酶促有机化学反应
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第五章
酶促有机化学反应
酶促研究化学反应的特点
• 高效性 • 选择性 • 条件温和 • 环境友好
需要解决的问题
• 反应类型少。 • 及能用于酶促反应的酶和底物少。 • 操作参数窄。 • 在有机溶剂中应用少。 • 易被底物和产物抑制。
酶制剂的选择与修饰
• • • • 酶制剂：纯酶、粗酶、含酶细胞 酶状态：游离酶、修饰酶、微团酶、固相酶 选择因素：反应类型、反应条件、规模 修饰方法：表面活性剂、脂肪酸、单甲氧基聚乙二醇、 右旋糖苷 • 目的：改变溶解性能，改变pH，加强酶和底物的相互 作用。 • 如人工合成的类脂化合物(含有亲水性的五羟基己酰基 和疏水性的十二烷基链的化合物)，可以通过亲水性的 基因吸附在酶分子的表面．在经过冻干处理之后，疏 水性的脂肪链可以使酶容易溶解在有机溶剂中。用该 方法可以使酶催化效率提高数十倍
酶催化的酯水解反应
单羧酸酯的水解 猪肝酯酶
二元羧酸酪的水解：
苹果酸二甲酯
猪肝酯酶
内酯的水解：
氨基酸酯的水解
磷酸酯的酶水解
磷脂酶B能催化位置(1)的 酯键水解。 磷脂酶A能催化位置(2)的 酯键水解。产物的(2)位上 为羟基的磷脂，称为溶血 磷脂，是一种很好的表面 活性物质。 磷脂酶C能催化位置(3)的 酯键水解，产生二酰基甘 油和磷酸基胆碱。 磷脂酶D能催化位置(4)的 酯键水解，产生磷脂酸。
水解酶的类型
• 类型： • 酯酶：选择性：猪肝酯酶、马肝酯酶，高选择：乙酰胆碱酯酶。 能选择性水解手性醇酯。 • 脂肪酶:能将甘油三酯水解成脂肪酸和甘油的酶。对一般酯中手性 酸酯更有效。 界面激活作用:当溶液中底物浓度比较低的情况下，脂肪酪几 乎不显示催化活性。然而，当底物浓度逐渐增加，超过它的溶解 极限时，脂肪酶的活性明显增加。脂肪酶在临界胶束浓度下并不 水解底物，但超过这个底物浓度表现出高活性。 • 蛋白酶：能识别并选择性地水解由L—构型氨基酸形成的肽键， 具有比较广泛的底物适应性。能选择性地水解由L—构型羧酸所 形成的酯。 • 糖苷水解酶：淀粉酶，纤维素酶，溶菌酶等。能水解由糖的半缩 醛羟基与羟基脱水形成的糖苷键。能选择性地水解由D—构型单 糖之间形成的糖苷键。
提高选择性方法
• 底物修饰：通过底物结构的修饰，可以得到更适合的 底物，从而改进酶催化反应的选择性。适合所有类型 的酶转化反应。 • 加入有机溶剂：在反应体系中加入与水互溶性有机溶 剂如甲醇、叔丁醇、丙酮、二氧六环、乙腈、二甲基 甲酰胺或二甲基亚砜等，可以改善酯酶催化反应的选 择性。 • 对映体选择性抑制：某些手性碱(如某些胺和氨基醇等) 的加入对脂肪酶的选择性有很大的影响。动力学研究 表明，手性碱对脂 • 肪酶分子的作用是非竞争性抑制，即手性碱与酶的作 用部位不是酶的活性中心而是调控部位。脂肪酶与这 种非竞争性抑制剂结合后，对消旋化底物中两个对映 体的催化作用影响显著不同，从而使酶的催化选择性 得到提高。
微团酶
• 活细胞中的酶大多数都 处于水—有机介质的界 面上，即生物膜的内外 表面 • 微团酶是人们根据生物 膜的结构和性质，设计 的一种由水、表面活性 剂和有机溶剂三种成分 组成的微团结构，把酶 (m 和底物包在其中，借此 模拟酶在活细胞内的功 能
固定化酶
• • • • • • • • • 优点： a．可以重复使用； b．提高酶的稳定性； c．反应产物容易分离，无蛋白质污染； d．可以通过选择固定化方法改变酶的最适反应条件和 反应的过程。 固定化方法： a.通过物理吸附原理将酶吸附在固体载体的表面： b通过使用双功能团试剂，将酶共价偶联在载体上 c包埋在微囊内。
