酶非水相催化
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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，并成功地在有机介 质中利用酶的催化作用，获得酯类、肽类、手性 醇等多种有机化合物，指出酶可以在水与有机溶 剂的互溶体系中进行催化反应。——非水酶学
第一节 酶非水相催化的主要内容
受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同
1、水对酶分子空间构象的影响
无水下酶空间构象被破坏,故需一层水化层; 必需水:维持酶分子完整空间构象所必需的最低
水量; 不同的酶所需求的必需水的量差别较大; 每分子凝乳蛋白酶只需50分子的水，每分子多酚
氧化酶却需3.5×102个水分子 原因:必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等
水的影响
另一方面水是导致酶的热失活的重要因素,有水存在时随着温 度的升高酶分子会发生以下变化而失活: (1)形成不规则结构; (2)二硫键受到破坏; (3)天冬酰胺和谷氨酰胺水解变为相应的天冬氨酸和谷氨酸; (4)天冬氨酸肽键发生水解.
因此在非水相酶反应体系中存在着最佳含水量,该最佳含水量 不仅取决于酶的种类也与所选用的有机溶剂有关.
中; 是常见的有机反应体系.
2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系
由水与极性较大的有机溶剂互混组成； 水与有机剂含量均较大； 适用的酶较少； 辣根过氧化酶（HRP）应用： 催化酚类或芳香胺类聚合成聚酚或聚胺
类物，在环保黏合剂、导电聚物、发光 聚合物材料中有重要作用。
3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
go
一、有机介质反应体系
1、微水介质体系； 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系； 3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系； 4、（正）胶束体系； 5、反胶束体系。
1、微水介质体系
是有机溶剂和微量水组成的反应体系; 微量水主要是酶分子结合水,对维持酶分子空间
构象和催化活性至关重要; 另一部分水分配在有机溶剂中; 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质
观念的改变
有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化反 应建立起来的。
近年来，进行了非水介质的酶结构与功能、酶作 用机制、酶作用动力学的研究，建立起非水酶学 （non-aqueous enzymology)。
对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜 的溶剂。
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。
优点： 1)与水相比较，脂溶性反应物和产物可溶于超临界CO２中，而酶作为蛋白 质不溶解，有利于三者的分离； 2)产品回收时，不需要处理大量的稀水溶液，可解决环境污染问题； 3)与有机溶剂体系相比，CO２无毒，不燃烧、廉价、无有机溶剂残留之虞； 4)CO２超临界体系具有气体的高扩散系数、低粘度和低表面张力使底物向 酶的传质速度加快从而使反应速度提高，且在临界点附近，溶解能力和介 电常数对温度和压力敏感，故反应速度提高。亦可以控制反应速率和反应 平衡； 5)可简化产物的分离，有可能将反应和分离过程耦合。 已对10多种酶反应进行了研究，主要是酯化反应、酯交换反应、酯水解反 应和氧化反应。反应条件温和，反应温度低于50℃
由水和疏水性较强的有机溶剂组成两相或 多相体系；
游离酶、亲水性底物溶于水相，疏水性底 物或产物溶于有机相；
固定化酶在界面； 催化反应在两相界面进行； 适于底物或产物属于疏水化合物的反应。
4、（正）胶束体系
大量水溶液中含少量与水不溶的有机溶剂，加入表面活性剂形 成水包油微小液滴；
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离子液介质中的酶催化
指酶在离子液中进行催化作用； 离子液Ionic liquids (ILs)是有机阳离子与有机
（无机）阴离子在室温下呈液态低熔点盐类， 挥发性低，稳定性好；
特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择 性、立体选择性、键选择性。
第二节 有机介质中水和有机溶剂 对酶催化反应的影响
性、动力学特性。
酶
水相源自文库
有机相
二、水对有机介质中酶催化的影响
水在酶催化反应中发挥着双重作用: 一方面,水分子直接或间接地通过氢键疏水键及范
德华力等非共价键相互作用来维持酶的催化活 性所必需的构象,与酶分子紧密结合的一层左右 的水分子对酶的催化活性是至关重要的,称之为 必需水,不同酶与必需水结合的紧密程度及所结 合的必需水数量是不同的;
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。
气相介质中的酶催化
指酶在气相介质中进行催化反应； 适用范围：底物是气体或能转化为气体的物
质； 特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水
相中明显不同；
超临界流体介质中的酶催化
酶在超临界流体中进行催化反应； 超临界流体指温度和压力超过临界点的流体； supercritical状态，简称SC 状态； 由于黏度、介电常数、扩散系数和溶解能力都与密度有 关，因此可以方便地通过调节压力来控制超临界流体的 物理化学性质。 要求：超临界流体对酶结构无破坏；具良好化学稳定性； 温度不可太高太低；压力不可太高；易获得等。
表面活性剂极性端朝外,非极性端朝内,有机溶剂包在液滴内部 ;
酶在水溶液中,疏水底物或产物在胶束内,反应在胶束界面进行
.
