8酶的非水相催化
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酶的非水相催化 (2)
Contents of chapter 10
10.1 非水介质酶学基础
10.1.1 非水介质体系与非水相生物酶学特点 10.1.2 非水介质中酶的结构与性质 10.1.3 水在酶催化反应中的作用 10.1.4 有机溶剂对酶催化反应的影响 10.1.5 有机有机溶剂单向体系是指用水不互溶的有机溶剂取代 几乎所有的水，即有机溶剂含量》98% ，有机溶剂 中含有微量水《2%，固相酶分散在单项的有机溶剂 中形成颗粒。虽然宏观地看在此体系中酶是干的状 态，但是其表面必须有能保证酶的催化活性的残余 的结合水。
（2）水互溶有机溶剂单相体系
水互溶有机溶剂单相体系是指由水和与水互溶的
种固体化合物混合而得到的具有一个最低共熔点的
状态，在低共熔固 - 固体系中进行的酶促反应的特 点是靠反应底物形成低共熔点，由于反应体系的液
- 固体积比远小于水溶液或有机溶剂，从而反应底
物浓度高、反应速度快、产物浓度和收率高。反应
体积小，还可以大大降低产物分离提纯的成本。
非水相生物酶促反应的特点
1. 可以将加水分解反应转为其逆反应 2. 热稳定性比水中要高 3. 改变酶对底物的转移性 4. 从低沸点的溶剂中可以容易地分离纯化产物 5. 能抑制依赖于水的某些不利反应 6. 没有微生物的污染
氟利昂湖泊无机化合物等都可以作为酶催化亲脂性
底物的溶剂，酶在这些溶剂中就像在亲脂性有机溶 剂中一样稳定。超临界气体对多数酶都能适用，酶 催化的酯化、转脂、醇解、水解、羟化等反应都可 在此体系中进行。
（6）低共熔混合体系
低共熔酶促反应是继有机相没促反应基础上发展起
来的新的酶促反应技术。低共熔状态是由两种或多
人们对有机介质中酶的催化作用进行了许多研究表明 酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等水解酶， 过氧化氢酶、过氧化物酶、醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、 多酚氧化酶、细胞色素氧化酶等氧化还原酶以及醛缩 酶等转移酶中的十几种酶都可以在适当的有机溶剂中 起催化作用。而且酶在有机介质中的热稳定比在水溶 液中显著提高。
第八章酶的非水相催化ppt课件
– 1984 年之后，非水相中的酶催化研究开始活跃起来。
– 近年来，人们对非水介质中的酶结构与功能、酶作用 机制、酶作用动力学等进行了大量研究，建立起非水 酶学（non-aqueous enzymology）。
– 同时人们还对酶催化的介质进行了大量研究，开发出 各种非水介质和新的酶促反应体系，发展出了介质工 程（medium engineering），拓宽了酶催化反应的应 用范围，使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互 补充的合成方法。
– 1984 年，Zaks 和 Klibanov 在 Science 杂志上发表了一 篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的文章，他们 指出，只要条件适合，酶可以在非水体系中表现出活 性，并催化天然或非天然的底物发生转化，这一报道 引起了全球科学界的关注
• 引起全球关注的“非水相酶催化”的报道
– Porcine pancreatic lipase catalyzes the trans-esterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent organic medium. Upon further dehydration, the enzyme becomes extremely thermo-stable. Not only can the dry lipase withstand heating at 100 degrees C for many hours, but it exhibits a high catalytic activity at that temperature. Reduction in water content also alters the substrate specificity of the lipase: in contrast to its wet counterpart, the dry enzyme does not react with bulky tertiary alcohols.