纤维素的酶水解 纤维素酶能特异性地水解α-1，4—糖苷键，最终可以将纤维素 水解成葡萄糖。人和动物的消化系统中不能分泌出纤维素菌， 所以不能直接利用纤维素作为食物。反驺动物(牛、羊等)的消化 道中含有某些微生物，这些微生物能分泌出纤维素酶，因此这些 动物能利用纤维素作为食物。某些真菌也能产生纤维素酶。如蘑 菇在生长过程中能产生纤维素酶，所以可以利用纤维素作为营养 源。由于纤维素结构紧密，被纤维素酶水解的速率一般都很慢。 细胞壁多糖的酶水解
脱氢酶催化醇脱氢反应
脱氢酶催化的烃基脱氢反应
加氧酶催化的氧化反应
• 能催化氧分子直接加到有机分子中的酶称为加氧酶。 • 单加氧酶
• 双加氧酶
氧化酶催化的氧化反应
• 生成H2O2的氧化反应
生成H20的氧化反应
酶催化的碳—碳键形成反应
• 醛缩酶催化的缩合反应及其机制
酶ຫໍສະໝຸດ Baidu化非天然底物的醇醛缩合反应
细菌的细胞壁由多糖构成。这种多糖是由N—乙酰胞壁酸，简 称NAM)和N—乙酰葡萄糖胺,简称NAG)通过β-1，4—糖苷键交替 排列所形成的聚合物。 溶菌酶 的功能是能够特异性地水解NAM和NAG之间的β—1， 4—糖苷键，从而破坏细菌的细胞壁并使其溶解。溶菌酶是一个含 有129个氨基酸残基的多肽酶。其一级结构已经x衍射研究所阐明。 该酶的作用机制也已经研究得比较清楚。
酶催化的肽键水解反应
• 多肽键的完全水解，一般是应用酸催化水解法。 • 为了从多肽键中得到某一个肽链片段．则可以 应用肽链内切酶选择性水解多肽键，肽链内切 酶能够催化多肽链中的某一个肽键的水解断裂。 这类酶对肽键类型有很好的选择性，所以人们 可以选择适当的肽链内切酶有目的地在某 点 上切断肽链。 • 另一类常用的是肽链外切酶，它的特点是选择 性的将多肽链C—端氨基酸残基水解下来
酶催化的糖苷键水解反应
• 二糖的酶水解 • 应用α-葡萄糖苷酶可以将蔗糖水解成葡萄 糖和果糖。 • β-半乳糖苷酶是一种多糖外切酶。它能选 择性地将多糖非还原性一端的葡萄糖水解 除去。因此该酶在多糖结构分析中有重要 应用价值。 • 淀粉的酶水解： • α-淀粉酶 ：它是一种内切酶，以随机方式 水解α-1，4—糖苷键。 • β-淀粉酶 ，它是一种直链淀粉的端切酶， 仅作用于链的末端单位。 • 葡萄糖淀粉酶 ，它是一 种外切酶，能够 将淀粉链端基葡萄糖水解下来。 • Α-l，6—糖苷酶：它是一种能特异性水解1， 6—糖苷键的淀粉酶。
氧化还原酶
• 与水解酶不同，氧化还原酶在组成上要复杂得 多。氧化还原酶由酶蛋白和辅助因子组成。常 见的辅助因子包括：辅酶，如NAD+，NADP+ 和FAD，FMN等；金属离子．如Fe、Cu等。这 些辅助因子都直接参与了氧化还原反应。 • 琥珀酸—泛酸还原酶除酶蛋白外，还含有一个 与酶蛋白共价结合的辅基AFD，一个细胞色素 b560(含有Fe离子)，以及一个【4Fe—4s]簇化物， 两个[2Fe—2s1簇化物。
酶催化的水解反应
• 水解酶特性： • 种类多，丝氨酸蛋白水 解酶：如胰蛋白面、胰 凝乳蛋白酶和弹性蛋白 酶。可催化多肽、氨基 树脂、羧酸酯的水解。 • 专一性不严、 • 正逆反应都能催化。 • 其他亲核试剂竞争。
立体选择性及其在对映体拆分中的应用 当酶水解消旋化的底物时，由于酶活性中心的手性选 择性．消旋化底物中的—个对映体以较高的速率被酶催 化水解。这种现象被称为酶的动力学拆分。
酶催化氧化还原反应
• 酶催化氧化还原反应特点： 1、整个反应过程是分步进行，每一步反应都由 相应的酶催化，选择适当的酶，可以使反应停 留在某一阶段。 2、反应过程中碳原子和氢原子的氧化，电子的 迁移和质子的传递等过程，可以是非同步进行 的。 3、反应过程中能量的释放或吸收也是分步进行 的，因此反应能够在温和条件下进行。
