1、1,第七章酶的非水相催化,Enzymatic catalysis in Non-aqueous system,2,人們以往普遍認(rèn)為只有在水溶液中酶才具有催化活性。 非水介質(zhì)中酶催化在理論上進(jìn)行了非水介質(zhì)（包括有機(jī)溶劑介質(zhì)，超臨界流體介質(zhì)，氣相介質(zhì)，離子液介質(zhì)等）中酶的結(jié)構(gòu)與功能、非水介質(zhì)中酶的作用機(jī)制，非水介質(zhì)中酶催化作用動(dòng)力學(xué)等方面的研究，初步建立起非水酶學(xué)（non-aqueous enzymology）的理論體系。 非水介質(zhì)中酶催化作用的在應(yīng)用上，利用酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化作用進(jìn)行多肽、酯類等的生產(chǎn)，甾體轉(zhuǎn)化，功能高分子的合成，手性藥物的拆分等方面均取得顯著成果。,3,Contents,1、

2、酶的非水相催化,2、有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系,3、酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性,4、有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的條件及其控制,Go,Go,Go,Go,5、酶非水相催化的應(yīng)用,Go,4,1 酶的非水相催化,水是酶促反應(yīng)最常用的反應(yīng)介質(zhì),但對于大多數(shù)有機(jī)化合物來說，水并不是一種適宜的溶劑。因?yàn)樵S多有機(jī)化合物(底物)在水介質(zhì)中難溶或不溶。,由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反應(yīng)的發(fā)生。,是否存在非水介質(zhì)能保證酶催化？,1984年，克利巴諾夫（Klibanov）等人在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行了酶催化反應(yīng)的研究，他們成功地在利用酶有機(jī)介質(zhì)中的催化作用，獲得酯類、肽類、手性醇等多種有機(jī)化合物，明確指出酶可以在水與

3、有機(jī)溶劑的互溶體系中進(jìn)行催化反應(yīng)。,5,酶的非水相催化,酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行的催化作用稱為酶的非水相催化。,有機(jī)介質(zhì)中的酶催化、氣相介質(zhì)中的酶催化 、超臨界流體介質(zhì)中的酶催化和離子液介質(zhì)中的酶催化 。,6,有機(jī)介質(zhì)中的酶催化,有機(jī)介質(zhì)中的酶催化是指酶在含有一定量水的有機(jī)溶劑中進(jìn)行的催化反應(yīng)。 適用于底物、產(chǎn)物兩者或其中之一為疏水性物質(zhì)的酶催化作用。 酶在有機(jī)介質(zhì)中由于能夠基本保持其完整的結(jié)構(gòu)和活性中心的空間構(gòu)象，所以能夠發(fā)揮其催化功能。 酶在有機(jī)介質(zhì)中起催化作用時(shí)，酶的底物特異性、立體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性和熱穩(wěn)定性等都有所改變。 用于多肽、酯類的生產(chǎn)，甾體轉(zhuǎn)化，功能高分子合成，手性藥物的

4、拆分等。,7,氣相介質(zhì)中的酶催化,氣相介質(zhì)中的酶催化是指酶在氣相介質(zhì)中進(jìn)行的催化反應(yīng)。 適用于底物是氣體或者能夠轉(zhuǎn)化為氣體的物質(zhì)的酶催化反應(yīng)。 由于氣體介質(zhì)的密度低，擴(kuò)散容易，所以酶在氣相中的催化作用與在水溶液中的催化作用有明顯的不同特點(diǎn)。,8,超臨界流體介質(zhì)中的酶催化,超臨界介質(zhì)中的酶催化是指酶在超臨界流體中進(jìn)行的催化反應(yīng)。 用于酶催化反應(yīng)的超臨界流體應(yīng)當(dāng)對酶的結(jié)構(gòu)沒有破壞作用，對催化作用沒有明顯的不良影響；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，對設(shè)備沒有腐蝕性；超臨界溫度不能太高或太低，最好在室溫附近或在酶催化的最適溫度附近；超臨界壓力不能太高，可節(jié)約壓縮動(dòng)力費(fèi)用；超臨界流體要容易獲得，價(jià)格要便宜等。,9

5、,離子液介質(zhì)中的酶催化,離子液介質(zhì)中的酶催化是指酶在離子液中進(jìn)行的催化作用。 離子液（ionic liquids）是由有機(jī)陽離子與有機(jī)（無機(jī)）陰離子構(gòu)成的在室溫條件下呈液態(tài)的低熔點(diǎn)鹽類，揮發(fā)性低、穩(wěn)定性好。酶在離子液中的催化作用具有良好的穩(wěn)定性和區(qū)域選擇性、立體選擇性、鍵選擇性等顯著特點(diǎn)。,10,在酶的非水相催化中，研究最多的非水相介質(zhì)是有機(jī)溶劑。 1984年，克立巴諾夫等人明確指出酶可以在水與有機(jī)溶劑的互溶體系中進(jìn)行催化反應(yīng)；也可以在水和有機(jī)溶劑組成的雙液相體系中進(jìn)行催化反應(yīng)；還可以在只含有微量水的有機(jī)溶劑，又稱微水介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)。表明，只要條件適合，酶可以在有機(jī)介質(zhì)催化疏水性底物進(jìn)行反