– 近年来，人们对非水介质中的酶结构与功能、酶作用 机制、酶作用动力学等进行了大量研究，建立起非水 酶学（non-aqueous enzymology）。
– 同时人们还对酶催化的介质进行了大量研究，开发出 各种非水介质和新的酶促反应体系，发展出了介质工 程（medium engineering），拓宽了酶催化反应的应 用范围，使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互 补充的合成方法。
– 1984 年，Zaks 和 Klibanov 在 Science 杂志上发表了一 篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的文章，他们 指出，只要条件适合，酶可以在非水体系中表现出活 性，并催化天然或非天然的底物发生转化，这一报道 引起了全球科学界的关注
• 引起全球关注的“非水相酶催化”的报道
– Porcine pancreatic lipase catalyzes the trans-esterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent organic medium. Upon further dehydration, the enzyme becomes extremely thermo-stable. Not only can the dry lipase withstand heating at 100 degrees C for many hours, but it exhibits a high catalytic activity at that temperature. Reduction in water content also alters the substrate specificity of the lipase: in contrast to its wet counterpart, the dry enzyme does not react with bulky tertiary alcohols.
酶的非水相催化人们以往普遍认为只有在水溶液中酶才具有
第六章酶的非水相催化◆人们以往普遍认为只有在水溶液中酶才具有催化活性。
◆酶在非水相介质中催化反应的研究:在理论上进行了非水介质（包括有机溶剂介质，超临界流体介质，气相介质，离子液介质等）中酶的结构与功能、非水介质中酶的作用机制，非水介质中酶催化作用动力学等方面的研究，初步建立起非水酶学（non-aqueous enzymology）的理论体系。
◆非水介质中酶催化作用的应用研究，取得显著成果。
1.酶非水相催化的研究概况◆酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非水相催化。
1.1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。
◆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。
◆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。
◆酶在有机介质中起催化作用时，酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性和热稳定性等都有所改变。
1.2气相介质中的酶催化：◆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。
◆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。
◆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。
1.3超临界流体介质中的酶催化：◆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。
◆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；具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性；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；超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用；超临界流体要容易获得，价格要便宜等。
1.4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。
第七章_酶的非水相催化
第七章 酶的非水相催化
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
拒接翻版
Go Go Go Go Go
1、酶非水相催化的主要内容 2、有机介质中水和有机溶剂对催化反应的 影响 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 5、酶非水相催化的应用
非水酶学的研究主要内容
第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催 化的主要因素以及非水介质中酶学性质； 第二，阐明非水介质中酶的催化机制，建立 和完善非水酶学的基本理论； 第三：应用
一、非水介质中酶的结构与性质
(一) 非水介质中酶的状态 存在状态有多种形．主要分为两大类 第一类为固态酶 它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固 固态酶， 固态酶
(二)非水介质中的酶学性质
有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精 细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶 剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相 结合的自由能就会受到影响，而这些至少会 部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、 立体选择性、区域选择性和化学键选择性等 酶学性质。
