酶的固定化技术PPT课件

1、观念的改变观念的改变 有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化反应建立起来的。反应建立起来的。 近年来，进行了非水介质的酶结构与功能、酶近年来，进行了非水介质的酶结构与功能、酶作用机制、酶作用动力学的研究，建立起非水作用机制、酶作用动力学的研究，建立起非水酶学（酶学（non-aqueous enzymology)non-aqueous enzymology)。第1页/共102页观念的改变观念的改变新酶促反应体系新酶促反应体系的发现的发现, ,拓宽了酶催化反应的应用范围拓宽了酶催化反应的应用范围, ,使使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互补充的合成方法酶

2、法合成逐步发展成为与化学法合成相互补充的合成方法; ;Margolin Margolin 等研究了在等研究了在无水吡啶无水吡啶中以枯草杆菌蛋白酶为催化中以枯草杆菌蛋白酶为催化剂的选择性酰化反应该反应可以得到剂的选择性酰化反应该反应可以得到1 1 位选择性酰化产物位选择性酰化产物; ;传统的化学法是无法区分这些二级羟基的传统的化学法是无法区分这些二级羟基的,显示了酶法合成的显示了酶法合成的优越性优越性.第2页/共102页非水溶剂（有机介质）中酶催化的研究非水溶剂（有机介质）中酶催化的研究2020世纪初，世纪初，BourquelotBourquelot等人，将微量乙醇、丙酮类有等人，将微量乙醇、丙

3、酮类有机溶剂加到酶的水溶液中，酶有活性，但比水溶液中机溶剂加到酶的水溶液中，酶有活性，但比水溶液中低得多低得多19661966年以来，年以来，Dostoli Dostoli 和和SiegelSiegel分别报道胰凝乳蛋白分别报道胰凝乳蛋白酶和辣根过氧化物酶在几种非极性有机溶剂中具有催酶和辣根过氧化物酶在几种非极性有机溶剂中具有催化活力化活力1975-19831975-1983年，年，BucklandBuckland和和MartinekMartinek等探讨了微生物等探讨了微生物细胞、游离酶和固定化酶在有机溶剂中合成脂和类固细胞、游离酶和固定化酶在有机溶剂中合成脂和类固醇及缁醇转化醇及缁醇转化1

4、9841984年年KlibanovKlibanov在在ScienceScience上发表关于酶在有机上发表关于酶在有机介质中催化条件和特点的综述，标志着该领域的研究介质中催化条件和特点的综述，标志着该领域的研究取得突破性进展取得突破性进展第3页/共102页酶在有机介质中的催化的确立19841984年美国年美国Klibanov A.M.Klibanov A.M.在在Science上上发表了一篇关于酶在有机介质中催化发表了一篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的综述，在仅含微量水的条件和特点的综述，在仅含微量水的有机介质中成功酶促合成了酯、肽、有机介质中成功酶促合成了酯、肽、手性醇等许多有机化合物。

5、手性醇等许多有机化合物。Klibanov A.M.结论：只要条件合适，酶可在非生物体系的疏水介质中催只要条件合适，酶可在非生物体系的疏水介质中催化天然或非天然的疏水性底物和产物的转化，酶可化天然或非天然的疏水性底物和产物的转化，酶可在水与有机剂互溶体系、水与有机剂量组成的双液在水与有机剂互溶体系、水与有机剂量组成的双液相体系、仅含微量水或几乎无水的有机剂中表现出相体系、仅含微量水或几乎无水的有机剂中表现出催化活性。催化活性。第4页/共102页为什么酶在有机溶剂中表现出催化活性？通过酶在水相和有机相中的结构比较，通过酶在水相和有机相中的结构比较，证实了在有机相中酶能够保持其整体证实了在有机相中酶

6、能够保持其整体结构的完整性，至少是酶活性部位与结构的完整性，至少是酶活性部位与水溶液中的结构是相同的。水溶液中的结构是相同的。不同介质中酶活性中心的完整性相差不同介质中酶活性中心的完整性相差不大，但酶活力却相差不大，但酶活力却相差4 4个数量级。个数量级。因此认为酶分子结构的动态变化很可因此认为酶分子结构的动态变化很可能是主要因素能是主要因素. .北口博司认为酶分子的北口博司认为酶分子的“紧密紧密”和和“开启开启”两种状态处于一种可动平衡两种状态处于一种可动平衡中，表现出一定柔性。中，表现出一定柔性。有机溶剂中酶分子和水合作用、蛋白有机溶剂中酶分子和水合作用、蛋白质柔性和酶活力之间和关系比过去

7、的质柔性和酶活力之间和关系比过去的认识要复杂得多。认识要复杂得多。酶结合水酶结合水酶酶水或有机剂水或有机剂第5页/共102页第一节第一节 酶非水相催化的研究概况酶非水相催化的研究概况受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同酶的非水相催化类型主要包括酶的非水相催化类型主要包括: :o 一、有机介质的酶催化；一、有机介质的酶催化；o 二、气相介质的酶催化；二、气相介质的酶催化；o 三、超临界流体介质中的酶催化；三、超临界流体介质中的酶催化；o 四、离子液介质中的酶催化四、离子液介质中的酶催化go第6页/共102页有机介质的酶催化有机介质的酶催化 指酶在含

8、有一定水的有机溶剂中进行催化反应指酶在含有一定水的有机溶剂中进行催化反应; ; 适用范围适用范围: :底物或产物或其一为疏水性物质的酶催化作用底物或产物或其一为疏水性物质的酶催化作用; ; 原因原因: :酶在有机相中能保持结构的完整酶在有机相中能保持结构的完整; ; 特性特性: :酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性、热稳定性等有所改变；酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性、热稳定性等有所改变； 应用：多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合成、手性药物拆分的研究。应用：多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合成、手性药物拆分的研究。第7页/共102页如多酚氧化酶催化酚类物质的氧化

