1、,第七章 酶非水相催化,1、酶非水相催化的幾種類型,2、有機介質(zhì)反應體系,3、有機溶劑中酶催化作用的影響因素,6、有機介質(zhì)中酶催化的應用,Go,Go,Go,Go,本章內(nèi)容：,4、酶在有機介質(zhì)中的催化特性,5、有機介質(zhì)中酶的應用形式,Go,Go,水是酶促反應最常用的反應介質(zhì)。,但對于大多數(shù)有機化合物來說，水并不是一種適宜的溶劑。因為許多有機化合物(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）等人在有機介質(zhì)中進行了酶催化反應的研究，他們成功地在利用酶有機介質(zhì)中的催化作用，

2、獲得酯類、肽類、手性醇等多種有機化合物，明確指出酶可以在水與有機溶劑的互溶體系中進行催化反應。,長期以來，人們一直認為酶是水溶性生物大分子，只能在水溶液中發(fā)揮其催化功能，而有機介質(zhì)會使酶活性喪失。這種傳統(tǒng)思想極大地限制了酶學的發(fā)展。1984年Zaks A和 Klibanov A.M 首次發(fā)表了關(guān)于非水相介質(zhì)中脂肪酶的催化行為及熱穩(wěn)定性的研究報道，引起了廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的酶學領(lǐng)域迅速地產(chǎn)生了一個全新的分支非水酶學(nonaqueous enzymology)。,早在20世紀初，.ourquelot等曾經(jīng)將乙醇、丙酮類的有機溶劑加到酶的水溶液中，進行非水介質(zhì)中酶催化的嘗試。,19751983年間.

3、uckland和.artinek等做了將微生物細胞、游離酶和固定化酶用于有機溶劑中合成酯和類固醇及甾醇轉(zhuǎn)化的探索。,一、非水介質(zhì)酶催化發(fā)展情況,直到1984年，非水溶劑中酶催化的研究才取得了突破性的進展。,此后十幾年來，酶在非水介質(zhì)中催化反應的研究十分活躍。,二、酶非水相催化的幾種類型,1、有機介質(zhì)中的酶催化,2、氣相介質(zhì)中的酶催化,有機介質(zhì)中的酶催化是指酶在含有一定量水的有機溶劑中進行的催化反應。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。,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。,溫度及壓力均處于臨界點以上的液體叫超臨界流體(supercritical fluid

4、)。 超臨界流體的許多物理化學性質(zhì)介于氣體和液體之間，并具有兩者的優(yōu)點，如具有與液體相近的溶解能力和傳熱系數(shù)，具有與氣體相近的黏度系數(shù)和擴散系數(shù)。同時它也具有區(qū)別于氣態(tài)和液態(tài)的明顯特點： （1）可以得到處于氣態(tài)和液態(tài)之間的任一密度； （2）在臨界點附近，壓力的微小變化可導致密度的巨大變 化。,3、超臨界介質(zhì)中的酶催化,離子液（ionic liquids）是由有機陽離子與有機（無機）陰離子構(gòu)成的在室溫條件下呈液態(tài)的低熔點鹽類，揮發(fā)性低、穩(wěn)定性好。 與傳統(tǒng)的有機溶劑不同的是，離子液體沒有蒸汽壓，但是有很好的溶解性，熱穩(wěn)定范圍很寬，超過液態(tài)溫度范圍（300） 。,4、離子液介質(zhì)中的酶催化,氯化1-甲

5、基-3-乙基咪唑鹽 1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸鹽,酶非水相催化的幾種類型,1、有機介質(zhì)中的酶催化,2、氣相介質(zhì)中的酶催化,3、超臨界介質(zhì)中的酶催化,4、離子液介質(zhì)中的酶催化,有機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。,一、常見的有機介質(zhì)體系,用非極性有機溶劑取代所有的大量水，使固體酶懸浮在有機相中。 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。,2、水與水互溶有機溶劑（均一體系）,1、微量水非極性有機溶劑(微水介質(zhì)體系),“水包油”和“油包水”,由含有溶解酶的水相和一個非極性的有機溶劑(高脂溶性)相所組成的兩相體系。,3、水非極性有機溶

