非水介質(zhì)中酶促反應(yīng)學(xué)習(xí)教案課件

會計學(xué)1非水介質(zhì)中酶促反應(yīng)會計學(xué)1非水介質(zhì)中酶促反應(yīng)

這一觀點直到1984年，非水溶劑中酶催化的研究才取得了突破性的進(jìn)展。第2頁/共94頁這一觀點直到1984年，非水溶劑中酶催化的研究才取得

1984年美國Klibanov,A.M.在Science上發(fā)表了一篇關(guān)于酶在有機(jī)介質(zhì)中催化條件和特點的綜述。第3頁/共94頁1984年美國Klibanov,A.M.在Klibanov等的工作

——在僅含微量水的有機(jī)介質(zhì)(Microaqueousmedia)中成功地酶促合成了酯、肽、手性醇等許多有機(jī)化合物。第4頁/共94頁Klibanov等的工作

——在僅含微量水的有機(jī)介質(zhì)(Mi基于研究工作，Ｋlibanov等提出只要條件合適，酶可以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，酶不僅可以在水與有機(jī)溶劑互溶體系，也可以在水與有機(jī)溶劑組成的雙液相體系，甚至在僅含微量水或幾乎無水的有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出催化活性。第5頁/共94頁基于研究工作，Ｋlibanov等提出只要條件合適，酶可以這一觀點無疑是對酶只能在水溶液中起作用傳統(tǒng)酶學(xué)思想的挑戰(zhàn)第6頁/共94頁這一觀點無疑是對酶只能在水溶液中起作用傳統(tǒng)酶學(xué)思想的挑戰(zhàn)酶在非水介質(zhì)中的催化反應(yīng)具有在許多常規(guī)水溶液中所沒有的新特征和優(yōu)勢：

①可進(jìn)行水不溶或水溶性差化合物的催化轉(zhuǎn)化，大大拓展了酶催化

作用的底物和生成產(chǎn)物的范圍；

②改變了催化反應(yīng)的平衡點，使在水溶液中不能或很難發(fā)生的反應(yīng)

向期望的方向得以順利進(jìn)行，如在水溶液中催化水解反應(yīng)的酶在

非水介質(zhì)中可有效催化合成反應(yīng)的進(jìn)行；

③使酶對包括區(qū)域?qū)Ｒ恍院蛯τ丑w專一性在內(nèi)的底物專一性大為提

高，使對酶催化作用的選擇性的有目的的調(diào)控的實現(xiàn)成為可能；

④大大提高了一些酶的熱穩(wěn)定性；

⑤由于酶不溶于大多數(shù)的有機(jī)溶劑，使催化后酶易于回收和重復(fù)利

用；

⑥可有效減少或防止由水引起的副反應(yīng)的產(chǎn)生；

⑦可避免雜水溶液中進(jìn)行長期反應(yīng)時微生物引起的污染；

⑧可方便地利用對水分敏感的底物進(jìn)行相關(guān)的反應(yīng)；

⑨當(dāng)使用揮發(fā)性溶劑作為介質(zhì)時，可使反應(yīng)后的分離過程能耗降低

第7頁/共94頁酶在非水介質(zhì)中的催化反應(yīng)具有在許多常規(guī)水溶液中所沒有的新特征從上世紀(jì)八十年代中期開始，酶在非水介質(zhì)中催化反應(yīng)的研究十分活躍。第8頁/共94頁從上世紀(jì)八十年代中期開始，酶在非水介質(zhì)中催化反應(yīng)的研究十現(xiàn)已報導(dǎo)，酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶等水解酶類；過氧化物酶、過氧化氫酶、醇脫氫酶、膽固醇氧化酶、多酚氧化酶、多細(xì)胞色素氧化酶等氧化還原酶類和醛縮酶等轉(zhuǎn)移酶類中的十幾種酶在適宜的有機(jī)溶劑中具有與水溶液中可比的催化活性。第9頁/共94頁現(xiàn)已報導(dǎo)，酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶等水解酶用于酶催化的非水介質(zhì)包括：

(1)含微量水的有機(jī)溶劑；

(2)與水混溶的有機(jī)溶劑和水形成的均一體系；

(3)水與有機(jī)溶劑形成的兩相或多相體系；

(4)膠束與反膠束體系；

(5)超臨界流體；

(6)氣相。第10頁/共94頁用于酶催化的非水介質(zhì)包括：

(1)含微量水的有機(jī)溶劑；

非水酶學(xué)的研究主要集中在三個方面：

一、非水酶學(xué)基本理論的研究，它包括影

響非水介質(zhì)中酶催化的主要因素以及

非水介質(zhì)中酶學(xué)性質(zhì)。

二、通過對酶在非水介質(zhì)中結(jié)構(gòu)與功能的

研究，闡明非水介質(zhì)中酶的催化機(jī)制

，建立和完善非水酶學(xué)的基本理論；

三、利用上述理論來指導(dǎo)非水介質(zhì)中酶催

化反應(yīng)的應(yīng)用。第11頁/共94頁非水酶學(xué)的研究主要集中在三個方面：

一、非水酶學(xué)基本理論的非水介質(zhì)反應(yīng)體系

通常，酶催化反應(yīng)體系包括了水溶液反應(yīng)體系、有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系、氣相介質(zhì)反應(yīng)體系、超臨界流體介質(zhì)反應(yīng)體系等多種，在這些反應(yīng)體系中，除水溶液反應(yīng)體系外，其他的反應(yīng)體系統(tǒng)稱為非水介質(zhì)反應(yīng)體系。在眾多非水介質(zhì)反應(yīng)體系中，以有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系的研究最多，應(yīng)用也最廣泛。

常見的有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系主要包括了微水有機(jī)介質(zhì)體系、與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系、與水不不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系、膠束體系和反膠束體系等。第12頁/共94頁非水介質(zhì)反應(yīng)體系

通常，酶催化反應(yīng)體系包括了1微水有機(jī)介質(zhì)體系

微水有機(jī)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，也是有機(jī)介質(zhì)酶催化中應(yīng)用最為廣泛的一種反應(yīng)體系。

第13頁/共94頁1微水有機(jī)介質(zhì)體系

微水有機(jī)介質(zhì)體系是由

酶分子的結(jié)合水對維持酶分子的空間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重要。一般酶都是以凍干粉或固定化酶的形式懸浮于有機(jī)介質(zhì)之中，在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行催化反應(yīng)。第14頁/共94頁酶分子的結(jié)合水對維持酶分子的空間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重2與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系

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，體系中水和有機(jī)溶劑的含量均較大。第15頁/共94頁2與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系

由水和

酶和底物是以溶解狀態(tài)存在于體系之中，由于極性大的有機(jī)溶劑對一般酶的催化活性影響較大，所以能在這類反應(yīng)體系中進(jìn)行催化反應(yīng)的酶較少。第16頁/共94頁酶和底物是以溶解狀態(tài)存在于體系之中，由于極性大的有機(jī)3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)溶劑組成的兩相或多相反應(yīng)體系。第17頁/共94頁3與水不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系

游離酶、親水性底物或產(chǎn)物溶解于水相，而疏水性底物或產(chǎn)物則溶解于有機(jī)溶劑相中。第18頁/共94頁游離酶、親水性底物或產(chǎn)物溶解于水相，而疏水性底

一般這種體系僅適用于底物和產(chǎn)物或其中的一種是疏水化合物的酶催化反應(yīng)。其中，最常用的是兩相體系。第19頁/共94頁一般這種體系僅適用于底物和產(chǎn)物或其中的一種是疏4膠束和反膠束體系

當(dāng)水和有機(jī)溶劑同時存在于反應(yīng)體系時，加入表面活性劑后，兩性的表面活性劑會形成球狀或橢球狀的膠束，其大小與蛋白質(zhì)分子在同一數(shù)量級上。第20頁/共94頁4膠束和反膠束體系