9、反应：如多酚氧化酶催化酚类物质的氧化反应：水果、蔬菜的褐变就是由于果蔬类中含酚类物质和多酚氧化水果、蔬菜的褐变就是由于果蔬类中含酚类物质和多酚氧化酶，破损时与氧气接触，发生上述反应而变为褐色。因此，酶，破损时与氧气接触，发生上述反应而变为褐色。因此，在水相中无法得到邻醌类化合物或邻酚类物质；在水相中无法得到邻醌类化合物或邻酚类物质；但在氯仿中酶催化反应生成的邻醌类化合物不易发生聚合，但在氯仿中酶催化反应生成的邻醌类化合物不易发生聚合，从而可得到邻醌类化合物。因此研究非水相酶催化反应很有从而可得到邻醌类化合物。因此研究非水相酶催化反应很有必要。必要。 第8页/共102页气相介质的酶催化气相介质的

10、酶催化 指酶在气相介质中进行催化反应；指酶在气相介质中进行催化反应； 适用范围：底物是气体或能转化为气体的物质；适用范围：底物是气体或能转化为气体的物质； 特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水相中明显不同；特性：气体介质密度低，扩散容易；与在水相中明显不同；第9页/共102页有优于液相反应的优点有优于液相反应的优点：某些酶在液相中使用受到一：某些酶在液相中使用受到一定的限制，如酶和辅酶的操作不稳定性，底物及产物定的限制，如酶和辅酶的操作不稳定性，底物及产物的不溶性和酶的活性被产物抑制等，而气相中的反应的不溶性和酶的活性被产物抑制等，而气相中的反应就可以克服这些缺点，而且气相中的酶促反应更利于

11、就可以克服这些缺点，而且气相中的酶促反应更利于易挥发性产品的生产；易挥发性产品的生产；Hwang Hwang 等研究了固定化醇氧化酶在气相中的催化反应等研究了固定化醇氧化酶在气相中的催化反应生物酶用于气相催化不适用于糖氨基酸等不易挥发的底物生物酶用于气相催化不适用于糖氨基酸等不易挥发的底物但它将来可用于某些易挥发产品的工业生产以及有害气体但它将来可用于某些易挥发产品的工业生产以及有害气体的分析和处理的分析和处理Back第10页/共102页超临界流体介质中的酶催化超临界流体介质中的酶催化酶在超临界流体中进行催化反应；酶在超临界流体中进行催化反应；超临界流体超临界流体指温度和压力超过临界点的流体；

12、指温度和压力超过临界点的流体；supercriticalsupercritical状态，简称状态，简称SC SC 状态；状态； 由于黏度、介电常数、扩散系数和溶解能力都与密度有关，由于黏度、介电常数、扩散系数和溶解能力都与密度有关，因此可以方便地通过调节压力来控制超临界流体的物理化因此可以方便地通过调节压力来控制超临界流体的物理化学性质。学性质。与常用的有机溶剂相比，超临界流体特别是与常用的有机溶剂相比，超临界流体特别是SCCOSCCO、SCHSCH2 2O O还是一种环境友好的溶剂。还是一种环境友好的溶剂。要求：要求：超临界流体对酶结构无破坏；具良好化学稳定性；超临界流体对酶结构无破坏；具良

13、好化学稳定性；温度不可太高太低；压力不可太高；易获得等。温度不可太高太低；压力不可太高；易获得等。常用的超临界流体有：常用的超临界流体有：COCO2 2, SO, SO2 2 C C2 2H H4 4, C, C2 2H H6 6 C C3 3H H8 8 C C4 4H H1010 等。等。第11页/共102页优点：优点：1)1)与水相比较，脂溶性反应物和产物可溶于超临界与水相比较，脂溶性反应物和产物可溶于超临界COCO中，而酶作为中，而酶作为蛋白质不溶解，有利于三者的分离；蛋白质不溶解，有利于三者的分离；2)2)产品回收时，不需要处理大量的稀水溶液，可解决环境污染问题；产品回收时，不需要处

14、理大量的稀水溶液，可解决环境污染问题；3)3)与有机溶剂体系相比，与有机溶剂体系相比，COCO无毒，不燃烧、廉价、无有机溶剂残留无毒，不燃烧、廉价、无有机溶剂残留之虞；之虞；4)CO4)CO超临界体系超临界体系具有气体的高扩散系数、低粘度和低表面张力使底具有气体的高扩散系数、低粘度和低表面张力使底物向酶的传质速度加快从而使反应速度提高物向酶的传质速度加快从而使反应速度提高，且在临界点附近，溶解，且在临界点附近，溶解能力和介电常数对温度和压力敏感，故反应速度提高。亦可以控制反能力和介电常数对温度和压力敏感，故反应速度提高。亦可以控制反应速率和反应平衡；应速率和反应平衡；5)5)可简化产物的分离，

15、有可能将反应和分离过程耦合。可简化产物的分离，有可能将反应和分离过程耦合。已对已对1010多种酶反应进行了研究，主要是酯化反应、酯交换反应、酯水多种酶反应进行了研究，主要是酯化反应、酯交换反应、酯水解反应和氧化反应。反应条件温和，反应温度低于解反应和氧化反应。反应条件温和，反应温度低于5050Back第12页/共102页离子液介质中的酶催化离子液介质中的酶催化 指酶在离子液中进行催化作用；指酶在离子液中进行催化作用； 离子液离子液Ionic liquids (ILs)是有机阳离子、有机阴离子在室温下呈液态是有机阳离子、有机阴离子在室温下呈液态低熔点盐类，挥发性好，稳定性好；低熔点盐类，挥发性好