第二节:水对非水相介质中酶催化的影 响
第一节： 第一节：酶催化水相的主要内容
酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。 用于酶催化的非水介质包括 非水介质包括
有机溶剂体系
• • • • ①含微量水的有机溶剂单相体系； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系： ④胶束与反胶束体系；
超临界流体 气相 低共熔混合体系 又称为非常规介质。
体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶 结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率 也远高于其他类型的固态酶。
Enzymatic catalysis in Non-aqueous system
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1、酶非水相催化的主要内容 2、有机介质中水和有机溶剂对催化反应的 影响 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 5、酶非水相催化的应用
非水酶学的研究主要内容
第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催 化的主要因素以及非水介质中酶学性质； 第二，阐明非水介质中酶的催化机制，建立 和完善非水酶学的基本理论； 第三：应用
一、非水介质中酶的结构与性质
(一) 非水介质中酶的状态 存在状态有多种形．主要分为两大类 第一类为固态酶 它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固 固态酶， 固态酶
(二)非水介质中的酶学性质
有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精 细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶 剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相 结合的自由能就会受到影响，而这些至少会 部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、 立体选择性、区域选择性和化学键选择性等 酶学性质。
第二节:水对非水相介质中酶催化的影 响
第一节： 第一节：酶催化水相的主要内容
酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。 用于酶催化的非水介质包括 非水介质包括
有机溶剂体系
• • • • ①含微量水的有机溶剂单相体系； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系： ④胶束与反胶束体系；
超临界流体 气相 低共熔混合体系 又称为非常规介质。
体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶 结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率 也远高于其他类型的固态酶。
酶非水相催化
黏合剂、导电聚合物和发光聚合物等）。
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3.与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
概念：是指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。
反应体系中酶的存在形式：游离酶以溶解状态存在；
固定化酶以悬浮形式存在。
➢催化反应通常在两相界面进行；
➢适用于底物和产物两者或其中一种属于疏水化合物的催
化反应；
具有与水溶液中可比的催化活性。5用于酶 Nhomakorabea催
化
的
非
水
介
质
包
括
① 含微量水的有机溶剂
② 与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系
③ 水与有机溶剂形成的两相或多相体系
④ 胶束与反胶束体系
⑤ 超临界流体
⑥ 气相
⑦ 离子液
它们不同于标准的水溶液体系，在这些体系中水含量
受到不同程度的严格控制，因此又称为非常规介质。
特性：酶的底物特异性、立体选择性、区域选择
性、键选择性、热稳定性等有所改变。
应用：多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合成、
手性药物拆分的研究。
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二、气相介质中的酶催化
指酶在气相介质中进行的催化反应。
适用范围：底物是气体或者能够转化为气体物质的酶
催化反应。
特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水相中明显
离子液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，挥发性好，稳定性好。
酶反应具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、
键选择性等优点。
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第二节 有机介质中水和有机溶剂
对酶催化反应的影响
一、有机介质反应体系
1、微水介质体系
酶的非水相催化
.
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。
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