當(dāng)水和有機(jī)溶劑同時存

當(dāng)體系中水濃度高于有機(jī)溶劑時，形成膠束的表面活性劑的極性端朝向膠束的外側(cè)，而非極性端則朝向膠束的中心，有機(jī)溶劑就被包在膠束的內(nèi)部，此時的膠束就稱為正相膠束或簡稱為膠束；

當(dāng)體系中水濃度低于有機(jī)溶劑時，形成膠束的表面活性劑的極性端朝向膠束的中，而非極性端則朝向膠束的外側(cè)，水就被包在膠束的內(nèi)部，此時的膠束就稱為反相膠束或簡稱為反膠束。

第21頁/共94頁當(dāng)體系中水濃度高于有機(jī)溶劑時，形成膠束的表面活性劑的

一般而言，在不同的非水介質(zhì)中進(jìn)行酶催化時所表現(xiàn)出的催化行為是有區(qū)別的第22頁/共94頁一般而言，在不同的非水介質(zhì)中進(jìn)行酶催化時所表現(xiàn)出的催不同反應(yīng)體系中酶的一些催化行為比較參數(shù)微水有機(jī)介質(zhì)體系水-有機(jī)溶劑兩相體系反膠束體系酶活力酶負(fù)載量產(chǎn)率產(chǎn)物回收酶重復(fù)使用連續(xù)操作低高低容易可能可能低高低一般難可能高低高難難難第23頁/共94頁不同反應(yīng)體系中酶的一些催化行為比較參數(shù)微水有機(jī)介質(zhì)體系水-有二酶在非水介質(zhì)中的性質(zhì)

酶能在非水介質(zhì)中發(fā)揮催化作用的主要原因是酶在有機(jī)介質(zhì)中能夠保持完整的結(jié)構(gòu)和活性中心的空間構(gòu)象，然而，酶在有機(jī)介質(zhì)中起催化作用時，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)都會產(chǎn)生一定的影響，從而影響酶的熱穩(wěn)定性、底物特異性、立體選擇性、區(qū)域選擇性和化學(xué)鍵選擇性等酶學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而顯示出與水溶液中不同的催化特性。第24頁/共94頁二酶在非水介質(zhì)中的性質(zhì)

酶能在非水介質(zhì)中發(fā)揮催化作用1熱穩(wěn)定性

許多酶在非水介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性比相同酶在水溶液中更好，而且這種熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性的提高是難以用化學(xué)交聯(lián)、固定化甚至是蛋白質(zhì)工程的手段所能達(dá)到的，且這種穩(wěn)定性還與介質(zhì)中的水含量有關(guān)。第25頁/共94頁1熱穩(wěn)定性 許多酶在非水介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性比相

例如，豬胰脂肪酶在有機(jī)溶劑中100℃時的半衰期可達(dá)數(shù)小時，而在水中100℃幾乎馬上失活。1%的水濃度會使豬胰脂肪酶的穩(wěn)定性降低到與水溶液中相同的水平。又如，胰凝乳蛋白酶在無水辛烷中20℃放置6個月后酶活力沒有降低，而在同樣溫度下酶在水溶液中的半衰期僅有幾天。第26頁/共94頁 例如，豬胰脂肪酶在有機(jī)溶劑中100℃時的半衰期可達(dá)數(shù)小表9.2一些酶在有機(jī)介質(zhì)和水溶液中的熱穩(wěn)定性比較酶條件熱穩(wěn)定性豬胰脂肪酶三丁酸甘油酯,水，pH7.0T1/2<26hT1/2<2min酵母脂肪酶三丁酸甘油酯/庚醇水，pH7.0T1/21.5hT1/2<2min胰凝乳蛋白酶正辛烷，100℃水，pH8.0,55℃T1/280minT1/215min枯草桿菌蛋白酶

正辛烷，110℃T1/280min溶菌酶環(huán)己烷110℃水T1/2140minT1/210min核糖核酸酶壬烷，110℃，6h水，pH8.0,90℃剩95%活性T1/2<10minF1-ATP酶甲苯，70℃水，70℃T1/2>24hT1/2<10min醇脫氫酶

正庚烷，55℃T1/2>50daysHindIII

正庚烷，55℃，30days

活性沒有降低脂蛋白脂肪酶甲苯，90℃，400h

剩余活性40%-葡萄糖苷酶2-丙醇，50℃，30h

剩余活性80%酪氨酸酶氯仿，50℃水，50℃T1/290minT1/210min酸性磷酸酯酶正十六烷，80℃水，70℃T1/28.0minT1/21.0min細(xì)胞色素氧化酶甲苯，0.3%水甲苯，1.3%水T1/24.0hT1/21.7min第27頁/共94頁表9.2一些酶在有機(jī)介質(zhì)和水溶液中的熱穩(wěn)定性比較酶條件熱穩(wěn)定

2底物專一性

同水溶液中的酶催化一樣，酶在非水介質(zhì)中對底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)均有嚴(yán)格的選擇性。第28頁/共94頁2底物專一性 同水溶液中的酶催化一樣，酶在非水介質(zhì)中對

值得指出的是，不同的有機(jī)溶劑具有不同的極性，因此，在不同的有機(jī)溶劑中酶的底物專一性也是不同的，有機(jī)溶劑改變時，酶的底物專一性也會發(fā)生改變。一般來說，在極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，疏水性較強(qiáng)的底物容易進(jìn)行反應(yīng)，而在極性較弱的有機(jī)溶劑中，疏水性較弱的底物容易進(jìn)行反應(yīng)。第29頁/共94頁 值得指出的是，不同的有機(jī)溶劑具有不同的極性，因此，在不同3對映體選擇性

酶的對映體選擇性是指酶在對稱的外消旋化合物中識別一種異構(gòu)體的能力，這種選擇性是由不同對映體與酶的活性中心的三維空間構(gòu)像的互補(bǔ)性或稱親和力決定的。非水介質(zhì)中酶對底物的對映體選擇性由于介質(zhì)的親（疏）水性的變化而發(fā)生改變。

第30頁/共94頁3對映體選擇性 酶的對映體選擇性是指酶在對稱的外消旋化合

酶的立體選擇性與反應(yīng)介質(zhì)之間存在著一定的關(guān)系，一般來說，酶在水溶液中的對映體選擇性較強(qiáng)，而在疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，酶的對映體選擇性較差。

第31頁/共94頁 酶的立體選擇性與反應(yīng)介質(zhì)之間存在著一定的關(guān)系，一般來說，4區(qū)域選擇性

區(qū)域選擇性，即酶能夠選擇性地優(yōu)先催化底物分子中某一區(qū)域的基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)。酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化時，區(qū)域選擇性可能會發(fā)生一定變化。第32頁/共94頁4區(qū)域選擇性 區(qū)域選擇性，即酶能夠選擇性地優(yōu)先催化底物分5化學(xué)鍵選擇性

酶催化的另一個顯著特點是具有化學(xué)鍵選擇性。化學(xué)鍵選擇性是指當(dāng)同一個底物分子中有2個以上的化學(xué)鍵都可以與進(jìn)行反應(yīng)時，酶對其中的一個別化學(xué)鍵可以優(yōu)先進(jìn)行催化反應(yīng)。 在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行酶催化反應(yīng)時，化學(xué)鍵選擇性可能變化。第33頁/共94頁5化學(xué)鍵選擇性 酶催化的另一個顯著特點是具有化學(xué)鍵選擇性6pH記憶

在有機(jī)介質(zhì)酶催化反應(yīng)中，酶所處的pH環(huán)境與酶在凍干或吸附到載體之前所使用的緩沖液pH值相同，而酶的催化反應(yīng)速度與其凍干或吸附到載體之前緩沖溶液的pH密切相關(guān)，非水介質(zhì)中的酶能夠“記憶”凍干或吸附到載體之前所處緩沖液中的pH值，反應(yīng)的最適pH接近于水溶液中的最適pH。第34頁/共94頁6pH記憶

