有机介质中的酶促反应精品PPT课件
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• 当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的中，而非极性端则 朝向胶束的外侧，水就被包在胶束的内部，此时 的胶束就称为反相胶束或简称为反胶束。
有机溶剂-酶悬浮体系
• 用非极性有机溶剂取代所有的作为溶剂的大量水 ，使酶悬浮在有机水相中。整个体系虽然含水量 很低，但是水在维持酶分子的催化活性上起着极 为重要的作用。底物分子以扩散的形式通过酶分 子表面的水层进入活性中心，完成催化后再扩散 进入有机相。
系 (3) 胶束与反胶束体系 (4) 非极性有机溶剂-酶悬浮体系 (5) 非极性有机溶剂-PEG修饰酶单项体系 (6) 微水有机介质体系
与水混溶的有机溶剂-水 形成的单相体系
• 由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成 的反应体系，体系中水和有机溶剂的含量 均较大
• 酶和底物是以溶解状态存在于体系之中， 由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活 性影响较大，所以能在这类反应体系中进 行催化反应的酶较少。
• 当水和有机溶剂同时存在于反应体系时， 加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会 形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白 质分子在同一数量级上。
• 当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端 则朝向胶束的中心，有机溶剂就被包在胶束的内 部，此时的胶束就称为正相胶束或简称为胶束；
TT11//22
90 min 10 min
T1/2 8.0 min T1/2 1.0 min
TT11//22
4.0 h 1.7 min
对映体选择性
• 酶的对映体选择性是指酶在对称的外消旋 化合物中识别一种异构体的能力
• 这种选择性是由不同对映体与酶的活性中 心的三维空间构像的互补性或称亲和力决 定的
酶在非水介质中的性质
➢热稳定性 ➢底物专一性 ➢对映体选择性 ➢区域选择性 ➢化学键选择性 ➢pH记忆
底物专一性
酶在非水介质中对底物的化学结构和立体 结构均有严格的选择性 • 不同的有机溶剂具有不同的极性，因此，在 不同的有机溶剂中酶的底物专一性也是不同 的 • 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，而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。
不同反应体系中 酶的一些催化行为比较
参数
微水有机介 水-有机溶剂 反胶束体
质体系
两相体系
系
酶活力
低
低
高
酶负载量
高
高
低
产率
低
低
高
产物回收
容易
一般
难
酶重复使用 可能
难
难
连续操作
可能
可能
难
热稳定性
许多酶在非水介质中的热稳定性和储存 稳定性比相同酶在水溶液中更好 这种热稳定性和储存稳定性的提高难以 用化学交联、固定化甚至是蛋白质工程的 手段所能达到的 这种稳定性还与介质中的水含量有关
壬烷，110℃，6 h 水，pH8.0, 90℃ 甲苯，70℃ 水，70℃ 正庚烷，55℃ 正庚烷，55℃，30days 甲苯，90℃，400 h 2-丙醇，50℃，30 h 氯仿，50℃ 水，50℃ 正十六烷，80℃ 水 ， 70℃ 甲苯，0.3%水 甲苯，1.3%水
热稳定性
T1/2 < 26 h T1/2 < 2 min
• 非水介质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
• 酶在水溶液中的对映体选择性较强，而在 疏水性较强的有机溶剂中，酶的对映体选 择性较差
区域选择性
• 区域选择性，即酶能够选择性地优先催化 底物分子中某一区域的基团进行反应
• 酶在非水介质中进行催化时，区域选择性 可能会发生一定变化
化学键选择性
• 化学键选择性是指当同一个底物分子中有2 个以上的化学键都可以与进行反应时，酶 对其中的一个别化学键可以优先进行催化 反应
酶 猪胰脂肪酶
酵母脂肪酶
胰凝乳蛋白酶
枯草杆菌蛋白酶 溶菌酶
核糖核酸酶
F1-ATP酶 醇脱氢酶 Hind III 脂蛋白脂肪酶 -葡萄糖苷酶 酪氨酸酶
酸性磷酸酯酶
细胞色素氧化酶
条件 三丁酸甘油酯, 水， pH7.0 三丁酸甘油酯/庚醇 水， pH7.0 正辛烷，100℃ 水，pH8.0, 55℃ 正辛烷， 110℃ 环己烷110℃ 水
