对有机介质中酶催化的影响
一、必需水- 水对酶分子空间构象的影响
维持酶分子完整空间构象所必需的最低水含 量成为必需水。 酶分子只有在空间构象完整的状态下，才具 有催化功能。在无水的条件下，酶的空间构象被 破坏，酶将变性失活。必需水是酶在非水介质中 进行催化反应所必需的，它会直接影响酶的催化 活性和选择性。
酶活性部位与水溶液中的结构式相同。 有机溶剂中酶反应机制与水溶液中的酶反应机 制相同。如在有机溶剂中的酶促转酯反应遵循 米氏方程；酶在有机溶剂中的最大催化活力对 应的pH也是酶在水溶液中的最佳pH。
（三）有机溶剂中酶分子的柔性
在非水溶剂中酶所需的水能给予酶分子在构象上
非水相酶催化-综述-刘海龙
非水相酶催化的影响因素刘海龙吉林大学生命科学学院06级生物技术班34060213酶是一类由生物细胞产生且具有催化活性的特殊蛋白质。
由酶催化的反应具有专一性强、催化效率高、在常温常压等温和条件下能进行操作等优点。
但酶在实际应用中也存在一些问题，其中包括:(1)有些酶的提取和纯化繁琐，故其价格相当昂贵;(2)反应之后，要从反应混合物中回收有活性的酶以重复使用，这在技术上有一定的困难; (3)酶的稳定性较差，一般认为不能在有机溶剂、强酸、强碱或者高温下使用，而且有些酶即使在较温和的条件下使用，也会很快失去活性。
绝大多数化工过程是在有机相中进行的，有些底物或产物在水中不易溶解，有的不稳定，这就大大限制了酶在化工中的应用。
为了克服酶的这些固有缺点，可以从酶本身的性能进行改进。
这其中除了应用生物工程的方法改造微生物以使产煤成本降低外，还可以将来自生物体的酶“改性”或“修饰”以利于回收和提高其稳定性（例如酶的固定化）。
与在水相中进行的酶反应相比，酶在非水相中进行反应有许多优越性：（1）增加了非极性底物的浓度，很多不溶于水或在水中不稳定的产品能用有机溶剂中的酶来催化生产;（2)使水解反应平衡向合成的方向移动(酉旨合成、肤水解)，减少依赖于水的副反应发生;(3)在非水相中可以使用简单的吸附法固定化酶或直接使用不溶性酶粉，有利于酶的回收;(4)非水相能保护酶免受有毒反应物和条件的伤害;(5)在非水相中能够提高酶的稳定性，尤其是热稳定性;(6)在某些情况下可以改变酶的底物专一性以用于特殊的用途等等。
而非水相酶催化的影响因素一般有以下几个方面：（一）反应溶剂的影响溶剂是影响酶的催化活性和立体选择性的重要因素.在不同的溶剂中，酶会表现出不同的甚至相反的立体选择性.朱洁等利用有机溶剂中假单胞菌脂肪酶(PSL)催化的不对称酞化反应来拆分外消旋(R, S)-2-辛醇，并考察了15种溶剂对PSL活性和立体选择性的影响.其研究结果表明，在强亲水性(疏水参数log P<1, P为溶剂在正辛醇-水体系中的分配系数)溶剂中，酶几乎不表现催化活性，立体选择性也很低.在中等极性((2<log P<3)的溶剂中，酶具有中等活性和较高的立体选择性，尤其在甲苯(log P=2.5)中表现出最高的立体选择性.而在强疏水性(log P>3)溶剂中，酶表现出较高的活性和中等的立体选择性.在利用脂肪酶催化的酞化反应对外消旋的2-甲基J一酸甲西日IS]和1-氯-3- (1-蔡氧)-2-丙醇(蔡氧氯丙醇)进行动力学拆分的实验中，均发现在强疏水性的异辛烷(log P = 4. 7)中，酶催化反应的立体选择性较高.Nigam 等研究了不同溶剂对脂肪酶催化的拆分( R, S)一丙谷酞胺(Proglumide , N-苯甲酞基一N' , N ‘一丙基一R,S-异谷氮酞胺)的Cl化反应的立体选择性的影响.研究结果表明，除辛烷外，反应的立体选择性随溶剂log P值的增大而提高.（二）反应温度的影响反应温度对酶的立体选择性有显著影响.用脂肪酶催化合成(S)-2-甲基J一酸甲酷时，研究了温度与立体选择性的关系，发现在15 ~20 ℃时，酶的立体选择性较高，但随着温度升高，选择性有所下降.这是因为酶的立体选择性通常依赖活性中心的结构与构象.当温度升高时，酶的活性中心构象易发生变化，因此降低了它的立体选择性.但是，并非所有情祝都是如此.例如朱洁等【1】用脂肪酶在有机溶剂中催化(R , S)-2-辛醇的动力学拆分，并研究了反应温度对酶选择性的影响.实验结果表明，随着温度的升高，酶的立体选择性也逐步提高.对此比较反常的结果，作者认为温度升高，对快反应即( R)-醇的酞化反应速度影响较小，但使慢反应即(S)一醇的酞化反应速度大幅度降低，从而导致快慢反应速度的差别增大，因此酶表现较高的立体选择性.Nigam等[2]用脂肪酶在不同温度(20~50℃) 催化(R, S)一丙谷酞胺与不同醇的Cl化反应.研究结果表明，不同的醇参与的酷化反应的立体选择性均有一个最佳反应温度范围，多数溶剂在30~35 ℃具有较高的立体选择性，然后随着温度进一步升高，立体选择性降低.其中，(R,S)一丙谷酞胺与J一醇反应得到S一构型的产物，与己醇反应得到R-构型的产物;在30℃时，两个反应的立体选择性最高(ee值分别为97%和93%).（三）酞化试剂的影响在酶促酞化反应中，酞化试剂的结构对酶的立体选择性有明显的影响.实验结果表明，不同的饱和直链脂肪酸对PSL催化的2-辛醇酞化反应的立体选择性有显著影响.在正己烷、甲苯和环己烷中，随着酞化试剂(脂肪酸)链氏的增加，酶的活性和立体选择性都旱现一个由低到高、再由高到低的变化趋势.其中氏链脂肪酸[C(8) }C(18)]作为酞化试剂的效果比短链脂肪酸[C(4) }C(6)]稍强，表明该脂肪酶具有偏向于选择中氏链脂肪酸的底物特异性[3].庄英萍等[4]以不同的梭酸和酸酐及乙酸乙烯Cl作酞化试剂，对脂肪酶PS催化的外消旋蔡氧氯丙醇的酞化反应的立体选择性进行了考察.实验结果表明，乙酸酐是最佳的酞化试剂.这是由于乙酸酐的分子结构适于脂肪酶PS选择性催化萘氧氯丙醇发生酞化反应。
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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6.2 有机介质反应体系
