酶非水相催化
2015酶工程第5章 酶的非水相催化
5.1.2 气相介质体系：
a. 某些酶在液相中受到一定限制，如酶和辅酶操作不稳定、 底物和产物溶解性差、产物抑制，在气相中得以克服； b. 适用于易于挥发底物或能转化为气体的物质的酶催化反应；
c. 气体密度低，易扩散，气相中酶催化作用与液相明显不同。
例：Hwang 等人研究醇氧化酶在气相中催化的反应
• 底物特异性
• 立体选择性 • 区域选择性 • 键选择性 • 热稳定性 有机相中酶能够催化新的反应， 生成新产物
• pH特性
–酶在有机介质中的催化特性 —— 底物特异性
• 有机介质中的酶活性中心结合部位与底物的结合状态 改变，致使酶的底物特异性改变。
N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯
N-乙酰-L-丝氨酸乙酯
有机溶剂介质体系类型： (1) 微水-有机溶剂单相体系 (2) 水-有机溶剂单相体系
(3) 水-有机溶剂双相体系
(4) 正胶束体系
(5) 反胶束体系
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 有机溶剂和一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响。
(1) 微水-有机溶剂单相体系
又称微水介质体系、非极性有机溶剂-酶悬浮体系 有机溶剂(98%)： 烃、醚、芳香族、卤代烃 水(<2%)： 酶分子的结合水，维持酶催化活性 酶： 悬浮状态；不溶的固相酶，结晶/冻干 /沉淀状态；或吸附在固体载体表面 特征： 酶稳定性好，分散性差，催化效率低 适用于： 水解类酶，减少含水量利于合成反应
5.1.3 超临界流体介质体系：
a. 超临界流体（supercritical fluid, SCF）是指温度和压力 超过某物质临界点所形成的可压缩性高密度流体，介于气 液之间，如CO2, SO2, C2H4，CO2最常用，廉价无毒。 b. 具有高扩散系数、低黏度和低表面张力,使底物向酶的传 质速度加快，提高反应速度; c. 可以改变酶的特性，如底物专一性、区域选择性和对映体 选择性，增强酶的稳定性。 例：超临界 CO2 中南极假丝酵母脂肪酶催化葡萄糖酰化反应
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。
第八章酶的非水相催化ppt课件
– 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.
第七章_酶的非水相催化
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。
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。
第八章 酶非水相催化09
非水相体系中的酶反应
有许多底物和产物（如甾体化合物、脂质类、 碳氢化合物等），几乎不溶于水，这类物质 的反应在水相系统有困难，如果把这些反应 在非水相中进行，我们可使用更高的浓度， 同时减少微生物污染的可能性。然而，通常 酶存在于水环境中，但细胞膜中存在的酶则 处于非水相中仍保持活性，但通常把酶放置 于非水溶剂中会引起酶变性或失活，如何使 酶在非水相仍保持活性？
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例如，在辛烷介质中，每分子糜蛋白酶只需50 分子水，就可维持其活性；而在氯仿介质中， 每分子多酚氧化酶却需3.5×107水分子。如每 分子α-胰凝乳蛋白酶需要数十个水分子的必 需水,而每分子醇脱氢酶的必需水高达几百个 水分子。 低于必需水的下限，酶蛋白会因构象剧烈变化 而失活，然而在水量增加的情况下，酶也会因 水份过多而活性降低,因此酶也应有一个因过 量水而失活的水量上限。
16
在非水相介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响， 存在最适水含量。
有机溶剂中酶活性与含水量的关系
17
通常用热力学水活度αw (thermodynamic water activity) 来描述有机溶剂中酶的活 性与水量的关系。 水活度是指在一定的温度与压力下反应体系 中水的蒸气压与纯水蒸气压的比值。 体系含水的多少是由溶剂的极性决定的,溶 剂对酶的影响实际上是酶的必需水被溶剂剥 夺而使酶的活性发生变化。
9
8.1、酶在非水相介质中的催化特性 、
酶在非水相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
（1）底物专一性、 立体异构选择性 底物专一性、 底物专一性 立体异构选择性。在非水相介质中，由于酶分子 结构发生变化，致使酶的底物特异性会发生一些改变。例如，枯草芽 孢杆菌蛋白酶催化N-乙酰-L-丝氨酸乙酯和N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯与 丙醇的转酯反应，在二氯甲烷或苯介质中，含丝氨酸的底物优先反应； 而在吡啶或季丁醇介质中，则含苯丙氨酸的底物首先发生转酯反应。 一般来说，在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易进行反 应；在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易进行反应。 在非水相介质中，酶的立体异构专一性也发生改变，一般来说， 在非水相介质中 ， 酶的立体异构专一性也发生改变 ， 一般来说 ， 在疏水性强的介质中， 型异构体比L 在疏水性强的介质中，D-型异构体比L-型异构体更容易与酶结合而发 生反应。 生反应。这一点在手性药物的制造中，有重要应用。
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。
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
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。
非水相酶催化的特点
非水相酶催化的特点非水相酶是一类在非水溶剂中具有活性的酶，其催化反应不需要水作为反应介质。
相比水相酶，非水相酶具有一些特殊的催化特点和应用优势。
本文将从催化特点和应用两个方面展开介绍非水相酶的特点。
一、催化特点：1. 高催化效率：非水相酶在非水溶剂中具有更高的催化效率。
这是因为非水溶剂的特性导致分子间距离缩小，溶剂极化度降低，催化反应速率增加。
此外，非水相酶在无水环境中，反应物更容易与酶分子接触，提高了反应效率。
2. 宽底物适应性：非水相酶对底物的适应性更广泛。
由于非水相酶不依赖水分子参与反应，使得酶能够催化水溶性较差的底物，在有机溶剂中也能保持较高的催化活性。
