第六章 酶的非水相催化

二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系 (3)与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系： ◆这种体系是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。 ◆如果采用固定化酶，则以悬浮形式存在两相的界面。 ◆催化反应通常在两相的界面进行。一般适用于底物和 产物两者或其中一种是属于疏水化合物的催化反应。
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
有机介质 反应体系
微水介质
水与有机溶剂 的均一体系
水与不溶有机 溶剂的 非均一体系
正胶束体系
反胶束体系
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(1)微水介质体系: ◆微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体 系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反应体系。 ◆微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的 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 (5)反胶束体系： ◆反胶束又称为反胶团，是指在大量与水不相混溶的有 机溶剂中，含有少量的水溶液，加入表面活性剂后形成 的油包水的微小液滴。 ◆表面活性剂的极性端朝内，非极性端朝外，水溶液包 在胶束内部。 ◆反应时，酶分子在反胶束内部的水溶液中，疏水性底 物或产物在反胶束外部，催化反应在两相的界面中进行。
三、酶非水相催化的影响因素
（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响
(5)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。 ◆有机容剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。
四、酶非水相催化的催化特性
（三）酶在有机介质中的催化特性
酶非水相催化的几种类型
4、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（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。
Chapter 6
Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
制作：崔建东 cjd007cn@163.com
Contents of chapter 6
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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
酶的非水相催化
非水相酶催化的相关问题
★在完全无水的情况下，酶是无活性的，极少量的水 就会激发酶的活性；但含水量低于最适水量时，酶会 失去催化活性。 ★有机溶剂可能直接与酶分子水合层中的必须水发生 反应，影响酶的结构和功能，尤其是极性较强的溶剂， 它可以溶解大量的水，将酶分子水合层中的必须水剥 离掉，导致酶失活，相对来讲，疏水性溶剂对水的溶 解能力较低，故对酶活和结构影响较小。
酶的非水相催化
酶的非水相催化 酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非 水相催化。 在非水相中，酶分子受到非水相介质的影响， 其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。
酶的非水相催化
非水相酶催化的特性
（1）增加非极性基质的溶解度； （2）使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如 肽的合成、酯的合成等； （3）可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、 卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
一、酶Leabharlann Baidu水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
常见的阳离子有季铵盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐 离子等（如下图所示），阴离子有卤素离子、四氟 硼酸根离子、六氟磷酸根离子等. 特点: 不挥发、不可燃、导电性强、黏度低、热容大、蒸 汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好 的溶解性，在电化学、有机合成、催化、分离等领 域被广泛的应用。
1、底物专一性： ◆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某些变化，致 使酶的底物特异性会发生改变。 ◇
四、酶非水相催化的催化特性
（三）酶在有机介质中的催化特性
2、对映体选择性： ◆酶的对映体选择性又称为立体选择性或立体异构专一性，是 酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小的指标。 ◆酶立体选择性的强弱可以用立体选择系数（KLD）的大小来衡 量。立体选择系数越大，表明酶催化的对映体选择性越强。 ◆立体选择系数与酶对L-型和D-型两种异构体的酶转换数 （Kcat）和米氏常数（Km）有关。即：
（二）、水对有机介质中酶的影响
(2)水对酶催化反应速度的影响： ◆有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。 ◆在催化反应速度达到最大时的水含量称为最适水含量。 ◆在实际应用时应当根据实际情况，通过实验确定最适 水含量。
三、酶非水相催化的影响因素
（二）、水对有机介质中酶的影响
二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系 (4)（正）胶束体系： ◆胶束又称为正胶束或正胶团，是在大量水溶液中含有 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 包在液滴内部。 ◆反应时，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。
有机介质酶催化反应的优点
酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构象表现出比 水溶液中更具有“刚性”特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来调 控酶的某些特性成为可能。例如在有机溶剂中，可以利用酶与配体的 相互作用性质，诱导改变酶分子的构象，调控酶的底物专一性,、立体 选择性和手性选择性等。
(1)水对酶分子空间构象的影响： ◆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）。 ◆必需水与酶分子的结构和性质有密切关系。不同的酶， 所要求的必需水的量差别很大。
三、酶非水相催化的影响因素
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。 2）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。
5、酶非水相催化的应用
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。
三、酶非水相催化的影响因素
（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响
◆常用的有机溶剂有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇， 丙醇，乙腈，已酯，二氯甲烷等。 (1)有机溶剂对酶结构与功能的影响： ◆酶具有完整空间结构和活性中心才能发挥其催化功能。 ◆在有机溶剂中，酶分子（经过修饰后可溶于有机溶剂 者除外）不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反 应。 ◆有些酶在有机溶剂的作用下，其空间结构会受到某些 破坏，从而使酶的催化活性受到影响甚至引起酶的变性 失活。
由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关, 因此在有机介质中 酶的稳定性得到显著提高。 由于有机溶剂的存在, 水量减少，大大降低了许多需要水参与的副 反应，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。 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。
三、酶非水相催化的影响因素
（二）、水对有机介质中酶的影响
三、酶非水相催化的影响因素
（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响 (2)有机溶剂对酶分子表面结构的影响： ◆酶在有机介质中与有机溶剂接触，酶分子的 表面结构将有所变化。
三、酶非水相催化的影响因素
（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响
(3)有机溶剂对酶活性中心结合位点的影响： ◆当酶悬浮于有机溶剂中，有一部分溶剂能渗入到酶分 子的活性中心，与底物竞争活性中心的结合位点，降低 底物结合能力，从而影响酶的催化活性。
三、酶非水相催化的影响因素
（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响
(4)有机溶剂对酶活性的影响： ◆有些有机溶剂，特别是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。 ◆研究表明，有机溶剂的极性越强，越容易夺 取酶分子结合水，对酶活力的影响就越大。
一、酶非水相催化的几种类型
2、气相介质中的酶催化 定义：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。 特点：
1）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。 2）由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相 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。
(3)水活度： ◆在有机介质中含有的水，主要有两类，一类是与酶分 子紧密结合的结合水，另一类是溶解在有机溶剂中的游 离水。 ◆研究表明，在有机介质体系中，酶的催化活性随着结 合水量的增加而提高。
三、酶非水相催化的影响因素
（二）、水对有机介质中酶的影响
(3)水活度： ◆水活度（water activity, Aw）是指体系中水的逸度 与纯水逸度之比。通常可以用体系中水的蒸汽压与相同 条件下纯水的蒸汽压之比表示。即：Aw = P/P0式中，P 为在一定条件下体系中水的蒸汽压，Po为在相同条件下 纯水的蒸汽压。 研究表明，在一般情况下，最适水含量随着溶剂极性的 增加而增加。 采用水活度作为参数来研究有机介质中水对酶催化作用 的影响更为确切。
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 性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能 在该反应体系的进行催化反应的酶较少。
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。 Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
一、酶非水相催化的几种类型
3、超临界流体介质中的酶催化 定义：超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体 中进行的催化反应。 条件要求：
1）用于酶催化反应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影响； 2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性； 3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在 酶催化的最适温度附近； 4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用； 5）超临界流体要容易获得，价格要便宜等。