酶的固定化技術(shù)PPT課件

1、觀念的改變觀念的改變 有關(guān)酶的催化理論是基于酶在水溶液中的催化有關(guān)酶的催化理論是基于酶在水溶液中的催化反應(yīng)建立起來(lái)的。反應(yīng)建立起來(lái)的。 近年來(lái)，進(jìn)行了非水介質(zhì)的酶結(jié)構(gòu)與功能、酶近年來(lái)，進(jìn)行了非水介質(zhì)的酶結(jié)構(gòu)與功能、酶作用機(jī)制、酶作用動(dòng)力學(xué)的研究，建立起非水作用機(jī)制、酶作用動(dòng)力學(xué)的研究，建立起非水酶學(xué)（酶學(xué)（non-aqueous enzymology)non-aqueous enzymology)。第1頁(yè)/共102頁(yè)觀念的改變觀念的改變新酶促反應(yīng)體系新酶促反應(yīng)體系的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn), ,拓寬了酶催化反應(yīng)的應(yīng)用范圍拓寬了酶催化反應(yīng)的應(yīng)用范圍, ,使使酶法合成逐步發(fā)展成為與化學(xué)法合成相互補(bǔ)充的合成方法酶

2、法合成逐步發(fā)展成為與化學(xué)法合成相互補(bǔ)充的合成方法; ;Margolin Margolin 等研究了在等研究了在無(wú)水吡啶無(wú)水吡啶中以枯草桿菌蛋白酶為催化中以枯草桿菌蛋白酶為催化劑的選擇性酰化反應(yīng)該反應(yīng)可以得到劑的選擇性?；磻?yīng)該反應(yīng)可以得到1 1 位選擇性?；a(chǎn)物位選擇性?；a(chǎn)物; ;傳統(tǒng)的化學(xué)法是無(wú)法區(qū)分這些二級(jí)羥基的傳統(tǒng)的化學(xué)法是無(wú)法區(qū)分這些二級(jí)羥基的,顯示了酶法合成的顯示了酶法合成的優(yōu)越性優(yōu)越性.第2頁(yè)/共102頁(yè)非水溶劑（有機(jī)介質(zhì)）中酶催化的研究非水溶劑（有機(jī)介質(zhì)）中酶催化的研究2020世紀(jì)初，世紀(jì)初，BourquelotBourquelot等人，將微量乙醇、丙酮類有等人，將微量乙醇、丙

3、酮類有機(jī)溶劑加到酶的水溶液中，酶有活性，但比水溶液中機(jī)溶劑加到酶的水溶液中，酶有活性，但比水溶液中低得多低得多19661966年以來(lái)，年以來(lái)，Dostoli Dostoli 和和SiegelSiegel分別報(bào)道胰凝乳蛋白分別報(bào)道胰凝乳蛋白酶和辣根過(guò)氧化物酶在幾種非極性有機(jī)溶劑中具有催酶和辣根過(guò)氧化物酶在幾種非極性有機(jī)溶劑中具有催化活力化活力1975-19831975-1983年，年，BucklandBuckland和和MartinekMartinek等探討了微生物等探討了微生物細(xì)胞、游離酶和固定化酶在有機(jī)溶劑中合成脂和類固細(xì)胞、游離酶和固定化酶在有機(jī)溶劑中合成脂和類固醇及緇醇轉(zhuǎn)化醇及緇醇轉(zhuǎn)化1

4、9841984年年KlibanovKlibanov在在ScienceScience上發(fā)表關(guān)于酶在有機(jī)上發(fā)表關(guān)于酶在有機(jī)介質(zhì)中催化條件和特點(diǎn)的綜述，標(biāo)志著該領(lǐng)域的研究介質(zhì)中催化條件和特點(diǎn)的綜述，標(biāo)志著該領(lǐng)域的研究取得突破性進(jìn)展取得突破性進(jìn)展第3頁(yè)/共102頁(yè)酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化的確立19841984年美國(guó)年美國(guó)Klibanov A.M.Klibanov A.M.在在Science上上發(fā)表了一篇關(guān)于酶在有機(jī)介質(zhì)中催化發(fā)表了一篇關(guān)于酶在有機(jī)介質(zhì)中催化條件和特點(diǎn)的綜述，在僅含微量水的條件和特點(diǎn)的綜述，在僅含微量水的有機(jī)介質(zhì)中成功酶促合成了酯、肽、有機(jī)介質(zhì)中成功酶促合成了酯、肽、手性醇等許多有機(jī)化合物。

5、手性醇等許多有機(jī)化合物。Klibanov A.M.結(jié)論：只要條件合適，酶可在非生物體系的疏水介質(zhì)中催只要條件合適，酶可在非生物體系的疏水介質(zhì)中催化天然或非天然的疏水性底物和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，酶可化天然或非天然的疏水性底物和產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，酶可在水與有機(jī)劑互溶體系、水與有機(jī)劑量組成的雙液在水與有機(jī)劑互溶體系、水與有機(jī)劑量組成的雙液相體系、僅含微量水或幾乎無(wú)水的有機(jī)劑中表現(xiàn)出相體系、僅含微量水或幾乎無(wú)水的有機(jī)劑中表現(xiàn)出催化活性。催化活性。第4頁(yè)/共102頁(yè)為什么酶在有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出催化活性？通過(guò)酶在水相和有機(jī)相中的結(jié)構(gòu)比較，通過(guò)酶在水相和有機(jī)相中的結(jié)構(gòu)比較，證實(shí)了在有機(jī)相中酶能夠保持其整體證實(shí)了在有機(jī)相中酶

6、能夠保持其整體結(jié)構(gòu)的完整性，至少是酶活性部位與結(jié)構(gòu)的完整性，至少是酶活性部位與水溶液中的結(jié)構(gòu)是相同的。水溶液中的結(jié)構(gòu)是相同的。不同介質(zhì)中酶活性中心的完整性相差不同介質(zhì)中酶活性中心的完整性相差不大，但酶活力卻相差不大，但酶活力卻相差4 4個(gè)數(shù)量級(jí)。個(gè)數(shù)量級(jí)。因此認(rèn)為酶分子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化很可因此認(rèn)為酶分子結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化很可能是主要因素能是主要因素. .北口博司認(rèn)為酶分子的北口博司認(rèn)為酶分子的“緊密緊密”和和“開(kāi)啟開(kāi)啟”兩種狀態(tài)處于一種可動(dòng)平衡兩種狀態(tài)處于一種可動(dòng)平衡中，表現(xiàn)出一定柔性。中，表現(xiàn)出一定柔性。有機(jī)溶劑中酶分子和水合作用、蛋白有機(jī)溶劑中酶分子和水合作用、蛋白質(zhì)柔性和酶活力之間和關(guān)系比過(guò)去

7、的質(zhì)柔性和酶活力之間和關(guān)系比過(guò)去的認(rèn)識(shí)要復(fù)雜得多。認(rèn)識(shí)要復(fù)雜得多。酶結(jié)合水酶結(jié)合水酶酶水或有機(jī)劑水或有機(jī)劑第5頁(yè)/共102頁(yè)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受非水介質(zhì)的影響，其催化特性與在水相中不同受非水介質(zhì)的影響，其催化特性與在水相中不同酶的非水相催化類型主要包括酶的非水相催化類型主要包括: :o 一、有機(jī)介質(zhì)的酶催化；一、有機(jī)介質(zhì)的酶催化；o 二、氣相介質(zhì)的酶催化；二、氣相介質(zhì)的酶催化；o 三、超臨界流體介質(zhì)中的酶催化；三、超臨界流體介質(zhì)中的酶催化；o 四、離子液介質(zhì)中的酶催化四、離子液介質(zhì)中的酶催化go第6頁(yè)/共102頁(yè)有機(jī)介質(zhì)的酶催化有機(jī)介質(zhì)的酶催化 指酶在含