6、應(yīng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。使酶在非水介質(zhì)中的催化作用研究取得了突破性的進(jìn)展。,11,2 有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系,反應(yīng)體系的組成對酶分子的催化活性、酶的穩(wěn)定性、酶催化作用底物和催化反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度及其分布狀態(tài)、酶催化反應(yīng)速度等都有顯著影響。,超臨界流體介質(zhì)反應(yīng)體系,氣相介質(zhì)反應(yīng)體系,有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系,水溶液反應(yīng)體系,12,2.1有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系,包括：微水介質(zhì)體系，與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系，與水不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系，膠束體系和反膠束體系，其中微水介質(zhì)體系是在有機(jī)介質(zhì)酶催化中研究最多、應(yīng)用最廣泛一種反應(yīng)體系 。,不管采用何種有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系，酶催化反應(yīng)的介質(zhì)中都含有機(jī)溶劑和一定量的水。它們都對催

7、化反應(yīng)有顯著的影響。,13,微水介質(zhì)體系,微水介質(zhì)體系是由有機(jī)溶劑和微量的水組成的反應(yīng)體系，是在有機(jī)介質(zhì)酶催化中廣泛應(yīng)用的一種反應(yīng)體系。 用非極性有機(jī)溶劑取代所有的大量水，使固體酶懸浮在有機(jī)相中。微量的水主要是酶分子的結(jié)合水，它對維持酶分子的空間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重要。另外有一部分水分配在有機(jī)溶劑中。 酶的狀態(tài)可以是結(jié)晶態(tài)、凍干狀態(tài)、沉淀狀態(tài)，或者吸附在固體載體表面上。 通常所說的有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系主要是指微水介質(zhì)體系。,14,與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系,這種均一體系是由水和極性較大的有機(jī)溶劑互相混溶組成的反應(yīng)體系。 有機(jī)溶劑與水形成均勻的單相溶液體系。酶、底物和產(chǎn)物都能溶解在這種體系中。由

8、于極性大的有機(jī)溶劑對一般酶的催化活性影響較大，所以能在該反應(yīng)體系的進(jìn)行催化反應(yīng)的酶較少。 該體系近幾年受到人們的極大關(guān)注。主要是因?yàn)槔备^氧化物酶可以在此均一體系中催化酚類或芳香胺類底物聚合生成聚酚或聚胺類物質(zhì)，這些物質(zhì)在環(huán)保黏合劑、導(dǎo)電聚合物和發(fā)光聚合物等功能材料研發(fā)方面的應(yīng)用引起人們的極大興趣。,15,與水不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系,這種體系是由水和疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑組成的兩相或多相反應(yīng)體系。游離酶、親水性底物或產(chǎn)物溶解于水相，疏水性底物或產(chǎn)物溶解于有機(jī)溶劑相。 如果采用固定化酶，則以懸浮形式存在兩相的界面。 催化反應(yīng)通常在兩相的界面進(jìn)行。一般適用于底物和產(chǎn)物兩者或其中一種是屬于

9、疏水化合物的催化反應(yīng)。 應(yīng)用較少。,16,（正）膠束體系,膠束又稱為正膠束或正膠團(tuán)，是在大量水溶液中含有少量與水不相混溶的有機(jī)溶劑，加入表面活性劑后形成的水包油的微小液滴。 表面活性劑的極性端朝外，非極性端朝內(nèi)，有機(jī)溶劑包在液滴內(nèi)部。 反應(yīng)時(shí)，酶在膠束外面的水溶液中，疏水性的底物或產(chǎn)物在膠束內(nèi)部。反應(yīng)在膠束的兩相界面中進(jìn)行。,17,反膠束體系,反膠束又稱為反膠團(tuán)，是指在大量與水不相混溶的有機(jī)溶劑中，含有少量的水溶液，加入表面活性劑后形成的油包水的微小液滴。 表面活性劑的極性端朝內(nèi)，非極性端朝外，水溶液包在膠束內(nèi)部。 反應(yīng)時(shí)，酶分子在反膠束內(nèi)部的水溶液中，疏水性底物或產(chǎn)物在反膠束外部，催化反應(yīng)在

10、兩相的界面中進(jìn)行。 酶分子處于反膠束內(nèi)部的水溶液中，穩(wěn)定性較好。適用于處于生物膜表面或與膜結(jié)合的酶的結(jié)構(gòu)、催化特性和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的研究。,18,2.2反應(yīng)體系中水對酶催化反應(yīng)的影響,酶都溶于水，只有在一定量的水存在的條件下，酶分子才能進(jìn)行催化反應(yīng)。所以酶在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，水是不可缺少的成分之一。有機(jī)介質(zhì)中的水含量多少對酶的空間構(gòu)象、酶的催化活性、酶的穩(wěn)定性、酶的催化反應(yīng)速度等都有密切關(guān)系，水還與酶催化作用的底物和反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度有關(guān)。 酶分子只有在空間構(gòu)象完整的狀態(tài)下，才具有催化功能。在無水的條件下，酶的空間構(gòu)象被破壞，酶將變性失活。故此，酶分子需要一層水化層，以維持其完整的空間構(gòu)象。

11、維持酶分子完整的空間構(gòu)象所必需的最低水量稱為必需水（essential water）。必需水與酶分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有密切關(guān)系。不同的酶，所要求的必需水的量差別很大。,19,有機(jī)介質(zhì)中水的含量對酶催化反應(yīng)速度有顯著影響。在催化反應(yīng)速度達(dá)到最大時(shí)的水含量稱為最適水含量。最適水含量與有機(jī)溶劑種類、固定化載體特性、修飾劑的種類有關(guān)，要根據(jù)實(shí)際情況，通過實(shí)驗(yàn)確定最適水含量。 在有機(jī)介質(zhì)中含有的水，主要有兩類，一類是與酶分子緊密結(jié)合的結(jié)合水，另一類是溶解在有機(jī)溶劑中的游離水。研究表明，在有機(jī)介質(zhì)體系中，酶的催化活性隨著結(jié)合水量的增加而提高。 結(jié)合水也是影響酶催化活性的關(guān)鍵因素。 研究表明，在一般情況下，最適

