第九章酶的非水相催化詳解

第九章酶的非水相催化詳解演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共27頁(yè)。優(yōu)選第九章酶的非水相催化當(dāng)前2頁(yè)，總共27頁(yè)。6.1.3超臨界流體介質(zhì)中的酶催化

酶在超臨界流體中進(jìn)行的催化反應(yīng)。超臨界流體是指溫度和壓力超過(guò)某物質(zhì)超臨界點(diǎn)的流體。6.1.4離子液介質(zhì)中的酶催化

在離子液中進(jìn)行的催化作用。離子液（ionicliquids）是由有機(jī)陽(yáng)離子與有機(jī)（無(wú)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(lèi)，揮發(fā)性低、穩(wěn)定性好。當(dāng)前3頁(yè)，總共27頁(yè)。6.2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6.2.1有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系（1）微水介質(zhì)體系(含水量一般小于2%)酶以?xún)龈煞刍蚬潭ɑ傅男问綉腋∮谟袡C(jī)溶劑中，在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)前4頁(yè)，總共27頁(yè)。（4）膠束體系（5）反膠束體系反相膠束與生物膜有相似之處適用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)研究。（酶被限制在含水的微環(huán)境中，而底物和產(chǎn)物可以自由進(jìn)出膠束）看圖正、反膠束體系當(dāng)前5頁(yè)，總共27頁(yè)?！颁撔浴迸c”柔性”的動(dòng)態(tài)平衡（維持酶催化活性）“緊密”：酶分子內(nèi)的氫鍵“開(kāi)啟”：酶分子間的氫鍵當(dāng)前6頁(yè)，總共27頁(yè)。a．不同酶需水量不同b.同一種酶在不同有機(jī)溶劑中需水量不同溶劑疏水性越強(qiáng)，需水量越少剛性：生物大分子結(jié)構(gòu)的精確性柔性：生物大分子局部區(qū)域具有一定的可運(yùn)動(dòng)性。當(dāng)前7頁(yè)，總共27頁(yè)。6.2.2水對(duì)有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響生物催化劑必需水層（1）必需水（essentialwater）：

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。當(dāng)前8頁(yè)，總共27頁(yè)。（1）與酶分子表面帶電基團(tuán)結(jié)合達(dá)到0-0.07g/g（水/酶）：一個(gè)酶分子周?chē)?-60個(gè)水分子，蛋白質(zhì)自由度無(wú)，酶活無(wú)（2）與表面的極性基團(tuán)結(jié)合(0.07-0.25g/g)：一個(gè)酶分子周?chē)?0-220個(gè)水分子，蛋白質(zhì)自由度上升，顯示出酶活（3）凝聚到表面相互作用較弱的部位（0.25~0.38g/g）：一個(gè)酶分子周?chē)?20-300個(gè)水分子，蛋白質(zhì)自由度上升，最大酶活（4）酶分子表面完全水化，被一層水分子覆蓋。：酶分子周?chē)乃肿舆_(dá)到300以上，酶活降低，自由度最大干燥的酶水合過(guò)程：當(dāng)前9頁(yè)，總共27頁(yè)。有機(jī)溶劑的極性lgP——極性參數(shù)P：溶劑在正辛烷與水兩相中的分配系數(shù)

