第五章有机溶剂中的酶催化作用介绍

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下面是一个胰脂肪酶的反应速度---水含量的关系 图。
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一般认为，一个酶结合水的过程分4步： 1.首先与酶分子表面的带电基团结合一部 分水(0- 0.07g/g(水/酶))。 2.再与酶分子表面的极性基团结合一部分 水(0.07-0.25g/g(水/酶))。 3.再聚集到表面相互作用较弱的部位 (0.25-0.38g/g(水/酶))。 4.最后酶分子表面完全水合化，水分子覆 盖酶分子表面。
第五章 有机溶剂中的酶催化反应
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第一节 非水介质中酶学基础
• 用于酶催化的非水介质包括：
– 含微量水的有机溶剂 – 与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系 – 水与有机溶剂形成的两相或多相体系 – 胶束与反胶束体系 – 超临界流体 – 气相
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非水介质中酶的结构
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有机介质中的酶促反应的优越性
原先的认识： 1）我们以前的酶学理论知道，酶溶解在水溶液中， 而且酶一定是在水溶液中才能反应，又知道水是 个极性分子，酶只能在极性溶剂中反应。 2）我们又知道有机溶剂是酶的变性剂，用了以后， 应该在尽可能短的时间内去除有机溶剂，再把酶 溶解于水中，以防止酶的变性和失活。
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二、必需水含量问题：
一般因酶分子本身, 或溶剂系统不同而有所不同。 如脂肪酶有几个水分子, 胰凝乳蛋白酶几十个水分子, 乙醇脱氢酶、多酚氧化酶有几百个水分子。 另外同一个酶在不同溶剂系统中含水也不同。 如胰凝乳蛋白酶，在甲苯中，含水0.5%； 氯仿等系统中，含水1.0%，酶活性最高。
一般酶要发挥它的催化活性，必须与有机溶剂系统获 得水分以维持酶必要的水合状态。
2）控制酶量的问题
需要适量。如α-凝乳蛋白酶在乙醇中的转脂反应，随着加 酶量的下降，活性反而上升，速度快。 可能理由： 被认为在水含量不变的情况下，酶少到一个合适的浓度， 可以使酶聚合体变小，反而增大了酶-底物接触的面，减 少了底物扩散的限制，酶反应速度反而加快。 14
3）酶化学修饰的问题
化学修饰可以改变酶的一些理化性质， 有利于酶在有机溶剂中的稳定性，原先不稳 定的酶经过修饰变得稳定，主要是因为改变 了酶的一些理化性质。
现在酶工程技术的发展，已经告诉我们，酶 反应可在有机介质中进行，已经成为酶工程、酶 化工研究的一个新的领域，开辟了一个新的研究 方向。
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有机介质中酶促反应优越性被认为至少有以下优点：
1）有利于疏水性底物反应 2）提高酶反应T，加速反应V，提高酶反应稳定性。 3）可以催化一些在水相中不能进行的反应。 4）可以改变反应的平衡方向。 5）控制底物的专一性。 6）防止由水引起的付反应。 7）扩大反应的pH范围. 8）有利于酶的固定化。 9）酶、产物容易回收。 10）消除底物、产物的抑制作用。 11）防止微生物的污染。
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4） 固定化酶 第二章已经讲到固定化酶和细胞的问题， 固定化有许多好处。在有机溶剂中进行酶反 应，如果进行酶的固定化，必定可以充分显 示其优越性。 酶被吸附或者固定在固相载体（水不溶 性）上，就可以对抗有机介质对酶的变性能 力，提高反应的速度和对热的敏感性。 一般象用硅胶、硅藻土、玻璃珠等制成 固定化酶，载体通过分配效应剧烈地改变酶 所处的微环境中底物和产物的局部浓度。 固定化后，首先使载体能通过分配效应改 变酶所处微环境中底物和产物的局部浓度。
还有用聚磷酸酯、脂肪酸等修饰SOD， 同样得到了适合于有机介质中进行催化反应的 化学修饰酶--SOD。 在进行了不同化学修饰酶在有机介质中 的反应的研究以后，发现化学修饰（采用脱糖 基化、 PEG 修饰等）能够增加酶的表面疏水 性，而疏水性的增加正是提高酶在有机介质中 的溶解性和活力的重要原因。 PEG 修饰酶在甲苯中的活性比未修饰酶 高 16 倍。通过酶蛋白甲基化作用或疏水分子 对酶蛋白的修饰，均可提高酶在有机介质中的 溶解性、稳定性和活性。
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酶是否适于在有机介质中反应，除 与酶性质有关外，还取决于酶-底物、产 物-溶剂间的关系问题。 这完全需要用实验来决定。
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四、 酶形式的差别
酶在有机介质中的溶解特性、稳定性、活性等，对酶 的选择很重要。
1）酶00000000粉
将酶做成冻干粉，然后在有机介质中充分搅拌，超声波 处理，使得颗粒变小，悬浮于介质中。
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三、 酶种类的选择
酶选择原则： 在有机介质中酶有不变性的潜在能力，即能保持 酶催化活性的构象和催化能力。 由于酶的组成、结构、构象多样化，所以不能认 为所有的酶都可以在有机介质中反应。 但是，一般现在的资料显示认为大多数酶可以做 到。而有些酶在有机介质中可以进行，在水中却不 能反应，如脂肪酶、蛋白酶、次黄嘌呤氧化酶、过 氧化氢酶、过氧化物酶、醛缩酶、多酚氧化酶、醇 脱氢酶、细胞色素氧化酶、ATP酶，胆固醇氧化酶 等。这些酶有些属膜酶，在水溶液中反而不稳定。
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第二节 反应条件： 一句话，条件要适宜,在一个特定条件下进行，。 一、 保证必需水含量 水是保证酶催化反应的必需条件，活性构象 是水分子直接或间接由氢键等非共价键相互作用来 维持。 因此与酶分子紧密结合的一单层水分子对催 化作用非常重要。而其他的水则相对不那么重要 (即由有机介质替代的那部分水不那么重要了）。
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必需水：是维系酶构象稳定和酶催化活性所必需 的那部分最少量的水分子, 有时也叫结合水,或者束缚水。 只要那部分必需水不丢失, 其他的大部分水可 以由有机溶剂代替.
所以，有机介质中的酶促反 应。如有的酶反应即使水只占0.015%， 酶仍然有 活性，可以进行酶反应, 而且反应速度非常快。
一般认为大多数酶可以在有机介质中 反应。但是，操作稳定性差。化学修饰 的目的就是要提高酶的稳定性。
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化学修饰方法很多，聚乙二醇（PEG）修 饰较常见。 如PEG修饰过氧化氢酶，然后在有机介质 中活性显著提高。 还研制了磁性脂肪酶（磁性颗粒外包 PEG修饰的脂肪酶），它在有机介质中较稳定， 活力也较高，且可在磁场中回收。 还有用谷氨酸、十二醇、葡萄糖酸内酯 合成了糖脂后修饰超氧化物歧化酶（SOD）。 所得的这种SOD糖脂复合物变成脂溶性的酶， 而不是水不溶性的。SOD糖脂复合物在有机介 质中活性高大大高于在水中的活性，并且它对 温度、 pH、蛋白酶水解等的稳定性均高于天 16 然SOD。