(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
.
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。 .
.
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。
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。
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
(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
.
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。 .
.
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。
酶的非水相催化
水介质酶催化体系中，水 分的影响是至关重要的，要使酶能够表现出最 大的催化活力，确定适宜的水活度就显得十分 重要。不同种类的酶因为其分子结构的不同， 维持酶具有活性构象的必需水量也就不同，即 使是同一种类的酶，由于酶的来源不同，所需 的水量也会有显著不同。 最适水含量：催化反应速度达到最大时的 水含量。最适水含量随溶剂极性的增加而增加。 最佳水活度与溶剂极性大小没有关系，可以确 切研究非水介质酶催化作用，一般控制在0.50.6之间。
2 有机溶剂对酶活性的影响
极性较强的有机溶剂能够夺取酶蛋白表面的“必需 水”，扰乱酶分子的天然构象的形成，从而导致酶 的失活。 极性系数lgP：P为溶剂在正辛烷与水两相中的分配 系数。lgP越小，极性越强。 lgP小于2的极性溶剂不宜使用。
在有机介质中进行酶催化时，应选择好所用 溶剂，或通过酶分子修饰提高酶的亲水性。
（三）有机溶剂对酶催化反应的影响 1 2 3 4 有机溶剂对酶结构的影响 有机溶剂对酶催化活力的影响 有机溶剂对底物和产物的影响 有机溶剂对酶选择性的影响
酶在非水介质中的存在形式 一、固态酶。 冻干酶粉、固定化酶、结晶酶 以固体形式悬浮在有机溶剂中 二、可溶解酶。 水溶性大分子共价修饰酶 非共价修饰的高分子—酶复合物 表面活性剂—酶复合物 微乳液中的酶等
（二）水对非水介质中酶催化的影响 酶只有在一定量水的存在下，才能进行催 化反应，特别是在有机介质中的酶催化反应， 水含量的多少对酶的空间构象、催化活性、稳 定性、催化反应的速度、底物和产物的溶解度 等都有密切关系。
1 必需水
维持酶分子完整的空间构象所必需 的最低水量。 氢键、盐键等次级键。 在无水的条件下，酶的空间构象被 破坏，酶将变性失活。 通过必需水的调控，可以调节有机 介质中酶的催化活性和选择性。
2 有机溶剂对酶活性的影响
极性较强的有机溶剂能够夺取酶蛋白表面的“必需 水”，扰乱酶分子的天然构象的形成，从而导致酶 的失活。 极性系数lgP：P为溶剂在正辛烷与水两相中的分配 系数。lgP越小，极性越强。 lgP小于2的极性溶剂不宜使用。
在有机介质中进行酶催化时，应选择好所用 溶剂，或通过酶分子修饰提高酶的亲水性。
（三）有机溶剂对酶催化反应的影响 1 2 3 4 有机溶剂对酶结构的影响 有机溶剂对酶催化活力的影响 有机溶剂对底物和产物的影响 有机溶剂对酶选择性的影响
酶在非水介质中的存在形式 一、固态酶。 冻干酶粉、固定化酶、结晶酶 以固体形式悬浮在有机溶剂中 二、可溶解酶。 水溶性大分子共价修饰酶 非共价修饰的高分子—酶复合物 表面活性剂—酶复合物 微乳液中的酶等
（二）水对非水介质中酶催化的影响 酶只有在一定量水的存在下，才能进行催 化反应，特别是在有机介质中的酶催化反应， 水含量的多少对酶的空间构象、催化活性、稳 定性、催化反应的速度、底物和产物的溶解度 等都有密切关系。
1 必需水
维持酶分子完整的空间构象所必需 的最低水量。 氢键、盐键等次级键。 在无水的条件下，酶的空间构象被 破坏，酶将变性失活。 通过必需水的调控，可以调节有机 介质中酶的催化活性和选择性。
酶的非水相催化课件
酶的非水相催化课件
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o 两相/多相体系——与水不溶性，非极性有机溶剂
o 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶 性)相所组成的两相体系。
o 游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，疏水性底物或 产物溶解于有机相
o 催化反应在两相界面进行，一般适用于底物或产物两者 或其中一种是属于疏水化合物的催化反应
酶的非水相催化课件
23
o 如：枯草芽孢杆菌蛋白酶催化N-乙酰-L-丝氨酸乙 酯和N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯与丙醇的转酯反应。 在二氯甲烷或苯的介质中，含丝氨酸的底物优先反 应；在吡啶或季丁醇中，含苯丙氨酸的底物先发生 转酯反应。
o 一般，在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底 物容易反应；反之。
酶的非水相催化课件
酶的非水相催化课件
33
6.4 有机介质中酶催化反应的条件及其控制
o 酶在有机介质中可以催化多种反应，主要包括：合成反应、转移反应、 醇解反应、氨解反应、异构反应、氧化还原反应、裂合反应等。
o 主要应控制的条件有
n 水含量 n 酶的种类和浓度 n 底物的种类和浓度 n 有机溶剂的种类 n 温度 n pH n 离子强度
酶的非水相催化课件
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酶的非水相催化课件
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酶的非水相催化课件
13
o 微水介质体系——非极性有机溶剂
o 用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体 酶悬浮在有机相中。但仍然含有必需的结合水 以保持酶的催化活性(含水量一般小于2%)。
