酶的非水相催化 (2)

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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 7. 固定化酶方法简单，在非水系统中酶不易脱离吸附的表面
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水-有机溶剂两相体系是指由水相和非极性有机溶 剂相组成的宏观上分相的反应体系。底物和产物溶 解于有机相中，酶溶解于水相中，有机相一般为非 极性的、亲脂性的溶剂。在空间上酶与有机溶剂的 分离可保证酶不直接与有机溶剂接触而处于事宜的 水相环境中，水相中有限的有机溶剂会大大降低对 酶的抑制作用，同时，反应中产物及时转移将促进 反应有利于产物生成的方向进行。
（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 有机溶剂组成的反应体系，酶、底物、产物均匀 溶解于该体系中。这种反应体系主要适用于在单 一水溶液中溶解度很低、反应速度也很慢的亲脂 性底物的生物转化。有些酶在水-有机溶剂单相 体系中反应选择性会增加。
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（3）水-有机溶剂两相体系
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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。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
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，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。
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1984年，克立巴诺夫等人在有机介质中进行了酶催化 反应的研究，他们成功的利用酶在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； 也可以在水和有机溶剂组成的双液相体系中进行催化反 应；还可以在只含有微量水的有机溶剂，又称微水介质 中进行催化反应。这些结果表明，只要条件适合，酶可 以在有机介质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。
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（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 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。
Chapter 10 酶的非水相催化 Enzymatic catalysis
in Non-aqueous system
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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。
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10.1.2 非水介质中酶的结构和性质
1．非水介质中酶的结构
采用X线衍射技术比较枯草杆菌蛋白酶结晶结构发现三维结 构变化很小、活性保持完整，用固态N磁共振（solid-NMR） 对溶菌酶活性部位组氨酸N标记在丙酮和水中化学位移研究 结果相同，用电子顺磁共振（EPR）技术证明在有机溶剂中 乙醇脱氢酶保持天然的构象。另外，应用傅立叶变换红外 光谱（FT-IR）和环境扫描电镜（ESEM）等其他手段对在 有机溶剂和水溶液中酶蛋白的结构和酶活性进行比较研究 后也都发现：在不同介质中酶分子活性中心的改变不大， 而酶分子结构的动态变化可能是引起酶活性变化的主要原 因。
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10.1 非水介质酶基础
10.1.1 非水介质体系与非水相生物酶学的特点
生物催化反应的非水介质体系：
有机溶剂系统(organic solvents) 超临界流体体系(supercritical fluids) 气相体系(gases) 低共熔混合体系(eutectic mixtures)
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（1）水不互溶有机溶剂单向体系
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。
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近20年来，酶在非水相介质，特别是有机介质中的 催化反应受到重视，发展很快。在理论上进行了非 水相介质中酶的结构和功非水介质中酶的作用机制， 非水相介质中酶催化作用动力学等方面的研究，初 步建立起非水酶学的理论体系。并进行了非水介质 中，特别是在有机介质中酶催化作用的运用研究， 利用酶在有机介质中的催化作用进行多肽、酯类等 的生产，在淄体转化，功能高分子的合成，手性药 物的拆分等方面均取得显著成果。
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（4）反相胶束体系
反相胶束体系是指表面活性剂与少量水存在的有机 溶剂体系。表面活性剂分子式有疏水性尾部和亲水 性头部两部分组成，在含水的有机溶剂中，它们疏 水性基团与有机溶剂接触，而亲水性头部形成极性 内核，从而组成一个反相胶束，水分子聚集在反相 胶束内核中形成小水池，里面容纳了酶分子。
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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 有机溶剂对酶促反应动力的的影响
10.2 非水介质中酶催化反应与应用
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反胶束体系：
是表面活性剂分散于连续有机相中自发形成的纳米尺度 的一种聚集体。反胶束溶液是透明的热力学稳定的系统。
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反胶束体系的制备
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（5）超临界流体体系
除了亲脂性有机溶剂外，超临界气体，如二氧化碳、 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。源自文库