酶的非水相催化

■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。 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。 例如，正己烷能够夺取酶分子0.5%的结合水，甲 醇可以夺取酶分子结合水的60%。
■与水溶性有机溶剂组成的均一体系
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中进行催化 反应的酶较少。
然而该体系近几年来却受到极大的关注。 这是因为辣根过氧化物酶（HRP）可以在均一 体系中催化酚类或芳香胺类底物聚合生成聚酚 或聚胺类物质。
◆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。 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。 因为必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等副 键所必需的，而氢键和盐键又是酶空间结构的主要稳 定因素，故酶分子一旦失去必需水，就必将破坏其空 间构象失去催化功能。
此后，人们对有机介质中酶的催 化作用进行了许多研究
许多酶都可以在适当的有机介质中 起催化作用。而且酶在有机介质中的热 稳定性比水溶液中显著提高。 近20多年来，酶在非水介质，特别 是有机介质中的催化反应受到重视，发 展很快。
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 ■微水介质体系 微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。另外一部分水分配在有机溶 剂中。 由于酶分子不能溶解于疏水有机溶剂，所以酶以冻 干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质中，在悬浮状态下 进行催化反应。 通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
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。 去污过程首先是织物纤维和污垢被洗涤剂润湿、渗 透，织物和污粒上定向吸附着活性物的单分子层。经 过机械搅拌或搓洗，污粒脱离到水中，产生乳化、分 散、悬浮等现象。还有一部分污垢（油脂、钙皂、色 料）被增溶到活性物的胶束中，被水洗去。
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。 例如，碱性磷酸酶冻干粉悬浮于乙腈中20h, 60% 以上的酶不可逆地变性失活；悬浮在丙酮中36h，75% 以上的酶呈现不可逆的失活等。 在酶的冷冻干燥的过程中，应当加进蔗糖、甘露 醇等冷冻干燥保护剂，以减少酶的变性失活。
例如，每分子凝乳蛋白酶只需50分子的水， 就可以维持其空间构象而进行正常的催化反应； 而每分子多酚氧化酶却需3.5×102个水分子，才能 显示其催化活性。
◆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称为 最适水含量。 ◆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。 在结合水量不变的条件下，体系中水含量的变化 对酶的催化活性影响不大。
超临界流体
是指温度和压力 超过某物质超临界点 的流体。
超临界流体萃取仪
在酶的非水相催化中，研究最多的非水介 质是有机溶剂。
1984年，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。结果表 明，只要条件适合，酶可以在有机介质中催化 疏水性底物进行反应转化为产物。使酶在非水 介质中的催化作用研究取得了突破性的进展。
■反胶束体系
二、水对有机介质中酶催化的影响
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。 有机介质中水的含量多少对酶的空间结构、催化 活性、稳定性、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。
酶的非水相催化主要包括以下几种：
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。
◆有机介质中的酶催化 ◆气相介质中的酶催化 ◆超临界流体介质中的酶催化 ◆离子液介质中的酶催化
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。
酶在超临界流体中 进行的催化反应。
是指酶在离子液中 进行的催化作用。
因此可以认为，在有机介质体系中， 结合水是影响酶催化活性的关键因素。 而水含量却受到酶分子以外的各种因素 的影响。
三、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响
有机溶剂是有机介质反应体系中的主要成 分之一。常用的有机溶剂有辛烷、正己烷、苯、 吡啶、季丁醇、丙醇、乙腈、二氯甲烷。
■有机溶剂对酶结构与功能的影响
■与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
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。应用不广泛，研究较少。
■正胶束体系
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。 肥皂中的高级脂肪酸钠和合成洗涤剂中的活性物质 分子都有长链的疏水基（亲油基）和短小的亲水基。 当它们溶于水时，排列在水表面的分子，亲水基埋入 水下，疏水基越出水面。这种排列使水表面的水分子减 少，水的表面张力降低。能降低表面张力的物质，叫做 表面活性剂。 溶在水里的表面活性剂，会聚集成几十个分子的胶束 （亲水基朝外、疏水基朝内的圆柱状或圆球状物质）。
第六章 酶的非水相催化
本章内容提要：
■酶非水相催化的研究概况 ■有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响 ■酶在有机介质中的催化特性 ■有机催化的应用
第一节
酶非水相催化的研究概况
误区：只有在水溶液中酶才具有催化活性 在非水相中，酶分子受到非水介质的影响， 其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。 酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的 非水相催化。