16、，稳定性好； 特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择性、立体选择性、键选特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择性、立体选择性、键选择性。择性。第13页/共102页总 结 在酶非水相催化中研究最多的是有机溶剂在酶非水相催化中研究最多的是有机溶剂; ; 1984.Kilibanov1984.Kilibanov指出酶可在水与有机溶剂互溶体系、或组成的两相体系、或微水体指出酶可在水与有机溶剂互溶体系、或组成的两相体系、或微水体系中进行催化；系中进行催化； 包括水解酶、氧化还原酶、醛缩酶等十几种酶均可在有机剂中催化；包括水解酶、氧化还原酶、醛缩酶等十几种酶均可在有机剂中催化； 非水酶学与非水介质中酶催化

17、应用取得了显著效果。非水酶学与非水介质中酶催化应用取得了显著效果。第14页/共102页第二节第二节有机介质中水和有机溶剂有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响对酶催化反应的影响go第15页/共102页一、有机介质反应体系 1 1、微水介质体系；、微水介质体系； 2 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系；、与水溶性有机溶剂组成的均一体系； 3 3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系；、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系； 4 4、（正）胶束体系；、（正）胶束体系； 5 5、反胶束体系。、反胶束体系。第16页/共102页1 1、微水介质体系、微水介质体系 是有机溶剂和微量水组成的反应体系是

18、有机溶剂和微量水组成的反应体系; ; 微量水主要是酶分子结合水微量水主要是酶分子结合水, ,对维持酶分子空对维持酶分子空间构象和催化活性至关重要间构象和催化活性至关重要; ; 另一部分水分配在有机溶剂中另一部分水分配在有机溶剂中; ; 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质中中; ; 是常见的有机反应体系是常见的有机反应体系. .第17页/共102页2 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、与水溶性有机溶剂组成的均一体系 由水与极性较大的有机溶剂互混组成；由水与极性较大的有机溶剂互混组成； 水与有机剂含量均较大；水与有机剂含量均较大； 适用的酶较少；适用

19、的酶较少； 辣根过氧化酶（辣根过氧化酶（HRPHRP）应用：）应用： 催化酚类或芳香胺类聚合成聚酚或聚胺类物，在环保黏合剂、导电聚催化酚类或芳香胺类聚合成聚酚或聚胺类物，在环保黏合剂、导电聚物、发光聚合物材料中有重要作用。物、发光聚合物材料中有重要作用。第18页/共102页3 3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系 由水和疏水性较强的有机溶剂组成两相或多相体系；由水和疏水性较强的有机溶剂组成两相或多相体系； 游离酶、亲水性底物溶于水相，疏水性底物或产物溶于有机相；游离酶、亲水性底物溶于水相，疏水性底物或产物溶于有机相； 固定化酶在界面；固定化酶在界面；

20、 催化反应在两相界面进行；催化反应在两相界面进行； 适于底物或产物属于疏水化合物的反应。适于底物或产物属于疏水化合物的反应。第19页/共102页4 4、（正）胶束体系、（正）胶束体系大量水溶液中含少量与水不溶的有机溶剂，加入表面活性大量水溶液中含少量与水不溶的有机溶剂，加入表面活性剂形成水包油微小液滴；剂形成水包油微小液滴；表面活性剂极性端朝外表面活性剂极性端朝外,非极性端朝内非极性端朝内,有机溶剂包在液滴有机溶剂包在液滴内部内部;酶在水溶液中酶在水溶液中,疏水底物或产物在胶束内疏水底物或产物在胶束内,反应在胶束界面反应在胶束界面进行进行.水相水相有机相有机相酶酶第20页/共102页5、反相胶

21、束体系 反相胶束反相胶束: : 在与水不互溶的在量有机溶剂中在与水不互溶的在量有机溶剂中, ,加入表面活性剂后形加入表面活性剂后形成的油包水的微小水滴；成的油包水的微小水滴； 19971997年首次报道酶在反相胶束中具有活性年首次报道酶在反相胶束中具有活性( (已发现已发现4040多种酶多种酶) )； 酶分子处在反胶束内，稳定性好；酶分子处在反胶束内，稳定性好； 反胶束与生物膜有相似之处，适于研究生物膜表面酶的结构、催化反胶束与生物膜有相似之处，适于研究生物膜表面酶的结构、催化特性、动力学特性。特性、动力学特性。水相有机相酶第21页/共102页不同类型的酶在反相胶束中的排布模型第22页/共10

22、2页二、水对有机介质中酶催化的影响第23页/共102页水的影响水在酶催化反应中发挥着双重作用水在酶催化反应中发挥着双重作用: :一方面一方面, ,水分子直接或间接地通过氢键疏水键及范德华力等非共价键相互作用来维水分子直接或间接地通过氢键疏水键及范德华力等非共价键相互作用来维持酶的催化活性所必需的构象持酶的催化活性所必需的构象, ,与酶分子紧密结合的一层左右的水分子对酶的催化与酶分子紧密结合的一层左右的水分子对酶的催化活性是至关重要的活性是至关重要的, ,称之为必需水称之为必需水, ,不同酶与必需水结合的紧密程度及所结合的必不同酶与必需水结合的紧密程度及所结合的必需水数量是不同的需水数量是不同的