8、有一定水的有機(jī)溶劑中進(jìn)行催化反應(yīng)指酶在含有一定水的有機(jī)溶劑中進(jìn)行催化反應(yīng); ; 適用范圍適用范圍: :底物或產(chǎn)物或其一為疏水性物質(zhì)的酶催化作用底物或產(chǎn)物或其一為疏水性物質(zhì)的酶催化作用; ; 原因原因: :酶在有機(jī)相中能保持結(jié)構(gòu)的完整酶在有機(jī)相中能保持結(jié)構(gòu)的完整; ; 特性特性: :酶的底物特異性、立體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性、熱穩(wěn)定性等有所改變；酶的底物特異性、立體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性、熱穩(wěn)定性等有所改變； 應(yīng)用：多肽、酯類、甾體轉(zhuǎn)化、功能高分子合成、手性藥物拆分的研究。應(yīng)用：多肽、酯類、甾體轉(zhuǎn)化、功能高分子合成、手性藥物拆分的研究。第7頁(yè)/共102頁(yè)如多酚氧化酶催化酚類物質(zhì)的氧化

9、反應(yīng)：如多酚氧化酶催化酚類物質(zhì)的氧化反應(yīng)：水果、蔬菜的褐變就是由于果蔬類中含酚類物質(zhì)和多酚氧化水果、蔬菜的褐變就是由于果蔬類中含酚類物質(zhì)和多酚氧化酶，破損時(shí)與氧氣接觸，發(fā)生上述反應(yīng)而變?yōu)楹稚?。因此，酶，破損時(shí)與氧氣接觸，發(fā)生上述反應(yīng)而變?yōu)楹稚?。因此，在水相中無(wú)法得到鄰醌類化合物或鄰酚類物質(zhì)；在水相中無(wú)法得到鄰醌類化合物或鄰酚類物質(zhì)；但在氯仿中酶催化反應(yīng)生成的鄰醌類化合物不易發(fā)生聚合，但在氯仿中酶催化反應(yīng)生成的鄰醌類化合物不易發(fā)生聚合，從而可得到鄰醌類化合物。因此研究非水相酶催化反應(yīng)很有從而可得到鄰醌類化合物。因此研究非水相酶催化反應(yīng)很有必要。必要。 第8頁(yè)/共102頁(yè)氣相介質(zhì)的酶催化氣相介質(zhì)的

10、酶催化 指酶在氣相介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)；指酶在氣相介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)； 適用范圍：底物是氣體或能轉(zhuǎn)化為氣體的物質(zhì)；適用范圍：底物是氣體或能轉(zhuǎn)化為氣體的物質(zhì)； 特性：氣體介質(zhì)密度低，擴(kuò)散容易；與在水相中明顯不同；特性：氣體介質(zhì)密度低，擴(kuò)散容易；與在水相中明顯不同；第9頁(yè)/共102頁(yè)有優(yōu)于液相反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)有優(yōu)于液相反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)：某些酶在液相中使用受到一：某些酶在液相中使用受到一定的限制，如酶和輔酶的操作不穩(wěn)定性，底物及產(chǎn)物定的限制，如酶和輔酶的操作不穩(wěn)定性，底物及產(chǎn)物的不溶性和酶的活性被產(chǎn)物抑制等，而氣相中的反應(yīng)的不溶性和酶的活性被產(chǎn)物抑制等，而氣相中的反應(yīng)就可以克服這些缺點(diǎn)，而且氣相中的酶促反應(yīng)更利于

11、就可以克服這些缺點(diǎn)，而且氣相中的酶促反應(yīng)更利于易揮發(fā)性產(chǎn)品的生產(chǎn)；易揮發(fā)性產(chǎn)品的生產(chǎn)；Hwang Hwang 等研究了固定化醇氧化酶在氣相中的催化反應(yīng)等研究了固定化醇氧化酶在氣相中的催化反應(yīng)生物酶用于氣相催化不適用于糖氨基酸等不易揮發(fā)的底物生物酶用于氣相催化不適用于糖氨基酸等不易揮發(fā)的底物但它將來(lái)可用于某些易揮發(fā)產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)以及有害氣體但它將來(lái)可用于某些易揮發(fā)產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)以及有害氣體的分析和處理的分析和處理Back第10頁(yè)/共102頁(yè)超臨界流體介質(zhì)中的酶催化超臨界流體介質(zhì)中的酶催化酶在超臨界流體中進(jìn)行催化反應(yīng)；酶在超臨界流體中進(jìn)行催化反應(yīng)；超臨界流體超臨界流體指溫度和壓力超過(guò)臨界點(diǎn)的流體；

12、指溫度和壓力超過(guò)臨界點(diǎn)的流體；supercriticalsupercritical狀態(tài)，簡(jiǎn)稱狀態(tài)，簡(jiǎn)稱SC SC 狀態(tài)；狀態(tài)； 由于黏度、介電常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和溶解能力都與密度有關(guān)，由于黏度、介電常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和溶解能力都與密度有關(guān)，因此可以方便地通過(guò)調(diào)節(jié)壓力來(lái)控制超臨界流體的物理化因此可以方便地通過(guò)調(diào)節(jié)壓力來(lái)控制超臨界流體的物理化學(xué)性質(zhì)。學(xué)性質(zhì)。與常用的有機(jī)溶劑相比，超臨界流體特別是與常用的有機(jī)溶劑相比，超臨界流體特別是SCCOSCCO、SCHSCH2 2O O還是一種環(huán)境友好的溶劑。還是一種環(huán)境友好的溶劑。要求：要求：超臨界流體對(duì)酶結(jié)構(gòu)無(wú)破壞；具良好化學(xué)穩(wěn)定性；超臨界流體對(duì)酶結(jié)構(gòu)無(wú)破壞；具良

13、好化學(xué)穩(wěn)定性；溫度不可太高太低；壓力不可太高；易獲得等。溫度不可太高太低；壓力不可太高；易獲得等。常用的超臨界流體有：常用的超臨界流體有：COCO2 2, SO, SO2 2 C C2 2H H4 4, C, C2 2H H6 6 C C3 3H H8 8 C C4 4H H1010 等。等。第11頁(yè)/共102頁(yè)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1)1)與水相比較，脂溶性反應(yīng)物和產(chǎn)物可溶于超臨界與水相比較，脂溶性反應(yīng)物和產(chǎn)物可溶于超臨界COCO中，而酶作為中，而酶作為蛋白質(zhì)不溶解，有利于三者的分離；蛋白質(zhì)不溶解，有利于三者的分離；2)2)產(chǎn)品回收時(shí)，不需要處理大量的稀水溶液，可解決環(huán)境污染問(wèn)題；產(chǎn)品回收時(shí)，不需要處

14、理大量的稀水溶液，可解決環(huán)境污染問(wèn)題；3)3)與有機(jī)溶劑體系相比，與有機(jī)溶劑體系相比，COCO無(wú)毒，不燃燒、廉價(jià)、無(wú)有機(jī)溶劑殘留無(wú)毒，不燃燒、廉價(jià)、無(wú)有機(jī)溶劑殘留之虞；之虞；4)CO4)CO超臨界體系超臨界體系具有氣體的高擴(kuò)散系數(shù)、低粘度和低表面張力使底具有氣體的高擴(kuò)散系數(shù)、低粘度和低表面張力使底物向酶的傳質(zhì)速度加快從而使反應(yīng)速度提高物向酶的傳質(zhì)速度加快從而使反應(yīng)速度提高，且在臨界點(diǎn)附近，溶解，且在臨界點(diǎn)附近，溶解能力和介電常數(shù)對(duì)溫度和壓力敏感，故反應(yīng)速度提高。亦可以控制反能力和介電常數(shù)對(duì)溫度和壓力敏感，故反應(yīng)速度提高。亦可以控制反應(yīng)速率和反應(yīng)平衡；應(yīng)速率和反應(yīng)平衡；5)5)可簡(jiǎn)化產(chǎn)物的分離，

