有機(jī)介質(zhì)中的酶促反應(yīng)

有機(jī)介質(zhì)中的酶促反應(yīng)酶在有機(jī)介質(zhì)中反應(yīng)的優(yōu)點可進(jìn)行水不溶或水溶性差化合物的催化轉(zhuǎn)化改變了催化反應(yīng)的平衡點對底物的專一性提高熱穩(wěn)定性提高回收和重復(fù)利用變得容易有效減少或防止由水引起的副反應(yīng)的產(chǎn)生避免了雜水溶液中進(jìn)行長期反應(yīng)時微生物引起的污染第2頁,共25頁，星期六，2024年，5月酶促反應(yīng)的有機(jī)介質(zhì)體系(1)與水混溶的有機(jī)溶劑-水形成的單相體系(2)水-非極性有機(jī)溶劑形成的兩相或多相體系(3)膠束與反膠束體系(4)非極性有機(jī)溶劑-酶懸浮體系(5)非極性有機(jī)溶劑-PEG修飾酶單項體系(6)微水有機(jī)介質(zhì)體系第3頁,共25頁，星期六，2024年，5月與水混溶的有機(jī)溶劑-水

形成的單相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4頁,共25頁，星期六，2024年，5月水-非極性有機(jī)溶劑形成的

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。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。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5頁,共25頁，星期六，2024年，5月膠束與反膠束體系當(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6頁,共25頁，星期六，2024年，5月當(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7頁,共25頁，星期六，2024年，5月有機(jī)溶劑-酶懸浮體系用非極性有機(jī)溶劑取代所有的作為溶劑的大量水，使酶懸浮在有機(jī)水相中。整個體系雖然含水量很低，但是水在維持酶分子的催化活性上起著極為重要的作用。底物分子以擴(kuò)散的形式通過酶分子表面的水層進(jìn)入活性中心，完成催化后再擴(kuò)散進(jìn)入有機(jī)相。酶的狀態(tài)可以是結(jié)晶、凍干、沉淀，或者吸附在固體載體表面上。第8頁,共25頁，星期六，2024年，5月非極性有機(jī)溶劑-PEG

修飾酶單項體系聚乙二醇（PEG）具有親水和疏水兩種特性，用PEG修飾的賴氨酸殘基，增加酶分子表面的疏水性，可使酶在有機(jī)介質(zhì)中溶解性增加，使酶反應(yīng)體系處于一種均相狀態(tài)，同時為酶分子表面創(chuàng)造了一個親水的微環(huán)境。PEG修飾的酶既能在宏觀的有機(jī)環(huán)境中與疏水性底物充分接觸，又能在少量水的微環(huán)境中發(fā)揮催化能力。被修飾的酶在有機(jī)介質(zhì)中的穩(wěn)定性大幅提高。第9頁,共25頁，星期六，2024年，5月微水有機(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。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10頁,共25頁，星期六，2024年，5月不同反應(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11頁,共25頁，星期六，2024年，5月熱穩(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

這種熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性的提高難以用化學(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

這種穩(wěn)定性還與介質(zhì)中的水含量有關(guān)第12頁,共25頁，星期六，2024年，5月酶在非水介質(zhì)中的性質(zhì)熱穩(wěn)定性底物專一性對映體選擇性區(qū)域選擇性化學(xué)鍵選擇性pH記憶第13頁,共25頁，星期六，2024年，5月底物專一性

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14頁,共25頁，星期六，2024年，5月酶條件熱穩(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15頁,共25頁，星期六，2024年，5月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16頁,共25頁，星期六，2024年，5月區(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17頁,共25頁，星期六，2024年，5月化學(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18頁,共25頁，星期六，2024年，5月有機(jī)介質(zhì)中酶促反應(yīng)的影響因素有機(jī)溶劑對酶催化反應(yīng)的影響水對酶催化反應(yīng)的影響第19頁,共25頁，星期六，2024年，5月pH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20頁,共25頁，星期六，2024年，5月非水介質(zhì)酶催化的應(yīng)用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21頁,共25頁，星期六，2024年，5月1、光學(xué)活性化合物的制備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22頁,共25頁，星期六，2024年，5月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)行選擇性酰化，也得到了ee大于95%的光學(xué)活性的(Ｒ)－醇。第23頁,共25頁，星期六，2024年，5月②環(huán)氧丙醇的酶法拆分PPL