o 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态， 或者吸附在固体载体表面上。
腺苷三磷酸酶 ( F1-ATPase) 限制性核酸内切酶
（Hind Ⅲ）
正辛烷，100℃ 水，pH 8.0, 55℃
最新精品优质课件第八章 非水相酶催化
水 酶 底物 有机溶剂
（极性的一端朝内，
非极性的一端朝外） 。
（6）（正）胶束体系
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 油的微小颗粒（非极
有机溶剂 底物 酶 水
性的一端朝内，极性
的一端朝外） 。
把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，
而微观上是微水相反应。因此非水体系又称低水
(1) 形成不规则结构。 (2) 通过β消除使S—S键破坏。 （β-消除是指氨 基酸残基中β碳原子上基团的消除）。 (3) Asn（天冬酰酸）和Gln（谷氨酰胺）脱酰
胺。
(4) Asn残基水解。
酶在无水环境中不发生上述反应，表现异常稳定。
必需水量对酶活性的影响
1983年，Rupley等人从溶菌酶的结论得知，一个
（2）水对酶催化反应速度的影响
在催化反应速度达到最大时的水含量为最适水含 量。与有机溶剂的种类，酶的纯度，固定化酶的
载体性质和修饰剂有关。
例：马肝醇脱氢酶在水含量较低的条件下，酶 的催化反应速度随水的含量的增加而升高。
(3) 水活度(Thermodynamic Water Activity，Aw)： （确定酶结合水的多少的一个参数）在一定温
体系。 所以酶在有机介质中进行催化反应时，水是不可 缺少的成分之一，对酶催化有影响。
二. 有机介质中酶促反应的影响因素 水的影响
有机溶剂
pH 固定化 酶的形态 温度
添加物
（一）水对有机介质中酶促反应的影响 （1）对酶分子空间构象的影响 （2）对酶催化反应速度的影响 （3）水活度
第二节：有机介质中的酶促反应
一. 有机介质反应体系 酶在含有一定量水的有机溶剂中进行催化反应的体 系。
（极性的一端朝内，
非极性的一端朝外） 。
（6）（正）胶束体系
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 油的微小颗粒（非极
有机溶剂 底物 酶 水
性的一端朝内，极性
的一端朝外） 。
把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，
而微观上是微水相反应。因此非水体系又称低水
(1) 形成不规则结构。 (2) 通过β消除使S—S键破坏。 （β-消除是指氨 基酸残基中β碳原子上基团的消除）。 (3) Asn（天冬酰酸）和Gln（谷氨酰胺）脱酰
胺。
(4) Asn残基水解。
酶在无水环境中不发生上述反应，表现异常稳定。
必需水量对酶活性的影响
1983年，Rupley等人从溶菌酶的结论得知，一个
（2）水对酶催化反应速度的影响
在催化反应速度达到最大时的水含量为最适水含 量。与有机溶剂的种类，酶的纯度，固定化酶的
载体性质和修饰剂有关。
例：马肝醇脱氢酶在水含量较低的条件下，酶 的催化反应速度随水的含量的增加而升高。
(3) 水活度(Thermodynamic Water Activity，Aw)： （确定酶结合水的多少的一个参数）在一定温
体系。 所以酶在有机介质中进行催化反应时，水是不可 缺少的成分之一，对酶催化有影响。
二. 有机介质中酶促反应的影响因素 水的影响
有机溶剂
pH 固定化 酶的形态 温度
添加物
（一）水对有机介质中酶促反应的影响 （1）对酶分子空间构象的影响 （2）对酶催化反应速度的影响 （3）水活度
第二节：有机介质中的酶促反应
一. 有机介质反应体系 酶在含有一定量水的有机溶剂中进行催化反应的体 系。
酶非水相催化PPT精品课件
二
酶都溶于水，只有在一定量水存在的条件下，酶分
、 子才能进行催化反应，所以有机介质中水的含量对酶的
水 催化作用有一定的影响。
对
有 机
1、必需水的概念：是指维持酶分子完整
介 质 中 酶 催 化 的
构 象 的 影 响
酶 分 子 空 间
（ 一 ） 水 对
的空间构象所必需的最低水量。 2、影响：酶分子失去必需水后，其空间
水
相
4、非极性底物或者产物的溶解度增加。
催 化
5、酶的底物特性和选择性有所改变。
的 特
6、减少产物对酶的反馈抑制。
点
7、提高手性化合物不对称反应的对映体选择性。
2021/3/1
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第七章 酶非水相催化
第二节 有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响
系 中所
水溶液反应体系（最常规的酶反应体系）
进有 行的
微水介质体系（研究
，酶
气相介质反应体系
最多，应用最广泛）
酶催
催化 化反 反应 应都 的要 体在 系一 主定 要的 有反
非
水 有机介质反应体系
介 质 反
（研究最多，应用 最广泛）
应
体 超临界流体介质反
系 应体系
与水溶性有机溶剂组 成的均一体系
与水溶性有机溶剂组成 的两相或多相体系
（正）胶束体系
：
应 体2021/3/1
2021/3/1
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第七章 酶非水相催化
第一节 酶非水相催化的主要内容和特点
二 、
根据所用非水介质的不同，分为四种：
酶
非 水 相 催 化 的 主 要 内 容
介（ 质三 中） 的超 酶临 催界 化流
第八章非水介质中的酶催化ppt课件
Fig. 4 The Cell-ALD 5k, Cell-ALD 10k and Cell-ALD 20k activity after pre-incubation with various concentrations of [Bmim][Cl]. The preincubation temperature was 50 °C with samples taken at 2 h of incubation.