15、有可能將反應(yīng)和分離過(guò)程耦合?？珊?jiǎn)化產(chǎn)物的分離，有可能將反應(yīng)和分離過(guò)程耦合。已對(duì)已對(duì)1010多種酶反應(yīng)進(jìn)行了研究，主要是酯化反應(yīng)、酯交換反應(yīng)、酯水多種酶反應(yīng)進(jìn)行了研究，主要是酯化反應(yīng)、酯交換反應(yīng)、酯水解反應(yīng)和氧化反應(yīng)。反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)溫度低于解反應(yīng)和氧化反應(yīng)。反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)溫度低于5050Back第12頁(yè)/共102頁(yè)離子液介質(zhì)中的酶催化離子液介質(zhì)中的酶催化 指酶在離子液中進(jìn)行催化作用；指酶在離子液中進(jìn)行催化作用； 離子液離子液Ionic liquids (ILs)是有機(jī)陽(yáng)離子、有機(jī)陰離子在室溫下呈液態(tài)是有機(jī)陽(yáng)離子、有機(jī)陰離子在室溫下呈液態(tài)低熔點(diǎn)鹽類，揮發(fā)性好，穩(wěn)定性好；低熔點(diǎn)鹽類，揮發(fā)性好

16、，穩(wěn)定性好； 特性：酶在其中有良好的穩(wěn)定性、區(qū)域選擇性、立體選擇性、鍵選特性：酶在其中有良好的穩(wěn)定性、區(qū)域選擇性、立體選擇性、鍵選擇性。擇性。第13頁(yè)/共102頁(yè)總 結(jié) 在酶非水相催化中研究最多的是有機(jī)溶劑在酶非水相催化中研究最多的是有機(jī)溶劑; ; 1984.Kilibanov1984.Kilibanov指出酶可在水與有機(jī)溶劑互溶體系、或組成的兩相體系、或微水體指出酶可在水與有機(jī)溶劑互溶體系、或組成的兩相體系、或微水體系中進(jìn)行催化；系中進(jìn)行催化； 包括水解酶、氧化還原酶、醛縮酶等十幾種酶均可在有機(jī)劑中催化；包括水解酶、氧化還原酶、醛縮酶等十幾種酶均可在有機(jī)劑中催化； 非水酶學(xué)與非水介質(zhì)中酶催化

17、應(yīng)用取得了顯著效果。非水酶學(xué)與非水介質(zhì)中酶催化應(yīng)用取得了顯著效果。第14頁(yè)/共102頁(yè)第二節(jié)第二節(jié)有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對(duì)酶催化反應(yīng)的影響對(duì)酶催化反應(yīng)的影響go第15頁(yè)/共102頁(yè)一、有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系 1 1、微水介質(zhì)體系；、微水介質(zhì)體系； 2 2、與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系；、與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系； 3 3、與水不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系；、與水不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系； 4 4、（正）膠束體系；、（正）膠束體系； 5 5、反膠束體系。、反膠束體系。第16頁(yè)/共102頁(yè)1 1、微水介質(zhì)體系、微水介質(zhì)體系 是有機(jī)溶劑和微量水組成的反應(yīng)體系是

18、有機(jī)溶劑和微量水組成的反應(yīng)體系; ; 微量水主要是酶分子結(jié)合水微量水主要是酶分子結(jié)合水, ,對(duì)維持酶分子空對(duì)維持酶分子空間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重要間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重要; ; 另一部分水分配在有機(jī)溶劑中另一部分水分配在有機(jī)溶劑中; ; 酶以凍干粉或固定化酶的形式懸浮于有機(jī)介質(zhì)酶以凍干粉或固定化酶的形式懸浮于有機(jī)介質(zhì)中中; ; 是常見(jiàn)的有機(jī)反應(yīng)體系是常見(jiàn)的有機(jī)反應(yīng)體系. .第17頁(yè)/共102頁(yè)2 2、與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系、與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系 由水與極性較大的有機(jī)溶劑互混組成；由水與極性較大的有機(jī)溶劑互混組成； 水與有機(jī)劑含量均較大；水與有機(jī)劑含量均較大； 適用的酶較少；適用

19、的酶較少； 辣根過(guò)氧化酶（辣根過(guò)氧化酶（HRPHRP）應(yīng)用：）應(yīng)用： 催化酚類或芳香胺類聚合成聚酚或聚胺類物，在環(huán)保黏合劑、導(dǎo)電聚催化酚類或芳香胺類聚合成聚酚或聚胺類物，在環(huán)保黏合劑、導(dǎo)電聚物、發(fā)光聚合物材料中有重要作用。物、發(fā)光聚合物材料中有重要作用。第18頁(yè)/共102頁(yè)3 3、與水不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系與水不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系 由水和疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑組成兩相或多相體系；由水和疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑組成兩相或多相體系； 游離酶、親水性底物溶于水相，疏水性底物或產(chǎn)物溶于有機(jī)相；游離酶、親水性底物溶于水相，疏水性底物或產(chǎn)物溶于有機(jī)相； 固定化酶在界面；固定化酶在界面；

20、 催化反應(yīng)在兩相界面進(jìn)行；催化反應(yīng)在兩相界面進(jìn)行； 適于底物或產(chǎn)物屬于疏水化合物的反應(yīng)。適于底物或產(chǎn)物屬于疏水化合物的反應(yīng)。第19頁(yè)/共102頁(yè)4 4、（正）膠束體系、（正）膠束體系大量水溶液中含少量與水不溶的有機(jī)溶劑，加入表面活性大量水溶液中含少量與水不溶的有機(jī)溶劑，加入表面活性劑形成水包油微小液滴；劑形成水包油微小液滴；表面活性劑極性端朝外表面活性劑極性端朝外,非極性端朝內(nèi)非極性端朝內(nèi),有機(jī)溶劑包在液滴有機(jī)溶劑包在液滴內(nèi)部?jī)?nèi)部;酶在水溶液中酶在水溶液中,疏水底物或產(chǎn)物在膠束內(nèi)疏水底物或產(chǎn)物在膠束內(nèi),反應(yīng)在膠束界面反應(yīng)在膠束界面進(jìn)行進(jìn)行.水相水相有機(jī)相有機(jī)相酶酶第20頁(yè)/共102頁(yè)5、反相膠

21、束體系 反相膠束反相膠束: : 在與水不互溶的在量有機(jī)溶劑中在與水不互溶的在量有機(jī)溶劑中, ,加入表面活性劑后形加入表面活性劑后形成的油包水的微小水滴；成的油包水的微小水滴； 19971997年首次報(bào)道酶在反相膠束中具有活性年首次報(bào)道酶在反相膠束中具有活性( (已發(fā)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)4040多種酶多種酶) )； 酶分子處在反膠束內(nèi)，穩(wěn)定性好；酶分子處在反膠束內(nèi)，穩(wěn)定性好； 反膠束與生物膜有相似之處，適于研究生物膜表面酶的結(jié)構(gòu)、催化反膠束與生物膜有相似之處，適于研究生物膜表面酶的結(jié)構(gòu)、催化特性、動(dòng)力學(xué)特性。特性、動(dòng)力學(xué)特性。水相有機(jī)相酶第21頁(yè)/共102頁(yè)不同類型的酶在反相膠束中的排布模型第22頁(yè)/共10

22、2頁(yè)二、水對(duì)有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響第23頁(yè)/共102頁(yè)水的影響水在酶催化反應(yīng)中發(fā)揮著雙重作用水在酶催化反應(yīng)中發(fā)揮著雙重作用: :一方面一方面, ,水分子直接或間接地通過(guò)氫鍵疏水鍵及范德華力等非共價(jià)鍵相互作用來(lái)維水分子直接或間接地通過(guò)氫鍵疏水鍵及范德華力等非共價(jià)鍵相互作用來(lái)維持酶的催化活性所必需的構(gòu)象持酶的催化活性所必需的構(gòu)象, ,與酶分子緊密結(jié)合的一層左右的水分子對(duì)酶的催化與酶分子緊密結(jié)合的一層左右的水分子對(duì)酶的催化活性是至關(guān)重要的活性是至關(guān)重要的, ,稱之為必需水稱之為必需水, ,不同酶與必需水結(jié)合的緊密程度及所結(jié)合的必不同酶與必需水結(jié)合的緊密程度及所結(jié)合的必需水?dāng)?shù)量是不同的需水?dāng)?shù)量是不同的