6、劑（兩相體系）,4、膠束體系和反膠束體系,E,（正）膠束體系：表面活性劑的極性段朝外，非極性端朝內(nèi)，反應時酶在膠束外面的水溶劑中，疏水性的底物或產(chǎn)物在膠束內(nèi)部。反應在膠束的兩相界面進行。 反膠束體系：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。反應時，酶分子在反膠束內(nèi)部的“小水池”中進行催化。,.,.,.,.,.,.,.,.,有機相,S,膠束體系,反膠束體系,水相,有機相,表面活性劑：表面活性劑是由親水憎油的極性基團和親油憎水的非極性基團兩部分組成的兩性分子。 在有機相酶反應中用得最多的是陰離子表面活性劑：AOT(AerosolOT)，其化學名為丁二酸-2-乙基酯磺酸鈉。,不管采

7、用何種有機介質(zhì)反應體系，酶催化反應的介質(zhì)中都含有機溶劑和一定量的水。它們都對催化反應有顯著的影響。,1、微量水非極性有機溶劑(微水介質(zhì)體系),2、水與水互溶有機溶劑（均一體系）,3、水非極性有機溶劑（兩相體系）,4、膠束體系和反膠束體系,二、有機相酶反應的優(yōu)點,1、 有利于疏水性底物的反應，增強反應物的溶解度； 2、可提高酶的熱穩(wěn)定性； 3、 能催化在水中不能進行的反應； 4、 可改變反應平衡移動方向； 5、 可控制底物專一性； 6、 可防止由水引起的副反應； 、 酶和產(chǎn)物易于回收； 、 可避免微生物污染。,三、 有機相酶反應具備條件,1、 保證必需水含量。 2、 選擇合適的酶及酶形式。 3、

8、 選擇合適的溶劑及反應體系。 4、 選擇最佳pH值。,第三節(jié) 有機溶劑中酶催化作用的影響因素,一、水對有機介質(zhì)中酶催化反應的影響,有機介質(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、酶的催化反應速度等都有密切關(guān)系，水還與酶催化作用的底物和反應產(chǎn)物的溶解度有關(guān)。,必需水：維持酶分子完整的空間構(gòu)象所必需的最低水量。,最適水含量：在催化反應速度達到最大時的水含量稱為最適水含量。 在實際應用時應當根據(jù)實際情況，通過實驗確定最適合水含量。,酶,二、有機溶劑對有機介質(zhì)中酶催化反應的影響,水溶性有機溶劑：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、丙酮、 乙晴等 水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、辛烷、苯、甲苯、

9、 氯仿、乙醚、戊醚等,常用的有機溶劑：,2、有機溶劑對酶結(jié)構(gòu)的影響,1、有機溶劑對酶分子表面結(jié)合水的影響,有機溶劑的極性越強，越易于奪取酶分子表面的結(jié)合水，對酶活性的影響就越大。,（1）對酶分子表面結(jié)構(gòu)的影響； （2）對酶活性中心的影響。,枯草桿菌蛋白酶晶體在乙腈溶劑中，原有的119個與酶分子結(jié)合的水分子中有20個水分子被脫去，12個乙腈分子結(jié)合到了上去，其中4個取代了原來水分子的位置。,例如，正己烷能奪取酶分子0.5%的結(jié)合水，甲醇則可以奪取酶分子60%的結(jié)合水。,辣根過氧化物酶在甲醇中的催化時，發(fā)現(xiàn)甲醇可以進入到酶活性中心，與卟啉鐵配位 。 4個已經(jīng)分子可以進入到活性枯草桿菌蛋白酶活性中心