在有機(jī)介質(zhì)酶催化反應(yīng)中，酶所

三、非水介質(zhì)反應(yīng)體系中有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響第35頁/共94頁三、非水介質(zhì)反應(yīng)體系中有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響第35頁/1有機(jī)溶劑對酶催化活力的影響

有機(jī)溶劑對酶催化活力的影響是非水酶學(xué)所要闡明的一個重要因素，溶劑不但直接或間接地影響酶的活力和穩(wěn)定性，而且也能夠改變酶的特異性（包括底物特異性、立體選擇性、前手性選擇性等）。

通常有機(jī)溶劑通過與水、酶、底物和產(chǎn)物的相互作用來影響酶的這些性質(zhì)。

第36頁/共94頁1有機(jī)溶劑對酶催化活力的影響

有機(jī)溶劑對酶

一些親水性相對較強(qiáng)的極性有機(jī)溶劑，特別是與水互溶的有機(jī)溶劑卻能夠奪取酶蛋白表面的“必需水”，擾亂酶分子的天然構(gòu)象的形成，從而導(dǎo)致酶的失活。第37頁/共94頁一些親水性相對較強(qiáng)的極性有機(jī)溶劑，特別是與水互溶的有2有機(jī)溶劑對酶結(jié)構(gòu)的影響

在含微量水有機(jī)介質(zhì)中時，與蛋白質(zhì)分子形成分子間氫鍵的水分子極少，蛋白質(zhì)分子內(nèi)氫鍵起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更為“剛硬”，活動的自由度變小，限制了疏水環(huán)境下的蛋白質(zhì)構(gòu)象向熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而能維持著和水溶液中同樣的結(jié)構(gòu)與構(gòu)象。第38頁/共94頁2有機(jī)溶劑對酶結(jié)構(gòu)的影響

在含微量水有機(jī)介質(zhì)中時3有機(jī)溶劑對底物和產(chǎn)物的影響

有機(jī)溶劑能直接或間接地與底物和產(chǎn)物相互作用，影響酶的活力。有機(jī)溶劑能改變酶分子“必需水”層中底物或產(chǎn)物的濃度，而底物必須滲入“必需水”層，產(chǎn)物必須移出此水層，才能使反應(yīng)進(jìn)行下去。有機(jī)溶劑對底物和產(chǎn)物的影響主要體現(xiàn)在底物和產(chǎn)物的溶劑化上，這種溶劑化作用會直接影響到反應(yīng)的動力學(xué)和熱力學(xué)平衡。第39頁/共94頁3有機(jī)溶劑對底物和產(chǎn)物的影響

有機(jī)溶劑能直接或間

應(yīng)該說，有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響是一個綜合而復(fù)雜的過程，其中包括溶劑對水-酶相互作用的擾動和扭曲、與固定化酶微環(huán)境之間的匹配以及對底物和產(chǎn)物的溶劑與擴(kuò)散等因素。第40頁/共94頁應(yīng)該說，有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響是一個綜合而復(fù)雜的4有機(jī)溶劑對酶選擇性的影響

應(yīng)該說有機(jī)溶劑對酶選擇性的影響是非常大的，由于有機(jī)溶劑的存在是酶蛋白分子的剛性得以增強(qiáng)，使之具有水溶液中所不可比擬的優(yōu)越性：良好的對映體選擇性或區(qū)域選擇性。第41頁/共94頁4有機(jī)溶劑對酶選擇性的影響

應(yīng)該說有機(jī)溶

目前的模型都是在針對特定的酶、底物和體系的研究過程中建立起來的，尚不足以總結(jié)出普遍適用的規(guī)律。第42頁/共94頁目前的模型都是在針對特定的酶、底物和體系的研究過程中四、水對非水介質(zhì)中酶催化的影響

現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)證明，酶只有在一定量水的存在下，才能進(jìn)行催化反應(yīng)，無論是在水溶液或是在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行酶的催化反應(yīng)，水都是不可缺少的條件之一。特別是在有機(jī)介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)，水含量的多少對酶的空間構(gòu)象、催化活性、穩(wěn)定性、催化反應(yīng)的速度、底物和產(chǎn)物的溶解度等都有密切關(guān)系。第43頁/共94頁四、水對非水介質(zhì)中酶催化的影響

現(xiàn)有的研究成1必需水

已經(jīng)知道，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。第44頁/共94頁1必需水

已經(jīng)知道，酶分子只有在空間構(gòu)象完

在有機(jī)介質(zhì)中，酶分子需要一層水化層以維持其完整的空間構(gòu)象。一般將維持酶分子完整空間構(gòu)象所必需的最低水含量稱為必需水。

必需水是酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)所必需的，它會直接影響酶的催化活性和選擇性，通過必需水的調(diào)控，可以調(diào)節(jié)有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)中酶的催化活性和選擇性。第45頁/共94頁在有機(jī)介質(zhì)中，酶分子需要一層水化層以維持其完整的空間

由于必需水是維持酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵、鹽鍵等所必需的，而氫鍵、鹽鍵等又是酶空間結(jié)構(gòu)的主要穩(wěn)定因素，酶分子一旦失去必需水，就必將使其空間構(gòu)象破壞而失去催化功能。第46頁/共94頁由于必需水是維持酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵、鹽鍵等所必

有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系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;

另一類是溶解于有機(jī)溶劑的游離水， 可以認(rèn)為，在有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系中，結(jié)合水是影響酶催化活性的關(guān)鍵因素。第47頁/共94頁有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系中含有的水主要有兩類:

一類是與可以通過

①用一個飽和鹽水溶液分別預(yù)平衡底物溶

液和酶制劑；

②向反應(yīng)體系中直接加一種水合鹽；

③向每一溶劑中加入不同量的水等三種方

式來獲得恒定的水活度

等方式來控制反應(yīng)體系的水活度。第48頁/共94頁可以通過

①用一個飽和鹽水溶液分別預(yù)平衡底物溶

液2水對酶催化反應(yīng)速度的影響

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。

多年來的研究使人們在非水介質(zhì)酶催化反應(yīng)中存在了一個共識，即微量的水對酶有效發(fā)揮催化作用是必需的，因為水間接或直接地參與了酶天然構(gòu)象中包括氫鍵、靜電作用、疏水相互作用和范德華力在內(nèi)的所有非共價相互作用。第49頁/共94頁2水對酶催化反應(yīng)速度的影響

有機(jī)介質(zhì)中水

一般認(rèn)為酶蛋白分子的水化過程可以分為四個步驟：

①酶蛋白分子的離子化基團(tuán)水化過程，在此過

程中，水與酶蛋白分子表面的帶電基團(tuán)結(jié)合；

②酶蛋白分子中的極性部分水簇的生長過程，即

水與酶蛋白分子表面極性基團(tuán)結(jié)合；

③水吸附到酶蛋白分子表面相互作用較弱的部

位；

④酶蛋白分子表面完全水化，被單層水分子所覆

蓋。第50頁/共94頁一般認(rèn)為酶蛋白分子的水化過程可以分為四個步驟大量研究表明，非水介質(zhì)中酶的活性比水溶液中要低好幾個數(shù)量級酶在有機(jī)溶劑中活力低的原因原因說明解決辦法擴(kuò)散限制有機(jī)溶劑中的擴(kuò)散要比水中小，限制了底物的擴(kuò)散增加攪拌速度；降低酶的顆粒大小封閉活性中心導(dǎo)致酶活力降低幾倍用結(jié)晶酶替代構(gòu)象改變凍干過程及其他脫水過程造成的使用凍干保護(hù)劑；制備有機(jī)溶劑中可溶解的可與兩親性物質(zhì)絡(luò)合的酶底物去溶劑化疏水性底物嚴(yán)重，可導(dǎo)致酶活力降低至少100倍選擇溶劑以獲得有利的底物-溶劑相互作用過渡態(tài)不穩(wěn)定化當(dāng)過渡態(tài)至少部分暴露于溶劑時才發(fā)生選擇溶劑以期獲得與過渡態(tài)有利的相互作用構(gòu)象柔性降低無水的親水溶劑尤為顯著，會奪取酶分子上必需的結(jié)合水，從而導(dǎo)致酶活力降低至少100倍使水活度(aw)最適化；水合溶劑;使用疏水溶劑；使用仿水和變性共溶添加劑亞最適pH值導(dǎo)致至少100倍的酶活力降低從酶的最適pH水溶液中脫水；使用有機(jī)相緩沖液第51頁/共94頁大量研究表明，非水介質(zhì)中酶的活性比水溶液中要低好幾個數(shù)量級酶4水對酶活性的影響