23、; ;第24页/共102页水的影响另一方面水是导致酶的热失活的重要因素另一方面水是导致酶的热失活的重要因素, ,有水存在时随有水存在时随着温度的升高酶分子会发生以下变化而失活着温度的升高酶分子会发生以下变化而失活: :(1)(1)形成不规则结构形成不规则结构; ;(2)(2)二硫键受到破坏二硫键受到破坏; ;(3)(3)天冬酰胺和谷氨酰胺水解变为相应的天冬氨酸和谷氨天冬酰胺和谷氨酰胺水解变为相应的天冬氨酸和谷氨酸酸; ;(4)(4)天冬氨酸肽键发生水解天冬氨酸肽键发生水解. .因此在非水相酶反应体系中存在着最佳含水量因此在非水相酶反应体系中存在着最佳含水量, ,该最佳含该最佳含水量不仅取决于酶

24、的种类也与所选用的有机溶剂有关水量不仅取决于酶的种类也与所选用的有机溶剂有关. .第25页/共102页1 1、水对酶分子空间构象的影响 无水下酶空间构象被破坏无水下酶空间构象被破坏, ,故需一层水化层故需一层水化层; ; 必需水必需水: :维持酶分子完整空间构象所必需的最低维持酶分子完整空间构象所必需的最低水量水量; ; 不同的酶所需求的必需水的量差别较大不同的酶所需求的必需水的量差别较大; ; 每分子凝乳蛋白酶只需每分子凝乳蛋白酶只需5050分子的水，每分子多分子的水，每分子多酚氧化酶却需酚氧化酶却需3.53.5102个水分子 原因原因: :必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等必需水是维持酶

25、分子结构中氢键、盐键等副键所必需的。副键所必需的。第26页/共102页结合水含量结合水含量(%)(%)酶周围水分子个酶周围水分子个数数作作 用用07060有助于蛋白质侧链残基的离子化725602207%水分子在其他极性部位形成簇，25%肽键的氨基被水合，蛋白质结构基本不变，酶活不变2538220300肽键羧基为主的极性部位完全水合，酶活随含水量增加而增加。38300整个酶分子被一层单分子水层包围酶活力是水溶液中的/10。第27页/共102页2.2.水对酶催化反应速度的影响 典型的非水酶体系中水含量通常只占典型的非水酶体系中水含量通常只占0.01%0.01%，但，但其微小差距会导致酶催化活力的较

26、大改变。其微小差距会导致酶催化活力的较大改变。 水影响蛋白质结构的完整性、活性位点的极性水影响蛋白质结构的完整性、活性位点的极性和稳定性。和稳定性。第28页/共102页第29页/共102页有机溶剂中有机溶剂中 酶含水量酶含水量 最适水量，酶构象过于最适水量，酶构象过于“柔性柔性”，因变构而失活；因变构而失活；最适水量：最适水量：酶活性最大，保证酶的极性部位水合，表现酶酶活性最大，保证酶的极性部位水合，表现酶活力所必需蛋白质结构的动力学刚性和热力学稳定性之间活力所必需蛋白质结构的动力学刚性和热力学稳定性之间的最佳点平衡点，的最佳点平衡点，同一种酶，反应系统的最适水量与有机溶剂的种类、酶的同一种酶

27、，反应系统的最适水量与有机溶剂的种类、酶的纯度、固定化酶的载体性质核修饰性质有关纯度、固定化酶的载体性质核修饰性质有关第30页/共102页有机介质中含两类水：结合水、游离水；有机介质中含两类水：结合水、游离水；在结合水不变的条件下，体系含水量的变化对酶催化活性影响不在结合水不变的条件下，体系含水量的变化对酶催化活性影响不大；大；然而在一些体系中，溶剂和底物性质对酶活力也有直接或间接影然而在一些体系中，溶剂和底物性质对酶活力也有直接或间接影响；响；为了排除溶剂对最适含水量的影响，为了排除溶剂对最适含水量的影响，HallingHalling建议用水活度（建议用水活度（a aw w）描述有机介质中酶

28、催化活力与水的关系：描述有机介质中酶催化活力与水的关系：水活度：体系中水的逸度与纯水逸度之比；水活度：体系中水的逸度与纯水逸度之比；用体系中水蒸汽压与相同条件下纯水蒸汽压之比表示用体系中水蒸汽压与相同条件下纯水蒸汽压之比表示； Aw=P/PoAw=P/Po P P：一定条件下体系中水的蒸汽压：一定条件下体系中水的蒸汽压 Po:Po:相同条件下纯水的蒸汽压相同条件下纯水的蒸汽压水活度与溶剂极性大小无关，最适含水量与溶剂极性成正比，故水活度与溶剂极性大小无关，最适含水量与溶剂极性成正比，故采用水活度作参数更确切；采用水活度作参数更确切；3.3.水活度（activity of water)activ

29、ity of water)第31页/共102页三 有机溶剂对有机介质中酶催化的影响第32页/共102页有机溶剂影响 有机溶剂主要通过以下三种途径发生作用有机溶剂主要通过以下三种途径发生作用: 一是有机溶剂与酶直接发生作用通过干扰氢键和疏水键一是有机溶剂与酶直接发生作用通过干扰氢键和疏水键等改变酶的构象从而导致酶的活性被抑制或酶的失活等改变酶的构象从而导致酶的活性被抑制或酶的失活; 二是有机溶剂和能扩散的底物或反应产物相互作用影响二是有机溶剂和能扩散的底物或反应产物相互作用影响正常反应的进行正常反应的进行; 三是有机溶剂还可以直接和酶分子周围的水相互作用三是有机溶剂还可以直接和酶分子周围的水相互

30、作用第33页/共102页1. 1. 有机溶剂对酶结构与功能的影响在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，较在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，较好地保持其构象；好地保持其构象；有机溶剂中酶分子不能直接溶解，因此根据酶有机溶剂中酶分子不能直接溶解，因此根据酶分子特性与有机溶剂特性不同，其空间结构的分子特性与有机溶剂特性不同，其空间结构的保持也有不同。保持也有不同。有些酶在有机溶剂作用下，其结构受到破坏；有些酶在有机溶剂作用下，其结构受到破坏；有的酶分子则保持完整；有的酶分子则保持完整；第34页/共102页（1）有机溶剂对结合水的影响 一些相对亲水性的有机溶剂能够夺取酶表面的必需水而导致酶失活。一