23、; ;第24頁(yè)/共102頁(yè)水的影響另一方面水是導(dǎo)致酶的熱失活的重要因素另一方面水是導(dǎo)致酶的熱失活的重要因素, ,有水存在時(shí)隨有水存在時(shí)隨著溫度的升高酶分子會(huì)發(fā)生以下變化而失活著溫度的升高酶分子會(huì)發(fā)生以下變化而失活: :(1)(1)形成不規(guī)則結(jié)構(gòu)形成不規(guī)則結(jié)構(gòu); ;(2)(2)二硫鍵受到破壞二硫鍵受到破壞; ;(3)(3)天冬酰胺和谷氨酰胺水解變?yōu)橄鄳?yīng)的天冬氨酸和谷氨天冬酰胺和谷氨酰胺水解變?yōu)橄鄳?yīng)的天冬氨酸和谷氨酸酸; ;(4)(4)天冬氨酸肽鍵發(fā)生水解天冬氨酸肽鍵發(fā)生水解. .因此在非水相酶反應(yīng)體系中存在著最佳含水量因此在非水相酶反應(yīng)體系中存在著最佳含水量, ,該最佳含該最佳含水量不僅取決于酶

24、的種類也與所選用的有機(jī)溶劑有關(guān)水量不僅取決于酶的種類也與所選用的有機(jī)溶劑有關(guān). .第25頁(yè)/共102頁(yè)1 1、水對(duì)酶分子空間構(gòu)象的影響 無(wú)水下酶空間構(gòu)象被破壞無(wú)水下酶空間構(gòu)象被破壞, ,故需一層水化層故需一層水化層; ; 必需水必需水: :維持酶分子完整空間構(gòu)象所必需的最低維持酶分子完整空間構(gòu)象所必需的最低水量水量; ; 不同的酶所需求的必需水的量差別較大不同的酶所需求的必需水的量差別較大; ; 每分子凝乳蛋白酶只需每分子凝乳蛋白酶只需5050分子的水，每分子多分子的水，每分子多酚氧化酶卻需酚氧化酶卻需3.53.5102個(gè)水分子 原因原因: :必需水是維持酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵、鹽鍵等必需水是維持酶

25、分子結(jié)構(gòu)中氫鍵、鹽鍵等副鍵所必需的。副鍵所必需的。第26頁(yè)/共102頁(yè)結(jié)合水含量結(jié)合水含量(%)(%)酶周圍水分子個(gè)酶周圍水分子個(gè)數(shù)數(shù)作作 用用07060有助于蛋白質(zhì)側(cè)鏈殘基的離子化725602207%水分子在其他極性部位形成簇，25%肽鍵的氨基被水合，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基本不變，酶活不變2538220300肽鍵羧基為主的極性部位完全水合，酶活隨含水量增加而增加。38300整個(gè)酶分子被一層單分子水層包圍酶活力是水溶液中的/10。第27頁(yè)/共102頁(yè)2.2.水對(duì)酶催化反應(yīng)速度的影響 典型的非水酶體系中水含量通常只占典型的非水酶體系中水含量通常只占0.01%0.01%，但，但其微小差距會(huì)導(dǎo)致酶催化活力的較

26、大改變。其微小差距會(huì)導(dǎo)致酶催化活力的較大改變。 水影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性、活性位點(diǎn)的極性水影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性、活性位點(diǎn)的極性和穩(wěn)定性。和穩(wěn)定性。第28頁(yè)/共102頁(yè)第29頁(yè)/共102頁(yè)有機(jī)溶劑中有機(jī)溶劑中 酶含水量酶含水量 最適水量，酶構(gòu)象過(guò)于最適水量，酶構(gòu)象過(guò)于“柔性柔性”，因變構(gòu)而失活；因變構(gòu)而失活；最適水量：最適水量：酶活性最大，保證酶的極性部位水合，表現(xiàn)酶酶活性最大，保證酶的極性部位水合，表現(xiàn)酶活力所必需蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)剛性和熱力學(xué)穩(wěn)定性之間活力所必需蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)剛性和熱力學(xué)穩(wěn)定性之間的最佳點(diǎn)平衡點(diǎn)，的最佳點(diǎn)平衡點(diǎn)，同一種酶，反應(yīng)系統(tǒng)的最適水量與有機(jī)溶劑的種類、酶的同一種酶

27、，反應(yīng)系統(tǒng)的最適水量與有機(jī)溶劑的種類、酶的純度、固定化酶的載體性質(zhì)核修飾性質(zhì)有關(guān)純度、固定化酶的載體性質(zhì)核修飾性質(zhì)有關(guān)第30頁(yè)/共102頁(yè)有機(jī)介質(zhì)中含兩類水：結(jié)合水、游離水；有機(jī)介質(zhì)中含兩類水：結(jié)合水、游離水；在結(jié)合水不變的條件下，體系含水量的變化對(duì)酶催化活性影響不在結(jié)合水不變的條件下，體系含水量的變化對(duì)酶催化活性影響不大；大；然而在一些體系中，溶劑和底物性質(zhì)對(duì)酶活力也有直接或間接影然而在一些體系中，溶劑和底物性質(zhì)對(duì)酶活力也有直接或間接影響；響；為了排除溶劑對(duì)最適含水量的影響，為了排除溶劑對(duì)最適含水量的影響，HallingHalling建議用水活度（建議用水活度（a aw w）描述有機(jī)介質(zhì)中酶

28、催化活力與水的關(guān)系：描述有機(jī)介質(zhì)中酶催化活力與水的關(guān)系：水活度：體系中水的逸度與純水逸度之比；水活度：體系中水的逸度與純水逸度之比；用體系中水蒸汽壓與相同條件下純水蒸汽壓之比表示用體系中水蒸汽壓與相同條件下純水蒸汽壓之比表示； Aw=P/PoAw=P/Po P P：一定條件下體系中水的蒸汽壓：一定條件下體系中水的蒸汽壓 Po:Po:相同條件下純水的蒸汽壓相同條件下純水的蒸汽壓水活度與溶劑極性大小無(wú)關(guān)，最適含水量與溶劑極性成正比，故水活度與溶劑極性大小無(wú)關(guān)，最適含水量與溶劑極性成正比，故采用水活度作參數(shù)更確切；采用水活度作參數(shù)更確切；3.3.水活度（activity of water)activ

29、ity of water)第31頁(yè)/共102頁(yè)三 有機(jī)溶劑對(duì)有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響第32頁(yè)/共102頁(yè)有機(jī)溶劑影響 有機(jī)溶劑主要通過(guò)以下三種途徑發(fā)生作用有機(jī)溶劑主要通過(guò)以下三種途徑發(fā)生作用: 一是有機(jī)溶劑與酶直接發(fā)生作用通過(guò)干擾氫鍵和疏水鍵一是有機(jī)溶劑與酶直接發(fā)生作用通過(guò)干擾氫鍵和疏水鍵等改變酶的構(gòu)象從而導(dǎo)致酶的活性被抑制或酶的失活等改變酶的構(gòu)象從而導(dǎo)致酶的活性被抑制或酶的失活; 二是有機(jī)溶劑和能擴(kuò)散的底物或反應(yīng)產(chǎn)物相互作用影響二是有機(jī)溶劑和能擴(kuò)散的底物或反應(yīng)產(chǎn)物相互作用影響正常反應(yīng)的進(jìn)行正常反應(yīng)的進(jìn)行; 三是有機(jī)溶劑還可以直接和酶分子周圍的水相互作用三是有機(jī)溶劑還可以直接和酶分子周圍的水相互