在低水含量的非水介質(zhì)酶催化反應(yīng)體系中，水分的影響是至關(guān)重要的，要使酶能夠表現(xiàn)出最大的催化活力，確定適宜的體系水活度就顯得十分重要。不同種類的酶因為其分子結(jié)構(gòu)的不同，維持酶具有活性的構(gòu)象所必需的水量也就不同，即使是同一種類的酶，由于酶的源不同，所需的水量也會有顯著不同。第52頁/共94頁4水對酶活性的影響

在低水含量的非水介質(zhì)酶在非水介質(zhì)中的存在形式

在有機(jī)溶劑中，酶分子不能直接溶于其中，它的存在狀態(tài)有多種形式，主要分為兩大類：

一、固態(tài)酶，

二、可溶解酶。第53頁/共94頁酶在非水介質(zhì)中的存在形式

在有機(jī)溶劑中，酶分子不能直固態(tài)酶它包括凍干的酶粉或固定化酶、結(jié)晶酶

以固體形式存在有機(jī)溶劑中第54頁/共94頁固態(tài)酶它包括凍干的酶粉或固定化酶、結(jié)晶酶

以固體形可溶解酶主要包括：

——水溶性大分子共價修飾酶

——非共價修飾的高分子—酶復(fù)合物

——表面活性劑—酶復(fù)合物

——微乳液中的酶等

第55頁/共94頁可溶解酶主要包括：

——水溶性大分子共價修飾酶

——非共價五、非水介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)類型

酶用于有機(jī)合成的范圍在不斷擴(kuò)大，在機(jī)相中酶催化可完成的反應(yīng)有：氧化、還原、脫氧、脫氨、羥化、甲基化、酰胺化、磷酸化、異構(gòu)化、環(huán)氧化、開環(huán)、鹵化等。第56頁/共94頁五、非水介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)類型

酶用于有機(jī)C-O鍵的形成

（1）酯類：酯酶和脂肪酶可催化

酯合成反應(yīng)、轉(zhuǎn)酯反應(yīng)和酸

酐水解反應(yīng)。

（2）環(huán)氧化合物

（3）糖苷鍵的水解和形成

（4）加氧氧化反應(yīng)第57頁/共94頁C-O鍵的形成

（1）酯類：酯酶和脂肪酶可催化

酯合成反應(yīng)第58頁/共94頁酯合成反應(yīng)第58頁/共94頁轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第59頁/共94頁轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第59頁/共94頁酸酐水解第60頁/共94頁酸酐水解第60頁/共94頁環(huán)氧化合反應(yīng)第61頁/共94頁環(huán)氧化合反應(yīng)第61頁/共94頁糖的焦磷酸化，糖的異構(gòu)化第62頁/共94頁糖的焦磷酸化，糖的異構(gòu)化第62頁/共94頁糖的衍生物第63頁/共94頁糖的衍生物第63頁/共94頁醇解第64頁/共94頁醇解第64頁/共94頁加氧氧化反應(yīng)第65頁/共94頁加氧氧化反應(yīng)第65頁/共94頁2.C--N鍵的反應(yīng) 肽的合成第66頁/共94頁2.C--N鍵的反應(yīng) 肽的合成第66頁/共94頁3.C-C鍵的形成

（1）羥醛反應(yīng)

（2）酮醛和羥醛轉(zhuǎn)移反應(yīng)

（3）醛縮合反應(yīng)

（4）乙酰輔酶A參與的C-C鍵構(gòu)成反應(yīng)

（5）醛加成反應(yīng)第67頁/共94頁3.C-C鍵的形成

（1）羥醛反應(yīng)

（2）酮醛和羥醛轉(zhuǎn)移反（1）羥醛反應(yīng)第68頁/共94頁（1）羥醛反應(yīng)第68頁/共94頁第69頁/共94頁第69頁/共94頁（2）酮醛和羥醛轉(zhuǎn)移反應(yīng)第70頁/共94頁（2）酮醛和羥醛轉(zhuǎn)移反應(yīng)第70頁/共94頁（3）醛縮合反應(yīng)第71頁/共94頁（3）醛縮合反應(yīng)第71頁/共94頁（4）乙酰輔酶A參與的C-C鍵構(gòu)成反應(yīng)第72頁/共94頁（4）乙酰輔酶A參與的C-C鍵構(gòu)成反應(yīng)第72頁/共94頁（5）醛加成反應(yīng)第73頁/共94頁（5）醛加成反應(yīng)第73頁/共94頁4.還原反應(yīng)第74頁/共94頁4.還原反應(yīng)第74頁/共94頁5.氧化反應(yīng)

（1）C-H,C=C氧化

（2）醇氧化

（3）苯酚氧化

（4）羧酸氧化

（5）C-N氧化

第75頁/共94頁5.氧化反應(yīng)

（1）C-H,C=C氧化

（2）醇（１）C-H,C=C氧化第76頁/共94頁（１）C-H,C=C氧化第76頁/共94頁（２）醇氧化第77頁/共94頁（２）醇氧化第77頁/共94頁（3）苯酚氧化第78頁/共94頁（3）苯酚氧化第78頁/共94頁（４）羧酸氧化第79頁/共94頁（４）羧酸氧化第79頁/共94頁（5）C-N氧化第80頁/共94頁（5）C-N氧化第80頁/共94頁6.異構(gòu)化反應(yīng)

第81頁/共94頁6.異構(gòu)化反應(yīng)第81頁/共94頁7.C-X的反應(yīng)鹵化反應(yīng)：第82頁/共94頁7.C-X的反應(yīng)鹵化反應(yīng)：第82頁/共94頁六、非水介質(zhì)酶催化的應(yīng)用第83頁/共94頁六、非水介質(zhì)酶催化的應(yīng)用第83頁/共94頁

近年來的大量研究已經(jīng)表明，在非水介質(zhì)中酶常常會有高度的選擇性，包括立體選擇性、對映體選擇性、區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性，這為非水介質(zhì)酶催化在有機(jī)合成領(lǐng)域中的應(yīng)用開辟了極有意義的新天地。第84頁/共94頁近年來的大量研究已經(jīng)表明，在非水介質(zhì)中酶常常

迄今為止，已有以脂肪酶、蛋白酶為典型代表的多種酶被用于非水介質(zhì)中催化酯化、酯交換、肽合成和大環(huán)內(nèi)酯合成等多種反應(yīng)，其中特別在前手性化合物的不對稱合成、對映體的選擇性拆分等方面獲得了有重要意義的應(yīng)用。第85頁/共94頁迄今為止，已有以脂肪酶、蛋白酶為典型代表的多種1光學(xué)活性化合物的制備

A可以將有潛在手性的化合物和前體通過酶催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為單一對映體的光學(xué)活性；

B可以非水介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)合成含磷、硫、氮及金屬的光學(xué)活性化合物；