酶促有机化学反应
酶促研究化学反应的特点
• 高效性 • 选择性 • 条件温和 • 环境友好
需要解决的问题
• 反应类型少。 • 及能用于酶促反应的酶和底物少。 • 操作参数窄。 • 在有机溶剂中应用少。 • 易被底物和产物抑制。
酶制剂的选择与修饰
• • • • 酶制剂：纯酶、粗酶、含酶细胞 酶状态：游离酶、修饰酶、微团酶、固相酶 选择因素：反应类型、反应条件、规模 修饰方法：表面活性剂、脂肪酸、单甲氧基聚乙二醇、 右旋糖苷 • 目的：改变溶解性能，改变pH，加强酶和底物的相互 作用。 • 如人工合成的类脂化合物(含有亲水性的五羟基己酰基 和疏水性的十二烷基链的化合物)，可以通过亲水性的 基因吸附在酶分子的表面．在经过冻干处理之后，疏 水性的脂肪链可以使酶容易溶解在有机溶剂中。用该 方法可以使酶催化效率提高数十倍
酶催化的酯水解反应
单羧酸酯的水解 猪肝酯酶
二元羧酸酪的水解：
苹果酸二甲酯
猪肝酯酶
内酯的水解：
氨基酸酯的水解
磷酸酯的酶水解
磷脂酶B能催化位置(1)的 酯键水解。 磷脂酶A能催化位置(2)的 酯键水解。产物的(2)位上 为羟基的磷脂，称为溶血 磷脂，是一种很好的表面 活性物质。 磷脂酶C能催化位置(3)的 酯键水解，产生二酰基甘 油和磷酸基胆碱。 磷脂酶D能催化位置(4)的 酯键水解，产生磷脂酸。
水解酶的类型
• 类型： • 酯酶：选择性：猪肝酯酶、马肝酯酶，高选择：乙酰胆碱酯酶。 能选择性水解手性醇酯。 • 脂肪酶:能将甘油三酯水解成脂肪酸和甘油的酶。对一般酯中手性 酸酯更有效。 界面激活作用:当溶液中底物浓度比较低的情况下，脂肪酪几 乎不显示催化活性。然而，当底物浓度逐渐增加，超过它的溶解 极限时，脂肪酶的活性明显增加。脂肪酶在临界胶束浓度下并不 水解底物，但超过这个底物浓度表现出高活性。 • 蛋白酶：能识别并选择性地水解由L—构型氨基酸形成的肽键， 具有比较广泛的底物适应性。能选择性地水解由L—构型羧酸所 形成的酯。 • 糖苷水解酶：淀粉酶，纤维素酶，溶菌酶等。能水解由糖的半缩 醛羟基与羟基脱水形成的糖苷键。能选择性地水解由D—构型单 糖之间形成的糖苷键。
提高选择性方法
• 底物修饰：通过底物结构的修饰，可以得到更适合的 底物，从而改进酶催化反应的选择性。适合所有类型 的酶转化反应。 • 加入有机溶剂：在反应体系中加入与水互溶性有机溶 剂如甲醇、叔丁醇、丙酮、二氧六环、乙腈、二甲基 甲酰胺或二甲基亚砜等，可以改善酯酶催化反应的选 择性。 • 对映体选择性抑制：某些手性碱(如某些胺和氨基醇等) 的加入对脂肪酶的选择性有很大的影响。动力学研究 表明，手性碱对脂 • 肪酶分子的作用是非竞争性抑制，即手性碱与酶的作 用部位不是酶的活性中心而是调控部位。脂肪酶与这 种非竞争性抑制剂结合后，对消旋化底物中两个对映 体的催化作用影响显著不同，从而使酶的催化选择性 得到提高。
微团酶
• 活细胞中的酶大多数都 处于水—有机介质的界 面上，即生物膜的内外 表面 • 微团酶是人们根据生物 膜的结构和性质，设计 的一种由水、表面活性 剂和有机溶剂三种成分 组成的微团结构，把酶 (m 和底物包在其中，借此 模拟酶在活细胞内的功 能
固定化酶
• • • • • • • • • 优点： a．可以重复使用； b．提高酶的稳定性； c．反应产物容易分离，无蛋白质污染； d．可以通过选择固定化方法改变酶的最适反应条件和 反应的过程。 固定化方法： a.通过物理吸附原理将酶吸附在固体载体的表面： b通过使用双功能团试剂，将酶共价偶联在载体上 c包埋在微囊内。
