Chapter 6 Enzymatic catalysis in non- aqueous svstem 酶的非水相催化 制作:郑穗平
Chapter 6 Enzymatic catalysis in Nonaqueous system 酶的非水相催化 制作：郑穗平
Contents of chapter 6 G01、酶催化反应的介质 0〉2、有机介质反应体系 o3、酶在有机介质中的催化特性 ⊙0)〉4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 G0〉5、酶非水相催化的应用
Contents of chapter 6 1、酶催化反应的介质 2、有机介质反应体系 3、酶在有机介质中的催化特性 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go Go Go Go Go 5、酶非水相催化的应用
6.1酶催化反应的介质 水是酶促反应最常用的反应介质。 但对于大多数有机化合物来说,水并不是一种适宜的溶剂。因为 许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。 由于水的存在,往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反 应的发生。 是否存在非水介质能保证酶催化?? 1984年,克利巴诺夫( KHbanov)等人在有机介质中进行了酶催化反 应的研究,他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用,获得酯类、肽 类、手性醇等多种有机化合物,明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶 体系中进行催化反应
6.1 酶催化反应的介质 水是酶促反应最常用的反应介质。 但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为 许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。 由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反 应的发生。 是否存在非水介质能保证酶催化？？ 1984年，克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行了酶催化反 应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获得酯类、肽 类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶 体系中进行催化反应
酶非水相催化的几种类型 有机介质中的酶催化 有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催 化反应。話用壬底物、产物两老或其中之一为疏水性物质的酶催化 作用。酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心 的空间构象,所以能够发挥其催化功能。 气相介质中的酶催化 酶在气相介质中进行的催化反应。适用于底物是气体或者能够转化 为气体的物质的酶催化反应。由于气体介质的密度低,扩散容易,因此 酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点 超临界介质中的酶催化 酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指温度和压力超 过某物质超临界点的流体。 离子液介质中的酶催化 酶在离子液中进行的催化作用。离子液( ionic liquids)是由有机 阳离子与有机(无机)阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类, 挥发性低、稳定性好。酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区 域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。 本章 目录
酶非水相催化的几种类型 有机介质中的酶催化 有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催 化反应。适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化 作用。酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心 的空间构象，所以能够发挥其催化功能。 气相介质中的酶催化 酶在气相介质中进行的催化反应。适用于底物是气体或者能够转化 为气体的物质的酶催化反应。 由于气体介质的密度低，扩散容易，因此 酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。 超临界介质中的酶催化 酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指温度和压力超 过某物质超临界点的流体。 离子液介质中的酶催化 酶在离子液中进行的催化作用。离子液（ionic liquids）是由有机 阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类， 挥发性低、稳定性好。酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区 域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。 本章 目录
6.2有机介质反应体系 口非极性有机溶剂酶悬浮体系(微水介质体系) 用非极性有机溶剂取代所有的大量水,使固体酶悬浮在有机相中。但 仍然含有必需的结合水以保持酶的催化活性(含水量一般小于2%) 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态,或者吸附在固体载体 表面上。 口与水互溶的有机溶剂水单相体系 有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在 这种体系中。 口非极性有机溶剂水两相/多相体系 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性)相所组成的 两相体系。 不管采用何种有机介质反应体系,酶催化反应的介质中都含有机溶剂 和一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响
6.2 有机介质反应体系 非极性有机溶剂⎯酶悬浮体系(微水介质体系) 用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。但 仍然含有必需的结合水以保持酶的催化活性(含水量一般小于2%)。 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固体载体 表面上。 与水互溶的有机溶剂⎯水单相体系 有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在 这种体系中。 非极性有机溶剂⎯水两相/多相体系 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性)相所组成的 两相体系。 不管采用何种有机介质反应体系，酶催化反应的介质中都含有机溶剂 和一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响