C可以利用非水介質(zhì)中的酶催化進(jìn)行外消旋化合物的拆分反應(yīng)。第86頁/共94頁1光學(xué)活性化合物的制備

A可以將有潛在手性的化合物和前①普萘洛爾的酶法拆分

利用PSL（假單胞菌脂肪酶）在有機(jī)溶劑中可對外消旋的萘氧氯丙醇酯進(jìn)行水解，得到了(R)－酯的ee值大于95%；而利用PSL對消旋的萘氧氯丙醇進(jìn)行選擇性?；?，也得到了ee大于95%的光學(xué)活性的(Ｒ)－醇。

第87頁/共94頁①普萘洛爾的酶法拆分

利用PSL（假單胞菌②環(huán)氧丙醇的酶法拆分

PPL（豬胰脂肪酶）在有機(jī)溶劑中與兩相體系中可對２,３－環(huán)氧丙醇的丁酸酯進(jìn)行了酶促拆分。第88頁/共94頁②環(huán)氧丙醇的酶法拆分

PPL（豬胰脂肪酶）③布洛芬的酶法拆分

在有機(jī)溶劑中對布洛芬進(jìn)行酶促酯化反應(yīng)時加入少量的極性溶劑，可使酶的選擇性有明顯的提高，如加入了二甲基甲酰胺后，最后得到(S)-布洛芬的ee值從57.5%增加到了91%。第89頁/共94頁③布洛芬的酶法拆分

在有機(jī)溶劑中對布洛芬進(jìn)④５－羥色胺拮抗物和攝取抑制劑類手性藥物

５－羥色胺（5-HT）是一種涉及到各種精神病、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，如焦慮、精神分裂癥和抑郁癥的一種重要神經(jīng)遞質(zhì)。制備過程中，成功地將非水介質(zhì)中實現(xiàn)了酶法拆分。

第90頁/共94頁④５－羥色胺拮抗物和攝取抑制劑類手性藥物

５⑤其它手性藥物

利用脂肪酶對合成昆蟲信息素、-維生素E、Ｄ3及前列腺素類似物的重要中間體叔－－苯氧酸酯進(jìn)行酶促拆分反應(yīng),得到了二種不同的異構(gòu)體。第91頁/共94頁⑤其它手性藥物

利用脂肪酶對合成昆蟲信息素、2旋光性聚合物的合成

利用水解酶在非水介質(zhì)中可以合成多種手性聚合物。這些手性聚合物具有廣闊的應(yīng)用前景。

第92頁/共94頁2旋光性聚合物的合成

利用水解酶在非水介非水介質(zhì)中酶催化的一些應(yīng)用酶催化反應(yīng)應(yīng)用酶催化反應(yīng)應(yīng)用脂肪酶肽合成青霉素G前體肽合成蛋白酶?；穷愼；ズ铣纱寂c有機(jī)酸合成酯類羥基化酶氧化甾體轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)酯各種酯類合成過氧化物酶聚合酚類、胺類化合物的聚合聚合二酯的選擇性聚合多酚氧化酶氧化芳香化合物的羥基化?；蚀嫉孽；懝檀佳趸秆趸懝檀嫉臏y定蛋白酶肽合成合成多肽醇脫氫酶酯化有機(jī)硅醇的酯化第93頁/共94頁非水介質(zhì)中酶催化的一些應(yīng)用催化反應(yīng)應(yīng)用酶催化反應(yīng)應(yīng)用脂肪酶肽感謝您的觀看！第94頁/共94頁感謝您的觀看！第94頁/共94頁會計學(xué)95非水介質(zhì)中酶促反應(yīng)會計學(xué)1非水介質(zhì)中酶促反應(yīng)

這一觀點直到1984年，非水溶劑中酶催化的研究才取得了突破性的進(jìn)展。第2頁/共94頁這一觀點直到1984年，非水溶劑中酶催化的研究才取得

1984年美國Klibanov,A.M.在Science上發(fā)表了一篇關(guān)于酶在有機(jī)介質(zhì)中催化條件和特點的綜述。第3頁/共94頁1984年美國Klibanov,A.M.在Klibanov等的工作

——在僅含微量水的有機(jī)介質(zhì)(Microaqueousmedia)中成功地酶促合成了酯、肽、手性醇等許多有機(jī)化合物。第4頁/共94頁Klibanov等的工作

——在僅含微量水的有機(jī)介質(zhì)(Mi基于研究工作，Ｋlibanov等提出只要條件合適，酶可以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，酶不僅可以在水與有機(jī)溶劑互溶體系，也可以在水與有機(jī)溶劑組成的雙液相體系，甚至在僅含微量水或幾乎無水的有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出催化活性。第5頁/共94頁基于研究工作，Ｋlibanov等提出只要條件合適，酶可以這一觀點無疑是對酶只能在水溶液中起作用傳統(tǒng)酶學(xué)思想的挑戰(zhàn)第6頁/共94頁這一觀點無疑是對酶只能在水溶液中起作用傳統(tǒng)酶學(xué)思想的挑戰(zhàn)酶在非水介質(zhì)中的催化反應(yīng)具有在許多常規(guī)水溶液中所沒有的新特征和優(yōu)勢：

①可進(jìn)行水不溶或水溶性差化合物的催化轉(zhuǎn)化，大大拓展了酶催化

作用的底物和生成產(chǎn)物的范圍；

②改變了催化反應(yīng)的平衡點，使在水溶液中不能或很難發(fā)生的反應(yīng)

向期望的方向得以順利進(jìn)行，如在水溶液中催化水解反應(yīng)的酶在

非水介質(zhì)中可有效催化合成反應(yīng)的進(jìn)行；

③使酶對包括區(qū)域?qū)Ｒ恍院蛯τ丑w專一性在內(nèi)的底物專一性大為提

高，使對酶催化作用的選擇性的有目的的調(diào)控的實現(xiàn)成為可能；

④大大提高了一些酶的熱穩(wěn)定性；

⑤由于酶不溶于大多數(shù)的有機(jī)溶劑，使催化后酶易于回收和重復(fù)利

用；

⑥可有效減少或防止由水引起的副反應(yīng)的產(chǎn)生；

⑦可避免雜水溶液中進(jìn)行長期反應(yīng)時微生物引起的污染；

⑧可方便地利用對水分敏感的底物進(jìn)行相關(guān)的反應(yīng)；

⑨當(dāng)使用揮發(fā)性溶劑作為介質(zhì)時，可使反應(yīng)后的分離過程能耗降低

第7頁/共94頁酶在非水介質(zhì)中的催化反應(yīng)具有在許多常規(guī)水溶液中所沒有的新特征從上世紀(jì)八十年代中期開始，酶在非水介質(zhì)中催化反應(yīng)的研究十分活躍。第8頁/共94頁從上世紀(jì)八十年代中期開始，酶在非水介質(zhì)中催化反應(yīng)的研究十現(xiàn)已報導(dǎo)，酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶等水解酶類；過氧化物酶、過氧化氫酶、醇脫氫酶、膽固醇氧化酶、多酚氧化酶、多細(xì)胞色素氧化酶等氧化還原酶類和醛縮酶等轉(zhuǎn)移酶類中的十幾種酶在適宜的有機(jī)溶劑中具有與水溶液中可比的催化活性。第9頁/共94頁現(xiàn)已報導(dǎo)，酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纖維素酶、淀粉酶等水解酶用于酶催化的非水介質(zhì)包括：