2.水—有机溶剂两相体系 由水相和非极性有机溶剂相组成的分相 反应体系，酶溶解于水相中，底物和产 物溶解于有机相中。 有机相：一般为亲脂的溶剂，如烷烃、 醚、酯和氯代烷烃等 。
பைடு நூலகம்
3. 水不互溶有机溶剂单相体系 （含微量水的有机溶剂体系） 由水不互溶的有机溶剂取代所有的溶剂 水（＞ 98 ％），形成固相酶分散在有机 溶剂中的单相体系。 有机溶剂：烷烃类、醚、芳香族化合物、 卤代烃等。
第八章非水介质中的酶催化
Fig. 3 The cellulase and PEGylated cellulase activity after preincubation with various concentrations of [Bmim][Cl]. The temperature was 50 °C (A) and 80 °C (B) with samples taken at 2 h of The DM was 6.25% for Cell-ALD 5k and 87.3% for Cell-SPA 5k.
脂肪酶催化5-氨基-1-己醇的酰化反应时， 羟基的酰化占绝对优势 。
重点掌握： 1.酶在非水介质体系中的催化特征； 2.常用的有机溶剂体系； 3.必需水的重要性； 4.有机介质对酶性质的影响及其机理。
酶的非水相催化 ppt课件
ppt课件
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人类认识的进步
1966 年，Dostoli 和 Siegel 分别报道胰凝乳蛋白酶和辣根
过氧化物酶在几种非极性有机溶剂中具有催化活力 1975～1983 年间，Buckland 和 Martinek 等对游离酶和 固定化酶在有机溶剂中合成类固醇及甾醇转化中的应用进 行了大量的探索 1977 年，Klibanov 等人报道了在水/氯仿两相体系中脂肪 酶催化 N-乙酰-L-色氨酸与乙醇的酯化反应，在水中收率 极低，而在两相体系中竟达到 100% 1984 年，Zaks 和 Klibanov 在 Science 杂志上发表了一篇 关于酶在有机介质中催化条件和特点的文章，他们指出， 只要条件适合，酶可以在非水体系中表现出活性，并催化
ppt课件 4
引起全球关注的“非水相酶催化”的报道
Porcine pancreatic lipase catalyzes the transesterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent organic medium. Upon further dehydration, the enzyme becomes extremely thermo-stable. Not only can the dry lipase withstand heating at 100 degrees C for many hours, but it exhibits a high catalytic activity at that temperature. Reduction in water content also alters the substrate specificity of the lipase: in contrast to its wet c o u n t e r p a r t , t h e d r y
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例：醇脱氢酶催化烷醇氧化为醛，在水溶液中 辛烷是最佳底物，再反向微团包裹后则丁醇更 快被氧化。
三、专一性
有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质 中却成为主导反应。
四、反应平衡方向
酶
枯草杆菌蛋白 酶 无色杆菌蛋白 酶 羧肽酶 凝血酶 嗜热杆菌蛋白 酶 胰凝乳蛋白酶
合成产物
核糖核酸酶 人胰岛素 牛胰核糖核酸 酶 人生长激素
酶活性丧失的可能原因：
二、活性
1、单相共溶剂体系中，有机溶剂对酶活性影响
（1） 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，使酶失 活或变性。 （2） 有些酶的活性会随着某些有机溶剂浓度升高而 增大，在某一浓度（最适浓度）达到最大值；若浓度 再升高，则活性下降。
Klibanov 的实验
酶非水相催化的几种类型