3. 高温稳定性：非水相酶具有较高的温度稳定性。
在无水环境中，非水相酶不会受到水的热解或蒸发影响，因此可以在高温下保持较好的催化活性。
这使得非水相酶在高温反应中具有更广泛的应用前景。
4. 多样的溶剂适应性：非水相酶可以在各种有机溶剂中催化反应。
这是由于非水相酶的结构和催化机制与水相酶有所不同，使其在不同的溶剂环境中都能保持催化活性。
这为非水相酶的应用提供了更多的选择。
二、应用优势：1. 有机合成：非水相酶在有机合成中具有广泛的应用前景。
由于非水相酶对底物的适应性广泛，可以催化多种有机合成反应，如糖化反应、酯化反应、醇酸脱水反应等。
这些反应在有机合成中具有重要的应用价值，非水相酶的应用可以提高反应效率和产物纯度。
2. 药物制备：非水相酶在药物制备中具有重要的应用价值。
由于非水相酶的高温稳定性，可以在高温条件下催化药物的合成反应，提高反应速率和产物纯度。
此外，非水相酶还可以催化药物的酶促代谢反应，用于药物代谢途径的研究和药物活性的改善。
3. 环境保护：非水相酶在环境保护领域有着重要的应用价值。
由于非水相酶可以在无水环境中催化反应，可以用于处理含水废水中的有机物污染物。
非水相酶的应用可以提高废水处理的效率和降低处理成本，具有重要的环境和经济效益。
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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；
副键所必需的。
2.水对酶催化反应速度的影响
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。
水影响蛋白质结构的完整性、活性位点的极性和 稳定性。
三、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响
直接或间接影响酶的活性和稳定性。 改变酶的特异性（底物特异性、立体选择性、
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
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
水与有机剂含量均较大。
适用的酶较少。
3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
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；
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溶剂相。
固定化酶在界面； 催化反应在两相界面进行； 适于底物或产物两者或其中一种属于疏水化合物的
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
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。
有机溶剂会改变底物存在状态。 结果影响酶的稳定性和酶的底物特异性,立
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的超临界 点的流体。
要求：超临界流体对酶结构无破坏；具良 好化学稳定性；温度不可太高太低；压 力不可太高；易获得等。
常用的超临界流体有：CO2, SO2 C2H4, C2H6 C3H8 C4H10 等。
四、离子液介质中的酶催化
指酶在离子液中进行的催化作用。 离子液 (Ionic liquid )是由有机阳离子与有机（无机）
1、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。
2、与水溶性有机溶剂组成的均一体 系
由水与极性较大的有机溶剂互相混溶组 成的反应体系。
1997年首次报道酶在反相胶束中具有活性(已发现40多种酶)； 酶分子处在反胶束内，稳定性好； 反胶束与生物膜有相似之处，适用于处在生物膜表面或与膜结合
的酶的结构、催化特性和动力学性质的研究。
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:结合水(酶粉水合、固定载体和其 他杂质)、游离水(溶于有机溶剂)
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
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 酶非水相催化的研究概况
受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同。
酶的非水相催化主要包括:
阴离子构成的、在室温下呈液态的低熔点盐类， 挥发性低，稳定性好。 特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择性、 立体选择性、键选择性。
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； 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系； 3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系； 4、（正）胶束体系； 5、反胶束体系。
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。
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：底物是气体或能转化为气体
的物质的酶催化反应。 特性：气体介质的密度低，扩散容易，
与在水相中明显不同。
三、超临界流体介质中的酶催化
体选择性,区域选择性和化学键选择性。
一2、、底物底特物异专性 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。
一、有机介质中的酶催化； 二、气相介质中的酶催化； 三、超临界流体介质中的酶催化； 四、离子液介质中的酶催化
一、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、产物两者或其一为疏水性物质 的酶催化作用。
原因:酶在有机介质中基本能保持结构的完整。 特性:酶的底物特异性、立体选择性、区域选择
催化反应。
4、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液滴。
表面活性剂的极性端朝外,非极性端朝内,有机溶剂被 包在液滴内部。
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。
5、反胶束体系
反胶束: 在与水不互溶的大量有机溶剂中,加入表面活性剂后形成 的油包水的微小水滴；