研究表明，有機(jī)溶劑的極性越強(qiáng)，越容易奪取酶分子結(jié)合水，對(duì)酶活力的影響就越大。用有機(jī)溶劑極性參數(shù)lgP描述有機(jī)溶劑的極性與酶活力之間的關(guān)系當(dāng)前10頁(yè)，總共27頁(yè)。溶劑極性對(duì)酶活性影響的規(guī)律（Laane規(guī)律）lgP性質(zhì)水中溶解度/%(20℃)對(duì)酶活性的影響≤2極性溶劑＞0.4容易使酶失活，較少使用＞2，＜4中等極性0.04～0.4酶的活性難以預(yù)測(cè)，小心使用?？梢员憩F(xiàn)酶活≥4非極性＜0.04不會(huì)引起酶的變性，能保持酶的高活性當(dāng)前11頁(yè)，總共27頁(yè)。（1）有機(jī)溶劑對(duì)酶必需水的影響極性弱的溶劑：影響小極性強(qiáng)的溶劑：奪取酶必需水疏水性溶劑：不易溶解吸附酶必需水酶的失水與溶劑的極性參數(shù)（lgP）和介電常數(shù)（ε）相關(guān)，與系統(tǒng)中底物的極性、底物濃度和含水量均有關(guān)系當(dāng)前12頁(yè)，總共27頁(yè)。催化過(guò)程：S→E-S→E-P→P（水相反應(yīng)）S→watershell→E-S→E-P→P→organicphase（非水介質(zhì)）主要推動(dòng)力：底物-酶之間的結(jié)合能OrganicSolventE-SE-P底物分子必須先進(jìn)入酶分子的必需水層，再進(jìn)入到酶活性中心完成催化過(guò)程，產(chǎn)物同樣需要先進(jìn)入水層再轉(zhuǎn)移到反應(yīng)介質(zhì)。（2）有機(jī)溶劑對(duì)底物和產(chǎn)物分配的影響+底物與有機(jī)介質(zhì)的極性差異當(dāng)前13頁(yè)，總共27頁(yè)。N—Ac—L—PheOEtN—Ac—L—SerOEt疏水性底物親水性底物叔丁醇或叔丁胺親水性溶劑CH2Cl2疏水性溶劑subtilisin

反應(yīng)快反應(yīng)快許多酶活性中心是疏水性的，容易與疏水性底物結(jié)合進(jìn)行反應(yīng)，疏水性底物容易從水中析出到達(dá)疏水性活性中心。在疏水性強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，疏水性底物與有機(jī)溶劑間的相互作用增強(qiáng)，底物從溶劑中到達(dá)活性中心比在水中困難，從而酶催化反應(yīng)速度減慢。當(dāng)前14頁(yè)，總共27頁(yè)。極性小疏水性強(qiáng)底物在有機(jī)溶劑中溶解度大難于進(jìn)入必需水層極性大親水性強(qiáng)底物在有機(jī)溶劑中溶解度小，底物濃度降低有機(jī)溶劑催化速度降低適宜lgP：２≤

lgP≤5（疏水性底物）當(dāng)前15頁(yè)，總共27頁(yè)。有機(jī)溶劑對(duì)酶催化反應(yīng)的影響：酶的活性和穩(wěn)定性酶的底物特異性、對(duì)映體選擇性、潛手性選擇性、位置選擇性、化學(xué)鍵選擇性原因：與必需水作用與底物和產(chǎn)物作用改變酶蛋白的結(jié)構(gòu)與柔韌性改變酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征有機(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?chē)乃嗷プ饔?.3有機(jī)溶劑對(duì)有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響當(dāng)前16頁(yè)，總共27頁(yè)。6.4酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性有機(jī)介質(zhì)對(duì)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)定性活性pH值當(dāng)前17頁(yè)，總共27頁(yè)。6.4.2立體選擇性

酶的立體選擇性（enantioselectivity）又稱(chēng)為對(duì)映體選擇性或立體異構(gòu)專(zhuān)一性，是酶在對(duì)稱(chēng)的外消旋化合物中識(shí)別一種異構(gòu)體的能力大小的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明：疏水性越強(qiáng)的溶劑，酶的立體選擇性越6.4.3位置選擇性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)。位置特異性：酶可以選擇性地催化底物中某個(gè)區(qū)域的基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)就是位置特異性，也稱(chēng)區(qū)域選擇性。當(dāng)前18頁(yè)，總共27頁(yè)。6.4.4化學(xué)鍵選擇性化學(xué)鍵選擇性是指當(dāng)同一個(gè)底物分子中有2個(gè)以上的化學(xué)鍵都可以與其進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，酶對(duì)其中的一個(gè)化學(xué)鍵可以?xún)?yōu)先進(jìn)行催化反應(yīng)。介質(zhì)的轉(zhuǎn)換對(duì)酶的化學(xué)鍵選擇性有不同程度的影響當(dāng)前19頁(yè)，總共27頁(yè)。（2）分子記憶根據(jù)分子識(shí)別理論，酶通過(guò)配體的誘導(dǎo)、相互作用改變酶的構(gòu)象，從而獲得與配體類(lèi)似物結(jié)合的能力，這種由配體誘導(dǎo)產(chǎn)生的酶的記憶的方法稱(chēng)為分子記憶（molecularmemory）酶蛋白分子在有機(jī)相中具有對(duì)配體的“記憶”功能。當(dāng)前20頁(yè)，總共27頁(yè)。有機(jī)相生物印跡酶