30、作用第33頁(yè)/共102頁(yè)1. 1. 有機(jī)溶劑對(duì)酶結(jié)構(gòu)與功能的影響在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，較在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，較好地保持其構(gòu)象；好地保持其構(gòu)象；有機(jī)溶劑中酶分子不能直接溶解，因此根據(jù)酶有機(jī)溶劑中酶分子不能直接溶解，因此根據(jù)酶分子特性與有機(jī)溶劑特性不同，其空間結(jié)構(gòu)的分子特性與有機(jī)溶劑特性不同，其空間結(jié)構(gòu)的保持也有不同。保持也有不同。有些酶在有機(jī)溶劑作用下，其結(jié)構(gòu)受到破壞；有些酶在有機(jī)溶劑作用下，其結(jié)構(gòu)受到破壞；有的酶分子則保持完整；有的酶分子則保持完整；第34頁(yè)/共102頁(yè)（1）有機(jī)溶劑對(duì)結(jié)合水的影響 一些相對(duì)親水性的有機(jī)溶劑能夠奪取酶表面的必需水而導(dǎo)致酶失活。一

31、些相對(duì)親水性的有機(jī)溶劑能夠奪取酶表面的必需水而導(dǎo)致酶失活。 酶失水的情況與溶劑的介電常數(shù)和疏水性參數(shù)有關(guān)。酶失水的情況與溶劑的介電常數(shù)和疏水性參數(shù)有關(guān)。 由于酶與溶劑競(jìng)爭(zhēng)水分子，體系的最適含水量與酶的用量及底物濃度有關(guān)。由于酶與溶劑競(jìng)爭(zhēng)水分子，體系的最適含水量與酶的用量及底物濃度有關(guān)。2. 2. 有機(jī)溶劑對(duì)酶活性的影響第35頁(yè)/共102頁(yè)（2）溶劑屬性(極性)與酶活力的定量關(guān)系酶在不同的有機(jī)溶劑中活力差別很大；酶在不同的有機(jī)溶劑中活力差別很大；研究最多的是酶活力與溶劑極性參數(shù)研究最多的是酶活力與溶劑極性參數(shù)lgPlgP之間的關(guān)系；之間的關(guān)系；P P：指溶劑在正辛烷與水兩相中的分配系數(shù)，：指溶劑

32、在正辛烷與水兩相中的分配系數(shù)，lgPlgP越大，極性越小；越大，極性越??；Laane Laane 的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：lgP2lgP4lgP4，酶具有較高活力，此類溶劑較理想，酶具有較高活力，此類溶劑較理想 。2lgP42lgP4，酶活力中等。，酶活力中等。第36頁(yè)/共102頁(yè)、溶劑對(duì)底物和產(chǎn)物分配的影響 溶劑能直接或間接地與底物和產(chǎn)物相互作用。溶劑能直接或間接地與底物和產(chǎn)物相互作用。 溶劑能改變酶分子必需水層中底物或產(chǎn)物的濃度。溶劑能改變酶分子必需水層中底物或產(chǎn)物的濃度。有機(jī)溶劑極性小，疏水性強(qiáng)，疏水性底物難于進(jìn)入必需水層；有機(jī)溶劑極性小，疏水性強(qiáng)，疏水性底物難于進(jìn)入必需水層；有機(jī)溶劑極

33、性過(guò)強(qiáng)，親水性強(qiáng)，疏水性底物在有機(jī)溶劑中溶解度太低；有機(jī)溶劑極性過(guò)強(qiáng)，親水性強(qiáng)，疏水性底物在有機(jī)溶劑中溶解度太低；故選擇故選擇2 2lgp5的有機(jī)溶劑作為有機(jī)介質(zhì)為宜。 YangYang等發(fā)現(xiàn)：溶劑對(duì)底物和產(chǎn)物的影響主要體現(xiàn)在底物和產(chǎn)物溶劑化上，從而影等發(fā)現(xiàn)：溶劑對(duì)底物和產(chǎn)物的影響主要體現(xiàn)在底物和產(chǎn)物溶劑化上，從而影響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)平衡。響反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)平衡。第37頁(yè)/共102頁(yè)第三節(jié)第三節(jié) 酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性 有機(jī)溶劑的存在有機(jī)溶劑的存在, ,改變了疏水相互作用的精細(xì)改變了疏水相互作用的精細(xì)平衡平衡, ,從而影響到酶的結(jié)合部位從而影響到酶的結(jié)合部位. .

34、 有機(jī)溶劑會(huì)改變底物存在狀態(tài)有機(jī)溶劑會(huì)改變底物存在狀態(tài). . 結(jié)果影響酶的穩(wěn)定性和酶的底物特異性結(jié)果影響酶的穩(wěn)定性和酶的底物特異性, ,立體立體選擇性選擇性, ,區(qū)域選擇性和化學(xué)鍵選擇性區(qū)域選擇性和化學(xué)鍵選擇性. .第38頁(yè)/共102頁(yè)一、底物專一性 有機(jī)介質(zhì)中酶活性中心結(jié)合部位與底物的結(jié)合有機(jī)介質(zhì)中酶活性中心結(jié)合部位與底物的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生改變狀態(tài)發(fā)生改變, ,致使酶的底物特異性發(fā)生改變致使酶的底物特異性發(fā)生改變; ; 水溶液中底物與酶活性中心結(jié)合靠疏水作用水溶液中底物與酶活性中心結(jié)合靠疏水作用; ; 有機(jī)介質(zhì)中有機(jī)溶劑與底物的疏水作用更強(qiáng)有機(jī)介質(zhì)中有機(jī)溶劑與底物的疏水作用更強(qiáng); ;N-乙酰-L

35、絲氨酸乙酯N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯疏水性疏水性: 介質(zhì)介質(zhì)水水辛烷辛烷蛋白酶蛋白酶水解速度水解速度底物底物第39頁(yè)/共102頁(yè)胰蛋白酶等蛋白酶在催化N-乙酰-L-絲氨酸乙酯和N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯的水解反應(yīng)時(shí)，酶在水溶液中催化苯丙氨酸乙酯水解的速度，比在同等條件下催化絲氨酸乙酯水解的速度高104倍；而在辛烷介質(zhì)中，催化絲氨酸乙酯水解的速度卻比催化苯丙氨酸乙酯水解的速度快20倍。請(qǐng)解釋上述現(xiàn)象 苯丙氨酸的疏水性比絲氨酸強(qiáng)，第40頁(yè)/共102頁(yè) 這是因?yàn)樵谒芤褐?，底物與酶分子活性中心的結(jié)合主要依靠疏水作用，疏水性較強(qiáng)的底物，容易與活性中心部位結(jié)合，催化反應(yīng)的速度較高，而苯丙氨酸的疏水性比絲

36、氨酸強(qiáng)，所以速度快。 而在有機(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)。結(jié)果疏水性較強(qiáng)的底物容易受有機(jī)溶劑的作用，反而影響其與酶分子活性中心的結(jié)合。）第41頁(yè)/共102頁(yè)底物專一性( (續(xù)) ) 不同的有機(jī)介質(zhì)，酶的底物專一性也不一樣；不同的有機(jī)介質(zhì)，酶的底物專一性也不一樣； 極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中, ,疏水性較強(qiáng)的底物易反疏水性較強(qiáng)的底物易反應(yīng)應(yīng); ; 極性較弱的有機(jī)溶劑中極性較弱的有機(jī)溶劑中, ,疏水性較弱的底物易反疏水性較弱的底物易反應(yīng)應(yīng); ;N-N-乙酰乙酰-L-L絲氨酸乙酯絲氨酸乙酯N-N-乙酰乙酰-L-L-苯丙氨酸乙酯苯丙氨酸乙酯疏水性疏水性

