第7章 酶的非水相催化

1、第七章第七章 酶的非水相催化酶的非水相催化1.1. 酶非水相催化的研究概況酶非水相催化的研究概況2. 2. 有機介質中水和有機溶劑對酶有機介質中水和有機溶劑對酶催化反應的影響催化反應的影響3. 3. 酶在有機介質中的催化特性酶在有機介質中的催化特性4. 4. 反膠束體系的酶學研究反膠束體系的酶學研究5. 5. 有機介質中酶催化反應及應用有機介質中酶催化反應及應用第一節(jié)第一節(jié) 酶非水相催化的研究概況酶非水相催化的研究概況 酶在非水相介質中進行的催化反應稱為酶酶在非水相介質中進行的催化反應稱為酶非水相催化。非水相催化。非水相介質包括：非水相介質包括： 有機相有機相 氣相氣相 超臨界流體介質超臨界流

2、體介質 離子液介質離子液介質非水相反應的優(yōu)點非水相反應的優(yōu)點可以進行水不溶性化合物催化轉化可以進行水不溶性化合物催化轉化改變反應的平衡點，能催化在水中不能進行的反應。改變反應的平衡點，能催化在水中不能進行的反應。由于酶在有機溶劑中結構上由于酶在有機溶劑中結構上“剛性剛性”增加，對酶催化選增加，對酶催化選擇有目的的調(diào)控成為可能。擇有目的的調(diào)控成為可能。酶的熱穩(wěn)定性大大提高酶的熱穩(wěn)定性大大提高反應后易于回收和重復利用反應后易于回收和重復利用可避免長期反應中微生物的污染可避免長期反應中微生物的污染減少或防止由水引起的副反應減少或防止由水引起的副反應可方便利用對水分敏感的底物進行反應可方便利用對水分敏

3、感的底物進行反應可擴大反應可擴大反應pHpH的適應性的適應性反應后的分離過程能耗降低反應后的分離過程能耗降低一、有機介質中酶催化一、有機介質中酶催化 有機介質中的酶催化是指酶在含有一定有機介質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。量水的有機溶劑中進行的催化反應。特點 有機底物在有機溶劑中有較大的溶解度有機底物在有機溶劑中有較大的溶解度 酶的熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性比在水中有明顯提高。酶的熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性比在水中有明顯提高。 某些反應過程的熱力學平衡可以向期望的方向移某些反應過程的熱力學平衡可以向期望的方向移動，可以發(fā)生水溶液中不可能進行的反應。動，可以發(fā)生水溶液中不可能進行

4、的反應。 酶分子構象表現(xiàn)出比在水溶液中更有剛性的特點，酶分子構象表現(xiàn)出比在水溶液中更有剛性的特點，因而可以通過選擇不同性質的溶劑來調(diào)控酶的某因而可以通過選擇不同性質的溶劑來調(diào)控酶的某些選擇性。些選擇性。 產(chǎn)物的分離與純化比在水中容易產(chǎn)物的分離與純化比在水中容易, ,另外酶不溶于有另外酶不溶于有機溶劑因此有利于酶的回收與再利用等。機溶劑因此有利于酶的回收與再利用等。二、氣體介質中酶催化二、氣體介質中酶催化 氣相介質中的酶催化氣相介質中的酶催化是指酶在氣相介質中是指酶在氣相介質中進行的催化反應。進行的催化反應。 克服酶促反應底物在水相中溶解度較小的缺克服酶促反應底物在水相中溶解度較小的缺點。點。特