选择性，即酶能够选择底物分子中某一区域的基
团优先进行反应。
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• 键选择性：即在有机介质中当底物分子中两种以上的
键与酶反应时，酶对其中一种键优先进行反应。 键的选择性与酶的来源和有机介质性质有关。 • 热稳定性：许多酶在有机介质中热稳定性优于水溶液。 主要由于有机介质中缺少使酶分子变性失活的水分
2、有机溶剂对酶活性的影响 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的亲水性，避 免酶在有机介质中因脱水作用而影响其催化活性。 3、有机溶剂对底物和产物分配的影响 有机溶剂与水之间的极性不同，在反应过程中会 影响底物和产物的分配，从而影响酶的催化反应。
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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。
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。
• 水对酶催化反应速度影响
有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影 响。例如马肝醇脱氢酶在含水量极低的情况下，酶催 化反应速度随含水量增加而增加。 在催化反应达到最大时的含水量称为最适水含量。 相同的酶，反应体系的最适含水量随有机溶剂种 类、固定化载体特性、修饰剂种类等不同而不同。
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反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响
酶的非水相催化
定义： 酶在非水相中进行的催化反应。
在非水相中，酶分子受到非水介质的影 响，其催化特性有着很大不同。
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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。 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 改变 主要用于肽、酯类等生产，甾体转化，功能高分子 合成，手性药物拆分等。
• 非极性有机溶剂酶悬浮体系(微水介质体系)
用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相 中。但仍然含有必需的结合水以保持酶的催化活性(含水量一般小 于2%)。 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固 体载体表面上。 • 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。 • 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 不管采用何种有机介质反应体系，酶催化反应的介质中都含有机溶剂和 7 组成的两相体系。 一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响。
水对有机介质中酶催化反应的影响
• 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。有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、 酶的催化活性、酶的稳定性、酶的催化反应速度等都 有密切关系，水还与酶催化作用的底物和反应产物的 溶解度有关。 • 水对酶分子空间构象影响 酶分子只有在空间构象完整的状态下，才具有催化 功能。在无水的条件下，酶的空间构象被破坏，酶将 变性失活。故此，酶分子需要一层水化层，以维持其 完整的空间构象。维持酶分子完整的空间构象所必需 的最低水量称为必需水（essential water）。
酶的底物特异性发生改变。 不同有机溶剂具有不同极性，所以在不同有机介质 中酶的底物专一性不同。
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• 立体选择性：酶在有机介质中催化与水溶液中催
化相比较，由于介质特性发生变化，而引起酶的
立体选择性发生变化。 一般说，酶在水溶液中立体选择性较强，而在有 机溶剂中立体选择性较差。 • 区域选择性：酶在有机介质中催化时，具有区域
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6.3 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.
• 底物特异性：在有机介质中，由于酶分子活性中心
的结合部位与底物之间的结合状态发生改变，致使
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，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。 2
Contents of Chapter 6
Go Go Go Go Go
1、酶催化反应的介质 2、有机介质反应体系 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
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6.1 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。