非水介质酶反应

1、第四节 酶的非水相催化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 GoGoGoGo5、酶非水相催化的应用 Go4.1 酶催化反应的介质水是酶促反应最常用的反应介质。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适宜的溶剂。因为许多有机化合物(底物底物)在水在水介质中难溶或不溶。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、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。聚合和分解等副反应的发生。是否存在非

2、水介质能保证酶催化？是否存在非水介质能保证酶催化？1984年，克利巴诺夫（年，克利巴诺夫（Klibanov）等人在）等人在有机介质中进行了酶催化反应的研究，他们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，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 有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机

3、溶剂中进行的催化反应。适用于底物、产物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。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。气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。 由由于气体介质的密度低，扩散容易，因此酶在气相中的于气体

4、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。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临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点的流体。点的流体。 离子液介质中的酶催化离子液介质中的酶催化 酶在离子液中进行的催化作用。离子液酶在离子液中进行的催化作用。离子液（ionic liquidsionic liquids）是由有机阳离子与有机）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（无机）

5、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。性、立体选择性、键选择性等显著特点。 4.2 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

6、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。化反应有显著的影响。 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

7、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

8、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。4.3 酶在有机介质中的催化特性 底物特异性立体选择性区域选择性键选择性热稳定性 酶在有机介质中起催化作用时，由于有机溶剂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

9、酶的表面结构、活性中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而显示出与水相介质中不同的催化特性酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶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分子的构象表现出比水溶液中更具有“刚性刚性”特特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来调控酶的点。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。某些特性成为可能。由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关, , 因此在有

10、机介质中酶的稳定性得到显著提高。因此在有机介质中酶的稳定性得到显著提高。有机介质酶催化反应的优点由于有机溶剂的存在由于有机溶剂的存在, , 水量减少，大大降水量减少，大大降低了许多需要水参与的副反应。低了许多需要水参与的副反应。在有机介质中进行的酶促反应，可以省略产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物的萃取分离过程, ,提高收率。提高收率。某些酶在有机介质与水溶液中的热稳定性某些酶在有机介质与水溶液中的热稳定性 酶酶 介质条件介质条件 热稳定性热稳定性猪胰脂肪酶猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯三丁酸甘油酯水，水， pH7.0pH7.0T T1/21/2 26 h 26 hT T1/2

11、1/2 2 min 2 min酵母脂肪酶酵母脂肪酶三丁酸甘油酯三丁酸甘油酯/ /庚醇庚醇水，水，pH7.0pH7.0T T1/21/2 =1.5 h =1.5 hT T1/21/2 2 min 2 min胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶正辛烷，正辛烷，100100水，水，pH 8.0, 55pH 8.0, 55T T1/2 1/2 = 80 min= 80 minT T1/21/2 = 15 min = 15 min4.4 有机介质中酶催化反应的条件及其控制 酶在有机介质中可以催化多种反应，主要包括：合成反应、转移反应、醇解反应、氨解反应、异构反应、氧化还原反应、裂合反应等。主要应控制的条件有酶的种类

12、和浓度底物的种类和浓度有机溶剂的种类水含量温度、pH、离子强度4.5 4.5 酶非水相催化的应用 酶酶 催化反应催化反应 应用应用 脂肪酶脂肪酶 肽合成肽合成 青霉素青霉素G G前体肽合成前体肽合成 酯合成酯合成 醇与有机酸合成酯类醇与有机酸合成酯类 转酯转酯 各种酯类生产各种酯类生产 聚合聚合 二酯的选择性聚合二酯的选择性聚合 酰基化酰基化 甘醇的酰基化甘醇的酰基化蛋白酶蛋白酶 肽合成肽合成 合成多肽合成多肽 酰基化酰基化 糖类酰基化糖类酰基化羟基化酶羟基化酶 氧化氧化 甾体转化甾体转化过氧化物酶过氧化物酶 聚合聚合 酚类、胺类化合物的聚合酚类、胺类化合物的聚合多酚氧化酶多酚氧化酶 氧化氧化

13、 芳香化合物的羟基化芳香化合物的羟基化 胆固醇氧化酶胆固醇氧化酶 氧化氧化 胆固醇测定胆固醇测定醇脱氢酶醇脱氢酶 酯化酯化 有机硅醇的酯化有机硅醇的酯化手性药物两种对映体的药理作用手性药物两种对映体的药理作用 药物名称有效对映体的作用另一种对映体的作用普萘洛尔（Propranolol）萘普生（Neproxen）青霉素胺（Penicillamine）羟基苯哌嗪(Dropropizine)反应停（Thalidomide）酮基布洛芬（Ketoprofen）喘速宁（Trtoquinol）乙胺丁醇（Ethambutol）萘必洛尔（Kebivolol）S构型，治疗心脏病,-受体阻断剂S构型，消炎、解热、镇

14、痛S构型，抗关节炎S构型，镇咳S构型，镇静剂S构型，消炎S构型，扩张支气管S,S构型，抗结核病右旋体，治疗高血压,-受体阻断剂R构型，钠通道阻滞剂R构型，疗效很弱R构型，突变剂R构型，有神经毒性R构型，致畸胎R构型，防治牙周病R构型，抑制血小板凝集R,R构型，致失明左旋体，舒张血管1992年，美国FDA明确要求对于具有手性特性的化学药物，都必需说明其两个对映两个对映体在体内的不同生理活性、药理作用以及药物代谢动力学情况体在体内的不同生理活性、药理作用以及药物代谢动力学情况。许多国家和地区也都制定了有关手性药物的政策和法规。这大大推动了手性药物拆分的研究和生产应用。目前提出注册申请和正在开发的手

15、性药物中，单一对映体药物占绝大多数。 脂肪酶-消旋化合物的拆分乙酸异丙酯乙酸乙烯醇酯 PSL 消旋化合物 RRSS+RCOOCH3OAcRCOOCH3OHRCOOCH3OHRCOOCH3OAcRCOOCH3OH有机溶剂有机介质中用脂肪酶(PSL)催化酯化用于-羟基-,-不饱和酯的拆分。可以避免副反应的发生。生物柴油生物柴油是利用生物油脂生产的有机燃料，是由动物、生物柴油是利用生物油脂生产的有机燃料，是由动物、植物或微生物油脂与小分子醇类经过酯交换反应而得到植物或微生物油脂与小分子醇类经过酯交换反应而得到的脂肪酸酯类物质。可以代替柴油作为柴油发动机的燃的脂肪酸酯类物质。可以代替柴油作为柴油发动机的燃料使用。料使用。 生物油脂的来源：菜子油，豆油，椰子油，棕榈油、蓖生物油脂的来源：菜子油，豆油，椰子油，棕榈油、蓖麻油、棉籽油，葵花籽麻油、棉籽油，葵花籽 油，废食用油等油，废食用油等优点：优点：（1） 具有良好的环境属性（2） 具有较好的低温发动机启动性能。（3） 具有较好的润滑性能。（4） 具有较好的安全性能。（5） 具有良好的燃料性能。（6） 具有可再生性能。从生物质到生物柴油生物柴油生产装备生物柴油的生产方法目前生物柴油主要是用化学法生产，采用