31、些相对亲水性的有机溶剂能够夺取酶表面的必需水而导致酶失活。 酶失水的情况与溶剂的介电常数和疏水性参数有关。酶失水的情况与溶剂的介电常数和疏水性参数有关。 由于酶与溶剂竞争水分子，体系的最适含水量与酶的用量及底物浓度有关。由于酶与溶剂竞争水分子，体系的最适含水量与酶的用量及底物浓度有关。2. 2. 有机溶剂对酶活性的影响第35页/共102页（2）溶剂属性(极性)与酶活力的定量关系酶在不同的有机溶剂中活力差别很大；酶在不同的有机溶剂中活力差别很大；研究最多的是酶活力与溶剂极性参数研究最多的是酶活力与溶剂极性参数lgPlgP之间的关系；之间的关系；P P：指溶剂在正辛烷与水两相中的分配系数，：指溶剂

32、在正辛烷与水两相中的分配系数，lgPlgP越大，极性越小；越大，极性越小；Laane Laane 的实验发现：的实验发现：lgP2lgP4lgP4，酶具有较高活力，此类溶剂较理想，酶具有较高活力，此类溶剂较理想 。2lgP42lgP4，酶活力中等。，酶活力中等。第36页/共102页、溶剂对底物和产物分配的影响 溶剂能直接或间接地与底物和产物相互作用。溶剂能直接或间接地与底物和产物相互作用。 溶剂能改变酶分子必需水层中底物或产物的浓度。溶剂能改变酶分子必需水层中底物或产物的浓度。有机溶剂极性小，疏水性强，疏水性底物难于进入必需水层；有机溶剂极性小，疏水性强，疏水性底物难于进入必需水层；有机溶剂极

33、性过强，亲水性强，疏水性底物在有机溶剂中溶解度太低；有机溶剂极性过强，亲水性强，疏水性底物在有机溶剂中溶解度太低；故选择故选择2 2lgp5的有机溶剂作为有机介质为宜。 YangYang等发现：溶剂对底物和产物的影响主要体现在底物和产物溶剂化上，从而影等发现：溶剂对底物和产物的影响主要体现在底物和产物溶剂化上，从而影响反应动力学和热力学平衡。响反应动力学和热力学平衡。第37页/共102页第三节第三节 酶在有机介质中的催化特性酶在有机介质中的催化特性 有机溶剂的存在有机溶剂的存在, ,改变了疏水相互作用的精细改变了疏水相互作用的精细平衡平衡, ,从而影响到酶的结合部位从而影响到酶的结合部位. .

34、 有机溶剂会改变底物存在状态有机溶剂会改变底物存在状态. . 结果影响酶的稳定性和酶的底物特异性结果影响酶的稳定性和酶的底物特异性, ,立体立体选择性选择性, ,区域选择性和化学键选择性区域选择性和化学键选择性. .第38页/共102页一、底物专一性 有机介质中酶活性中心结合部位与底物的结合有机介质中酶活性中心结合部位与底物的结合状态发生改变状态发生改变, ,致使酶的底物特异性发生改变致使酶的底物特异性发生改变; ; 水溶液中底物与酶活性中心结合靠疏水作用水溶液中底物与酶活性中心结合靠疏水作用; ; 有机介质中有机溶剂与底物的疏水作用更强有机介质中有机溶剂与底物的疏水作用更强; ;N-乙酰-L

35、丝氨酸乙酯N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯疏水性疏水性: 介质介质水水辛烷辛烷蛋白酶蛋白酶水解速度水解速度底物底物第39页/共102页胰蛋白酶等蛋白酶在催化N-乙酰-L-丝氨酸乙酯和N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯的水解反应时，酶在水溶液中催化苯丙氨酸乙酯水解的速度，比在同等条件下催化丝氨酸乙酯水解的速度高104倍；而在辛烷介质中，催化丝氨酸乙酯水解的速度却比催化苯丙氨酸乙酯水解的速度快20倍。请解释上述现象 苯丙氨酸的疏水性比丝氨酸强，第40页/共102页 这是因为在水溶液中，底物与酶分子活性中心的结合主要依靠疏水作用，疏水性较强的底物，容易与活性中心部位结合，催化反应的速度较高，而苯丙氨酸的疏水性比丝

36、氨酸强，所以速度快。 而在有机介质中有机溶剂与底物之间的疏水作用比底物与酶之间的疏水作用更强。结果疏水性较强的底物容易受有机溶剂的作用，反而影响其与酶分子活性中心的结合。）第41页/共102页底物专一性( (续) ) 不同的有机介质，酶的底物专一性也不一样；不同的有机介质，酶的底物专一性也不一样； 极性较强的有机溶剂中极性较强的有机溶剂中, ,疏水性较强的底物易反疏水性较强的底物易反应应; ; 极性较弱的有机溶剂中极性较弱的有机溶剂中, ,疏水性较弱的底物易反疏水性较弱的底物易反应应; ;N-N-乙酰乙酰-L-L丝氨酸乙酯丝氨酸乙酯N-N-乙酰乙酰-L-L-苯丙氨酸乙酯苯丙氨酸乙酯疏水性疏水性