T1/2 1.5 h T1/2 < 2 min
TT11//22
80 min 15 min
T1/2 80 min
TT11//22
140 min 10 min
剩95%活性 T1/2 < 10 min
TT11//22
>24 <10
h min
T1/2 >50 days 活性没有降低
剩余活性40% 剩余活性80%
• 酶的状态可以是结晶、冻干、沉淀，或者吸附在 固体载体表面上。
非极性有机溶剂-PEG 修饰酶单项体系
• 聚乙二醇（PEG）具有亲水和疏水两种特性，用 PEG修饰的赖氨酸残基，增加酶分子表面的疏水 性，可使酶在有机介质中溶解性增加，使酶反应 体系处于一种均相状态，同时为酶分子表面创造 了一个亲水的微环境。
• PEG修饰的酶既能在宏观的有机环境中与疏水性 底物充分接触，又能在少量水的微环境中发挥催 化能力。被修饰的酶在有机介质中的稳定性大幅 提高。
微水有机介质体系
• 微水有机介质体系是由有机溶剂和微量的 水组成的反应体系，也是有机介质酶催化wk.baidu.com中应用最为广泛的一种反应体系。
• 酶分子的结合水对维持酶分子的空间构象 和催化活性至关重要。一般酶都是以冻干 粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质之中 ，在悬浮状态下进行催化反应。
酶在有机介质中反应的优点
l可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化 l改变了催化反应的平衡点 l对底物的专一性提高 l热稳定性提高 l回收和重复利用变得容易
l有效减少或防止由水引起的副反应的产生 l避免了杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染
酶促反应的有机介质体系
(1)与水混溶的有机溶剂-水形成的单相体系 (2) 水-非极性有机溶剂形成的两相或多相体
水-非极性有机溶剂形成的 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， 而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相 中。
• 一般这种体系仅适用于底物和产物或其中 的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中 ，最常用的是两相体系。
胶束与反胶束体系
有机溶剂-酶悬浮体系
• 用非极性有机溶剂取代所有的作为溶剂的大量水 ，使酶悬浮在有机水相中。整个体系虽然含水量 很低，但是水在维持酶分子的催化活性上起着极 为重要的作用。底物分子以扩散的形式通过酶分 子表面的水层进入活性中心，完成催化后再扩散 进入有机相。
系 (3) 胶束与反胶束体系 (4) 非极性有机溶剂-酶悬浮体系 (5) 非极性有机溶剂-PEG修饰酶单项体系 (6) 微水有机介质体系
与水混溶的有机溶剂-水 形成的单相体系
• 由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成 的反应体系，体系中水和有机溶剂的含量 均较大
• 酶和底物是以溶解状态存在于体系之中， 由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活 性影响较大，所以能在这类反应体系中进 行催化反应的酶较少。
• 当水和有机溶剂同时存在于反应体系时， 加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会 形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白 质分子在同一数量级上。
• 当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端 则朝向胶束的中心，有机溶剂就被包在胶束的内 部，此时的胶束就称为正相胶束或简称为胶束；
TT11//22
90 min 10 min
T1/2 8.0 min T1/2 1.0 min
TT11//22
4.0 h 1.7 min
对映体选择性
• 酶的对映体选择性是指酶在对称的外消旋 化合物中识别一种异构体的能力
• 这种选择性是由不同对映体与酶的活性中 心的三维空间构像的互补性或称亲和力决 定的
酶在非水介质中的性质
➢热稳定性 ➢底物专一性 ➢对映体选择性 ➢区域选择性 ➢化学键选择性 ➢pH记忆
底物专一性