5、點特點 某些酶在液相中使用受到一定的限制如酶和輔酶某些酶在液相中使用受到一定的限制如酶和輔酶的操作。的操作。 不穩(wěn)定性底物及產(chǎn)物的不溶性和酶的活性被產(chǎn)物不穩(wěn)定性底物及產(chǎn)物的不溶性和酶的活性被產(chǎn)物抑制等抑制等, ,氣相中的反應就可以克服這些缺點。氣相中的反應就可以克服這些缺點。 氣相中的酶促反應更利于易揮發(fā)性產(chǎn)品的生產(chǎn)。氣相中的酶促反應更利于易揮發(fā)性產(chǎn)品的生產(chǎn)。三、超臨界流體介質中的酶催化 超臨界流體介質中的酶催化超臨界流體介質中的酶催化是指酶在超臨是指酶在超臨界流體中進行的催化反應。界流體中進行的催化反應。v傳統(tǒng)有機溶劑中酶促反應的產(chǎn)物中不可避傳統(tǒng)有機溶劑中酶促反應的產(chǎn)物中不可避免地會殘留或多

6、或少的有機溶劑易對食品免地會殘留或多或少的有機溶劑易對食品和醫(yī)藥造成污染。和醫(yī)藥造成污染。v 利用超臨界流體作為介質建立酶催化體系。利用超臨界流體作為介質建立酶催化體系。 特點特點提高反應速度提高反應速度: : 具有液體的具有液體的高密度性高密度性還還具有氣體的具有氣體的高擴散系數(shù)低粘度高擴散系數(shù)低粘度和和低表面低表面張力張力使底物向酶的傳質速度加快使底物向酶的傳質速度加快. .方便產(chǎn)物分離：通過方便產(chǎn)物分離：通過溫度溫度或或壓力壓力的微小的微小變化來改變?nèi)軇┑男再|如超臨界流體的變化來改變?nèi)軇┑男再|如超臨界流體的密度粘度和溶解能力等。密度粘度和溶解能力等。四、離子液介質中的酶催化四、離子液介質

7、中的酶催化 離子液離子液是由有機陽離子和有機（無機）陰離是由有機陽離子和有機（無機）陰離子構成的室溫條件下呈液態(tài)的低熔點鹽類。子構成的室溫條件下呈液態(tài)的低熔點鹽類。離子液的性質主要依賴于它所包含的陰陽離子離子液的性質主要依賴于它所包含的陰陽離子 離子液介質中的酶催化離子液介質中的酶催化是指酶在離子液中進行是指酶在離子液中進行的催化作用。的催化作用。第二節(jié)第二節(jié) 有機介質中水合有機溶劑對酶有機介質中水合有機溶劑對酶催化反應的影響催化反應的影響一、有機介質反應體系一、有機介質反應體系1 1、微水介質體系、微水介質體系 由有機溶劑和微量的水組成的反應體系。由有機溶劑和微量的水組成的反應體系。（1 1

8、）研究最廣泛的反應體系。）研究最廣泛的反應體系。（2 2）酶通常以凍干粉或固定化酶形式懸浮于）酶通常以凍干粉或固定化酶形式懸浮于有機溶劑中。有機溶劑中。2 2、與水溶性有機溶劑組成的均一體系、與水溶性有機溶劑組成的均一體系 均一體系均一體系由水和極性較大的有機溶劑互相由水和極性較大的有機溶劑互相混溶組成的反應體系?；烊芙M成的反應體系。 （1 1）介質是均一體系）介質是均一體系 （2 2）很多酶會失活，但個別反而由高活性）很多酶會失活，但個別反而由高活性 3 3、水和水不溶性有機溶劑組成的兩相或多、水和水不溶性有機溶劑組成的兩相或多相體系相體系 是由水和疏水性較強的有機溶劑組成的兩是由水和疏水性

9、較強的有機溶劑組成的兩相或多相反應體系。相或多相反應體系。v游離酶、親水性底物或產(chǎn)物溶解于水相，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)物溶解于有機相。而固定疏水性底物或產(chǎn)物溶解于有機相。而固定化酶則以懸浮形式存在于兩相的界面?；竸t以懸浮形式存在于兩相的界面。v催化反應通常在兩相的界面進行。一般適催化反應通常在兩相的界面進行。一般適用于底物和產(chǎn)物兩者或者其中之一是屬于用于底物和產(chǎn)物兩者或者其中之一是屬于疏水性化合物的催化反應。疏水性化合物的催化反應。4 4、（正）膠束體系、（正）膠束體系v膠束也稱為膠束也稱為正膠束或正膠團正膠束或正膠團，是在大量水，是在大量水溶液中含有少量與水不相

