生物酶催化聚合的研究进展

酶分子表面必须吸附水分子才能保持其催化活性, 这些水称为 / 必需水 0。所谓非水 介质并不是指完 全无水的 体系, 而是 有机 溶剂 /水 的混 合体 系, 在 HR P的 催化 反应 中常 用 的 有机 溶 剂 有甲 醇 、乙 腈 和 1, 42二氧六环。当体系含水量较高时, 产物的相对 分子质量比较低, 随体系中有机相浓度的增高, 产物 的相对分子质量显著增大, 并出现一个最大值。此 后, 当有机相浓度再增加时, 产物相对分子质量急剧 下降。另外, 混合体系中的有机溶剂的极性越强, 产 物的相对分子质量也越低, 这是由于强极性的溶剂 争夺酶表面 / 必需水 0的作用较大, 对酶活性的影响 也较大。 1. 3 HRP 的研究进展 1. 3. 1 HRP 催化酚类化合物聚合反应 HRP 催化 合成的优点十分明显, 能催化形成常规方法很难得 到的产物结构, 如 H RP 可以使酚羟基邻位和对位的 活泼氢离去从而形成自由基来进行苯环直接连接的 聚合反应。 Simona 等 [ 6] 在 12丁基 232甲基咪唑四氟 硼酸盐离子液体 ( [ BM IM ] [ BF4] )和水的混合介质 中, 研究了 HRP对水不溶性酚类的催化聚合反应。 当 pH 大于 9. 0 时, H RP 在水相离子液体中能保持 高达 90% 的催化活性, 在 75% 的 [ BM IM ] [ BF 4]碱 性水溶液中, HRP 可以催化水不溶性酚类进行聚合 反应。同时, Simona等还利用此体系合成了一种新 型 42苯基苯酚 临位二聚物, 产率很高。 Sohe、l Mun2 ishwar[ 7] 利用固定化 HRP 催化聚合对氯苯酚使其沉 淀, 转化率很高, 从而达到分离的目的。叶鹏、张剑 波等 [ 8] 采用 HR P催化去除模拟废水中的五氯酚, 使 其形成沉淀而除去, 五氯酚的除去率可以达到 70% 左右, 这种 方法可 以用于 除去 工业 废水 中酚类 污 染物。
52
生物技术通报 B iotechnology Bu lletin
2010年第 4期
现也会生成对位和邻位结构的聚苯胺, 但是, 通过改 变体系的 pH 和有机溶剂的种类可以控制邻位和对 位聚苯胺的比例, 达到了控制产物结构的目的。 1. 3. 3 HRP催化乙烯基单体聚合反应 HRP 可以 催化乙烯基单 体的聚合反应, 蔡智奇、孙建中等 [ 4] 研究了用 HR P、H2O2和乙酰丙酮 ( ACAC )组成的三 元酶促体系引发丙烯酰胺 (AAM )的聚合反应, 并考 察了反应温度和 HRP、ACAC、H2 O2及 AAM 初始浓 度对酶促体系引发 AAM 聚合动力学 行为的影响, 确定了适宜的反应条件, 用 FTIR 和 GPC对聚合产 物进行表征, 得到的数均相对分子质量 (Mn)为 105 - 106、分布指数 ( D I)为 2- 3的聚丙烯酰胺。
收稿日期: 2010201204 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 20876091), 陕西省自然科学基金资助项目 ( SJ08B06 )
作者简介: 马艳芬, 女, 硕士研究生, 研究方向: 轻化工助剂及功能高分子材料; E2m ai:l m yf_829@ 163. com 通讯作者: 吕生华, 男, 教授, 博士生导师, E2m ai:l lsh630603@ yahoo. com. cn
2010年第 4期
马艳芬等: 生பைடு நூலகம்酶催化聚合的研究进展
51
酸的序列已经测定, N2末端连接着一个固定的吡咯 烷酮羧基, 而 C2末端连 接着的丝氨酸却经常丢失, 这条肽 链中 有 4 个 由两 分子 半 胱 氨酸 组 成 的二 硫键 [ 3] 。
图 1 辣根过氧化物酶的辅基 (血红素 )结构
1. 2 HRP 的催化机理 1. 2. 1 水相介质 普遍认为, 水相中 HRP 的催化 机理是一个过氧化循环过程, 如图 2。
用情况。
1 辣根过氧化物酶
