酶催化反应研究进展

1 绪论

酶作为生物催化剂，具有专一性、高效性、反应条件温和等优点，是一种具有特殊三维空间构象的蛋白质，它们在体内几乎参与了所有的转变过程, 催化生物分子的转化。同时, 它们也催化许多体内存在的物质发生变化, 使人体正常的新陈代谢得以运行。因此受到人们的普遍关注。近年来, 特别是随着生化技术的进展, 酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段应用于有机合成, 特别是催化不对称合成反应。光学活性化合物或天然产物的合成, 已应用于医药、农药、食品添加剂、香料、日用化学品等精细有机合成领域。酶催化不会污染环境, 经济可行, 符合绿色化学的方向, 具有广阔的前景。

2 酶催化与有机合成反应

对于酶催化反应在有机合成中的应用, 有机合成工作者做了大量工作。随着科技进步的日新月异, 酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段用于

有机合成特别是不对称合成反应, 进行光学活性化合物或天然产物的合成时, 能为天然或非天然产物的合成提供丰富的手性源, 其应用前景将是难以估量的。2.1 不同反应体系中的酶促反应

2.1.1 有机介质中的酶促反应

酶在有机介质中不但能保持其活性，还表现出一些特殊性质，并具有如下优越性：有利于疏水性底物的反应；产物和酶易于回收；可改变反应平衡移动的方向；可控制底物专一性；可防止由水引起的副反应；可扩大反应pH值的适应性；可提高酶稳定性；可避免微生物污染等。在保证必需含水量；选择合适的酶及酶形式；选择合适的溶剂；选择最佳pH值；选择合适的反应体系的条件下，则在有机介质中酶可显示很高的催化活性。目前在有机介质中已成功用酶进行了氧化、、脱氢、脱氨、还原、羟基化、甲基化、环氧化、酯化、酰胺化、磷酸化、开环反应、异构化、侧链切除、缩合及卤化等反应。

过去人们认为酶在有机介质不稳定，但研究发现大多数酶在低水有机介质中比在水介质中更稳定。一是表现在热稳定性提高。在有机介质中，在不同温度下保温脉酶，发现热处理导致酶活性增加，而且酶在温度远超过其在水溶液中最适

温度的情况下也不失活。例如猪胰脂肪酶在醇和醋中进行催化反应，在100℃高温下，其半衰期长达26h,其活性比在20℃时还高。又如胰凝乳蛋白酶在60℃水中，几分钟就产生不可逆失活；而在100℃辛烷中，其半衰期长达几小时。Gyunwald等报道，在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密切相关，一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定；含水量超出临界含水量后，酶稳定性随含水量的增加而急剧降低。二是表现在储存稳定性提高。如胰凝乳蛋白酶，20℃时在水中半衰期只有几天，而在辛烷中，可放置6个月仍保留全部活性。在单相共溶体系有机溶剂对酶活性影响分两方面。一方面有机溶剂直接作用于酶，破坏维持酶活性构象的氢键和疏水作用力，或破坏酶周围水化层，使酶变性或失活。如不少酶活性随有机溶剂浓度升高而降低。另一方面有些酶活性会随有机溶剂浓度升高而增大，在某一浓度（最适浓度）达最大值；若浓度再升高，则活性下降。某些有机介质可使某些限制酶的专一性发生改变，使专一性降低，且发现其星号活力比原专一性活力弱。不同的有机介质对同一种限制酶专一性影响不同。同一种有机介质对不同的限制酶的专一性影响亦不同。酶既可催化一个化学反应的正向反应进行，亦可催化其逆向反应进行，反应平衡点的移动取决于反应条件。有机介质能改变某些酶的反应平衡方向。

目前有机介质中酶催化反应研究已取得了较大进展，但还存在许多基本问题有待解决，如有机介质中酶催化的动力学和作用机理等。有机介质中酶催化反应研究已冲破传统观念的束缚，正在飞速发展，并已开始由论研究逐步走向生产实践。

2.1.2 反胶束体系中的酶促反应

反胶束(团) ( 10~ 100nm )是表面活性剂溶解在非极性溶剂中形成的、围绕一个极性核的纳米级聚集体，是一种低水含量的油包水(W /O )微乳液。反胶束溶液是透明的、热力学稳定的体系。反胶束极性内核中的水与常态水物理性质不同，它的黏度较高，而酸度与极性比常态水低。所以“水池”中的水可溶解某些原本不溶的物质，如脂肪酶等生物活性物质。反胶束体系作为酶反应介质，具有组成灵活、热力学稳定、界面积大、可通过相调节来实现产物回收等优点。近年来，研究最多的是酶的催化反应。

用脂肪酶催化酯水解具有反应条件温和、高效、专一、节约能源和不污染环

境等优点，但脂肪酶催化反应的底物油脂与水及酶互不溶解，使反应很难发生。而在含微量水的反胶束中, 则可解决油水两相反应的困难。许琼明等采用通过实验优化出的卵磷脂/胆固醇/环己烷反胶束体系，研究了胆甾醇酯酶对维生素E醋

酸酯具有催化活性及胆甾醇酯酶发挥水解活性的最佳反应条件。李光吉等考察了脂肪酶Novozym 435作生物催化剂时,丁二酸二辛基磺酸钠( AOT) /异辛烷反相胶

束体系有利于它催化葡甘聚糖( KGM )与乙酸乙烯酯的酯交换反应。Pastoriza- Ca llegoM J等报道了在十二烷基硫酸钠( SDS) /丁醇/水反胶团体系中，可发生邻甲基重氮苯四氟硼酸盐的脱重氮基反应。该反应主要发生在反胶团体系的界面区域，而在丁醇/水二元混合体系中不发生反应。体系中SDS浓度增加，反胶团聚集数

也随之增加。

反胶团酶催化技术总的来说还比较年轻，其理论及应用都存在某些不足。工业化应用的最大障碍仍然是酶活性和稳定性不能令人满意。此外，缺乏适宜的反应器型式以实现酶的重复利用和产物的同步分离也是一个重要限制因素。寻找新的更为优良的表面活性剂将是一个非常有吸引力的研究方向。反胶束的优良特性决定了随着研究的深入，反胶团酶催化技术将在食品、药物、农业、环保、材料等各个领域发挥其独特的作用。

2.1.3 超临界流体中的酶促反应

超临界流体(SCF)是一种温度和压力都处于临界点以上，性质介于液体和气

体之间的流体。SCF有近似于气体的流动行为，粘度小、传质系数大，有与液相相近的溶解能力和传热系数。同时，它们又具有区别于气态和液态的明显特征：可以得到处于气态和液态之间的任一密度；在临界点附近，压力的微小变化可导致密度的巨大变化。由于粘度、介电常数、扩散系数、溶解度都与密度相关，因此可方便地通过调节压力来控制SCF的物化物质。

Hammond等首先提出了酶催化反应在超临界流体中进行的可行性，作为一

种非水溶剂, 超临界流体应用于酶催化反应具有以下优越性。一是非水相催化为非均相反应，常被内外扩散所限制，超临界流体固有的高扩散系数、低粘度和低表面张力能加速传质控制反应；二是压力对超临界流体溶解性能的影响十分显著，可凭借压力的变化来改变底物和产物的溶解度，简化产物分离和回收过程；三是超临界流体可与其他气体混溶，得到任意浓度，使得氧化和氢化反应易于控制；