37、: 二氯甲烷二氯甲烷吡啶吡啶枯草桿菌蛋白酶枯草桿菌蛋白酶+丙醇丙醇(極性較強(qiáng)極性較強(qiáng))底物底物介質(zhì)介質(zhì)反應(yīng)速度反應(yīng)速度第42頁(yè)/共102頁(yè)二、對(duì)映體選擇性（enantioselectivity) 又稱立體選擇或立體異構(gòu)專一性，是酶在對(duì)稱的外消又稱立體選擇或立體異構(gòu)專一性，是酶在對(duì)稱的外消旋化合物中識(shí)別一種異構(gòu)體的能力大小指標(biāo)；旋化合物中識(shí)別一種異構(gòu)體的能力大小指標(biāo)；立體選擇系數(shù)越大，酶催化的對(duì)映體選擇性越強(qiáng)立體選擇系數(shù)越大，酶催化的對(duì)映體選擇性越強(qiáng)立體選擇系數(shù)：立體選擇系數(shù)：第43頁(yè)/共102頁(yè) 對(duì)映體選擇性對(duì)映體選擇性意義意義： 蛋白酶在水溶液中對(duì)蛋白酶在水溶液中對(duì)L-L-氨基酸起作用，而在

38、有機(jī)氨基酸起作用，而在有機(jī)介質(zhì)中可用介質(zhì)中可用D-D-氨基酸為底物合成手性藥物，有重氨基酸為底物合成手性藥物，有重要應(yīng)用。要應(yīng)用。第44頁(yè)/共102頁(yè)三、區(qū)域選擇性（regioselectivityregioselectivity） 酶能夠選擇性地催化底物分子中某個(gè)區(qū)域的基團(tuán)優(yōu)先發(fā)酶能夠選擇性地催化底物分子中某個(gè)區(qū)域的基團(tuán)優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)；用區(qū)域選擇系數(shù)生反應(yīng)；用區(qū)域選擇系數(shù)KrsKrs的大小衡量。的大小衡量。與立體選擇系數(shù)相似，用與立體選擇系數(shù)相似，用1 1、2 2代替構(gòu)型；代替構(gòu)型；反應(yīng)的位置選擇因子：反應(yīng)的位置選擇因子： K K1 1，2 2= =（k kcatcat/K/Km m) )1

39、1/ / （k kcatcat/K/Km m) )2 2例：1,4-二丁酰基-2-辛基苯丁醇脂肪酶轉(zhuǎn)脂反應(yīng)+甲苯甲苯乙腈乙腈K4，120.5第45頁(yè)/共102頁(yè)四、鍵選擇性（chemoselectivity) 即同一個(gè)底物分子中有即同一個(gè)底物分子中有2 2種以上化學(xué)鍵可與酶種以上化學(xué)鍵可與酶反應(yīng)，酶對(duì)其一優(yōu)先反應(yīng)；反應(yīng)，酶對(duì)其一優(yōu)先反應(yīng)；6-6-氨基氨基-1-1-已醇已醇黑曲霉脂肪酶黑曲霉脂肪酶毛霉脂肪酶毛霉脂肪酶羥基?；u基?；被；被；純?yōu)占優(yōu)意義：可在不需基團(tuán)保護(hù)下合成氨基醇脂；意義：可在不需基團(tuán)保護(hù)下合成氨基醇脂；第46頁(yè)/共102頁(yè)五、 熱力學(xué)穩(wěn)定性有機(jī)溶劑中酶的熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存

40、穩(wěn)定性都比水溶液中高；有機(jī)溶劑有機(jī)溶劑中酶的熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性都比水溶液中高；有機(jī)溶劑中酶的熱穩(wěn)定性還與介質(zhì)中水含量有關(guān)；中酶的熱穩(wěn)定性還與介質(zhì)中水含量有關(guān)；原因：可能是有機(jī)介質(zhì)中缺少引起酶變性的水分子；原因：可能是有機(jī)介質(zhì)中缺少引起酶變性的水分子；KlibanovKlibanov和和VolkinVolkin認(rèn)為：由于有機(jī)溶劑中缺少使酶熱失活的水分子，認(rèn)為：由于有機(jī)溶劑中缺少使酶熱失活的水分子，由水引起的蛋白質(zhì)熱失活的全過(guò)程難以進(jìn)行。由水引起的蛋白質(zhì)熱失活的全過(guò)程難以進(jìn)行。第47頁(yè)/共102頁(yè)六.pH.pH值特性 pHpH記憶，記憶，pHpH印記印記; ;有機(jī)溶劑中的酶能夠有機(jī)溶劑中的酶能夠

41、“記憶記憶”在冷在冷凍干燥或凍干燥或吸附到載體上之前所使用的緩沖液pH相同。 現(xiàn)象：脂肪酶催化三丁酸甘油與正庚醇的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，現(xiàn)象：脂肪酶催化三丁酸甘油與正庚醇的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，酶的反應(yīng)速度與其冷凍干燥前水溶液的的酶的反應(yīng)速度與其冷凍干燥前水溶液的的PHPH密切相關(guān)，密切相關(guān)，反應(yīng)的最適反應(yīng)的最適PHPH接近于水溶液中的最適接近于水溶液中的最適PHPH 原因：在有機(jī)溶劑中酶分子表面的必需水只要在特定原因：在有機(jī)溶劑中酶分子表面的必需水只要在特定的的PHPH和離子強(qiáng)度下，酶分子活性中心周圍的基因才能和離子強(qiáng)度下，酶分子活性中心周圍的基因才能處于最佳的離子化狀態(tài)當(dāng)酶分子從水溶液轉(zhuǎn)移到有機(jī)處于最佳的離子化狀

42、態(tài)當(dāng)酶分子從水溶液轉(zhuǎn)移到有機(jī)介質(zhì)時(shí)，原有的解離狀態(tài)不變，被保持在有機(jī)介質(zhì)中；介質(zhì)時(shí)，原有的解離狀態(tài)不變，被保持在有機(jī)介質(zhì)中； 有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的最適有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的最適phph通常與在水溶液的通常與在水溶液的pHpH接近；接近；第48頁(yè)/共102頁(yè) 在含有微量水的有機(jī)介質(zhì)中，采用有機(jī)緩沖液時(shí)，酶分子的pH印記特性不再起作用，即酶在冷凍干燥前緩沖液的pH狀態(tài)對(duì)酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化活性沒(méi)有什么影響，而主要受到有機(jī)相緩沖液的影響。第49頁(yè)/共102頁(yè)第四節(jié)第四節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的條件及其控制條件及其控制 酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化反應(yīng)受各種因素影響，主要有酶、底物、有

43、機(jī)酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化反應(yīng)受各種因素影響，主要有酶、底物、有機(jī)溶劑種類、水含量、溫度、溶劑種類、水含量、溫度、pHpH值和離子強(qiáng)度等。值和離子強(qiáng)度等。第50頁(yè)/共102頁(yè)一、有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的類型一、有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的類型1 1、合成反應(yīng)、合成反應(yīng)( (linklink) )2 2、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、轉(zhuǎn)移反應(yīng)(link)3 3、醇解反應(yīng)、醇解反應(yīng)(link)4 4、氨解反應(yīng)、氨解反應(yīng)(link)5 5、異構(gòu)反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)(link)6 6、氧化還原反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)(link)7 7、裂合反應(yīng)、裂合反應(yīng)(link)go第51頁(yè)/共102頁(yè)1、合成反應(yīng)有機(jī)介質(zhì)中水含量極微，可催化水解反應(yīng)的逆反應(yīng)