10、混溶的有機溶劑，溶液中含有少量與水不相混溶的有機溶劑，加入表面活性劑后形成的水包油（加入表面活性劑后形成的水包油（O/WO/W）的）的微小液滴。微小液滴。v表面活性劑是由親水憎油的極性基團和親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油憎水的非極性基團兩部分組成的兩性分子，既能溶解水溶性物質又能增溶疏水性子，既能溶解水溶性物質又能增溶疏水性物質。物質。v正膠束是通過表面活性劑的極性端朝外，正膠束是通過表面活性劑的極性端朝外，與水結合，非極性端朝內(nèi)，有機溶劑包在與水結合，非極性端朝內(nèi)，有機溶劑包在液滴內(nèi)部，形成一個非極性的核心形成。液滴內(nèi)部，形成一個非極性的核心形成

11、。v正膠束水相是正膠束水相是連續(xù)相連續(xù)相，有機相是，有機相是分散相分散相。v酶催化反應時，酶在膠束外面的水溶液中，酶催化反應時，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，反應在疏水性的底物或產(chǎn)物在膠束內(nèi)部，反應在膠束的兩相界面中進行。膠束的兩相界面中進行。5、反膠束體系、反膠束體系反膠束是由水反膠束是由水/ /表面活性劑表面活性劑/ /有機溶劑所組成有機溶劑所組成的低水含量的油包水（的低水含量的油包水（W/OW/O）微乳液。）微乳液。v反向微團（反膠團）：疏水尾部向外，與非極反向微團（反膠團）：疏水尾部向外，與非極性的有機溶劑接觸；極性頭部向內(nèi)，形成一個性的有機溶劑接觸；極性頭部向

12、內(nèi)，形成一個極性核。極性核。v反膠團內(nèi)核可增溶水分子，形成水核，顆粒直反膠團內(nèi)核可增溶水分子，形成水核，顆粒直徑小于徑小于 100 nm100 nm時，稱為反膠團。時，稱為反膠團。v反膠束微粒的大小取決于反膠束的含水量反膠束微粒的大小取決于反膠束的含水量（W W0 0），），W W0 0的定義為反膠束中水分子數(shù)與表的定義為反膠束中水分子數(shù)與表面活性劑分子數(shù)之比，也即有機溶劑中水面活性劑分子數(shù)之比，也即有機溶劑中水的摩爾濃度與表面活性劑的摩爾濃度之比。的摩爾濃度與表面活性劑的摩爾濃度之比。v反膠束體系中的水通常分為反膠束體系中的水通常分為結合水結合水和和自由自由水水，結合水是指位于反膠束內(nèi)部形成

13、水池，結合水是指位于反膠束內(nèi)部形成水池的那部分水；自由水即為存在于水相中的的那部分水；自由水即為存在于水相中的那部分水。那部分水。二、水對微水介質中酶催化的影響二、水對微水介質中酶催化的影響1 1、水的作用、水的作用 水分子直接或間接地通過氫鍵、疏水鍵及水分子直接或間接地通過氫鍵、疏水鍵及范德華力維持酶催化活性所必需的構象。范德華力維持酶催化活性所必需的構象。必需水：必需水：緊緊吸附在酶分子表面，維持酶催緊緊吸附在酶分子表面，維持酶催化活性所必需的最少量水?；钚运匦璧淖钌倭克?。 水是導致酶的熱失活的重要因素，有水存水是導致酶的熱失活的重要因素，有水存在時，隨著溫度的升高，酶分子會發(fā)生以在時