37、: 二氯甲烷二氯甲烷吡啶吡啶枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶+丙醇丙醇(极性较强极性较强)底物底物介质介质反应速度反应速度第42页/共102页二、对映体选择性（enantioselectivity) 又称立体选择或立体异构专一性，是酶在对称的外消又称立体选择或立体异构专一性，是酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小指标；旋化合物中识别一种异构体的能力大小指标；立体选择系数越大，酶催化的对映体选择性越强立体选择系数越大，酶催化的对映体选择性越强立体选择系数：立体选择系数：第43页/共102页 对映体选择性对映体选择性意义意义： 蛋白酶在水溶液中对蛋白酶在水溶液中对L-L-氨基酸起作用，而在

38、有机氨基酸起作用，而在有机介质中可用介质中可用D-D-氨基酸为底物合成手性药物，有重氨基酸为底物合成手性药物，有重要应用。要应用。第44页/共102页三、区域选择性（regioselectivityregioselectivity） 酶能够选择性地催化底物分子中某个区域的基团优先发酶能够选择性地催化底物分子中某个区域的基团优先发生反应；用区域选择系数生反应；用区域选择系数KrsKrs的大小衡量。的大小衡量。与立体选择系数相似，用与立体选择系数相似，用1 1、2 2代替构型；代替构型；反应的位置选择因子：反应的位置选择因子： K K1 1，2 2= =（k kcatcat/K/Km m) )1

39、1/ / （k kcatcat/K/Km m) )2 2例：1,4-二丁酰基-2-辛基苯丁醇脂肪酶转脂反应+甲苯甲苯乙腈乙腈K4，120.5第45页/共102页四、键选择性（chemoselectivity) 即同一个底物分子中有即同一个底物分子中有2 2种以上化学键可与酶种以上化学键可与酶反应，酶对其一优先反应；反应，酶对其一优先反应；6-6-氨基氨基-1-1-已醇已醇黑曲霉脂肪酶黑曲霉脂肪酶毛霉脂肪酶毛霉脂肪酶羟基酰化羟基酰化氨基酰化氨基酰化占优占优意义：可在不需基团保护下合成氨基醇脂；意义：可在不需基团保护下合成氨基醇脂；第46页/共102页五、 热力学稳定性有机溶剂中酶的热稳定性和储存

40、稳定性都比水溶液中高；有机溶剂有机溶剂中酶的热稳定性和储存稳定性都比水溶液中高；有机溶剂中酶的热稳定性还与介质中水含量有关；中酶的热稳定性还与介质中水含量有关；原因：可能是有机介质中缺少引起酶变性的水分子；原因：可能是有机介质中缺少引起酶变性的水分子；KlibanovKlibanov和和VolkinVolkin认为：由于有机溶剂中缺少使酶热失活的水分子，认为：由于有机溶剂中缺少使酶热失活的水分子，由水引起的蛋白质热失活的全过程难以进行。由水引起的蛋白质热失活的全过程难以进行。第47页/共102页六.pH.pH值特性 pHpH记忆，记忆，pHpH印记印记; ;有机溶剂中的酶能够有机溶剂中的酶能够

41、“记忆记忆”在冷在冷冻干燥或冻干燥或吸附到载体上之前所使用的缓冲液pH相同。 现象：脂肪酶催化三丁酸甘油与正庚醇的转酯反应，现象：脂肪酶催化三丁酸甘油与正庚醇的转酯反应，酶的反应速度与其冷冻干燥前水溶液的的酶的反应速度与其冷冻干燥前水溶液的的PHPH密切相关，密切相关，反应的最适反应的最适PHPH接近于水溶液中的最适接近于水溶液中的最适PHPH 原因：在有机溶剂中酶分子表面的必需水只要在特定原因：在有机溶剂中酶分子表面的必需水只要在特定的的PHPH和离子强度下，酶分子活性中心周围的基因才能和离子强度下，酶分子活性中心周围的基因才能处于最佳的离子化状态当酶分子从水溶液转移到有机处于最佳的离子化状

42、态当酶分子从水溶液转移到有机介质时，原有的解离状态不变，被保持在有机介质中；介质时，原有的解离状态不变，被保持在有机介质中； 有机介质中酶催化反应的最适有机介质中酶催化反应的最适phph通常与在水溶液的通常与在水溶液的pHpH接近；接近；第48页/共102页 在含有微量水的有机介质中，采用有机缓冲液时，酶分子的pH印记特性不再起作用，即酶在冷冻干燥前缓冲液的pH状态对酶在有机介质中的催化活性没有什么影响，而主要受到有机相缓冲液的影响。第49页/共102页第四节第四节 有机介质中酶催化反应的有机介质中酶催化反应的条件及其控制条件及其控制 酶在有机介质中的催化反应受各种因素影响，主要有酶、底物、有

43、机酶在有机介质中的催化反应受各种因素影响，主要有酶、底物、有机溶剂种类、水含量、温度、溶剂种类、水含量、温度、pHpH值和离子强度等。值和离子强度等。第50页/共102页一、有机介质中酶催化反应的类型一、有机介质中酶催化反应的类型1 1、合成反应、合成反应( (linklink) )2 2、转移反应、转移反应(link)3 3、醇解反应、醇解反应(link)4 4、氨解反应、氨解反应(link)5 5、异构反应、异构反应(link)6 6、氧化还原反应、氧化还原反应(link)7 7、裂合反应、裂合反应(link)go第51页/共102页1、合成反应有机介质中水含量极微，可催化水解反应的逆反应

44、；有机介质中水含量极微，可催化水解反应的逆反应；（1 1）脂肪酶或酯酶催化有机酸和醇进行酯的合成反应：）脂肪酶或酯酶催化有机酸和醇进行酯的合成反应：意义意义: :酶催化酯合成可合成手性化合物酶催化酯合成可合成手性化合物, ,且酶的立体选择性主且酶的立体选择性主要是选择立体异构的醇要是选择立体异构的醇. .第52页/共102页（2 2）蛋白酶可在有机介质中催化氨基酸进行合成反应，）蛋白酶可在有机介质中催化氨基酸进行合成反应，生成多肽生成多肽back第53页/共102页2、转移反应 如脂肪酸催化酯与有机酸反应生成另一种酯与有机酸如脂肪酸催化酯与有机酸反应生成另一种酯与有机酸,即即转酯反应转酯反应：

