有机溶剂中的酶学研究

摘 要: 主要探讨非水介质中酶的生物活性及其应用。 分析了酶在有机溶剂中保持催化活性 的基本条件以及在有机溶剂中酶催化的各类反应和具体应用。
关键词: 非水介质; 有机溶剂; 催化活性; 酶促反应 中图分类号: O 621. 25+ 1 文献标识码: A 文章编号: 1009- 3826 (2005) 01- 0114- 03 收稿日期: 2004- 11- 17
物降解的非离子表面活性剂, 它可以用葡萄 酶催化水解拆分得到[4], 但副产物多, 产率较
糖苷和脂肪酸在脂肪酶 (PSL ) 催化下进行选 低。 若在有机溶剂中用脂肪酶 (PSL ) 催化酯
择性酯化得到。
化进行拆分, 可以避免副产物的发生。 例如,
3. 2 有机溶剂中酶催化的酰胺键形成反应 在有机溶剂中, 酯的酶催化氨解反应可
近年来对酶在有机介质中的催化作用的 研究越来越多, 并且越来越深入。 长期以来, 人们一直认为酶只能在水溶剂中才能实施其 生物功能, 水溶剂是酶促反应的唯一介质。这 种思想极大地限制了人们对酶的功能的全面 了解。直到 1984 年 Zak s 和 K libanov AM 发 表了关于非水介质中脂肪酶的催化行为及热 稳定性的研究报道, 传统的酶学领域才得以 突破, 并迅速产生了全新的分支—— 非水酶 学。目前, 酶的催化介质由以前的水溶液发展 到两相体系、多液相体系、反胶束系和微水、 无水等多种体系, 且其研究进展很快[1], 研究 成果已用于有机合成、医药、食品、农药等各 个方面。 1 有机介质中酶催化反应的优点
O HCH 2
剂中酶可以保持较高的催化活性和稳定 性[2 ]。 3 有机溶剂中的酶促反应及其应用 3. 1 有机溶剂中酶催化的酯化反应
脂肪酶是工业上最常用的酶之一。 研究 表明, 在水溶液中脂肪酶催化油脂和其他酯 类的水解反应, 而在有机溶剂中它催化水解 反应的逆反应—— 酯合成反应及酯交换反 应。 例如[3 ],
综上可见, 经过 20 年的研究和发展, 非 水酶学领域已展示出广阔的应用前景。 现在 有机溶剂中的酶学方法在多肽合成、聚合物 合成、药物合成以及立体异构拆分等方面都 得到了更深入的发展和应用, 并正在或已经 转化为生产力。
〔Baidu Nhomakorabea考文献〕
[ 1 ]张敬畅, 吴向阳, 曹维良. 超临界流体技术在催化 反应和金属有机反应中的应用 [J ]. 化学通报,
用的一类水分子, 对酶构象的形成和维持等 起着关键作用。这类水分子是必不可少的, 如 果它被 有机溶剂代替, 将导致酶失活。 大量 水主要是作为溶剂起作用, 虽然对维持酶的 催化活性也很重要, 但可以部分被有机溶剂 取代。一般来说, 极性有机溶剂可以取代酶水 化层的大部分水, 甚至部分必需水。一般非极 性溶剂夺取水的能力较弱, 因此, 酶在极性有 机溶剂中容易丧失活性, 而在非极性有机溶
1342- 1348.
〔责任编辑 张淑霞〕
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酶体系中存在的水分子可以分为两类: 一类是与酶紧密结合的“必需水”(essen tia l w a ter) , 另一类是与酶松散结合起溶剂作用 的“大量水”。 必需水是直接与酶分子相互作
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nC11H 23COO CH 2
O OH
脂肪酶
O C 2H 5 + nC 11H 23COO H 有机溶剂
O OH
O C2H 5
HO OH
HO OH
糖脂 (单脂产率 93% )
葡萄糖苷262O 2酰基衍生物是一种可生
另外, 某些手性的羟基酯也可通过脂肪
Ph CH 3
NH +
Ph CH 3
Ph CH 3
Α- 甲基卞胺 三氟乙基丁酸酯 酰胺
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多肽的合成:
NH - PG
R2
+
R 2 COO R
应过程; (4) 能抑制因水而产生的副反应; (5) 酶与介质不相溶, 易于回收; (6) 从低沸点的 溶剂中分离纯产物比从水中分离更方便; (7) 无微生物污染。
2 酶在有机溶剂中保持催化活性的基本条 件
酶在完全无水的有机溶剂中不具有任何
酶的活性。 但是, 实验证明, 用有机溶剂代替 部分水仍然可以保持酶的活性。对酶来说, 为 了维持酶分子的催化活性, 酶分子的周围必 须存在一个水化层, 任何影响该水化层的因 素都有可能破坏酶的构象, 使酶丧失催化活 性。至于需要多少水才能保持酶的催化活性, 则取决于酶分子的大小、形状、表面电荷、疏 水性质及亲水性质等。如每一分子 Α2胰凝乳 蛋白酶需要数十个水分子的必需水, 而每一 分子醇脱氢酶却需要几百个水分子。
第202025
年 卷
3第月1 期 Jou rnal
of
陕西师范大学继续教育学报 Fu rther Educa tion of Shaanx i
(西安) N o rm a l
U
M
n iversity
V o l.