14、，隨著溫度的升高，酶分子會發(fā)生以下變化而失活：下變化而失活： 形成不規(guī)則結構形成不規(guī)則結構 二硫鍵受到破壞二硫鍵受到破壞 天冬酰胺和谷氨酰胺水解轉化成相應的天天冬酰胺和谷氨酰胺水解轉化成相應的天冬氨酸和谷氨酸冬氨酸和谷氨酸 天冬氨酸肽鍵發(fā)生水解天冬氨酸肽鍵發(fā)生水解2、水活度、水活度 有機介質體系中，酶的催化活性隨著結合水量的有機介質體系中，酶的催化活性隨著結合水量的增加而提高。在結合水量不變的條件下，體系中增加而提高。在結合水量不變的條件下，體系中水含量的變化對酶的催化活性影響不大。因此，水含量的變化對酶的催化活性影響不大。因此，認為在有機介質體系中，結合水是影響酶催化活認為在有機介質體系中，

15、結合水是影響酶催化活性的關鍵因素。性的關鍵因素。 Aw Aw：在一定的溫度和壓力下，反應體系的水蒸氣：在一定的溫度和壓力下，反應體系的水蒸氣壓和純水的蒸汽壓之比，直接反應了酶分子上水壓和純水的蒸汽壓之比，直接反應了酶分子上水的多少。的多少。PoPAw 采用采用Aw作為研究參數(shù)有幾個要點作為研究參數(shù)有幾個要點 AwAw的大小直接反映出酶分子結合水分的多的大小直接反映出酶分子結合水分的多少，與體系水含量及所用溶劑無關少，與體系水含量及所用溶劑無關 低水溶劑體系是一個涉及固相（酶和載低水溶劑體系是一個涉及固相（酶和載體）、液相（含底物的溶劑）和氣相（液體）、液相（含底物的溶劑）和氣相（液面上部的空間

16、）的多相體系，當體系處于面上部的空間）的多相體系，當體系處于平衡狀態(tài)時，各相的平衡狀態(tài)時，各相的AwAw也相等。也相等。體系中水含量的有效控制方法體系中水含量的有效控制方法 在反應的初期向反應體系添加適量的水在反應的初期向反應體系添加適量的水 將酶、底物和溶劑分別在飽和鹽溶液形成將酶、底物和溶劑分別在飽和鹽溶液形成的氣相環(huán)境中進行預平衡。的氣相環(huán)境中進行預平衡。 敞口自由揮發(fā)法敞口自由揮發(fā)法 向反應體系中通惰性氣體或干燥空氣帶走向反應體系中通惰性氣體或干燥空氣帶走反應過程中產(chǎn)生的多余的水反應過程中產(chǎn)生的多余的水 滲透蒸發(fā)法滲透蒸發(fā)法 水合鹽對法水合鹽對法3、影響反應體系需水量的因素、影響反應體

17、系需水量的因素a a不同酶需水量不同不同酶需水量不同b. b. 同一種酶在不同有機溶劑中需水量不同同一種酶在不同有機溶劑中需水量不同溶劑疏水性越強，需水量越少溶劑疏水性越強，需水量越少三、有機溶劑對微水介質中酶催化的影響三、有機溶劑對微水介質中酶催化的影響有機溶劑有機溶劑 水溶性：甲醇、乙醇、丙酮等水溶性：甲醇、乙醇、丙酮等 水不溶性：石油醚、己烷、苯等水不溶性：石油醚、己烷、苯等1、有機溶劑對酶結構的影響、有機溶劑對酶結構的影響 有機溶劑與酶直接發(fā)生作用，通過干擾氫有機溶劑與酶直接發(fā)生作用，通過干擾氫鍵和疏水鍵等改變酶的構象，從而導致酶鍵和疏水鍵等改變酶的構象，從而導致酶的活性被抑制或失活。