12、水含量隨著溶劑極性的增加而增加。最佳水活度與溶劑的極性大小沒有關(guān)系。所以采用水活度作為參數(shù)來研究有機(jī)介質(zhì)中水對酶催化作用的影響更為確切。,20,2.3反應(yīng)體系中有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響,常用的有機(jī)溶劑有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇，丙醇，乙腈，已酯，二氯甲烷等。 酶具有完整的空間結(jié)構(gòu)和活性中心才能發(fā)揮其催化功能。在水溶液中，酶分子均一地溶解于水溶液中，可以較好地保持其完整的空間結(jié)構(gòu)。在有機(jī)溶劑中，酶分子不能直接溶解，而是懸浮在溶劑中進(jìn)行催化反應(yīng)。根據(jù)酶分子的特性和有機(jī)溶劑的特性的不同，保持其空間結(jié)構(gòu)完整性的情況也有所差別。 有些酶在有機(jī)溶劑的作用下，其空間結(jié)構(gòu)會(huì)受到某些破壞，從而使酶的催化

13、活性受到影響甚至引起酶的變性失活。 有些酶在有機(jī)溶劑中結(jié)構(gòu)和活性中心基本保持完整，能在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行反應(yīng)，但也可能對表面結(jié)構(gòu)和活性中心產(chǎn)生影響，從而影響酶的催化活性。,21,極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑，如甲醇，乙醇等，會(huì)奪取酶分子的結(jié)合水，影響酶分子微環(huán)境的水化層，從而降低酶的催化活性,甚至引起酶的變性失活。因此應(yīng)選擇好所使用的溶劑，控制好介質(zhì)中的含水量，或者經(jīng)過酶分子修飾提高酶分子的親水性，避免酶在有機(jī)介質(zhì)中因脫水作用而影響其催化活性。 有機(jī)溶劑與水之間的極性不同，在反應(yīng)過程中會(huì)影響底物和產(chǎn)物的分配，從而影響酶的催化反應(yīng)。有機(jī)容劑能改變酶分子必需水層中底物和產(chǎn)物的濃度。一般選用2lg P5這樣極性適

14、中的有機(jī)溶劑作為有機(jī)介質(zhì)。,22,3 酶在有機(jī)介質(zhì)的催化特性,酶在有機(jī)介質(zhì)中起催化作用時(shí)，由于有機(jī)溶劑的極性與水有很大差別，對酶的表面結(jié)構(gòu)、活性中心的結(jié)合部位和底物性質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，從而顯示出與水相介質(zhì)中不同的催化特性。,底物特異性、立體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性、熱穩(wěn)定性、pH值,23,底物專一性,在有機(jī)介質(zhì)中，由于酶分子活性中心的結(jié)合部位與底物之間的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生某些變化，致使酶的底物特異性會(huì)發(fā)生改變。有機(jī)介質(zhì)中有機(jī)溶劑與底物之間的疏水作用比底物與酶之間的疏水作用更強(qiáng)，所以疏水性強(qiáng)的底物容易受到有機(jī)溶劑的影響，從而影響底物與酶分子活性中心的結(jié)合。 不同的有機(jī)溶劑具有不同的極性，所以在

15、不同的有機(jī)介質(zhì)中，酶的底物專一性也不一樣。在極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，疏水性較強(qiáng)的底物容易反應(yīng)；而在極性較弱的有機(jī)溶劑中，疏水性較弱的底物容易反應(yīng)。,24,立體選擇性,酶的對映體選擇性（enantioselectivity）又稱為立體選擇性或立體異構(gòu)專一性，是酶在對稱的外消旋化合物中識別一種異構(gòu)體的能力大小的指標(biāo)。 酶立體選擇性的強(qiáng)弱可以用立體選擇系數(shù)（KLD）的大小來衡量。立體選擇系數(shù)越大，表明酶催化的對映體選擇性越強(qiáng)。 KL，D =(Kcat/Km)L /(Kcat/Km)D 酶在有機(jī)介質(zhì)中催化，與在水溶液中催化比較，由于介質(zhì)的特性發(fā)生改變，而引起酶的對映體選擇性也發(fā)生改變。 酶在水溶液中催化

16、的立體選擇性較強(qiáng)，而在疏水性強(qiáng)的有機(jī)介質(zhì)中，酶的立體選擇性較差。,25,區(qū)域選擇性,酶在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行催化時(shí)，具有區(qū)域選擇性（regioselectivity）, 即酶能夠選擇底物分子中某一區(qū)域的基團(tuán)優(yōu)先進(jìn)行反應(yīng)。 酶區(qū)域選擇性的強(qiáng)弱可以用區(qū)域選擇系數(shù)Krs 的大小來衡量。區(qū)域選擇系數(shù)與立體選擇系數(shù)相似，只是以底物分子的區(qū)域位置1，2，代替異構(gòu)體的構(gòu)型L,D。即： K1，2 =(Kcat/Km)1 /(Kcat/Km)2 。,26,鍵選擇性,酶在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行催化的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是具有化學(xué)鍵選擇性。即在同一個(gè)底物分子中有2種以上的化學(xué)鍵都可以與酶反應(yīng)時(shí)，酶對其中一種化學(xué)鍵優(yōu)先進(jìn)行反應(yīng)。 鍵選擇

