1、第九章 酶的非水相催化,酶非水相催化的研究概况有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响酶在有机介质中的催化特性有机介质中酶催化的应用,长期以来，人们对非生物体系内的酶反应的研究均局限于水相体系中，并且认为酶只能在水溶液中使用，而有机溶剂则是酶的变性剂。直到1984年美国MIT的Klibanov等用脂肪酶粉或其固定化酶在几乎无水的有机溶剂中成功地催化合成了肽、手性的醇、酯和酰胺；日本的稻田佑二等用聚乙二醇对脂肪酶进行了修饰，使其可溶于苯等有机溶剂中，并成功地催化了酯化反应。有机相酶反应研究的兴起为酶工程的发展确立了一个新的里程碑。我国在有机相酶反应的研究中也已取得了进展：曹淑桂等用猪胰脂肪酶酶粉
2、及其固定化酶催化酯合成和酯交换反应；许建和等在有机相中成功地实现了脂肪酶催化的薄荷醇的高效拆分；段钢等对有机相中脂肪酶催化酯化法拆分布洛芬的过程进行了比较深入的研究。,一、 酶非水相催化的研究概况,酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非水相催化。,有机介质中的酶催化 气相介质中的酶催化 超临界流体介质中的酶催化 离子液介质中的酶催化,同温同压下同物质的液气相的物理特性不同，当温度和压力达到某特定数值时，气液特性趋于相同，此数值为临界点，当温度和压力超过此点时，两相变为一相，此态下之流体称为超临界流体。 超临界流体(SCF)是指处于临界温度(Tc)和临界压力(Pc)以上，其物理性质介于气体与液体
3、之间的流体,超临界流体,超临界系统相,超临界流体物理特性和传质特性介于液体和气体之间：具有和液体同样的溶解能力，密度比气体大得多，扩散系数接近气体，黏度大低于液体的。 这种流体(SCF)兼有气液两重性的特点，它既有与气体相当的高渗透能力和低的粘度，又兼有与液体相近的密度和对许多物质优良的溶解能力。,超临界流体特性,离子化合物在常温下都是固体是一个众所周知的常识。这是由于离子键是很强的化学键，而且没有方向性和饱和性，大量的阴、阳离子同时存在时，强大的离子键使它们彼此靠拢，尽可能地利用空间，形成具有平移对称性的固体，所有离子只能在原地振动或者加上角度有限的摆动，而不能移动。离子化合物一般具有较高的
4、熔、沸点和硬度。知道了离子化合物在常温下为什么呈固态的原因，反其道而行，将带正电的阳离子和带负电的阴离子做得很大，而且其中之一结构极不对称，难以在微观空间做有效的紧密堆积，离子之间作用力也将减小，从而使这种化合物的熔点下降，就有可能得到常温下呈液态的离子化合物，这就是离子液体。,与典型的有机溶剂不一样，在离子液体里没有电中性的分子而100%是阴离子和阳离子，在负100度至200度之间均呈液体状态且具有良好的热稳定性和导电性；对大多数无机物、有机物和高分子材料来说，离子液体是一种优良的溶剂；表现出酸性及超强酸性质，使得它不仅可以作为溶剂使用，而且还可以作为某些反应的催化剂使用，这些催化活性的溶剂
5、避免了额外的可能有毒的催化剂或可能产生大量废弃物的缺点；离子液体一般不会成为蒸汽，所以在化学实验过程中不会产生对大气造成污染的有害气体；价格相对便宜，多数离子液体对水具有稳定性，容易在水相中制备得到；离子液体还具有优良的可设计性,可以通过分子设计获得特殊功能的离子液体。总之离子液体的无味、无恶臭、无污染、不易燃、易与产物分离、易回收、可反复多次循环使用和使用方便等优点，是传统挥发性溶剂的理想替代品，它有效地避免了传统有机溶剂的使用所造成严重的环境、健康、安全以及设备腐蚀等问题，为名副其实的、环境友好的绿色溶剂。适合于当前所倡导的清洁技术和可持续发展的要求,已经越来越被人们广泛认可和接受。,非水
6、酶学(non-aqueous enzymology)的研究内容,基本理论的研究，包括影响非水介质中酶催化的主要因素以及非水介质中酶学性质 通过非水介质中酶的结构和功能的研究，阐明非水介质中酶的催化机制，建立完善基本理论 利用上述理论指导非水介质中酶催化反应的应用,二、 有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响,有机介质反应体系水对有机介质中酶催化的影响有机溶剂对有机介质中酶催化的影响,1、有机介质反应体系,微水介质体系 与水溶性有机溶剂组成的均一体系 与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系 正胶束体系 反胶束体系,2、水对有机介质中酶催化的影响,水对酶分子构象的影响：酶分子需要水化层以维持其完