18、的活性被抑制或失活。 有機溶劑和能擴散的底物或反應產(chǎn)物相互有機溶劑和能擴散的底物或反應產(chǎn)物相互作用，影響正常反應的進行。作用，影響正常反應的進行。 有機溶劑還可以直接和酶分子周圍的水相有機溶劑還可以直接和酶分子周圍的水相互作用?；プ饔?。第三節(jié)第三節(jié) 酶在有機介質中的催化特性酶在有機介質中的催化特性1 1、底物專一性、底物專一性 酶在水溶液中進行催化反應，具有高度的酶在水溶液中進行催化反應，具有高度的底物專一性，或稱為底物專一性，或稱為底物特異性底物特異性，是酶催，是酶催化反應的顯著特點之一。在有機介質中，化反應的顯著特點之一。在有機介質中，由于酶分子活性中心的結合部位和底物之由于酶分子活性中心

19、的結合部位和底物之間的結合狀態(tài)發(fā)生變化，致使酶的底物特間的結合狀態(tài)發(fā)生變化，致使酶的底物特異性發(fā)生改變。異性發(fā)生改變。2、對應體選擇性、對應體選擇性 酶的對應體的選擇性又稱為立體選擇性或酶的對應體的選擇性又稱為立體選擇性或立體異構專一性，是酶在對稱的外消旋化立體異構專一性，是酶在對稱的外消旋化合物中識別一種異構體能力大小的指標。合物中識別一種異構體能力大小的指標。3、區(qū)域選擇性、區(qū)域選擇性 酶在有機介質中進行催化時，具有區(qū)域選酶在有機介質中進行催化時，具有區(qū)域選擇性，即酶能夠選擇底物分子中某一區(qū)域擇性，即酶能夠選擇底物分子中某一區(qū)域的基團優(yōu)先進行反應。的基團優(yōu)先進行反應。4、鍵的選擇性、鍵的選

20、擇性 酶在有機介質中進行催化的另一個顯著特酶在有機介質中進行催化的另一個顯著特點是化學鍵的選擇性，即在同一底物分子點是化學鍵的選擇性，即在同一底物分子中有中有2 2個以上的化學鍵都可以與酶反應時，個以上的化學鍵都可以與酶反應時，酶對其中一個化學鍵優(yōu)先進行反應。酶對其中一個化學鍵優(yōu)先進行反應。5、熱穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性v許多酶在有機介質中熱穩(wěn)定性比在水溶液許多酶在有機介質中熱穩(wěn)定性比在水溶液中更好。中更好。v在有機介質中，酶的熱穩(wěn)定性之所以增加，在有機介質中，酶的熱穩(wěn)定性之所以增加，可能是由于有機介質中缺乏酶分子變性失可能是由于有機介質中缺乏酶分子變性失活的水分子所致?；畹乃肿铀隆?、pH“記憶

21、記憶”與與pH“忘記忘記” 在有機介質反應中，酶所處的在有機介質反應中，酶所處的pHpH環(huán)境與酶環(huán)境與酶的凍干或吸附到載體之前所使用的的凍干或吸附到載體之前所使用的pHpH值相值相同，這種現(xiàn)象稱為同，這種現(xiàn)象稱為pH“pH“印記印記”或或pH“pH“記記憶憶”。第四節(jié)第四節(jié) 反膠束體系的酶學研究反膠束體系的酶學研究 反膠束酶催化體系反膠束酶催化體系是指在非極性有機溶劑是指在非極性有機溶劑中，酶分子溶解在由表面活性劑形成的含中，酶分子溶解在由表面活性劑形成的含水反向膠團內(nèi)催化底物的轉化。水反向膠團內(nèi)催化底物的轉化。一、反膠束的形成和酶的包覆一、反膠束的形成和酶的包覆 當體系中水和有機溶劑同時存在

22、時，兩性當體系中水和有機溶劑同時存在時，兩性表面活性劑分子溶解于有機溶劑，并能夠表面活性劑分子溶解于有機溶劑，并能夠增溶一定量的水，隨水增溶一定量的水，隨水/ /表面活性劑表面活性劑/ /有機有機溶劑三相濃度不同，會形成球狀或橢球狀溶劑三相濃度不同，會形成球狀或橢球狀的膠束，形成所謂的的膠束，形成所謂的“油包水油包水”的結構，的結構，即反膠束。即反膠束。二、反膠束體系的制備方法二、反膠束體系的制備方法（1 1）注入法：）注入法：將含有酶的水相注入到含有表將含有酶的水相注入到含有表面活性劑的有機相中。面活性劑的有機相中。（2 2）液體萃取法：）液體萃取法：將含酶的水相與含表面活將含酶的水相與含表