17、性與酶的來源和有機(jī)介質(zhì)的種類有關(guān)。 如脂肪酶催化6-氨基-1-己醇的酰化反應(yīng)，底物分子中的氨基和羥基都可能被?；?，分別生產(chǎn)肽鍵和酯鍵。當(dāng)采用黑曲霉脂肪酶進(jìn)行催化，羥基的?；冀^對優(yōu)勢；采用毛霉脂肪酶催化時(shí)，則優(yōu)先使氨基酰化。,27,熱穩(wěn)定性,許多酶在有機(jī)介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性比在水溶液中的熱穩(wěn)定性更好，可能是由于有機(jī)介質(zhì)中缺少引起酶分子變性失活的水分子所致。 因?yàn)樗肿訒?huì)引起酶分子中天冬酰胺和谷氨酰胺的脫氨基作用，還能引起天冬氨酸肽鍵的水解、半胱氨酸的氧化、二硫鍵的破壞等等。 酶在有機(jī)介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性還與介質(zhì)中的水含量有關(guān)。通常情況下，隨著介質(zhì)中水含量的增加，其熱穩(wěn)定性降低。,28,pH值特性,在有

18、機(jī)介質(zhì)反應(yīng)中，酶所處的pH 環(huán)境與酶在凍干或吸附到載體上之前所使用的緩沖液 pH 值相同。這種現(xiàn)象稱之為pH印記（pH-imprinting）或稱為pH記憶。 酶在有機(jī)介質(zhì)中催化反應(yīng)的最適pH值通常與酶在水溶液中反應(yīng)的最適pH 值接近或者相同。利用酶的這種pH印記特性，可以通過控制緩沖液中pH值的方法，達(dá)到控制有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的最適pH值。,29,有機(jī)介質(zhì)酶催化反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),酶在有機(jī)介質(zhì)中由于水分子的減少，相對來說酶分子的構(gòu)象表現(xiàn)出比水溶液中更具有“剛性”特點(diǎn)。因而使通過選擇不同性質(zhì)的溶劑來調(diào)控酶的某些特性成為可能。例如在有機(jī)溶劑中，可以利用酶與配體的相互作用性質(zhì)，誘導(dǎo)改變酶分子的構(gòu)象，調(diào)控

19、酶的底物專一性、立體選擇性和手性選擇性等。,由于引起酶變性的許多因素都與水的存在有關(guān), 因此在有機(jī)介質(zhì)中酶的穩(wěn)定性得到顯著提高。,由于有機(jī)溶劑的存在, 水量減少，大大降低了許多需要水參與的副反應(yīng)，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和?；D(zhuǎn)移等。,在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行的酶促反應(yīng)，可以省略產(chǎn)物的萃取分離過程, 提高收率。,30,4 有機(jī)介質(zhì)酶催化反應(yīng)的條件及其控制,酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化多種反應(yīng)：合成反應(yīng)、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、醇解反應(yīng)、氨解反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、裂合反應(yīng)等。,酶在有機(jī)介質(zhì)中的各種催化反應(yīng)受到各種因素的影響：酶的種類和濃度、底物的種類和濃度、有機(jī)溶劑的種類，水含量、溫度、pH和離子強(qiáng)度等,31,酶

20、的種類和濃度,酶的選擇至關(guān)重要。不同的酶具有不同的結(jié)構(gòu)和特性，同一種酶，由于來源的不同和處理方法（如純度、凍干條件、固定化載體和固定化方法、修飾方法和修飾劑等）的不同，其特性也有所差別，所以要根據(jù)需要通過試驗(yàn)進(jìn)行選擇。 在酶催化反應(yīng)時(shí)，通常酶所作用的底物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于酶濃度，所以酶催化反應(yīng)速度隨著酶濃度的升高而升高，兩者成正比。 在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)，對酶的選擇不但要看催化反應(yīng)的速度的大小，還要特別注意酶的穩(wěn)定性、底物專一性、對映體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性等。,32,底物的種類和濃度,由于酶在有機(jī)介質(zhì)中的底物專一性與在水溶液中的專一性有些差別，所以要根據(jù)酶在所使用的有機(jī)介質(zhì)中的專一性選擇

21、適宜的底物。 底物的濃度對酶催化反應(yīng)速度有顯著影響，一般說來，在底物濃度較低的情況下，酶催化反應(yīng)速度隨底物濃度的升高而增大。當(dāng)?shù)孜镞_(dá)到一定濃度以后，再增加底物濃度，反應(yīng)速度的增大幅度逐漸減少，最后趨于平衡，逐步接近最大反應(yīng)速度 。 需要考慮底物在有機(jī)溶劑和必需水層中的分配情況。疏水性強(qiáng)的底物雖然在有機(jī)溶劑中溶解度大，濃度高，但難于從有機(jī)溶劑中進(jìn)入必需水層，與酶分子活性中心結(jié)合的底物濃度降低，降低催化速度；如果底物親水性強(qiáng)，在有機(jī)溶劑中溶解度低，也使催化速度降低。故應(yīng)根據(jù)底物極性，結(jié)合有機(jī)溶劑選擇，控制好底物濃度,33,有機(jī)溶劑的種類,有機(jī)溶劑由于極性不同，對酶分子的結(jié)構(gòu)以及底物和產(chǎn)物的分配有不