辣根过氧化物酶 ( horseradish peroxidase, H RP ) 是商品化较早、应用最广泛的一种酶制剂, 该酶是从 辣根植物根块 中提取制造的。 HRP 具有很强的催 化活性, 可以在芳香族质子接受体的链伸展过程中 催化分解 H2 O2, 催化以 H2 O2作为氧化剂的酚类和 芳香胺以及它们的衍生物的偶合反应, 生成一些具 有特殊结构的聚合产物。
1. 3. 2 HRP 催化芳胺类化合物反应 聚苯胺 ( PA2 N I)具有大 P 共轭体系, 可作为有机导电聚合物、非 线性光学材料等。在合成聚苯胺的反应中, H RP 非 水相催化具有明显的优势。当 HRP 在水相中催化 只能形成相对分子质量较低的低聚物聚苯胺, 因为 一旦生成聚苯胺会立即 沉淀而终止反 应, 同时, 经 HR P水 相催 化得 到的 聚 苯 胺是 邻 位、对 位 聚合 物 的 混合物, 这也使其应用受到限制。 Chul 和 Young[ 9] 研究了非水相介质中 HRP催化聚合苯胺的反应, 发
Abs tra c:t Enzym e2ca talyzed polym er ization is one of the research focus in recent years, and oxidoreductases have showed that w ide applica tions in ca talytic synthesis of polyme r. Th is paper descr ibed the research progress of enzym e2cata lyzed polym erization in re2 cent years, and m ainly d iscussed tha t the structure, ca talytic m echan ism of horse radish peroxidase, soybean perox idase and laccase, as we ll as the ir app lication situation in enzym e2cata lyzed polym eriza tion.
2 大豆过氧化物酶
大豆过氧化物酶 ( soybean peroxidase, SBP, EC 1. 11. 1. 7)是从大豆皮中提取的一类具有很高活性 的酸性同工酶。大豆皮是大豆炼油过程的副产物, 原料价廉易得, 同时 SBP 底物作用范围广、耐热性 能高、酸碱稳定性好、pH 适用范围宽等优点是同类 过氧化物酶不可比拟的, 所以 SBP 很有发展潜力和 应用前景。但是目前关于 SBP 催化机理的研究尚 不十分透彻, 大批量分离纯化技术还不成熟, 这些方 面还有待进一步研究。
# 综述与专论#
生物技术通报
BIOTE CHNOLOG Y BULLET IN
2010年第 4期
生物酶催化聚合的研究进展
马艳芬 1 吕生华 1 刘岗 1 董凌霄 1 李芳1 王飞2 郑新建 1
( 1陕西科技大学资源与环境学院, 西安 710021; 2陕西科技大学材料科学与工程学院, 西安 710021)
1. 1 HRP 的结构 HRP是一类同工酶的总称, 其中以辣根过氧化
物酶同工酶 C(HRP C)含量最为丰富, 也是其主要 的活性成分。关于 HRP C的结构, 已经有很多化学 家进行了研究, 其部分结构如图 1, 它是一条由 308 个氨基酸组成的肽链, 辅基为血红素, 相对分子质量 约为 4. 4 @104, 等电点范围较宽 3. 0 - 9. 0, 其氨基
R esear ch P rogr ess of the Enzym at ic P olym er iza tion
M a Yan fen1 Lv Shenghua1 L iu Gang1 Dong Lingxiao1 Li F ang1 W ang Fei2 Zheng Xin jian1