44、；有機(jī)介質(zhì)中水含量極微，可催化水解反應(yīng)的逆反應(yīng)；（1 1）脂肪酶或酯酶催化有機(jī)酸和醇進(jìn)行酯的合成反應(yīng)：）脂肪酶或酯酶催化有機(jī)酸和醇進(jìn)行酯的合成反應(yīng)：意義意義: :酶催化酯合成可合成手性化合物酶催化酯合成可合成手性化合物, ,且酶的立體選擇性主且酶的立體選擇性主要是選擇立體異構(gòu)的醇要是選擇立體異構(gòu)的醇. .第52頁(yè)/共102頁(yè)（2 2）蛋白酶可在有機(jī)介質(zhì)中催化氨基酸進(jìn)行合成反應(yīng)，）蛋白酶可在有機(jī)介質(zhì)中催化氨基酸進(jìn)行合成反應(yīng)，生成多肽生成多肽back第53頁(yè)/共102頁(yè)2、轉(zhuǎn)移反應(yīng) 如脂肪酸催化酯與有機(jī)酸反應(yīng)生成另一種酯與有機(jī)酸如脂肪酸催化酯與有機(jī)酸反應(yīng)生成另一種酯與有機(jī)酸,即即轉(zhuǎn)酯反應(yīng)轉(zhuǎn)酯反應(yīng)：

45、back第54頁(yè)/共102頁(yè)3、醇解反應(yīng) 假單胞脂肪酶催化酸酐醇生成二酸單酯化合物假單胞脂肪酶催化酸酐醇生成二酸單酯化合物即酸酐水解反應(yīng)即酸酐水解反應(yīng), ,例例: :back第55頁(yè)/共102頁(yè)CH2OOCCHCH2R1OOCR2OOCR3CH2CHCH2OHOHOH三甘酯甘油+3CH3OH+CH3OOCR1CH3OOCR3CH3OOCR2甲醇脂肪酸甲酯第56頁(yè)/共102頁(yè)4、氨解反應(yīng)如脂肪酶催化酯類進(jìn)行不對(duì)稱氨解反應(yīng)：如脂肪酶催化酯類進(jìn)行不對(duì)稱氨解反應(yīng)：R-R-苯丙氨酸甲酯苯丙氨酸甲酯酰胺酰胺叔丁醇叔丁醇第57頁(yè)/共102頁(yè)環(huán)氧化合物氨解環(huán)氧化合物氨解back第58頁(yè)/共102頁(yè)5、異構(gòu)反應(yīng)

46、 如消旋酶催化一種異構(gòu)體為另一種異構(gòu)體如消旋酶催化一種異構(gòu)體為另一種異構(gòu)體例例back第59頁(yè)/共102頁(yè)6、氧化還原反應(yīng) （1 1）單加氧）單加氧( (linklink) )o （2 2）雙加氧）雙加氧( (linklink) )o （3 3）催化醛類或酮類還原成醇類）催化醛類或酮類還原成醇類( (linklink) )back第60頁(yè)/共102頁(yè)（1 1）單加氧）單加氧back第61頁(yè)/共102頁(yè)（2 2）雙加氧）雙加氧第62頁(yè)/共102頁(yè)（3 3）催化醛類或酮類還原成醇類）催化醛類或酮類還原成醇類第63頁(yè)/共102頁(yè)7 7、裂合反應(yīng) 如醇腈酶催化醛與氫氰酸的反應(yīng)如醇腈酶催化醛與氫氰酸的反

47、應(yīng)back第64頁(yè)/共102頁(yè)二、酶的選擇 不同的酶具有不同的結(jié)構(gòu)和特性，同一種酶，由于來(lái)源的不同和處理方法的不同，其特性有所差別，所以要根據(jù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇。 在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)，對(duì)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(duì)映體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性等。第65頁(yè)/共102頁(yè)三、底物的選擇和濃度控制 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)中的專一性選擇適宜的底物。 酶在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行催化，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)溶劑中的溶解度大，濃度高，但難于從有

48、機(jī)溶劑中進(jìn)入必需水層，與酶分子活性中心結(jié)合的底物濃度較低，而降低酶的催化速度。 如果底物親水性強(qiáng)，在有機(jī)溶劑中的溶解度低，也使催化速度減慢。第66頁(yè)/共102頁(yè)四、有機(jī)溶劑的選擇 有機(jī)溶劑是影響在有機(jī)介質(zhì)中催化的關(guān)鍵因素之一，在使用過(guò)程中要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 通常選用2lgP5的溶劑作為催化反應(yīng)介質(zhì)。 在與水混溶的有機(jī)介質(zhì)中，水與有機(jī)溶劑混合在一起，組成均一的單相反應(yīng)體系。在此反應(yīng)體系中，有機(jī)溶劑的含量對(duì)酶的催化作用也有顯著影響。第67頁(yè)/共102頁(yè)第68頁(yè)/共102頁(yè)五、水含量的控制 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

49、，都在0.50.6之間。所以水活度能夠更確切地反映水對(duì)催化反應(yīng)速度的影響。六、溫度控制 酶與其他非酶催化劑一樣，溫度升高時(shí)，其立體選擇性降低。七、pH的控制： 緩沖液對(duì)冷凍干燥過(guò)程中pH值和酶活力的變化有明顯影響。第69頁(yè)/共102頁(yè)第五節(jié)第五節(jié)有機(jī)介質(zhì)中酶催化的應(yīng)用有機(jī)介質(zhì)中酶催化的應(yīng)用第70頁(yè)/共102頁(yè) 酶酶 催化反應(yīng)催化反應(yīng) 應(yīng)用應(yīng)用脂肪酶脂肪酶 肽合成肽合成 青霉素青霉素G G前體肽合成前體肽合成 酯合成酯合成 醇與有機(jī)酸合成酯類醇與有機(jī)酸合成酯類 聚合聚合 二酯的選擇性聚合二酯的選擇性聚合蛋白酶蛋白酶 肽合成肽合成 合成多肽合成多肽 ?；；?糖類的?；穷惖孽；u基化酶羥

50、基化酶 氧化氧化 甾體轉(zhuǎn)化甾體轉(zhuǎn)化過(guò)氧化物酶過(guò)氧化物酶 聚合聚合 酚類、胺類聚合酚類、胺類聚合多酚氧化酶多酚氧化酶 氧化氧化 芳香化合物羥基化芳香化合物羥基化膽固醇氧化酶膽固醇氧化酶 氧化氧化 膽固醇測(cè)定膽固醇測(cè)定醇脫氫酶醇脫氫酶 酯化酯化 有機(jī)硅醇的酯化有機(jī)硅醇的酯化酶非水相催化應(yīng)用酶非水相催化應(yīng)用第71頁(yè)/共102頁(yè)一、手性藥物的拆分 手性化合物指化學(xué)組成相同而立體結(jié)構(gòu)互為對(duì)映體的兩種異構(gòu)化合物；手性化合物指化學(xué)組成相同而立體結(jié)構(gòu)互為對(duì)映體的兩種異構(gòu)化合物； 手性藥物指只含單一對(duì)映體的藥物；手性藥物指只含單一對(duì)映體的藥物； 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多手性藥物的對(duì)映體具有不同的藥理作用。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多手性藥

51、物的對(duì)映體具有不同的藥理作用。 過(guò)去手性藥物多較是以消旋體形式出售。過(guò)去手性藥物多較是以消旋體形式出售。 19611961年歐洲出現(xiàn)了孕婦服用多消旋體的年歐洲出現(xiàn)了孕婦服用多消旋體的“反應(yīng)停反應(yīng)?！焙螅a(chǎn)生多起畸形后，產(chǎn)生多起畸形胎事件。胎事件。 19921992年美國(guó)食品與藥物管理局（年美國(guó)食品與藥物管理局（FDAFDA）明確要求含手性因素的化學(xué)藥）明確要求含手性因素的化學(xué)藥物，必須說(shuō)明其二個(gè)對(duì)映體在體內(nèi)的不同生理活性，藥理作用和藥物物，必須說(shuō)明其二個(gè)對(duì)映體在體內(nèi)的不同生理活性，藥理作用和藥物代謝動(dòng)力學(xué)情況。代謝動(dòng)力學(xué)情況。 19941994年以來(lái)，手性藥物世界銷售額以年年以來(lái)，手性藥物世界