45、back第54页/共102页3、醇解反应 假单胞脂肪酶催化酸酐醇生成二酸单酯化合物假单胞脂肪酶催化酸酐醇生成二酸单酯化合物即酸酐水解反应即酸酐水解反应, ,例例: :back第55页/共102页CH2OOCCHCH2R1OOCR2OOCR3CH2CHCH2OHOHOH三甘酯甘油+3CH3OH+CH3OOCR1CH3OOCR3CH3OOCR2甲醇脂肪酸甲酯第56页/共102页4、氨解反应如脂肪酶催化酯类进行不对称氨解反应：如脂肪酶催化酯类进行不对称氨解反应：R-R-苯丙氨酸甲酯苯丙氨酸甲酯酰胺酰胺叔丁醇叔丁醇第57页/共102页环氧化合物氨解环氧化合物氨解back第58页/共102页5、异构反应

46、 如消旋酶催化一种异构体为另一种异构体如消旋酶催化一种异构体为另一种异构体例例back第59页/共102页6、氧化还原反应 （1 1）单加氧）单加氧( (linklink) )o （2 2）双加氧）双加氧( (linklink) )o （3 3）催化醛类或酮类还原成醇类）催化醛类或酮类还原成醇类( (linklink) )back第60页/共102页（1 1）单加氧）单加氧back第61页/共102页（2 2）双加氧）双加氧第62页/共102页（3 3）催化醛类或酮类还原成醇类）催化醛类或酮类还原成醇类第63页/共102页7 7、裂合反应 如醇腈酶催化醛与氢氰酸的反应如醇腈酶催化醛与氢氰酸的反

47、应back第64页/共102页二、酶的选择 不同的酶具有不同的结构和特性，同一种酶，由于来源的不同和处理方法的不同，其特性有所差别，所以要根据需要通过实验进行选择。 在有机介质中进行催化反应，对酶的选择不但要看催化反应的速度的大小，还要特别注意酶的稳定性、底物专一性、对映体选择性、区域选择性、键选择性等。第65页/共102页三、底物的选择和浓度控制 由于酶在有机介质中的底物专一性与在水溶液中的专一性有些差别，所以要根据酶在所使用的有机介质中的专一性选择适宜的底物。 酶在有机介质中进行催化，要考虑底物在有机溶剂和必需水层中的分配情况。 疏水性强的底物虽然在有机溶剂中的溶解度大，浓度高，但难于从有

48、机溶剂中进入必需水层，与酶分子活性中心结合的底物浓度较低，而降低酶的催化速度。 如果底物亲水性强，在有机溶剂中的溶解度低，也使催化速度减慢。第66页/共102页四、有机溶剂的选择 有机溶剂是影响在有机介质中催化的关键因素之一，在使用过程中要根据具体情况进行选择。 通常选用2lgP5的溶剂作为催化反应介质。 在与水混溶的有机介质中，水与有机溶剂混合在一起，组成均一的单相反应体系。在此反应体系中，有机溶剂的含量对酶的催化作用也有显著影响。第67页/共102页第68页/共102页五、水含量的控制 最适水含量与溶剂的极性有关，通常随溶剂极性的增大，最适水含量也增大；而达到最大反应速度的水活度却变化不大

49、，都在0.50.6之间。所以水活度能够更确切地反映水对催化反应速度的影响。六、温度控制 酶与其他非酶催化剂一样，温度升高时，其立体选择性降低。七、pH的控制： 缓冲液对冷冻干燥过程中pH值和酶活力的变化有明显影响。第69页/共102页第五节第五节有机介质中酶催化的应用有机介质中酶催化的应用第70页/共102页 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 聚合聚合 二酯的选择性聚合二酯的选择性聚合蛋白酶蛋白酶 肽合成肽合成 合成多肽合成多肽 酰基化酰基化 糖类的酰基化糖类的酰基化羟基化酶羟

50、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、胺类聚合酚类、胺类聚合多酚氧化酶多酚氧化酶 氧化氧化 芳香化合物羟基化芳香化合物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酶非水相催化应用酶非水相催化应用第71页/共102页一、手性药物的拆分 手性化合物指化学组成相同而立体结构互为对映体的两种异构化合物；手性化合物指化学组成相同而立体结构互为对映体的两种异构化合物； 手性药物指只含单一对映体的药物；手性药物指只含单一对映体的药物； 已经发现很多手性药物的对映体具有不同的药理作用。已经发现很多手性药

51、物的对映体具有不同的药理作用。 过去手性药物多较是以消旋体形式出售。过去手性药物多较是以消旋体形式出售。 19611961年欧洲出现了孕妇服用多消旋体的年欧洲出现了孕妇服用多消旋体的“反应停反应停”后，产生多起畸形后，产生多起畸形胎事件。胎事件。 19921992年美国食品与药物管理局（年美国食品与药物管理局（FDAFDA）明确要求含手性因素的化学药）明确要求含手性因素的化学药物，必须说明其二个对映体在体内的不同生理活性，药理作用和药物物，必须说明其二个对映体在体内的不同生理活性，药理作用和药物代谢动力学情况。代谢动力学情况。 19941994年以来，手性药物世界销售额以年年以来，手性药物世界