7、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。不同的酶所要求的必需水的量不同。,水对酶催化反应速度的影响：,在水含量较低的情况下，酶的催化反应速度随水含量的增加而升高。在反应速度达到最大时的水含量称为最适水含量。,有机介质中水含量对马肝醇脱氢酶催化反应速度的影响,水活度：有机介质中的水含量包括结合水和游离水两类。结合水是影响酶催化活性的关键因素。水活度（thermodynamic activity of water, Aw）是指体系中水的逸度与纯水逸度之比(体系中水的蒸汽压与相同条件下纯水的蒸汽压之比)。水活度排除了有机溶剂对最适水含量的影响，不同的酶具有不同的最佳水活度。
8、,在一般情况下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加，而最佳水活度与溶剂的极性大小没有关系。,水含量和水活度对假单胞菌脂肪酶催化酯合成速度的影响 1,己烷；2,四氯甲烷；3,甲苯；4,苯,3、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响,有机溶剂对酶结构与功能的影响：有些酶在有机溶剂作用下，空间结构受到破坏，使酶的催化活性受到影响，甚至变性失活；有些酶在有机溶剂中整体结构和活性中心基本保持完整，能在适当的有机溶剂中进行催化反应，但其表面结构和活性中心也会受到一定影响。,有机溶剂对酶活性的影响：极性较强的有机溶剂会夺取酶分子的结合水，影响酶分子的水化层，从而降低酶的催化活性，甚至引起酶的变性失活。有机溶剂极性
9、越强，对酶活力的影响越大。有机溶剂极性的强弱用极性系数lgP表示。P是溶剂在正辛烷与水两相中的分配系数。,有机溶剂对底物和产物分配的影响：有机溶剂与水的极性不同，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。有机溶剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度，所以应选择极性适中的有机溶剂作为介质使用，一般2lgP5。,三、酶在有机介质中的催化特性,1、底物专一性,在有机介质中，由于酶分子活性中心的结合部位与底物之间的结合状态发生某些变化，致使酶的底物特异性发生改变。,如：胰蛋白酶催化的水解反应 N-乙酰-L-丝氨酸乙酯/N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯 水溶液：1：10000 辛烷介质：20
10、：1,2、对映体选择性,酶立体选择性的强弱可用立体选择系数(KLD)的大小来衡量， KLD越大，酶催化的对映体选择性越强。KLD = (Kcat / Km)L / (Kcat / Km)D,3、区域选择性,酶在有机介质中进行催化时，具有区域选择性，即酶能够选择底物分子中某一区域的基团优先进行反应。K1,2 = (Kcat / Km)1 / (Kcat / Km)2,4、键选择性,酶在有机介质中进行催化的一个显著特点是具有化学键选择性，即在同一个底物分子中有2种以上的化学键都可以与酶反应时，酶对其中一种化学键优先进行反应。键选择性与酶的来源和有机介质的种类有关。,5、热稳定性,许多酶在有机介质中
11、的热稳定性比在水溶液中的热稳定性更好。酶在有机介质中的稳定性与介质中的水含量有关。在微水的有机介质中，酶的最适温度高于在水溶液中的温度，但温度过高同样会引起酶的变性失活，另外其立体选择性也会降低。,6、pH值特性,在有机介质反应中，酶所处的pH环境与酶在冻干或吸附到载体上之前所使用的缓冲液的pH值相同，这称为pH印记(pH-imprinting)，或称为pH记忆酶在有机介质中催化的最适pH通常与在水溶液中的最适pH相同或接近，但有些酶也会有较大差别缓冲液对冷冻干燥过程中pH值和酶活力有明显影响,四、有机介质中酶催化的应用,手性药物的拆分酚树脂的合成,1、手性药物的拆分,手性药物两种对映体的药效
12、差异,酶在手性化合物拆分方面的应用,外消旋混合物中的各组分和酶以不同速率进行反应，因此通过选择酶的种类和控制反应进程可以使其中的一种对映体转化成产物，而另一种对映异构体则不发生反应，从而达到分离的目的。从立体选择性和对映体的富集两方面考虑，非水溶剂下酶的使用是最好的选择。,脂肪酶催化外消旋体动力学拆分得到对映纯化合物，是最具吸引力的方法之一。在所有的脂肪酶动力学拆分反应中，大部分是有机溶剂中的转酯化反应。外消旋体混合物在最优温度、合适的酰基供体和有机溶剂中，其中一个对映体选择性地生成相应的酯，剩下未反应的另一个对映体则是纯品。,2、酚树脂的合成,辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase，HRP)在催化合成聚合物方面是一种应用较多而且很有潜力的一种酶，它能够以过氧化氢为电子受体，专一地催化酚及苯胺类物质的过氧化反应。HRP在二氧六环与水混溶的均一介质体系中，可以催化苯酚等酚类物质的聚合，生成酚类聚合物。,二氧六环含量对聚合物分子质量的影响,