52、銷售額以年2020以上的速度增長(zhǎng)。以上的速度增長(zhǎng)。 目前，世界上批準(zhǔn)上市約目前，世界上批準(zhǔn)上市約6161種。種。第72頁(yè)/共102頁(yè)化學(xué)藥物分類化學(xué)藥物分類第73頁(yè)/共102頁(yè)手性藥物兩種對(duì)映體的藥理作用手性藥物兩種對(duì)映體的藥理作用第74頁(yè)/共102頁(yè)1 1、手性藥物兩種對(duì)映體的藥效差異、手性藥物兩種對(duì)映體的藥效差異 （1 1）一種有療效，另一種很弱；）一種有療效，另一種很弱； （2 2）一種有效，另一種有不良反應(yīng)；）一種有效，另一種有不良反應(yīng)； （3 3）兩種相反；）兩種相反； （4 4）兩種各有不同藥效；）兩種各有不同藥效； （5 5）兩種消旋體作用具互補(bǔ)性）兩種消旋體作用具互補(bǔ)性分5 5

53、種類型：第75頁(yè)/共102頁(yè)2 2、酶在手性化合物拆分方面的應(yīng)用 酶催化在單一對(duì)映體手性藥物的開(kāi)發(fā)中潛力頗大。酶催化在單一對(duì)映體手性藥物的開(kāi)發(fā)中潛力頗大。 1 1、阻斷劑類手性藥物阻斷劑類手性藥物 2 2、非甾體抗炎劑類手性藥物、非甾體抗炎劑類手性藥物 3 3、5 5羥色胺拮抗物和攝取抑制劑類手性藥物羥色胺拮抗物和攝取抑制劑類手性藥物 脂肪酶在拆分中起重要作用。脂肪酶在拆分中起重要作用。 其他種類酶（如酯酶、過(guò)氧化物酶、醇脫氫酶等）也能進(jìn)行拆分反應(yīng)，但因這些酶不易獲其他種類酶（如酯酶、過(guò)氧化物酶、醇脫氫酶等）也能進(jìn)行拆分反應(yīng)，但因這些酶不易獲得，價(jià)格昂貴或需要輔酶而較少研究。得，價(jià)格昂貴或需要

54、輔酶而較少研究。back第76頁(yè)/共102頁(yè)二、手性高分子聚合物的制備 可生物降解高分子是指在一定條件下，能被生物體侵蝕或代謝而降解的材料。可生物降解高分子材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。 一般認(rèn)為除了一些天然高分子化合物(如纖維素、淀粉)外，只含有碳原子鏈的高分子(如聚乙烯醇)也是可生物降解的。另外，聚環(huán)氧乙烷、聚乳酸和聚己內(nèi)酯以及脂肪族的多羧酸和多功能基醇所形成的聚合物也是可生物降解的，這里包括聚酯類和聚糖類高分子。第77頁(yè)/共102頁(yè)第78頁(yè)/共102頁(yè) u用酶法合成可生物降解高分子材料，實(shí)際上得益于非水酶學(xué)的發(fā)展。酶在有機(jī)介質(zhì)中表用酶法合成可生物降解高分子材料，實(shí)際上得益于非水酶學(xué)的

55、發(fā)展。酶在有機(jī)介質(zhì)中表現(xiàn)出了與其在水溶液中不同的性質(zhì)，并具有催化一些特殊反應(yīng)的能力?，F(xiàn)出了與其在水溶液中不同的性質(zhì)，并具有催化一些特殊反應(yīng)的能力。u用酶促合成法開(kāi)發(fā)的可生物降解高分子材料主要包括聚酯類、聚糖類、聚酰胺類等。用酶促合成法開(kāi)發(fā)的可生物降解高分子材料主要包括聚酯類、聚糖類、聚酰胺類等。第79頁(yè)/共102頁(yè)1、可生物降解的聚酯的合成第80頁(yè)/共102頁(yè)2、聚糖酯類可生物降解高分子的酶促合成 糖類衍生物是一種天然的可生物降解化合物，但是它作為可生物降解材料有不盡如人意之處，因而改性天然多糖類也是開(kāi)發(fā)可生物降解材料的重要途徑。 酶法改性天然多糖的主要途徑大多是在聚酯鏈上引入糖基，以增強(qiáng)聚合

56、物的生物可降解性能。主要合成模式如下；第81頁(yè)/共102頁(yè)第82頁(yè)/共102頁(yè)三、酚樹(shù)脂的合成 酚樹(shù)脂是一種廣泛應(yīng)用的酚類聚合物，酚樹(shù)脂通常在甲醛存在條件下通過(guò)酚類物質(zhì)聚合而成，可以用作黏合劑、化學(xué)定影劑等，由于在生產(chǎn)和使用過(guò)程中甲醛會(huì)引起環(huán)境污染，急需尋求一種無(wú)甲醛污染的樹(shù)脂。第83頁(yè)/共102頁(yè) 辣根過(guò)氧化物酶 (horseradish peroxidase，HRP) 在催化合成聚合物方面也是一種應(yīng)用比較多而且很有潛力的一種酶。它能夠以過(guò)氧化氫作為電子受體，專一地催化酚及苯胺類物質(zhì)的過(guò)氧化反應(yīng)。第84頁(yè)/共102頁(yè)啟始階段自由基傳遞階段自由基聚合階段第85頁(yè)/共102頁(yè)第86頁(yè)/共102頁(yè)

57、四、導(dǎo)電有機(jī)聚合物的合成 HRP催化合成的聚合物除了可以作為酚樹(shù)脂的替代品外，人們更感興趣的是它在功能材料方面的應(yīng)用。第87頁(yè)/共102頁(yè) 有機(jī)聚合物通常是絕緣體。1977年，麥迪阿米德制備得到碘摻雜的聚乙炔，其導(dǎo)電率達(dá)到了金屬水平。打破了有機(jī)聚合物都是絕緣體的傳統(tǒng)觀念。 此后人們又相繼研究出聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等導(dǎo)電聚合物，具有良好的應(yīng)用前景。第88頁(yè)/共102頁(yè) 聚苯胺具有導(dǎo)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(dá)、屏幕等的微波吸收劑等。第89頁(yè)/共102頁(yè)五、發(fā)光有機(jī)聚合物的合成 目前從國(guó)際研究來(lái)看，只有紅光二極管已基本過(guò)關(guān)，黃光

58、發(fā)光二極管亮度不夠，藍(lán)光發(fā)光二極管的研究目前剛剛興起。HRP催化聚合的產(chǎn)物可以產(chǎn)生一些發(fā)光較好的聚合物，使其有可能在發(fā)光二極管(LED)方面有所應(yīng)用。例如，酶法合成的聚對(duì)苯基苯酚，用于制作發(fā)光二極管以得到較弱的藍(lán)光發(fā)射，是較有前景的藍(lán)光發(fā)射材料。第90頁(yè)/共102頁(yè)六、食品添加劑的生產(chǎn) 1 1、利用脂肪酶或酯酶催化生成酯類；、利用脂肪酶或酯酶催化生成酯類； 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、利用芳香醛脫氫酶生產(chǎn)香蘭素；、利用芳香醛脫氫酶生產(chǎn)香蘭素；back第91頁(yè)/共102頁(yè)生成酯類生成酯類 利用脂肪酶將甘油三酯水解成單酯，是食品乳化劑。利用脂肪酶將甘油三酯水解成單酯，是食品乳化劑。第92頁(yè)/共102頁(yè)天苯肽天苯肽 天苯肽是二肽甲酯，是食品甜味劑，甜度是蔗糖的天苯肽是二肽甲酯，是食品甜味劑，甜度是蔗糖的150150 200200倍；通過(guò)嗜熱