(1)含微量水的有機(jī)溶劑；

(2)與水混溶的有機(jī)溶劑和水形成的均一體系；

(3)水與有機(jī)溶劑形成的兩相或多相體系；

(4)膠束與反膠束體系；

(5)超臨界流體；

(6)氣相。第10頁/共94頁用于酶催化的非水介質(zhì)包括：

(1)含微量水的有機(jī)溶劑；

非水酶學(xué)的研究主要集中在三個方面：

一、非水酶學(xué)基本理論的研究，它包括影

響非水介質(zhì)中酶催化的主要因素以及

非水介質(zhì)中酶學(xué)性質(zhì)。

二、通過對酶在非水介質(zhì)中結(jié)構(gòu)與功能的

研究，闡明非水介質(zhì)中酶的催化機(jī)制

，建立和完善非水酶學(xué)的基本理論；

三、利用上述理論來指導(dǎo)非水介質(zhì)中酶催

化反應(yīng)的應(yīng)用。第11頁/共94頁非水酶學(xué)的研究主要集中在三個方面：

一、非水酶學(xué)基本理論的非水介質(zhì)反應(yīng)體系

通常，酶催化反應(yīng)體系包括了水溶液反應(yīng)體系、有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系、氣相介質(zhì)反應(yīng)體系、超臨界流體介質(zhì)反應(yīng)體系等多種，在這些反應(yīng)體系中，除水溶液反應(yīng)體系外，其他的反應(yīng)體系統(tǒng)稱為非水介質(zhì)反應(yīng)體系。在眾多非水介質(zhì)反應(yīng)體系中，以有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系的研究最多，應(yīng)用也最廣泛。

常見的有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系主要包括了微水有機(jī)介質(zhì)體系、與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系、與水不不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系、膠束體系和反膠束體系等。第12頁/共94頁非水介質(zhì)反應(yīng)體系

通常，酶催化反應(yīng)體系包括了1微水有機(jī)介質(zhì)體系

微水有機(jī)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，也是有機(jī)介質(zhì)酶催化中應(yīng)用最為廣泛的一種反應(yīng)體系。

第13頁/共94頁1微水有機(jī)介質(zhì)體系

微水有機(jī)介質(zhì)體系是由

酶分子的結(jié)合水對維持酶分子的空間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重要。一般酶都是以凍干粉或固定化酶的形式懸浮于有機(jī)介質(zhì)之中，在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行催化反應(yīng)。第14頁/共94頁酶分子的結(jié)合水對維持酶分子的空間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重2與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系

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，體系中水和有機(jī)溶劑的含量均較大。第15頁/共94頁2與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系

由水和

酶和底物是以溶解狀態(tài)存在于體系之中，由于極性大的有機(jī)溶劑對一般酶的催化活性影響較大，所以能在這類反應(yīng)體系中進(jìn)行催化反應(yīng)的酶較少。第16頁/共94頁酶和底物是以溶解狀態(tài)存在于體系之中，由于極性大的有機(jī)3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)溶劑組成的兩相或多相反應(yīng)體系。第17頁/共94頁3與水不溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系

游離酶、親水性底物或產(chǎn)物溶解于水相，而疏水性底物或產(chǎn)物則溶解于有機(jī)溶劑相中。第18頁/共94頁游離酶、親水性底物或產(chǎn)物溶解于水相，而疏水性底

一般這種體系僅適用于底物和產(chǎn)物或其中的一種是疏水化合物的酶催化反應(yīng)。其中，最常用的是兩相體系。第19頁/共94頁一般這種體系僅適用于底物和產(chǎn)物或其中的一種是疏4膠束和反膠束體系

當(dāng)水和有機(jī)溶劑同時存在于反應(yīng)體系時，加入表面活性劑后，兩性的表面活性劑會形成球狀或橢球狀的膠束，其大小與蛋白質(zhì)分子在同一數(shù)量級上。第20頁/共94頁4膠束和反膠束體系

當(dāng)水和有機(jī)溶劑同時存

當(dāng)體系中水濃度高于有機(jī)溶劑時，形成膠束的表面活性劑的極性端朝向膠束的外側(cè)，而非極性端則朝向膠束的中心，有機(jī)溶劑就被包在膠束的內(nèi)部，此時的膠束就稱為正相膠束或簡稱為膠束；

當(dāng)體系中水濃度低于有機(jī)溶劑時，形成膠束的表面活性劑的極性端朝向膠束的中，而非極性端則朝向膠束的外側(cè)，水就被包在膠束的內(nèi)部，此時的膠束就稱為反相膠束或簡稱為反膠束。

第21頁/共94頁當(dāng)體系中水濃度高于有機(jī)溶劑時，形成膠束的表面活性劑的

一般而言，在不同的非水介質(zhì)中進(jìn)行酶催化時所表現(xiàn)出的催化行為是有區(qū)別的第22頁/共94頁一般而言，在不同的非水介質(zhì)中進(jìn)行酶催化時所表現(xiàn)出的催不同反應(yīng)體系中酶的一些催化行為比較參數(shù)微水有機(jī)介質(zhì)體系水-有機(jī)溶劑兩相體系反膠束體系酶活力酶負(fù)載量產(chǎn)率產(chǎn)物回收酶重復(fù)使用連續(xù)操作低高低容易可能可能低高低一般難可能高低高難難難第23頁/共94頁不同反應(yīng)體系中酶的一些催化行為比較參數(shù)微水有機(jī)介質(zhì)體系水-有二酶在非水介質(zhì)中的性質(zhì)

酶能在非水介質(zhì)中發(fā)揮催化作用的主要原因是酶在有機(jī)介質(zhì)中能夠保持完整的結(jié)構(gòu)和活性中心的空間構(gòu)象，然而，酶在有機(jī)介質(zhì)中起催化作用時，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)都會產(chǎn)生一定的影響，從而影響酶的熱穩(wěn)定性、底物特異性、立體選擇性、區(qū)域選擇性和化學(xué)鍵選擇性等酶學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而顯示出與水溶液中不同的催化特性。第24頁/共94頁二酶在非水介質(zhì)中的性質(zhì)

酶能在非水介質(zhì)中發(fā)揮催化作用1熱穩(wěn)定性

許多酶在非水介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性比相同酶在水溶液中更好，而且這種熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性的提高是難以用化學(xué)交聯(lián)、固定化甚至是蛋白質(zhì)工程的手段所能達(dá)到的，且這種穩(wěn)定性還與介質(zhì)中的水含量有關(guān)。第25頁/共94頁1熱穩(wěn)定性 許多酶在非水介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性比相

例如，豬胰脂肪酶在有機(jī)溶劑中100℃時的半衰期可達(dá)數(shù)小時，而在水中100℃幾乎馬上失活。1%的水濃度會使豬胰脂肪酶的穩(wěn)定性降低到與水溶液中相同的水平。又如，胰凝乳蛋白酶在無水辛烷中20℃放置6個月后酶活力沒有降低，而在同樣溫度下酶在水溶液中的半衰期僅有幾天。第26頁/共94頁 例如，豬胰脂肪酶在有機(jī)溶劑中100℃時的半衰期可達(dá)數(shù)小表9.2一些酶在有機(jī)介質(zhì)和水溶液中的熱穩(wěn)定性比較酶條件熱穩(wěn)定性豬胰脂肪酶三丁酸甘油酯,水，pH7.0T1/2<26hT1/2<2min酵母脂肪酶三丁酸甘油酯/庚醇水，pH7.0T1/21.5hT1/2<2min胰凝乳蛋白酶正辛烷，100℃水，pH8.0,55℃T1/280minT1/215min枯草桿菌蛋白酶

正辛烷，110℃T1/280min溶菌酶環(huán)己烷110℃水T1/2140minT1/210min核糖核酸酶壬烷，110℃，6h水，pH8.0,90℃剩95%活性T1/2<10minF1-ATP酶甲苯，70℃水，70℃T1/2>24hT1/2<10min醇脫氫酶