Conversion ratio(%) 60 P 口 24 Time(hr) 反应体系对酶酯化反应的影响 反应体系含1三甲基硅-1-乙醇10mM,戊酸10mM,内标正十五烷, 脂肪酶50mg,30℃,120rpm条件下振荡反应 1:水饱和正已烷10m1,2:pH.2缓冲液5m1+正已烷10ml
反应体系对酶酯化反应的影响 反应体系含1-三甲基硅-1-乙醇10 mM，戊酸10 mM，内标正十五烷， 脂肪酶50 mg，30℃，120 rpm条件下振荡反应 1：水饱和正已烷10 ml，2∶pH7.2缓冲液5 ml+正已烷10 ml
一反应体系中水对酶催化反应的影响 口酶都溶于水,只有在一定量的水存在的条件下,酶分子才能进行 催化反应。所以酶在有机介质中进行催化反应时,水是不可缺少 的成分之一。有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶的催 化活性、酶的稳定性、酶的催化反应速度等都有密切关系,水还三 与酶催化作用的底物和反应产物的溶解度有关。 口酶分子只有在空间构象完整的状态下,才具有催化功能。在无水 的条件下,酶的空间构象被破坏,酶将变性失活。故此,酶分子 需要一层水化层,以维持其完整的空间构象。维持酶分子完整的 空间构象所必需的最低水量称为必需水( essential water) 口有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。存在最适水 含量
反应体系中水对酶催化反应的影响 酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件下，酶分子才能进行 催化反应。所以酶在有机介质中进行催化反应时，水是不可缺少 的成分之一。有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶的催 化活性、酶的稳定性、酶的催化反应速度等都有密切关系，水还 与酶催化作用的底物和反应产物的溶解度有关。 酶分子只有在空间构象完整的状态下，才具有催化功能。在无水 的条件下，酶的空间构象被破坏，酶将变性失活。故此，酶分子 需要一层水化层，以维持其完整的空间构象。维持酶分子完整的 空间构象所必需的最低水量称为必需水（essential water）。 有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。存在最适水 含量
反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响 口常用的有机溶剂有辛烷,正己烷,苯,吡啶,季丁醇,丙醇,乙 腈,已酯,二氯甲烷等。 口在水溶液中,酶分子均一地溶解于水溶液中,可以较好地保持其 完整的空间结构。在有机溶剂中,酶分子不能直接溶解,而是悬 浮在溶剂中进行催化反应。根据酶分子的特性和有机溶剂的特性 的不同,保持其空间结构完整性的情况也有所差别 口极性较强的有杋溶剂,如甲醇,乙醇等,会夺取酶分子的结合水, 影响酶分子微环境的水化层,从而降低酶的催化活性,甚至引起酶 的变性失活。因此应选择好所使用的溶剂,控制好介质中的含水 量,或者经过酶分子修饰提高酶分子的亲水性,避免酶在有机介 质中因脱水作用而影响其催化活性 口有机溶剂与水之间的极性不同,在反应过程中会影响底物和产物 的分配,从而影响酶的催化反应 本章 目录
反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响 常用的有机溶剂有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇，丙醇，乙 腈，已酯，二氯甲烷等。 在水溶液中，酶分子均一地溶解于水溶液中，可以较好地保持其 完整的空间结构。在有机溶剂中，酶分子不能直接溶解，而是悬 浮在溶剂中进行催化反应。根据酶分子的特性和有机溶剂的特性 的不同，保持其空间结构完整性的情况也有所差别。 极性较强的有机溶剂，如甲醇，乙醇等，会夺取酶分子的结合水， 影响酶分子微环境的水化层，从而降低酶的催化活性,甚至引起酶 的变性失活。因此应选择好所使用的溶剂，控制好介质中的含水 量，或者经过酶分子修饰提高酶分子的亲水性，避免酶在有机介 质中因脱水作用而影响其催化活性。 有机溶剂与水之间的极性不同，在反应过程中会影响底物和产物 的分配，从而影响酶的催化反应。 本章 目录
63酶在有机介质中的催化特性 酶在有机介质中起催化作用时,由于有机溶剂的极性与水有很大差 别,对酶的表面结构、活性中心的结合部位和底物性质都会产生一定的 影响,从而显示出与水相介质中不同的催化特性 口底物特异性 口立体选择性 口区域选择性 口键选择性 口热稳定性
6.3 酶在有机介质中的催化特性 酶在有机介质中起催化作用时，由于有机溶剂的极性与水有很大差 别，对酶的表面结构、活性中心的结合部位和底物性质都会产生一定的 影响，从而显示出与水相介质中不同的催化特性 底物特异性 立体选择性 区域选择性 键选择性 热稳定性
有机介质酶催化反应的优点 酶在有机介质中由于水分子的减少,相对来说酶分子的构象表现出比 水溶液中更具有“刚性”特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来调 控酶的某些特性成为可能。例如在有机溶剂中,可以利用酶与配体的 相互作用性质,诱导改变酶分子的构象,调控酶的底物专一性,、立体 选择性和手性选择性等。 由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关,因此在有机介质中 酶的稳定性得到显著提高 由于有机溶剂的存在,水量减少,大大降低了许多需要水参与的副 反应,如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。 在有机介质中进行的酶促反应,可以省略产物的萃取分离过程提高收率
酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构象表现出比 水溶液中更具有“刚性”特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来调 控酶的某些特性成为可能。例如在有机溶剂中，可以利用酶与配体的 相互作用性质，诱导改变酶分子的构象，调控酶的底物专一性,、立体 选择性和手性选择性等。 由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关, 因此在有机介质中 酶的稳定性得到显著提高。 由于有机溶剂的存在, 水量减少，大大降低了许多需要水参与的副 反应，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。 在有机介质中进行的酶促反应，可以省略产物的萃取分离过程, 提高收率。 有机介质酶催化反应的优点