酶在非水介质中对底物的化学结构和立体 结构均有严格的选择性 • 不同的有机溶剂具有不同的极性，因此，在 不同的有机溶剂中酶的底物专一性也是不同 的 • 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，而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。
不同反应体系中 酶的一些催化行为比较
参数
微水有机介 水-有机溶剂 反胶束体
质体系
两相体系
系
酶活力
低
低
高
酶负载量
高
高
低
产率
低
低
高
产物回收
容易
一般
难
酶重复使用 可能
难
难
连续操作
可能
可能
难
热稳定性
许多酶在非水介质中的热稳定性和储存 稳定性比相同酶在水溶液中更好 这种热稳定性和储存稳定性的提高难以 用化学交联、固定化甚至是蛋白质工程的 手段所能达到的 这种稳定性还与介质中的水含量有关
壬烷，110℃，6 h 水，pH8.0, 90℃ 甲苯，70℃ 水，70℃ 正庚烷，55℃ 正庚烷，55℃，30days 甲苯，90℃，400 h 2-丙醇，50℃，30 h 氯仿，50℃ 水，50℃ 正十六烷，80℃ 水 ， 70℃ 甲苯，0.3%水 甲苯，1.3%水
热稳定性
T1/2 < 26 h T1/2 < 2 min
• 非水介质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
• 酶在水溶液中的对映体选择性较强，而在 疏水性较强的有机溶剂中，酶的对映体选 择性较差
区域选择性
• 区域选择性，即酶能够选择性地优先催化 底物分子中某一区域的基团进行反应
• 酶在非水介质中进行催化时，区域选择性 可能会发生一定变化
化学键选择性
• 化学键选择性是指当同一个底物分子中有2 个以上的化学键都可以与进行反应时，酶 对其中的一个别化学键可以优先进行催化 反应
酶 猪胰脂肪酶
酵母脂肪酶
胰凝乳蛋白酶
枯草杆菌蛋白酶 溶菌酶
核糖核酸酶
F1-ATP酶 醇脱氢酶 Hind III 脂蛋白脂肪酶 -葡萄糖苷酶 酪氨酸酶
酸性磷酸酯酶
细胞色素氧化酶
条件 三丁酸甘油酯, 水， pH7.0 三丁酸甘油酯/庚醇 水， pH7.0 正辛烷，100℃ 水，pH8.0, 55℃ 正辛烷， 110℃ 环己烷110℃ 水
T1/2 1.5 h T1/2 < 2 min
TT11//22
80 min 15 min
T1/2 80 min
TT11//22
140 min 10 min
剩95%活性 T1/2 < 10 min
TT11//22
>24 <10
h min
T1/2 >50 days 活性没有降低
剩余活性40% 剩余活性80%
• 酶的状态可以是结晶、冻干、沉淀，或者吸附在 固体载体表面上。
非极性有机溶剂-PEG 修饰酶单项体系
• 聚乙二醇（PEG）具有亲水和疏水两种特性，用 PEG修饰的赖氨酸残基，增加酶分子表面的疏水 性，可使酶在有机介质中溶解性增加，使酶反应 体系处于一种均相状态，同时为酶分子表面创造 了一个亲水的微环境。
• PEG修饰的酶既能在宏观的有机环境中与疏水性 底物充分接触，又能在少量水的微环境中发挥催 化能力。被修饰的酶在有机介质中的稳定性大幅 提高。
微水有机介质体系
• 微水有机介质体系是由有机溶剂和微量的 水组成的反应体系，也是有机介质酶催化wk.baidu.com中应用最为广泛的一种反应体系。
• 酶分子的结合水对维持酶分子的空间构象 和催化活性至关重要。一般酶都是以冻干 粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质之中 ，在悬浮状态下进行催化反应。
酶在有机介质中反应的优点
l可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化 l改变了催化反应的平衡点 l对底物的专一性提高 l热稳定性提高 l回收和重复利用变得容易
l有效减少或防止由水引起的副反应的产生 l避免了杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染
酶促反应的有机介质体系
(1)与水混溶的有机溶剂-水形成的单相体系 (2) 水-非极性有机溶剂形成的两相或多相体
水-非极性有机溶剂形成的 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， 而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相 中。
• 一般这种体系仅适用于底物和产物或其中 的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中 ，最常用的是两相体系。
胶束与反胶束体系