52、销售额以年2020以上的速度增长。以上的速度增长。 目前，世界上批准上市约目前，世界上批准上市约6161种。种。第72页/共102页化学药物分类化学药物分类第73页/共102页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第74页/共102页1 1、手性药物两种对映体的药效差异、手性药物两种对映体的药效差异 （1 1）一种有疗效，另一种很弱；）一种有疗效，另一种很弱； （2 2）一种有效，另一种有不良反应；）一种有效，另一种有不良反应； （3 3）两种相反；）两种相反； （4 4）两种各有不同药效；）两种各有不同药效； （5 5）两种消旋体作用具互补性）两种消旋体作用具互补性分5 5

53、种类型：第75页/共102页2 2、酶在手性化合物拆分方面的应用 酶催化在单一对映体手性药物的开发中潜力颇大。酶催化在单一对映体手性药物的开发中潜力颇大。 1 1、阻断剂类手性药物阻断剂类手性药物 2 2、非甾体抗炎剂类手性药物、非甾体抗炎剂类手性药物 3 3、5 5羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类手性药物羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类手性药物 脂肪酶在拆分中起重要作用。脂肪酶在拆分中起重要作用。 其他种类酶（如酯酶、过氧化物酶、醇脱氢酶等）也能进行拆分反应，但因这些酶不易获其他种类酶（如酯酶、过氧化物酶、醇脱氢酶等）也能进行拆分反应，但因这些酶不易获得，价格昂贵或需要辅酶而较少研究。得，价格昂贵或需要

54、辅酶而较少研究。back第76页/共102页二、手性高分子聚合物的制备 可生物降解高分子是指在一定条件下，能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料。可生物降解高分子材料在各个领域的应用前景非常广阔。 一般认为除了一些天然高分子化合物(如纤维素、淀粉)外，只含有碳原子链的高分子(如聚乙烯醇)也是可生物降解的。另外，聚环氧乙烷、聚乳酸和聚己内酯以及脂肪族的多羧酸和多功能基醇所形成的聚合物也是可生物降解的，这里包括聚酯类和聚糖类高分子。第77页/共102页第78页/共102页 u用酶法合成可生物降解高分子材料，实际上得益于非水酶学的发展。酶在有机介质中表用酶法合成可生物降解高分子材料，实际上得益于非水酶学的

55、发展。酶在有机介质中表现出了与其在水溶液中不同的性质，并具有催化一些特殊反应的能力。现出了与其在水溶液中不同的性质，并具有催化一些特殊反应的能力。u用酶促合成法开发的可生物降解高分子材料主要包括聚酯类、聚糖类、聚酰胺类等。用酶促合成法开发的可生物降解高分子材料主要包括聚酯类、聚糖类、聚酰胺类等。第79页/共102页1、可生物降解的聚酯的合成第80页/共102页2、聚糖酯类可生物降解高分子的酶促合成 糖类衍生物是一种天然的可生物降解化合物，但是它作为可生物降解材料有不尽如人意之处，因而改性天然多糖类也是开发可生物降解材料的重要途径。 酶法改性天然多糖的主要途径大多是在聚酯链上引入糖基，以增强聚合

56、物的生物可降解性能。主要合成模式如下；第81页/共102页第82页/共102页三、酚树脂的合成 酚树脂是一种广泛应用的酚类聚合物，酚树脂通常在甲醛存在条件下通过酚类物质聚合而成，可以用作黏合剂、化学定影剂等，由于在生产和使用过程中甲醛会引起环境污染，急需寻求一种无甲醛污染的树脂。第83页/共102页 辣根过氧化物酶 (horseradish peroxidase，HRP) 在催化合成聚合物方面也是一种应用比较多而且很有潜力的一种酶。它能够以过氧化氢作为电子受体，专一地催化酚及苯胺类物质的过氧化反应。第84页/共102页启始阶段自由基传递阶段自由基聚合阶段第85页/共102页第86页/共102页

57、四、导电有机聚合物的合成 HRP催化合成的聚合物除了可以作为酚树脂的替代品外，人们更感兴趣的是它在功能材料方面的应用。第87页/共102页 有机聚合物通常是绝缘体。1977年，麦迪阿米德制备得到碘掺杂的聚乙炔，其导电率达到了金属水平。打破了有机聚合物都是绝缘体的传统观念。 此后人们又相继研究出聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等导电聚合物，具有良好的应用前景。第88页/共102页 聚苯胺具有导电性能，可以用于飞行器的防雷装置，以免受到雷电的袭击；用于衣物的表面，起到抗静电的作用；用作雷达、屏幕等的微波吸收剂等。第89页/共102页五、发光有机聚合物的合成 目前从国际研究来看，只有红光二极管已基本过关，黄光

58、发光二极管亮度不够，蓝光发光二极管的研究目前刚刚兴起。HRP催化聚合的产物可以产生一些发光较好的聚合物，使其有可能在发光二极管(LED)方面有所应用。例如，酶法合成的聚对苯基苯酚，用于制作发光二极管以得到较弱的蓝光发射，是较有前景的蓝光发射材料。第90页/共102页六、食品添加剂的生产 1 1、利用脂肪酶或酯酶催化生成酯类；、利用脂肪酶或酯酶催化生成酯类； 2 2、利用嗜热菌蛋白酶生产天苯肽；、利用嗜热菌蛋白酶生产天苯肽； 3 3、利用芳香醛脱氢酶生产香兰素；、利用芳香醛脱氢酶生产香兰素；back第91页/共102页生成酯类生成酯类 利用脂肪酶将甘油三酯水解成单酯，是食品乳化剂。利用脂肪酶将甘油三酯水解成单酯，是食品乳化剂。第92页/共102页天苯肽天苯肽 天苯肽是二肽甲酯，是食品甜味剂，甜度是蔗糖的天苯肽是二肽甲酯，是食品甜味剂，甜度是蔗糖的150150 200200倍；通过嗜热