有机相
酶
水相
5、反相胶束体系
反相胶束: 在与水不互溶的在量有机溶剂中,加入表面活性剂后形成 的油包水的微小水滴；
1997年首次报道酶在反相胶束中具有活性(已发现40多种酶)； 酶分子处在反胶束内，稳定性好； 反胶束与生物膜有相似之处，适于研究生物膜表面酶的结构、催化特
副键所必需的。
2.水对酶催化反应速度的影响
酶的非水相催化类型主要包括:
一、有机介质的酶催化； 二、气相介质的酶催化； 三、超临界流体介质中的酶催化； 四、离子液介质中的酶催化
go
有机介质中的酶催化
指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催 化反应;
适用范围:底物、产物两者或其一为疏水性 物质的酶催化作用;
原因:酶在有机相中能保持结构的完整; 特性:酶的底物特异性、立体选择性、区域
第一节 酶非水相催化的主要内容
受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同
1、水对酶分子空间构象的影响
无水下酶空间构象被破坏,故需一层水化层; 必需水:维持酶分子完整空间构象所必需的最低
水量; 不同的酶所需求的必需水的量差别较大; 每分子凝乳蛋白酶只需50分子的水，每分子多酚
氧化酶却需3.5×102个水分子 原因:必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等
水的影响
另一方面水是导致酶的热失活的重要因素,有水存在时随着温 度的升高酶分子会发生以下变化而失活: (1)形成不规则结构; (2)二硫键受到破坏; (3)天冬酰胺和谷氨酰胺水解变为相应的天冬氨酸和谷氨酸; (4)天冬氨酸肽键发生水解.
因此在非水相酶反应体系中存在着最佳含水量,该最佳含水量 不仅取决于酶的种类也与所选用的有机溶剂有关.
中; 是常见的有机反应体系.
2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系
由水与极性较大的有机溶剂互混组成； 水与有机剂含量均较大； 适用的酶较少； 辣根过氧化酶（HRP）应用： 催化酚类或芳香胺类聚合成聚酚或聚胺
类物，在环保黏合剂、导电聚物、发光 聚合物材料中有重要作用。
3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
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一、有机介质反应体系
1、微水介质体系； 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系； 3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系； 4、（正）胶束体系； 5、反胶束体系。
1、微水介质体系
是有机溶剂和微量水组成的反应体系; 微量水主要是酶分子结合水,对维持酶分子空间
构象和催化活性至关重要; 另一部分水分配在有机溶剂中; 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质
观念的改变
有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化反 应建立起来的。
近年来，进行了非水介质的酶结构与功能、酶作 用机制、酶作用动力学的研究，建立起非水酶学 （non-aqueous enzymology)。
对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜 的溶剂。
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。
优点： 1)与水相比较，脂溶性反应物和产物可溶于超临界CO２中，而酶作为蛋白 质不溶解，有利于三者的分离； 2)产品回收时，不需要处理大量的稀水溶液，可解决环境污染问题； 3)与有机溶剂体系相比，CO２无毒，不燃烧、廉价、无有机溶剂残留之虞； 4)CO２超临界体系具有气体的高扩散系数、低粘度和低表面张力使底物向 酶的传质速度加快从而使反应速度提高，且在临界点附近，溶解能力和介 电常数对温度和压力敏感，故反应速度提高。亦可以控制反应速率和反应 平衡； 5)可简化产物的分离，有可能将反应和分离过程耦合。 已对10多种酶反应进行了研究，主要是酯化反应、酯交换反应、酯水解反 应和氧化反应。反应条件温和，反应温度低于50℃
由水和疏水性较强的有机溶剂组成两相或 多相体系；
游离酶、亲水性底物溶于水相，疏水性底 物或产物溶于有机相；
固定化酶在界面； 催化反应在两相界面进行； 适于底物或产物属于疏水化合物的反应。
4、（正）胶束体系
大量水溶液中含少量与水不溶的有机溶剂，加入表面活性剂形 成水包油微小液滴；
Back
离子液介质中的酶催化
指酶在离子液中进行催化作用； 离子液Ionic liquids (ILs)是有机阳离子与有机
（无机）阴离子在室温下呈液态低熔点盐类， 挥发性低，稳定性好；
特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择 性、立体选择性、键选择性。
第二节 有机介质中水和有机溶剂 对酶催化反应的影响
性、动力学特性。
酶
水相源自文库
有机相
二、水对有机介质中酶催化的影响
水在酶催化反应中发挥着双重作用: 一方面,水分子直接或间接地通过氢键疏水键及范
德华力等非共价键相互作用来维持酶的催化活 性所必需的构象,与酶分子紧密结合的一层左右 的水分子对酶的催化活性是至关重要的,称之为 必需水,不同酶与必需水结合的紧密程度及所结 合的必需水数量是不同的;
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。
气相介质中的酶催化
指酶在气相介质中进行催化反应； 适用范围：底物是气体或能转化为气体的物
质； 特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水
相中明显不同；
超临界流体介质中的酶催化
酶在超临界流体中进行催化反应； 超临界流体指温度和压力超过临界点的流体； supercritical状态，简称SC 状态； 由于黏度、介电常数、扩散系数和溶解能力都与密度有 关，因此可以方便地通过调节压力来控制超临界流体的 物理化学性质。 要求：超临界流体对酶结构无破坏；具良好化学稳定性； 温度不可太高太低；压力不可太高；易获得等。
表面活性剂极性端朝外,非极性端朝内,有机溶剂包在液滴内部 ;
酶在水溶液中,疏水底物或产物在胶束内,反应在胶束界面进行
.
有机相
酶
水相
5、反相胶束体系
反相胶束: 在与水不互溶的在量有机溶剂中,加入表面活性剂后形成 的油包水的微小水滴；
1997年首次报道酶在反相胶束中具有活性(已发现40多种酶)； 酶分子处在反胶束内，稳定性好； 反胶束与生物膜有相似之处，适于研究生物膜表面酶的结构、催化特
副键所必需的。
2.水对酶催化反应速度的影响
酶的非水相催化类型主要包括:
一、有机介质的酶催化； 二、气相介质的酶催化； 三、超临界流体介质中的酶催化； 四、离子液介质中的酶催化
go
有机介质中的酶催化
指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催 化反应;
适用范围:底物、产物两者或其一为疏水性 物质的酶催化作用;
原因:酶在有机相中能保持结构的完整; 特性:酶的底物特异性、立体选择性、区域