23、面活性劑的有機相直接接觸。性劑的有機相直接接觸。（3 3）固體萃取相：）固體萃取相：將酶的固體粉末與含水的將酶的固體粉末與含水的反膠束有機溶劑一起攪拌。反膠束有機溶劑一起攪拌。三、反膠束體系的酶催化特性三、反膠束體系的酶催化特性酶在反膠束體系中的活力決定因素：酶在反膠束體系中的活力決定因素： 核心水團的大小核心水團的大小 表面活性劑的種類表面活性劑的種類 反膠束微粒的濃度反膠束微粒的濃度第五節(jié)第五節(jié) 有機介質中酶催化反應及應用有機介質中酶催化反應及應用 酶在有機介質中可以催化多種反應，主要包括：合成反應、酶在有機介質中可以催化多種反應，主要包括：合成反應、轉移反應、醇解反應、氨解反應、異構反應

24、、氧化還原反轉移反應、醇解反應、氨解反應、異構反應、氧化還原反應、裂合反應等。應、裂合反應等。主要應控制的條件有主要應控制的條件有 酶的種類和濃度酶的種類和濃度 底物的種類和濃度底物的種類和濃度 有機溶劑的種類有機溶劑的種類 水含量水含量 溫度溫度 pHpH 離子強度離子強度一、有機介質中酶催化反應的類型一、有機介質中酶催化反應的類型1 1、轉移反應、轉移反應R1-COOR2+ R3-COOH R1-COOR3 + R3-COOH 2 2、醇解反應、醇解反應3 3、合成反應、合成反應4 4、氧化還原反應、氧化還原反應5 5、裂合反應、裂合反應二、有機介質中酶催化反應的應用二、有機介質中酶催化反

25、應的應用1 1、手性高分子聚合物的制備、手性高分子聚合物的制備 手性化合物：是指化學組成相同，而其立體結構手性化合物：是指化學組成相同，而其立體結構互為對映體的兩種異構體化合物?；閷τ丑w的兩種異構體化合物。手性藥物兩種對應體的藥效差異手性藥物兩種對應體的藥效差異v一種有顯著療效，另一種有療效弱或無效一種有顯著療效，另一種有療效弱或無效v一種有顯著療效，另一種有毒副作用一種有顯著療效，另一種有毒副作用v兩種對映體的藥效相反兩種對映體的藥效相反v兩種對映體具有各自不同的藥效兩種對映體具有各自不同的藥效v兩種消旋體的作用具有互補性兩種消旋體的作用具有互補性（1）聚酯的合成）聚酯的合成 利用脂肪酶在甲苯、四氫呋喃、乙腈等有利用脂肪酶在甲苯、四氫呋喃、乙腈等有機介質中的催化作用聚合選定的有機酸和機介質中的催化作用聚合選定的有機酸和醇，可得可生物降解的聚酯。醇，可得可生物降解的聚酯。（2）糖酯的合成）糖酯的合成 糖脂是一類糖和酯類聚合而成的有重要應糖脂是一類糖和酯類聚合而成的有重要應用價值的可生物降解聚合物。用價值的可生物降解聚合物。二、食品添加劑的生產(chǎn)二、食品添加劑的生產(chǎn)（1 1）利用脂肪酶或酯酶的催化作用生產(chǎn)所需）利用脂肪酶或酯酶的催化作用生產(chǎn)所需的酯類。的酯類。（2 2）利用嗜熱菌蛋白酶生產(chǎn)天苯肽）利用嗜熱菌蛋白酶生產(chǎn)天苯肽（3 3）利用芳香醛脫氫酶催化香蘭酸生