纤维素的酶水解 纤维素酶能特异性地水解α-1，4—糖苷键，最终可以将纤维素 水解成葡萄糖。人和动物的消化系统中不能分泌出纤维素菌， 所以不能直接利用纤维素作为食物。反驺动物(牛、羊等)的消化 道中含有某些微生物，这些微生物能分泌出纤维素酶，因此这些 动物能利用纤维素作为食物。某些真菌也能产生纤维素酶。如蘑 菇在生长过程中能产生纤维素酶，所以可以利用纤维素作为营养 源。由于纤维素结构紧密，被纤维素酶水解的速率一般都很慢。 细胞壁多糖的酶水解
脱氢酶催化醇脱氢反应
脱氢酶催化的烃基脱氢反应
加氧酶催化的氧化反应
• 能催化氧分子直接加到有机分子中的酶称为加氧酶。 • 单加氧酶
• 双加氧酶
氧化酶催化的氧化反应
• 生成H2O2的氧化反应
生成H20的氧化反应
酶催化的碳—碳键形成反应
• 醛缩酶催化的缩合反应及其机制
酶ຫໍສະໝຸດ Baidu化非天然底物的醇醛缩合反应
细菌的细胞壁由多糖构成。这种多糖是由N—乙酰胞壁酸，简 称NAM)和N—乙酰葡萄糖胺,简称NAG)通过β-1，4—糖苷键交替 排列所形成的聚合物。 溶菌酶 的功能是能够特异性地水解NAM和NAG之间的β—1， 4—糖苷键，从而破坏细菌的细胞壁并使其溶解。溶菌酶是一个含 有129个氨基酸残基的多肽酶。其一级结构已经x衍射研究所阐明。 该酶的作用机制也已经研究得比较清楚。
酶催化的肽键水解反应
• 多肽键的完全水解，一般是应用酸催化水解法。 • 为了从多肽键中得到某一个肽链片段．则可以 应用肽链内切酶选择性水解多肽键，肽链内切 酶能够催化多肽链中的某一个肽键的水解断裂。 这类酶对肽键类型有很好的选择性，所以人们 可以选择适当的肽链内切酶有目的地在某 点 上切断肽链。 • 另一类常用的是肽链外切酶，它的特点是选择 性的将多肽链C—端氨基酸残基水解下来
酶催化的糖苷键水解反应
• 二糖的酶水解 • 应用α-葡萄糖苷酶可以将蔗糖水解成葡萄 糖和果糖。 • β-半乳糖苷酶是一种多糖外切酶。它能选 择性地将多糖非还原性一端的葡萄糖水解 除去。因此该酶在多糖结构分析中有重要 应用价值。 • 淀粉的酶水解： • α-淀粉酶 ：它是一种内切酶，以随机方式 水解α-1，4—糖苷键。 • β-淀粉酶 ，它是一种直链淀粉的端切酶， 仅作用于链的末端单位。 • 葡萄糖淀粉酶 ，它是一 种外切酶，能够 将淀粉链端基葡萄糖水解下来。 • Α-l，6—糖苷酶：它是一种能特异性水解1， 6—糖苷键的淀粉酶。
氧化还原酶
• 与水解酶不同，氧化还原酶在组成上要复杂得 多。氧化还原酶由酶蛋白和辅助因子组成。常 见的辅助因子包括：辅酶，如NAD+，NADP+ 和FAD，FMN等；金属离子．如Fe、Cu等。这 些辅助因子都直接参与了氧化还原反应。 • 琥珀酸—泛酸还原酶除酶蛋白外，还含有一个 与酶蛋白共价结合的辅基AFD，一个细胞色素 b560(含有Fe离子)，以及一个【4Fe—4s]簇化物， 两个[2Fe—2s1簇化物。
酶催化的水解反应
• 水解酶特性： • 种类多，丝氨酸蛋白水 解酶：如胰蛋白面、胰 凝乳蛋白酶和弹性蛋白 酶。可催化多肽、氨基 树脂、羧酸酯的水解。 • 专一性不严、 • 正逆反应都能催化。 • 其他亲核试剂竞争。
立体选择性及其在对映体拆分中的应用 当酶水解消旋化的底物时，由于酶活性中心的手性选 择性．消旋化底物中的—个对映体以较高的速率被酶催 化水解。这种现象被称为酶的动力学拆分。
酶催化氧化还原反应
• 酶催化氧化还原反应特点： 1、整个反应过程是分步进行，每一步反应都由 相应的酶催化，选择适当的酶，可以使反应停 留在某一阶段。 2、反应过程中碳原子和氢原子的氧化，电子的 迁移和质子的传递等过程，可以是非同步进行 的。 3、反应过程中能量的释放或吸收也是分步进行 的，因此反应能够在温和条件下进行。