正庚烷，55℃T1/2>50daysHindIII

正庚烷，55℃，30days

活性沒有降低脂蛋白脂肪酶甲苯，90℃，400h

剩余活性40%-葡萄糖苷酶2-丙醇，50℃，30h

剩余活性80%酪氨酸酶氯仿，50℃水，50℃T1/290minT1/210min酸性磷酸酯酶正十六烷，80℃水，70℃T1/28.0minT1/21.0min細(xì)胞色素氧化酶甲苯，0.3%水甲苯，1.3%水T1/24.0hT1/21.7min第27頁/共94頁表9.2一些酶在有機(jī)介質(zhì)和水溶液中的熱穩(wěn)定性比較酶條件熱穩(wěn)定

2底物專一性

同水溶液中的酶催化一樣，酶在非水介質(zhì)中對底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)均有嚴(yán)格的選擇性。第28頁/共94頁2底物專一性 同水溶液中的酶催化一樣，酶在非水介質(zhì)中對

值得指出的是，不同的有機(jī)溶劑具有不同的極性，因此，在不同的有機(jī)溶劑中酶的底物專一性也是不同的，有機(jī)溶劑改變時，酶的底物專一性也會發(fā)生改變。一般來說，在極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，疏水性較強(qiáng)的底物容易進(jìn)行反應(yīng)，而在極性較弱的有機(jī)溶劑中，疏水性較弱的底物容易進(jìn)行反應(yīng)。第29頁/共94頁 值得指出的是，不同的有機(jī)溶劑具有不同的極性，因此，在不同3對映體選擇性

酶的對映體選擇性是指酶在對稱的外消旋化合物中識別一種異構(gòu)體的能力，這種選擇性是由不同對映體與酶的活性中心的三維空間構(gòu)像的互補(bǔ)性或稱親和力決定的。非水介質(zhì)中酶對底物的對映體選擇性由于介質(zhì)的親（疏）水性的變化而發(fā)生改變。

第30頁/共94頁3對映體選擇性 酶的對映體選擇性是指酶在對稱的外消旋化合

酶的立體選擇性與反應(yīng)介質(zhì)之間存在著一定的關(guān)系，一般來說，酶在水溶液中的對映體選擇性較強(qiáng)，而在疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，酶的對映體選擇性較差。

第31頁/共94頁 酶的立體選擇性與反應(yīng)介質(zhì)之間存在著一定的關(guān)系，一般來說，4區(qū)域選擇性

區(qū)域選擇性，即酶能夠選擇性地優(yōu)先催化底物分子中某一區(qū)域的基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)。酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化時，區(qū)域選擇性可能會發(fā)生一定變化。第32頁/共94頁4區(qū)域選擇性 區(qū)域選擇性，即酶能夠選擇性地優(yōu)先催化底物分5化學(xué)鍵選擇性

酶催化的另一個顯著特點是具有化學(xué)鍵選擇性?；瘜W(xué)鍵選擇性是指當(dāng)同一個底物分子中有2個以上的化學(xué)鍵都可以與進(jìn)行反應(yīng)時，酶對其中的一個別化學(xué)鍵可以優(yōu)先進(jìn)行催化反應(yīng)。 在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行酶催化反應(yīng)時，化學(xué)鍵選擇性可能變化。第33頁/共94頁5化學(xué)鍵選擇性 酶催化的另一個顯著特點是具有化學(xué)鍵選擇性6pH記憶

在有機(jī)介質(zhì)酶催化反應(yīng)中，酶所處的pH環(huán)境與酶在凍干或吸附到載體之前所使用的緩沖液pH值相同，而酶的催化反應(yīng)速度與其凍干或吸附到載體之前緩沖溶液的pH密切相關(guān)，非水介質(zhì)中的酶能夠“記憶”凍干或吸附到載體之前所處緩沖液中的pH值，反應(yīng)的最適pH接近于水溶液中的最適pH。第34頁/共94頁6pH記憶

在有機(jī)介質(zhì)酶催化反應(yīng)中，酶所

三、非水介質(zhì)反應(yīng)體系中有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響第35頁/共94頁三、非水介質(zhì)反應(yīng)體系中有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響第35頁/1有機(jī)溶劑對酶催化活力的影響

有機(jī)溶劑對酶催化活力的影響是非水酶學(xué)所要闡明的一個重要因素，溶劑不但直接或間接地影響酶的活力和穩(wěn)定性，而且也能夠改變酶的特異性（包括底物特異性、立體選擇性、前手性選擇性等）。

通常有機(jī)溶劑通過與水、酶、底物和產(chǎn)物的相互作用來影響酶的這些性質(zhì)。

第36頁/共94頁1有機(jī)溶劑對酶催化活力的影響

有機(jī)溶劑對酶

一些親水性相對較強(qiáng)的極性有機(jī)溶劑，特別是與水互溶的有機(jī)溶劑卻能夠奪取酶蛋白表面的“必需水”，擾亂酶分子的天然構(gòu)象的形成，從而導(dǎo)致酶的失活。第37頁/共94頁一些親水性相對較強(qiáng)的極性有機(jī)溶劑，特別是與水互溶的有2有機(jī)溶劑對酶結(jié)構(gòu)的影響

在含微量水有機(jī)介質(zhì)中時，與蛋白質(zhì)分子形成分子間氫鍵的水分子極少，蛋白質(zhì)分子內(nèi)氫鍵起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得更為“剛硬”，活動的自由度變小，限制了疏水環(huán)境下的蛋白質(zhì)構(gòu)象向熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而能維持著和水溶液中同樣的結(jié)構(gòu)與構(gòu)象。第38頁/共94頁2有機(jī)溶劑對酶結(jié)構(gòu)的影響

在含微量水有機(jī)介質(zhì)中時3有機(jī)溶劑對底物和產(chǎn)物的影響

有機(jī)溶劑能直接或間接地與底物和產(chǎn)物相互作用，影響酶的活力。有機(jī)溶劑能改變酶分子“必需水”層中底物或產(chǎn)物的濃度，而底物必須滲入“必需水”層，產(chǎn)物必須移出此水層，才能使反應(yīng)進(jìn)行下去。有機(jī)溶劑對底物和產(chǎn)物的影響主要體現(xiàn)在底物和產(chǎn)物的溶劑化上，這種溶劑化作用會直接影響到反應(yīng)的動力學(xué)和熱力學(xué)平衡。第39頁/共94頁3有機(jī)溶劑對底物和產(chǎn)物的影響

有機(jī)溶劑能直接或間

應(yīng)該說，有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響是一個綜合而復(fù)雜的過程，其中包括溶劑對水-酶相互作用的擾動和扭曲、與固定化酶微環(huán)境之間的匹配以及對底物和產(chǎn)物的溶劑與擴(kuò)散等因素。第40頁/共94頁應(yīng)該說，有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響是一個綜合而復(fù)雜的4有機(jī)溶劑對酶選擇性的影響

應(yīng)該說有機(jī)溶劑對酶選擇性的影響是非常大的，由于有機(jī)溶劑的存在是酶蛋白分子的剛性得以增強(qiáng)，使之具有水溶液中所不可比擬的優(yōu)越性：良好的對映體選擇性或區(qū)域選擇性。第41頁/共94頁4有機(jī)溶劑對酶選擇性的影響

應(yīng)該說有機(jī)溶

目前的模型都是在針對特定的酶、底物和體系的研究過程中建立起來的，尚不足以總結(jié)出普遍適用的規(guī)律。第42頁/共94頁目前的模型都是在針對特定的酶、底物和體系的研究過程中四、水對非水介質(zhì)中酶催化的影響

現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)證明，酶只有在一定量水的存在下，才能進(jìn)行催化反應(yīng)，無論是在水溶液或是在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行酶的催化反應(yīng)，水都是不可缺少的條件之一。特別是在有機(jī)介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)，水含量的多少對酶的空間構(gòu)象、催化活性、穩(wěn)定性、催化反應(yīng)的速度、底物和產(chǎn)物的溶解度等都有密切關(guān)系。第43頁/共94頁四、水對非水介質(zhì)中酶催化的影響