22、同影響，從而影響催化速度，同時(shí)還影響底物專一性、立體選擇性、區(qū)域選擇性和鍵選擇性等。因此，作為影響酶在有機(jī)介質(zhì)中催化的關(guān)鍵因素之一，使用時(shí)要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 有機(jī)溶劑的極性選擇要適當(dāng)，通常選用2 lgP 5 的溶劑作為催化反應(yīng)介質(zhì)。極性過強(qiáng)（lgP 2）的溶劑，會(huì)奪取較多的酶分子表面結(jié)合水，影響酶分子的結(jié)構(gòu)，并使疏水性底物的溶解度降低，從而降低酶反應(yīng)速度，在一般情況下不選用；極性過弱（lgP 5）的溶劑，雖然對酶分子必需水的奪取較少，疏水性底物在有機(jī)溶劑中的溶解度也較高，但是底物難于進(jìn)入酶分子的必須水層，催化反應(yīng)速度也不高 。 在與水混溶的有機(jī)介質(zhì)中，有機(jī)溶劑的含量對酶催化作用也有顯著影

23、響。（見書中例子）,34,水含量,有機(jī)介質(zhì)中，水的含量對酶分子的空間構(gòu)象和酶催化反應(yīng)速度有顯著影響 。 在酶、有機(jī)溶劑和其他條件不變的情況下，水含量低，反應(yīng)速度與水含量正相關(guān)；在體系水含量達(dá)到最適水含量時(shí)，催化速度達(dá)到最大；超過最適水含量，反應(yīng)速度降低。所以要通過試驗(yàn)確定反應(yīng)體系的最適水含量。 最適水含量與溶劑的極性有關(guān)，通常隨溶劑極性的增大，最適水含量也增大；而達(dá)到最大反應(yīng)速度的水活度卻變化不大，都在0.50.6之間 。所以水活度更確切地反映了水對催化反應(yīng)速度的影響。,35,溫度控制,溫度是影響酶催化作用的主要因素之一。溫度升高能加快反應(yīng)速度，也會(huì)導(dǎo)致酶的變性失活。酶反應(yīng)的最適溫度就是綜合兩

24、種因素的結(jié)果，在該溫度下，酶催化的反應(yīng)速度將達(dá)到最大。 在微水有機(jī)介質(zhì)中，由于水含量低，酶的熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，所以其最適溫度高于在水溶液中催化的最適溫度，故要通過試驗(yàn)來確定最適溫度，以提高催化速度。 酶與其它非酶催化劑一樣，溫度升高時(shí)，其立體選擇性降低。必須通過試驗(yàn)，控制適宜的反應(yīng)溫度，使酶催化反應(yīng)在較高的反應(yīng)速度以及較強(qiáng)的立體選擇性條件下進(jìn)行。由于手性化合物的拆分使有機(jī)介質(zhì)酶催化的主要應(yīng)用領(lǐng)域，這方面的溫度控制顯得特別重要,36,pH值和離子強(qiáng)度的控制,酶在有機(jī)介質(zhì)中催化的最適pH值通常與在水溶液中催化的最適pH值相同或者接近。原因在于，在有機(jī)介質(zhì)中，與酶分子基團(tuán)結(jié)合的必需水維持酶分子的空間構(gòu)象

25、，而且只有在特定的pH和離子強(qiáng)度條件下，酶的活性中心上的基團(tuán)才能達(dá)到最佳的解離狀態(tài)，從而保持其催化活性。 在有機(jī)介質(zhì)中，酶的催化活性與酶在緩沖溶液中的pH值和離子強(qiáng)度有密切關(guān)系。酶分子從緩沖溶液轉(zhuǎn)到有機(jī)介質(zhì)后，酶分子保留了原有的pH印記?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)緩沖溶液pH和離子強(qiáng)度的方法對有機(jī)介質(zhì)中酶催化的pH值和離子強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。 雖然酶分子從緩沖溶液轉(zhuǎn)到有機(jī)介質(zhì)時(shí)，其pH狀態(tài)保持不變，但在酶進(jìn)行冷凍干燥過程中，pH狀態(tài)常常有所變化。為使酶分子在有機(jī)介質(zhì)中具有最佳的解離狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)在酶液凍干之前或者在催化過程中采取某些保護(hù)措施，避免酶的催化活性受到不良影響。 在有機(jī)介質(zhì)中加入某些有機(jī)相緩沖液，即某些

26、疏水性酸（堿）與其相應(yīng)的鹽組成的混合物，可以對反應(yīng)的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。,37,5 酶非水相催化的應(yīng)用,隨著酶催化理論的突破，近年來，酶催化聚合反應(yīng)的研究十分活躍，特別是利用酶催化技術(shù)成功合成了化學(xué)方法難以實(shí)現(xiàn)的功能高分子，而且該技術(shù)具有節(jié)能和對環(huán)境無不良影響等優(yōu)點(diǎn)。,與水相中的酶反應(yīng)相比，非水相中的酶反應(yīng)有它獨(dú)特的優(yōu)越性，尤其是在有機(jī)合成方面主要表現(xiàn)在：有利于疏水性物質(zhì)的反應(yīng)；可改變反應(yīng)的平衡方向；可催化水相中不能進(jìn)行的反應(yīng)；可以控制底物專一性；可提高酶的穩(wěn)定性；便于消除底物和產(chǎn)物的抑制作用；酶和產(chǎn)物易于回收；可減少微生物的污染。,38,39,手性藥物拆分,手性是自然界的一種普遍現(xiàn)象，構(gòu)成生