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。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。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。 气相介质中的酶催化 酶在气相介质中进行的催化反应。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。 由于气体介质的密度低，扩散容易，因此 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。 超临界介质中的酶催化 酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指温度和压力超 过某物质超临界点的流体。 离子液介质中的酶催化 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。 本章
b.同一种酶在不同有机溶剂中最适反应需
水量不同
溶剂疏水性越强，需水量越少。
4．表征必需水作用的参数---热力学水活度 水活度（water activity)：
指特定的温度和压力条件下，反应体系中水的 摩尔分数 Xw与水活度系数гw的乘积： A
w
=гw* Xw
水活度系数гw是溶剂疏水性的函数，溶剂疏 水性越大， гw越大。 A w是一个强质性质的物理量，在平衡状态 时，反应体系中各组分（酶、溶剂、底物和 产物）的A w是相同的。
一、稳定性
（１）热稳定性提高
（２）储存稳定性提高
一、稳定性
例：丹麦Nove公生产的脂肪酶
Lipozyme TM，在水溶液中60℃保温1
小时后剩余的酶活只有10%，而在橄榄 油中同样条件下脂肪酶的剩余酶活仍近 100%。 60℃对乌桕脂和硬脂酸甲酯的 转化反应24小时后，酶仍保持82%。
反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响
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。因此应选择好所使 用的溶剂，控制好介质中的含水量，或者经过酶分子修 饰提高酶分子的亲水性，避免酶在有机介质中因脱水作 用而影响其催化活性。 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。
结合水 溶剂水 必需水 仿水溶剂
有机相中酶活性和含水量关系
庚猪 醇胰 的脂 转肪 酯催 反化 应甘 油 三 丁 酸 酯 和 正
必需水
一 必需水
1 概念：
紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活性 所必需的最少量水称为必需水
2 ．干燥的酶水合过程：
溶菌酶为例：P177 （1） 结合水量在0-7%g/g（水/酶）， （2）结合水量在7-25%g/g（水/酶）， （3）结合水量在25-38%g/g（水/酶）， （4） 酶分子表面完全水化，被一层水分子覆盖
2 ．酶活与水的关系：
酶活最大时——蛋白质结构的动力学刚性和热力学稳定性（柔 性）之间达到最佳平衡点。
“刚柔并济”
详见P177第五段
3．影响酶必需水含量的因素（酶和溶剂）
a．不同酶需水量不同 在辛烷中糜蛋白酶催化仅需吸附50个水分
子，而脂肪酶仅需几个水分子就可显示出
活性。
3．影响酶必需水含量的因素
1有机溶剂对酶必需水的影响
有机溶剂和酶必需水作用影响酶的结构和功 能 极性强的有机溶剂对必需水的影响远远大于 极性弱的有机溶剂 有机溶剂中酶失去必需水，和溶剂的极性大 小，介电常数，底物的极性，浓度和含水量 有关
有机溶剂对底物和产物的影响
有机溶剂通过影响底物和产物的扩散控制酶 的活力 疏水性强的有机溶剂使疏水性底物产生脱溶 剂作用，引起酶活力下降 疏水性强的有机溶剂使亲水性底物易于扩散 到酶的疏水活性中心，引起酶活力增强 亲水性底物选择疏水性强的有机溶剂；疏水 性底物选择疏水性弱的有机溶剂
图 1.5 苯乙酸复合物模型中活性位点示意图 Scheme 1.5 Environment of the active site in the phenylacetic acid complex. （Jing, H. J. Mol. Catal. B-Enzym., 2000, (11):45-53.） The phenylacetic acid ligand is shown as a ball and stick representation, with the important residues in the binding