a r. 22
2005 N o. 1
有机溶剂中的酶学研究
李钦玲 包锦渊
(青海民族学院化学系 副教授 西宁 810007)
以生成酰胺, 也可以用于合成多肽[5- 6]。这个 反应具有良好的立体选择性。 是合成手性酰
胺的一种有价值的方法。 例如枯草杆菌蛋白
酶催化 Α2甲基苄胺氨解三氟乙基丁酸酯, 形 成手性的酰胺化合物。
NH2
O
O
枯草杆菌蛋白酶
+ CH 3CH 2CH 2 C O C 2H 2F 3
有机溶剂 m - C3H 7 C N H
1404- 1407. [ 4 ]宋欣, 曲音波. 有机相中脂肪酶催化作用的应用
[J ]. 微生物学通报, 1999, 26 (4) : 296- 299. [ 5 ]杨波, 泉多惠子, 张书圣. 脂肪酶催化作用下酰胺
化反应的立体规则性研究[J ]. 高等学校化学学 报, 200122 (8) : 1332- 1337. [ 6 ]周闯, 田桂玲等. D elta- 诱眠肽的研究进展[J ]. 化学学报, 2001, 59 (10) : 1707- 1711. [ 7 ]刘平, 田桂玲, 叶蕴华. 固载化酶催化合成多肽的 研究进展 [J ]. 高等学校化学学报, 2001, 22 (8) :
2001, 28 (1) : 81- 85.
[ 2 ]叶蕴化. 有机溶剂中进行的酯催化反应[J ]. 大学 化学, 1992, 7 (4) : 17- 21.
[ 3 ]张念湘, 曹淑桂等. 有机相中脂肪酶化糖酯合成 的 研 究 [J ]. 高 等 学 校 化 学 学 报, 1996, 17 ( 9) :
水是酶促反应最常用的反应介质。 在水 溶液中采用游离酶催化化学反应不存在底物 及产物的扩散问题。因为底物、产物和酶都处 于溶解状态, 底物容易进入酶的活性中心, 产 物也容易进入缓冲体系中。 但是对于大多数 有机化合物来说, 水并不是一种适合的溶剂, 因为许多有机化合物在水介质中难溶或不 溶。而且, 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。研究者 发现, 用某些有机溶剂代替一部分水 (不是全 部) , 许多酶仍然能够保持其生物活性, 并显 示出一些重要特性。 最有意义的是在适当条 件下, 可以改变酶促反应的热力学平衡向有 利于合成 (而不是水解) 的方向进行。 因此可
N H 2 CO -
O
蛋白酶
NH - PG NH C
有机溶剂
PG
R1 C
C
PG + RO H
O
R1
多肽
3. 3 有机溶剂中酶催化的氧化还原反应 与水解酶比较氧化还原酶 (如脱氢酶和
氧化酶) 很少在有机溶剂中使用。因为这类酶 都含有辅因子 (辅酶或金属离子等)。 辅因子 大都是高度极性的化合物, 在有机溶剂中不 能溶解, 因而影响了酶的催化活性。通常是将 酶和辅因子共同固定在载体上, 这些载体提
供了少量的水 (维持酶的活性所需要的水 量) , 并将辅因子和酶一起包裹在载体表面的 水穴中。 载体上的辅因子能自由地进入和退 出酶的活性部位而不会从载体上脱落到溶剂 中。 这种技术的优点是增加了辅因子的稳定 性, 提高了它的循环效率[7]。 例如,
多酚氧化酶是一种加氧酶, 它催化酚的 选择性羟基化, 羟基化产物继续氧化生成邻 苯醌。由于邻苯醌在水溶液中不稳定, 迅速聚 合形成多聚物色素, 并导致酶的变性失活。而 产物在有机溶剂中很稳定, 若用维生素 C 还 原可以得到邻苯二酚。
以在有机溶剂中用水解酶催化进行酯、聚酯、
内酯、酰胺和肽等化合物的合成。 80 年代以来, 国外科学家通过大量的研
究总结出了有机介质中酶催化反应具有如下
优点: (1) 大多数有机底物在有机溶剂中有较 大的溶解度; (2) 在非水介质中酶的热稳定性 与储存稳定性比在水中有明显提高; (3) 使许 多热力学平衡反应由加水分解转化为其逆反