27、物體的基本物質(zhì)如氨基酸、糖類等都是手性分子。手性異構(gòu)體(對映體)在藥物中占有很大的比例，據(jù)統(tǒng)計(jì)，已知藥物中約有30 一40 是手性的。經(jīng)由化學(xué)合成得到的藥物往往是對映體，不是單一的光學(xué)異構(gòu)體。雖然其物理化學(xué)性質(zhì)基本相同，但是由于藥物分子所作用的受體或靶位是氨基酸、核苷、膜等組成的手性蛋白質(zhì)和核酸大分子等，它們對與其結(jié)合的藥物分子的空間立體構(gòu)型有一定的要求，因此，對映體藥物在體內(nèi)往往呈現(xiàn)很大的藥效學(xué)、藥動(dòng)學(xué)等方面的差異。鑒于此，美國食品醫(yī)藥管理局(FAD)在1992年規(guī)定，今后研制具有不對稱中心的藥物，必須給出手性拆分結(jié)果 ，歐共體也采取了相應(yīng)措施，這大大推動(dòng)了手性藥物拆分的研究和生產(chǎn)應(yīng)用，手性

28、拆分已成為藥理學(xué)研究和制藥工業(yè)日益迫切的課題。,40,應(yīng)用酶和微生物在底物上引進(jìn)手性中心的方法有很久的歷史了，如氫化可的松及維生素c 的生產(chǎn)等。因?yàn)槊傅幕钚灾行氖且粋€(gè)不對稱環(huán)境，有利于識別消旋體，在一定條件下，酶只能催化消旋體中的一個(gè)對映體發(fā)生反應(yīng)而成為不同的化合物，從而使兩個(gè)對映體分開，反應(yīng)產(chǎn)物的對映過剩百分率可達(dá)100 。另外，酶催化的反應(yīng)大多在溫和的條件下進(jìn)行，溫度通常不超過050 ，pH值接近中性；而且酶無毒，易降解不會(huì)造成環(huán)境污染，適于大規(guī)模生產(chǎn)。因此，用催化效率高、專一性強(qiáng)的酶拆分消旋體是獲取對映體純化合物的捷徑。隨著酶固定化技術(shù)、多相反應(yīng)器等新技術(shù)日趨成熟，大大促進(jìn)了酶拆分技術(shù)的

29、發(fā)展，脂肪酶、酯酶、蛋白酶、轉(zhuǎn)氨酶等諸多酶類已用于外消旋體的拆分。,41,脂肪酶(Lipase)是研究最早的一類酶，是一類特殊的酯鍵水解酶。脂肪酶具有高度的選擇性和立體專一性，且反應(yīng)條件溫和，副反應(yīng)少，適用于催化非水相介質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)。Miehimasa等人分別用Pseudomonas sp脂肪酶和豬胰脂肪酶(PPL)對2-苯-l-丙醇進(jìn)行了拆分，反應(yīng)是通過兩種酶分別催化酯交換反應(yīng)而進(jìn)行，使得對映體拆分率分別提高到了39 和4l 。 另外，酯酶具有很高的工業(yè)價(jià)值，其應(yīng)用前景也極為廣闊。最近，Jianxin 等人利用Pseudomaonas cepacia脂肪酶拆分了一類?；〈?-環(huán)己烯衍生

30、物。因?yàn)樵诳贵w或抗腫瘤的天然活性物質(zhì)中常含有此基團(tuán)，是一類極有藥用前途的母核。該法通過酶催化酯交換反應(yīng)，而得到了產(chǎn)率較高的光學(xué)純化合物，且提供了反應(yīng)過程監(jiān)測方法，因此可有效的推廣到該類化合物的一系列衍生物的合成與拆分。,42,手性高分子聚合物的制備,蛋白質(zhì)、核酸、多糖等生物大分子都屬于手性高分子聚合物。手性對于生物體的新陳代謝有重要意義。研究表明，手性對于人工合成的高分子有機(jī)物的物理特性和加工特性都有明顯影響，故手性有機(jī)材料的研究開發(fā)逐漸受到人們的重視。 利用脂肪酶等水解酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化作用，可以合成多種具有手性的聚合物，用作可生物降解的高分子材料、手性物質(zhì)吸附劑等。,43,利用脂肪酶在甲

31、苯、四氫呋喃、乙腈等有機(jī)介質(zhì)中的催化反應(yīng)，將選定的有機(jī)酸和醇的單體聚合，可以得到可生物降解的聚酯。如豬胰脂肪酶在甲苯介質(zhì)中，催化己二酸氯乙酯與2,4-戊二醇反應(yīng)，聚合生成可生物降解的聚酯。 糖酯是一類由糖和酯類聚合而成的有重要應(yīng)用價(jià)值的可生物降解的聚合物。高級脂肪酸的糖酯是一種高效無毒的表面活性劑，在醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；一些糖酯如二丙酮縮葡萄糖丁酸酯等具有抑制腫瘤細(xì)胞生長的功效。采用不同的糖為羥基供體，以各種有機(jī)酸酯為?；w，以蛋白酶、脂肪酶等為催化劑，在有機(jī)介質(zhì)中反應(yīng)，可獲得各種糖酯。如蛋白酶在吡啶介質(zhì)中催化蔗糖與三氯乙醇丁二酸酯聚合生產(chǎn)聚糖酯。,44,酚樹脂的合成,酚醛樹脂具有機(jī)械