現(xiàn)有的研究成1必需水

已經(jīng)知道，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。第44頁/共94頁1必需水

已經(jīng)知道，酶分子只有在空間構(gòu)象完

在有機(jī)介質(zhì)中，酶分子需要一層水化層以維持其完整的空間構(gòu)象。一般將維持酶分子完整空間構(gòu)象所必需的最低水含量稱為必需水。

必需水是酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)所必需的，它會直接影響酶的催化活性和選擇性，通過必需水的調(diào)控，可以調(diào)節(jié)有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)中酶的催化活性和選擇性。第45頁/共94頁在有機(jī)介質(zhì)中，酶分子需要一層水化層以維持其完整的空間

由于必需水是維持酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵、鹽鍵等所必需的，而氫鍵、鹽鍵等又是酶空間結(jié)構(gòu)的主要穩(wěn)定因素，酶分子一旦失去必需水，就必將使其空間構(gòu)象破壞而失去催化功能。第46頁/共94頁由于必需水是維持酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵、鹽鍵等所必

有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系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;

另一類是溶解于有機(jī)溶劑的游離水， 可以認(rèn)為，在有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系中，結(jié)合水是影響酶催化活性的關(guān)鍵因素。第47頁/共94頁有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系中含有的水主要有兩類:

一類是與可以通過

①用一個飽和鹽水溶液分別預(yù)平衡底物溶

液和酶制劑；

②向反應(yīng)體系中直接加一種水合鹽；

③向每一溶劑中加入不同量的水等三種方

式來獲得恒定的水活度

等方式來控制反應(yīng)體系的水活度。第48頁/共94頁可以通過

①用一個飽和鹽水溶液分別預(yù)平衡底物溶

液2水對酶催化反應(yīng)速度的影響

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。

多年來的研究使人們在非水介質(zhì)酶催化反應(yīng)中存在了一個共識，即微量的水對酶有效發(fā)揮催化作用是必需的，因為水間接或直接地參與了酶天然構(gòu)象中包括氫鍵、靜電作用、疏水相互作用和范德華力在內(nèi)的所有非共價相互作用。第49頁/共94頁2水對酶催化反應(yīng)速度的影響

有機(jī)介質(zhì)中水

一般認(rèn)為酶蛋白分子的水化過程可以分為四個步驟：

①酶蛋白分子的離子化基團(tuán)水化過程，在此過

程中，水與酶蛋白分子表面的帶電基團(tuán)結(jié)合；

②酶蛋白分子中的極性部分水簇的生長過程，即

水與酶蛋白分子表面極性基團(tuán)結(jié)合；

③水吸附到酶蛋白分子表面相互作用較弱的部

位；

④酶蛋白分子表面完全水化，被單層水分子所覆

蓋。第50頁/共94頁一般認(rèn)為酶蛋白分子的水化過程可以分為四個步驟大量研究表明，非水介質(zhì)中酶的活性比水溶液中要低好幾個數(shù)量級酶在有機(jī)溶劑中活力低的原因原因說明解決辦法擴(kuò)散限制有機(jī)溶劑中的擴(kuò)散要比水中小，限制了底物的擴(kuò)散增加攪拌速度；降低酶的顆粒大小封閉活性中心導(dǎo)致酶活力降低幾倍用結(jié)晶酶替代構(gòu)象改變凍干過程及其他脫水過程造成的使用凍干保護(hù)劑；制備有機(jī)溶劑中可溶解的可與兩親性物質(zhì)絡(luò)合的酶底物去溶劑化疏水性底物嚴(yán)重，可導(dǎo)致酶活力降低至少100倍選擇溶劑以獲得有利的底物-溶劑相互作用過渡態(tài)不穩(wěn)定化當(dāng)過渡態(tài)至少部分暴露于溶劑時才發(fā)生選擇溶劑以期獲得與過渡態(tài)有利的相互作用構(gòu)象柔性降低無水的親水溶劑尤為顯著，會奪取酶分子上必需的結(jié)合水，從而導(dǎo)致酶活力降低至少100倍使水活度(aw)最適化；水合溶劑;使用疏水溶劑；使用仿水和變性共溶添加劑亞最適pH值導(dǎo)致至少100倍的酶活力降低從酶的最適pH水溶液中脫水；使用有機(jī)相緩沖液第51頁/共94頁大量研究表明，非水介質(zhì)中酶的活性比水溶液中要低好幾個數(shù)量級酶4水對酶活性的影響

在低水含量的非水介質(zhì)酶催化反應(yīng)體系中，水分的影響是至關(guān)重要的，要使酶能夠表現(xiàn)出最大的催化活力，確定適宜的體系水活度就顯得十分重要。不同種類的酶因為其分子結(jié)構(gòu)的不同，維持酶具有活性的構(gòu)象所必需的水量也就不同，即使是同一種類的酶，由于酶的源不同，所需的水量也會有顯著不同。第52頁/共94頁4水對酶活性的影響

在低水含量的非水介質(zhì)酶在非水介質(zhì)中的存在形式

在有機(jī)溶劑中，酶分子不能直接溶于其中，它的存在狀態(tài)有多種形式，主要分為兩大類：

一、固態(tài)酶，

二、可溶解酶。第53頁/共94頁酶在非水介質(zhì)中的存在形式

在有機(jī)溶劑中，酶分子不能直固態(tài)酶它包括凍干的酶粉或固定化酶、結(jié)晶酶

以固體形式存在有機(jī)溶劑中第54頁/共94頁固態(tài)酶它包括凍干的酶粉或固定化酶、結(jié)晶酶

以固體形可溶解酶主要包括：

——水溶性大分子共價修飾酶

——非共價修飾的高分子—酶復(fù)合物

——表面活性劑—酶復(fù)合物

——微乳液中的酶等

第55頁/共94頁可溶解酶主要包括：

——水溶性大分子共價修飾酶

——非共價五、非水介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)類型

酶用于有機(jī)合成的范圍在不斷擴(kuò)大，在機(jī)相中酶催化可完成的反應(yīng)有：氧化、還原、脫氧、脫氨、羥化、甲基化、酰胺化、磷酸化、異構(gòu)化、環(huán)氧化、開環(huán)、鹵化等。第56頁/共94頁五、非水介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)類型

酶用于有機(jī)C-O鍵的形成

（1）酯類：酯酶和脂肪酶可催化

酯合成反應(yīng)、轉(zhuǎn)酯反應(yīng)和酸

酐水解反應(yīng)。

（2）環(huán)氧化合物

（3）糖苷鍵的水解和形成

（4）加氧氧化反應(yīng)第57頁/共94頁C-O鍵的形成

（1）酯類：酯酶和脂肪酶可催化

酯合成反應(yīng)第58頁/共94頁酯合成反應(yīng)第58頁/共94頁轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第59頁/共94頁轉(zhuǎn)酯反應(yīng)第59頁/共94頁酸酐水解第60頁/共94頁酸酐水解第60頁/共94頁環(huán)氧化合反應(yīng)第61頁/共94頁環(huán)氧化合反應(yīng)第61頁/共94頁糖的焦磷酸化，糖的異構(gòu)化第62頁/共94頁糖的焦磷酸化，糖的異構(gòu)化第62頁/共94頁糖的衍生物第63頁/共94頁糖的衍生物第63頁/共94頁醇解第64頁/共94頁醇解第64頁/共94頁加氧氧化反應(yīng)第65頁/共94頁加氧氧化反應(yīng)第65頁/共94頁2.C--N鍵的反應(yīng) 肽的合成第66頁/共94頁2.C--N鍵的反應(yīng) 肽的合成第66頁/共94頁3.C-C鍵的形成

（1）羥醛反應(yīng)

（2）酮醛和羥