超活性产生机理
根据 ：
（1）微团水化程度（W）（W=[H2O]/[表 面活性剂]）的最佳值和酶活性的最大值呈正相 关 （２）W值最佳时，微团内径总是相当于被包 裹的酶分子直径。
三、专一性
某一些有机介质可能使某些酶的专一性发生变 化，这是酶活性中心构象刚性增强的结果。
三、专一性
研究水活度的意义：
1 最佳水活度与溶剂的极性几乎无关，大约 在0.55左右 2 可以排除溶剂对最适含水量的影响 3 水活度可由反应体系中水的蒸汽压除以在 相同条件下纯水的蒸汽压而测得。
获得恒定水活度的方法：
1 用一个饱和盐水溶液分别预平衡底物溶液 和酶制剂。 2 向反应体系中直接加一种水合盐 3 向每一溶剂中加入不同量的水
反应体系中水对酶催化反应的影响
酶分子只有在空间构象完整的状态下，才具有催化功能。 在无水的条件下，酶的空间构象被破坏，酶将变性失活。 故此，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）。
有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。存 在最适水含量。
非水相酶促反应的特点：
1．有利于疏水性底物的反应，能催化在水中
不能进行的反应
2．可提高酶的热稳定性.
3．可改变反应平衡移动方向
4. 可控制酶对底物专一性
5. 酶和产物易于回收。
6.便于清除产物和底物的抑制作用
7.易于实行酶的固定化操作
8.防止由水引起的副反应
9. 可避免微生物污染。
非水相酶促反应具备条件
1． 保证必需水含量。 2． 选择合适的酶及酶形式。 3． 选择合适的溶剂及反应体系。 4． 选择合适pH值。
反应体系中水对酶催化反应的影响
酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件下， 酶分子才能进行催化反应。所以酶在有机介质 中进行催化反应时，水是不可缺少的成分之一。 有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶 的催化活性、酶的稳定性、酶的催化反应速度 等都有密切关系，水还与酶催化作用的底物和 反应产物的溶解度有关。
Chapter 8
Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
Contents of chapter 8
Go Go Go Go Go
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
5、酶非水相催化的应用
PGSO结合活性位点的电子云密度图
图 1.6 PGSO结合活性位点的电子云密度图 Scheme 1.6 Stereoview of the electron density map of PGSO bound in the active site of WTPGSO. （Ren, L.G. J. Mol. Catal. B-Enzym., 2002, (18):3-11）
二、活性
2、低水有机溶剂体系中，大部分酶活性得以 保存，但也有某些酶活性亦变化
二、活性
3、在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加 特点： 酶活力依赖微团的水化程度，即取决于水与表面活性 剂的摩尔比（R） 超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为 超活性（Super-activity）。 认为：超活性是由围绕在酶分子外面的表面活性剂这 一外壳之较大刚性所引起。
有机溶剂对酶的影响
疏水性溶剂中酶的催化活性比在亲水性溶剂 中高 溶剂的极性对酶的活性有影响，酶在疏水性 大的有机介质中反应活性高，酶催化反应在 非极性和疏水有机溶质中更易进行 有机溶剂对酶结构和活性中心的影响
在有机溶剂中酶分子的总体结构和活性中心结构基 本保持完整，但酶分子本身的动态结构，表面结构 和活性中心的微环境发生部分变化 有机溶剂介电常数影响酶分子的动态结构 溶剂可对酶分子表面结构产生影响 溶剂通过减少酶活性中心的数量对酶活性产生影响 非极性溶剂通过和底物竞争酶活性中心的结合位点， 从而降低酶活性中心极性，减弱底物和活性中心的 结合能力。
水活度缓冲体系
第三节
有机介质对酶性质的影响
一、稳定性 二、活性 三、专一性 四、反应平衡方向
反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响