32、強(qiáng)度高、電性能好、耐熱性能優(yōu)良、難燃等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于涂料、粘合劑和航天等領(lǐng)域。由于原料甲醛的毒性,所以人們一直在研究傳統(tǒng)酚醛樹脂的綠色化生產(chǎn)技術(shù)和尋求其替代品。采用過氧化物酶催化酚類底物合成聚酚樹脂,代替酚醛樹脂,是一種解決傳統(tǒng)酚醛樹脂生產(chǎn)中的污染問題的新方法。 用于酚類單體聚合反應(yīng)的酶主要是氧化還原酶,如辣根過氧化物酶(HRP) 、大豆過氧化物酶( SBP)和漆酶(Laccase) 。 如辣根過氧化物酶在二氧六環(huán)與水混溶的均一介質(zhì)體系中，可以催化苯酚等酚類物質(zhì)聚合，生成酚類聚合物。,45,導(dǎo)電有機(jī)聚合物的合成,導(dǎo)電聚合物(conducting polymer)又稱導(dǎo)電高分子，是指通過摻雜

33、等手段，能使得電導(dǎo)率在半導(dǎo)體和導(dǎo)體范圍內(nèi)的聚合物。通常指本征導(dǎo)電聚合物(intrinsic condcuting polymer)，這一類聚合物主鏈上含有交替的單鍵和雙鍵，從而形成了大的共軛體系。電子的流動(dòng)產(chǎn)生了導(dǎo)電的可能性。 導(dǎo)電聚合物（聚乙炔）由日本科學(xué)家白川英樹最先發(fā)現(xiàn)，美國科學(xué)家 Heeger 和 MacDiarmid 也是這一研究領(lǐng)域的先驅(qū)。這三位科學(xué)家由于在導(dǎo)電聚合物研究中的突出貢獻(xiàn)，共同獲得了2000年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,46,小插曲,1977年，日本科學(xué)家白川英樹的一個(gè)學(xué)生在做合成聚乙炔的實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了一個(gè)偶然的失誤,他向聚合體系中多加入了1000倍的催化劑,結(jié)果卻讓白川英樹非常吃

34、驚：一層美麗的具有金屬光澤的銀色薄膜出現(xiàn)了！這種閃閃發(fā)光的薄膜是反式聚乙炔。 與此同時(shí),在太平洋彼岸，麥克迪爾米德和黑格正在試驗(yàn)用無機(jī)聚合物氮化硫制備具有金屬光澤的薄膜。在日本東京的一次學(xué)術(shù)交流會(huì)的咖啡休息時(shí)間里，麥克迪爾米德很偶然地遇見了白川英樹，當(dāng)他得知他的同行發(fā)現(xiàn)了聚合物閃光薄膜后，便邀請白川英樹到賓夕法尼亞大學(xué)訪問。之后，他們著手通過碘蒸氣氧化摻雜聚乙炔。黑格讓他的一個(gè)學(xué)生來測量這種薄膜的導(dǎo)電性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)碘摻雜的反式聚乙炔的電導(dǎo)率提高了上千萬倍！1977年，他們把這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在英國皇家學(xué)會(huì)的 The Journal of Chemical Society: Chemical Comm

35、unications上。 導(dǎo)電聚合物打破了普通塑料的常規(guī)，它將為人類提供新一代的神奇裝置，如可以折疊的電視機(jī)屏幕和可以穿在身上的計(jì)算機(jī)等。這一國際前沿研究領(lǐng)域成為21世紀(jì)科學(xué)的先驅(qū)！,47,自1970年代第一種導(dǎo)電聚合物-聚乙炔發(fā)現(xiàn)以來，一系列新型的導(dǎo)電高聚物相繼問世。常見的導(dǎo)電聚合物有：聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撐、聚苯撐乙烯和聚雙炔等。 聚乙炔是最先報(bào)道具有高電導(dǎo)率的、結(jié)構(gòu)最簡單的共軛高聚物。由于聚乙炔具有特殊的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)以及可逆的電化學(xué)性質(zhì)，它在二次電池和光電化學(xué)電池方面顯示誘人的應(yīng)用前景，但最致命的弱點(diǎn)是它在空氣中不穩(wěn)定。 聚噻吩和聚吡咯具有將聚乙炔的氫用硫或NH取

36、代的結(jié)構(gòu),盡管它們的電導(dǎo)率沒有聚乙炔高,但其穩(wěn)定性好,能夠用于制備電子器件。 被稱為“苯胺黑”的聚苯胺粉末早在1910年已經(jīng)合成出來,然而直到從酸性的水溶液介質(zhì)中通過苯胺單體的氧化聚合而制備的聚苯胺才具有較高的電導(dǎo)率。聚苯胺具有結(jié)構(gòu)多樣化、在空氣中穩(wěn)定、物理化學(xué)性能優(yōu)異、制備工藝簡單等特點(diǎn),在二次鈕扣電池和電致變色等方面有著誘人的應(yīng)用前景。 辣根過氧化物酶可以在與水混溶的有機(jī)介質(zhì)（丙酮、乙醇、二氧六環(huán)等）中，催化苯胺聚合生成聚苯胺。,發(fā)光有機(jī)聚合物的合成,48,發(fā)光有機(jī)聚合物的合成,新型光學(xué)材料在激光技術(shù)、全色顯示系統(tǒng)、光電計(jì)算機(jī)等方面都有重要應(yīng)用，時(shí)當(dāng)今材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 非線性