10、，結(jié)合位點與抑制劑相似。,3、有機溶劑對酶作用底物和產(chǎn)物的影響,有機溶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2lgP5的有機溶劑。,4、選擇有機溶劑必須考慮的因素,（） 有機溶劑與反應的匹配性（即相容性） 例：對于酶促糖改性而言，使用疏水性的，與水不互溶的溶劑是不現(xiàn)實的，因為不溶性底物和不溶性的酶之間無相互作用，必須用親水性的溶劑（如吡啶或二甲基甲酰胺）,（）極性系數(shù)lgP：即一種溶劑在正辛烷/水兩相間分配系數(shù)的常用對數(shù)值，它能直接反映溶劑的疏水性。極性系數(shù)越大，表明其極性越弱，極性系數(shù)越小，則極性越強。,（4）溶劑的密度、黏度、表面張力、毒性、廢物處理和成本等（溶劑因底物而宜）

11、。,（3）選擇的溶劑對主反應必須是惰性的，即不參與主反應。 例如，醇與酯之間發(fā)生的酯基轉(zhuǎn)移反應生成新醇和新酯，就不能用醇也不能用酯作為溶劑。,第四節(jié) 酶在有機介質(zhì)中的催化特性,一、酶催化反應的選擇性,1、底物專一性的變化,非水酶學的發(fā)展使人們認識到可以通過改變反應介質(zhì)來改變酶催化反應的選擇性，從而達到人為地改變和控制酶的選擇性。,2、對映體選擇性的變化,在有機介質(zhì)中，某些蛋白酶可以用D-氨基酸為底物合成由D-氨基酸組成的多肽。這一點在手性藥物制造中，有重要的應用。,3、位置選擇性的變化,有機溶劑中，酶能夠選擇性地催化底物中某個區(qū)域的基團發(fā)生反應。 脂肪酶催化1，4-二丁?；?2-辛基苯與丁醇之

12、間的轉(zhuǎn)酯反應，在甲苯介質(zhì)中，優(yōu)先催化C-4位的?；谝译嬷?，優(yōu)先催化C-1位的酰基。,4、化學鍵選擇性的變化,在同一個底物分子中有2中以上的化學鍵都可以被酶催化時，酶對其中一種化學鍵優(yōu)先進行反應。 不同來源的脂肪酶催化6-氨基-1-己醇的?；磻獣r，對其中的氨基和羥基有選擇性，分別生成肽鍵和酯鍵。,、干酶粉和結(jié)晶酶 目前最簡單的也是被大多數(shù)研究者所采用的非水催化的體系是將固態(tài)酶粉直接懸浮在有機溶劑中。,、固定化酶 酶固定化后，增大了酶與底物接觸的表面，在一定程度上可以提高酶在有機溶劑中的擴散效果和熱力學穩(wěn)定性，有利于酶的回收和連續(xù)化生產(chǎn)。,、化學修飾酶 雙親分子共價修飾或非共價修飾酶分子表面

13、，可以增加酶表面的疏水性，使酶均一地溶于有機溶劑。,第五節(jié) 酶的應用形式,、印跡酶 將酶在含配體的水溶液中凍干，再將配體徹底洗去，經(jīng)過這樣處理的酶叫印跡酶。,“pH記憶”（pH-imprinting）：在有機介質(zhì)反應體系中，酶所處的pH環(huán)境與其在凍干或吸附到載體之前所用的緩沖液pH相同，這種現(xiàn)象稱為“pH記憶”。,利用酶的這種pH記憶特性，可以通過控制緩沖液中pH值的方法，來控制有機介質(zhì)中酶催化反應的最適pH值。,、反相膠束 反相膠束既是一種反應體系，也是一種酶的使用形態(tài)。,“pH忘記”：用疏水性的酸或堿與他們相應的鹽所組成的混合物，作為有機相的緩沖液，他們控制著有機相中酶的解離狀態(tài)，使酶完全