枯草桿菌蛋白酶溶液

含N-Ac-Tyr-NH2

凍干除去抑制劑枯草桿菌蛋白酶枯草桿菌蛋白酶溶液

不含N-Ac-Tyr-NH2

凍干枯草桿菌蛋白酶在辛烷中催化酯化反應(yīng)的速度比較：反應(yīng)（1）中得到的酶比反應(yīng)（2）中得到的酶高100倍在水溶液中其活性：相同掌握原理（1）（2）當(dāng)前21頁(yè)，總共27頁(yè)。＋酶蛋白抑制劑凍干除去抑制劑有機(jī)溶劑水溶液枯草桿菌蛋白酶的分子記憶當(dāng)前22頁(yè)，總共27頁(yè)。原理：競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑誘導(dǎo)酶活性中心構(gòu)象發(fā)生變化，形成一種高活性的構(gòu)象形式，而此種構(gòu)象形式在除去抑制劑后，因酶在有機(jī)介質(zhì)中的高度剛性而得到保持。水直接或間接參與了酶天然構(gòu)象中所有的非共價(jià)相互作用,水充當(dāng)了酶結(jié)構(gòu)的“潤(rùn)滑劑”，使酶分子的柔性增強(qiáng)，原來(lái)形成的高活性構(gòu)象不再保持。當(dāng)前23頁(yè)，總共27頁(yè)。（2）pH記憶和離子強(qiáng)度在水溶液中：pH決定酶的離子化狀態(tài)，從而影響酶的構(gòu)象，而酶的構(gòu)象又關(guān)系到酶的活性和選擇性；在有機(jī)溶劑中酶不能電離，因此必須進(jìn)行預(yù)處理：將酶先溶解在少量最適pH值的緩沖溶液中，然后沉淀或凍干。這樣可以保持酶的最佳電離狀態(tài)，其活性與干燥前所處的緩沖液pH和離子密切相關(guān)，最適pH與水相中的最適pH相同。有機(jī)相中酶能夠記住最后保存其的水溶液的pH，稱(chēng)為“pH記憶”（pHmemory）。從最適pH值水溶液中沉淀的酶在有機(jī)溶劑介質(zhì)中也表現(xiàn)出較高的酶活性，有時(shí)可提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。沉淀或凍干最適pH水或緩沖液有機(jī)溶劑pH決定酶的離子化狀態(tài)→影響酶的構(gòu)象→酶的活性和選擇性可以保持酶的最佳電離狀態(tài)，“記住”最適pH最適pH與水相中的最適pH相同。有機(jī)相中酶能夠記住最后保存其的水溶液的pH，稱(chēng)為“pH記憶”（pHmemory）。當(dāng)前24頁(yè)，總共27頁(yè)?！皃H記憶”原因（A）有機(jī)溶劑不會(huì)改變酶蛋白帶電基團(tuán)的離子化狀態(tài)，（在有機(jī)溶劑的環(huán)境中，不會(huì)發(fā)生質(zhì)子化及脫質(zhì)子化的現(xiàn)象)。所以酶在有機(jī)溶劑中的化學(xué)狀態(tài)與從中提取該酶的水溶液中的化學(xué)狀態(tài)保持相同；（B）酶在有機(jī)溶劑中結(jié)構(gòu)剛性的增加保持了之前水溶液中帶電官能團(tuán)正確的離子化狀態(tài)，對(duì)酶的活性和穩(wěn)定性都非常重要。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：隨著凍干時(shí)用的緩沖溶液的離子強(qiáng)度增大，酶活會(huì)增大。當(dāng)前25頁(yè)，總共27頁(yè)。6.6酶非水相催化的應(yīng)用

酶催化反應(yīng)應(yīng)用脂肪酶肽合成青霉素G前體肽合成酯合成醇與有機(jī)酸合成酯類(lèi)轉(zhuǎn)酯各種酯類(lèi)生產(chǎn)聚合二酯的選擇性聚合?；蚀嫉孽；鞍酌鸽暮铣珊铣啥嚯孽；穷?lèi)酰基化羥基化酶氧化甾體轉(zhuǎn)化過(guò)氧化物酶聚合酚類(lèi)、胺類(lèi)化合物的聚合多酚氧化酶氧化芳香化合物的羥基化膽固醇氧化