37、光學(xué)材料時(shí)激光技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。研究表明，有機(jī)非線性光學(xué)材料的倍頻效應(yīng)比無機(jī)材料高幾百倍，激發(fā)響應(yīng)時(shí)間時(shí)無機(jī)材料的上千倍。 在有機(jī)介質(zhì)中，通過酶催化聚合而成的聚酚類物質(zhì)具有較高的三階非線性光學(xué)系數(shù)，是一類有重要應(yīng)用前景的非線性光學(xué)材料。 辣根過氧化物酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化對苯基苯酚合成聚對苯基苯酚，將其制成二極管，可以發(fā)藍(lán)光，是一種具有良好應(yīng)用前景的藍(lán)光發(fā)射材料。,49,食品添加劑的生產(chǎn),食品添加劑是指在食品中或食品加工中使用的各種微量物質(zhì)，其添加量通常不超過2%。添加不同的物質(zhì)，所要達(dá)到的目的或所起作用是不同的。有的是為了改進(jìn)和保持食品的營養(yǎng)價(jià)值而添加的；有的是為了延長食品的貨架期添加的；

38、有的是為方便食品而添加的；有的是為增強(qiáng)食品的風(fēng)味，改變食品的色澤而添加的；有的是為了確保微生物的安全性而添加的；有的是保持食品品質(zhì)的連續(xù)性和統(tǒng)一性添加的。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球開發(fā)的食品添加劑種類已達(dá)到14000多種, 其中直接使用約有4000 種左右, 常用的品種近700 種, 主要品種有食品防腐抗氧劑、調(diào)味劑、乳化增稠劑、酸味劑、甜味劑、品質(zhì)改良劑、酶制劑、食用著色劑、食用香料、營養(yǎng)強(qiáng)化劑等。,50,食品添加劑的生產(chǎn)可以通過提取分離技術(shù)從天然動(dòng)植物或微生物中獲取，也可以通過微生物發(fā)酵、酶法轉(zhuǎn)化或化學(xué)合成法生產(chǎn)。 利用酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化作用，可以生產(chǎn)人們所需的食品添加劑。如利用脂肪酶的作用，將

39、甘油三酯水解生產(chǎn)的甘油單酯，是一種廣泛使用的食品乳化劑；利用脂肪酶在有機(jī)介質(zhì)中的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，將甘油三酯轉(zhuǎn)化為具有特殊風(fēng)味的可可脂；利用酯酶催化小分子醇和有機(jī)酸合成具有各種香型的酯類等。,51,天苯肽是一種用途廣泛的食品甜味劑，可通過嗜熱菌蛋白酶在有機(jī)介質(zhì)中催化合成：嗜熱菌蛋白酶在有機(jī)介質(zhì)中催化L-天冬氨酸和L-苯丙氨酸甲酯反應(yīng)生成天苯肽。 香蘭素是一種廣泛使用的食品香料，從天然植物中提取的話，產(chǎn)量較低；也可由苯酚、甲基鄰苯二酚等進(jìn)行化學(xué)合成，但這些物質(zhì)有毒性；一種較好的途徑是通過微生物發(fā)酵得到香蘭酸，在通過芳香醛脫氫酶的催化作用，將香蘭酸還原為香蘭素。,52,生物柴油的生產(chǎn),柴油是石油化工產(chǎn)品，

40、由于石油屬于不可再生的能源，石油資源的短缺是世界面臨的危機(jī)之一，尋求新的可再生能源已經(jīng)成為世界性的重大課題。 根據(jù)1992 年美國生物柴油協(xié)會(huì)(National Biodiesel Board , NBB ) 的定義, 生物柴油(Biodiesel) 是指以植物、動(dòng)物油脂等可再生生物資源生產(chǎn)的可用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔替代燃油。從化學(xué)成分上講, 生物柴油是一系列長鏈脂肪酸單烷基酯。最典型的生物柴油是脂肪酸甲酯。 生物柴油作為一種生物質(zhì)能經(jīng)過近20 多年年的發(fā)展,已成為繼燃料乙醇之后的第二大生物質(zhì)液體燃料。這是因?yàn)? 它是一種可再生能源,可緩解目前對石油的依賴; 與環(huán)境友好,基本不含硫和芳烴,可被

41、生物降解、無毒、對環(huán)境無害; 具有優(yōu)良的潤滑性能; 閃點(diǎn)高(普通柴油的閃點(diǎn)50 ) ,儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和使用都更加安全。 生物柴油作為優(yōu)質(zhì)的柴油代用品，是典型的“綠色能源”，生物柴油產(chǎn)業(yè)在我國具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，對保障石油安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)和制造業(yè)發(fā)展、提高農(nóng)民收入均產(chǎn)生相當(dāng)重要的積極作用。,53,生物油脂的來源：菜子油，豆油，椰子油，棕櫚油、蓖麻油、棉籽油，葵花籽油，廢食用油等,從生物質(zhì)到生物柴油,生物柴油生產(chǎn)裝備,54,化學(xué)法合成生物柴油工藝復(fù)雜,醇必須過量,后續(xù)工藝必須有相應(yīng)的醇回收裝置;能耗高,色澤深;由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質(zhì),酯化產(chǎn)物難于回收,成本高;生產(chǎn)過程有廢堿液排放。 在有機(jī)介質(zhì)中，脂肪酶或酯酶可以催