14、“忘記”干燥它所處的水溶液的pH。,酶在非水介質(zhì)中可以催化多種反應。可以生成一些具有特殊性質(zhì)與功能的產(chǎn)物，在醫(yī)藥、食品、化工、功能材料、環(huán)境保護等領(lǐng)域具有重要應用價值，顯示出廣闊的應用前景。,一、手性藥物的拆分,手性化合物：是指化學組成相同，而其立體結(jié)構(gòu)互為對映體的兩種異構(gòu)體化合物 一種有顯著療效，另一種有療效弱或無效 一種有顯著療效，另一種有毒副作用 兩種對映體的藥效相反 兩種對映體具有各自不同的藥效 兩種消旋體的作用具有互補性,第六節(jié) 有機介質(zhì)中酶催化的應用,這些孩子出生時就四肢短小，像海豹。這是因為他們的媽媽在懷上他們的早期，往往是剛剛懷孕的頭3個月，吃了一種人工合成的叫“反應?！钡乃帲?/p>

15、這是一種在50年代末60年代初全球46個國家(主要是西方國家、日本、一些南美和非洲國家)最為廣泛使用的抗妊娠反應的藥物。中國因正被西方國家圍堵，幸免于難。全球共有大約1萬2千個這種四肢短小的孩子，現(xiàn)在他們大都已人到老年。因為四肢短小，他們的生活很難自理。 不幸的是，這些海豹肢癥的患者結(jié)婚后生下的孩子也可能出現(xiàn)一模一樣的癥狀! 人類由于自身的原因造成的災難有時竟要下一代來承擔!,1992年，美國FDA明確要求對于具有手性特性的化學藥物，都必需說明其兩個對映體在體內(nèi)的不同生理活性、藥理作用以及藥物代謝動力學情況。許多國家和地區(qū)也都制定了有關(guān)手性藥物的政策和法規(guī)。這大大推動了手性藥物拆分的研究和生產(chǎn)

16、應用。目前提出注冊申請和正在開發(fā)的手性藥物中，單一對映體藥物占絕大多數(shù)。,環(huán)氧丙醇衍生物的拆分： 可以用于合成阻斷劑、艾滋病毒蛋白酶抑制劑、抗病毒藥物等多種手性藥物。 其消旋體可以在有機介質(zhì)體系中用酶法進行拆分，獲得單一對映體。如用豬胰脂肪酶。,芳基丙酸衍生物的拆分： 其單一對映體衍生物是多種治療關(guān)節(jié)炎、風濕病的消炎鎮(zhèn)痛藥物的活性成分。 用脂肪酶在有機介質(zhì)體系中進行消旋體的拆分，可以得到構(gòu)型的活性成分。,二、酚樹脂的合成,酚樹脂是一種廣泛應用的酚類聚合物，可以用作黏合劑、化學定影劑等。 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。,三、導電有機

17、聚合物的合成,辣根過氧化物酶可以在與水混溶的有機介質(zhì)（如丙酮、乙醇、二氧六環(huán)等）中，催化苯胺聚合生成聚苯胺。 聚苯胺具有導電性能，可以用于飛行器的防雷裝置，以免受到雷電的襲擊；用于衣物的表面，起到抗靜電的作用；用作雷達、屏幕等的微波吸收劑等。,四、發(fā)光有機聚合物的合成,新型光學材料雜激光技術(shù)、全色顯示系統(tǒng)、光電計算機等方面都有重要應用，是當今材料科學與工程領(lǐng)域的研究熱點之一。 辣根過氧化物酶可以在有機介質(zhì)中催化對苯基苯酚合成聚對苯基苯酚，將這種聚合物制成二極管，可以發(fā)出藍光。,五、食品添加劑的生產(chǎn),香蘭素是一種廣泛應用的食品香料，可以從天然植物中提取分離得到，但是產(chǎn)量有限。 可先通過微生物發(fā)酵得到香蘭酸（甲氧基羥基苯甲酸）