( 1College of Resource and Environm ent, Shaanxi University of Science& Technology, X i. an 710021; 2College of Ma terials Science and Engineering, Shaanxi University of Science& Technology, X i. an 710021)
摘 要: 酶催化聚合反应是近年来的研究热点之一, 氧化还原酶是应用广 泛的一类 催化聚合酶。 概括总结了 近年来酶 促聚合反应的研究进展, 重点叙述了辣根过氧化物酶 ( HRP )、大豆过氧化物酶 ( SBP )和漆酶 ( laccase)的结构、催化机理以及它 们在酶催化聚合中的 应用概况。
关键词: 酶催化 辣根过氧化物酶 大豆过氧化物酶 漆酶
成等领域。 根据酶催化反应的性质, 可将酶分为 6大类: 氧
化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶
类、合成酶类。不同种类的酶能催化不同类型的反 应, 其中氧化还原酶在催化合成聚合物很有发展潜 力。概括总结了近年 来国内外在这 方面的研究进 展, 重点介绍了有关辣根 过氧化物酶 (HRP )、大豆 过氧化物酶 ( SBP )以及漆酶 ( Laccase)等的研究应
HRP 催化循环的第一步是 H2 O2和静态酶中的 F e( Ó)反应生成 HRP2Ñ。HRP2Ñ是一个高氧化态 的催化中间体, 包含一个含氧 Fe( Ô)中心和一个带 正电荷的卟啉。第二步是由于一分子还原性底物的 加入, 生成另一个含有含氧 F e( Ô)中心的催化中间 体 HRP2 Ò 。HRP2Ñ和 H RP2Ò都是强氧化剂, 氧 化还原电势接近 + 1 V。第三步也是有一分子还原 性底物参加, 使 HRP2Ò还原成静态酶 [ 3] 。 1. 2. 2 非水介质 酶在有机相中表现出了许多特 殊的性质, 如较高的热力学稳定性、新异的化学选择 性和区域选择性等。研究表明, 酶在有机介质中的 催化反应机理与在水相中的相同 [ 5] 。在有机相中,
图 2 HR P的催化机理
式中, AH2是氢供体底物, H2 O2是氢受体底物。 HRP2Ñ和 HRP2Ò分别代表 H RP 的 两个具有不同 光谱和动力学特性的中间体化合物。反应的起始过 程是由 HR P 控制的, HRP 在 H 2O2存在下催化酚类 或芳胺类物质的氧化形成自由基, 之后, 自由基的聚 合以及自由基的传递过程就都由自由基本身的特性 及溶剂的性质来决定 [ 4] 。
K ey w ords: Enzym e cata lysis H orserad ish peroxidase Soybean peroxidase Laccase
酶是由生物体细胞产生的一种生物催化剂, 其 本质是具有三维空间构象的一类蛋白质。酶催化具 有高效、专一、活性可控、反应条件温 和等特点 [ 1 ] 。 酶催化反应一般在水介质中进行, 认为有机溶剂会 使酶失活。 1985年, K libanov等 [ 2] 首次证明某些酶 可以在有机溶剂中保持其催化活性, 使得酶催化的 应用领域得到了极大拓展, 酶催化被广泛应用于医 药、食品、农药、轻工、香料、环保、能源和精细有机合
2. 1 SBP的结构 SBP是与 HRP 同属于植物过氧化物酶超家族
的 Ó类酶, 结构和功能也非常相像, 都是以血红素为 辅基的酶, 在生物中广泛存在, 具有多种不同的生物 功能, 主要催化 H 2 O2对乙烯基单体 [ 10] 、酚类、芳胺 类以及它们的衍生物进行氧化, 包括多种木素单体 模型物, 如愈创木酚、2, 32二甲氧基酚、阿魏酸、咖啡 酸等。在结构上, 它是一种由单一肽链与卟啉 ( pro2 toporphyrin IX )构成的血红素蛋白 [ 11] 。 SBP 由 306 个氨基酸残基组成, 相对分子质量约为 3. 9 @104 4. 1 @104, 其中含有大约 18% 的糖基。其等电点约 为 3. 9, 属于酸性蛋白质。 2. 2 SBP的酶学特性