第五章酶非水相催化

第五章酶非水相催化第一页，共一百一十一页，2022年，8月28日非水酶学的提出天然酶在生物体内的酶促反应是发生在以水为介质的系统；酶在医药、食品、工业、农业等领域的广泛应用也是在水溶液中进行催化反应酶的催化理论

水是酶促反应最常用的反应介质。第二页，共一百一十一页，2022年，8月28日但是，人工合成的有机化合物在水溶液中溶解度小，且往往不稳定。水作为溶剂还容易引起非天然有机物的水解、消旋、聚合和分解等副反应的发生许多反应过程的热力学平衡和产物的回收在水相环境中效果不是很理想是否存在非水介质能保证酶催化？第三页，共一百一十一页，2022年，8月28日对非水介质中酶催化的研究过程20世纪初：Bourquelot将微量乙醇、丙酮类有机溶剂加到酶的水溶液中，酶具有一定活性；1966年：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化活性；1975年-1983年：探讨微生物细胞、游离酶和固定化酶在有机溶剂中进行脂和类固醇类的合成、甾醇的转化等。第四页，共一百一十一页，2022年，8月28日突破性发现1984年，克利巴诺夫（Klibanov）在Science期刊上发表了关于酶在有机介质中催化条件和特点的综述，在微水或几乎无水的不同有机溶剂中酶具有立体选择性和热稳定性；在仅含微量水的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，并证实酶在高温（100℃）下，不仅能够在有机溶剂中保持稳定，还显示出很高的催化转酯活力。开辟了酶工程领域新的研究方向—非水酶学理论体系第五页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.1酶非水相催化的概念、类型、特点、意义5.2有机介质中酶的催化反应5.3非水介质中酶的催化反应及应用主要内容1、有机介质反应体系2、有机介质中酶的特性3、有机介质对酶催化反应的影响4、水对有机介质中酶催化反应的影响第六页，共一百一十一页，2022年，8月28日概念：酶在非水介质中进行的催化作用称酶非水相催化类型：1、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；适用于底物和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，所以能发挥其催化功能5.1酶非水相催化的概念、类型、特点、意义第七页，共一百一十一页，2022年，8月28日2、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，研究不多第八页，共一百一十一页，2022年，8月28日3、超临界流体中的酶催化

酶在超临界流体中进行的催化作用；超临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点，性质介于液体和气体之间的流体（作为一种特殊的非水介质，在酶催化反应性质方面与有机溶剂非常相似。）由于黏度、介电常数、扩散系数和溶解度都与溶解度有关，超临界流体在临界点附近温度或压力有一点微小变化都会导致底物和产物溶解度极大变化。要求：超临界流体对酶结构无破坏，具良好化学稳定性；温度不可太高太低；压力不可太高；第九页，共一百一十一页，2022年，8月28日常用的超临界流体有：CO2,H2O,SO2C2H4,C2H6C3H8C4H10等。超临界介质中酶催化体系的优点/缺点脂溶性反应物和产物可溶于超临界C02，而酶作为蛋白质不溶解，有利于分离；产物回收时，不需要处理大量的稀水溶液；与有机溶剂体系相比，CO2无毒、不燃烧、无有机溶剂残留问题；CO2超临界体系有气体的一系列物理特征，使底物向酶的传质速度加快而使反应速度提高简化产物的分离已对10多种酶反应进行了研究，主要是酯化反应、酯水解反应和氧化反应。反应条件温和，反应温度低于50℃物理特征：高扩散系数，低粘度和低表面张力第十页，共一百一十一页，2022年，8月28日4、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，具有挥发性低、稳定性好的特点酶在离子液中催化作用的优点：具有良好的活性和稳定性、区域选择性、立体选择性、键选择性阳离子主要是咪唑阳离子和吡啶阳离子阴离子主要是氟硼酸根（BF4）、氟磷酸根等离子液体可被看做一种更高级的通过氢键键合的聚合液体，具有极性和非极性2种区域的纳米结构；因此，可溶解一般有机溶剂不能溶解的底物，并且酶可以进入离子液体的网中，避免酶直接与极性溶剂接触，失去其周围的水。第十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日酶非水相催化特点：酶的热稳定性显著提高非极性底物或产物的溶解度增加水解酶可在非水介质中催化水解反应的逆反应（使某些反应的热力学平衡向合成的方向移动，例如酯键和肽键的形成）酶的立体选择性和对底物特异性发生改变酶不溶于有机溶剂，易于回收利用降低反应后分离过程的能耗，回收产物比水容易氨基酸侧链一般不需要保护避免长期反应时微生物引起的污染，抑制水参与的不利反应固定化酶方法简单，在非水系统中酶不易脱离吸附的表面第十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日酶非水相催化意义：改变了有关酶催化的传统观念发展了酶学的理论体系——

研究酶在非水介质中的结构与功能、作用机制、酶催化动力学等——非水酶学理论体系扩展了酶的应用领域

在多肽、酯类合成，甾体转化，功能高分子合成，手性药物的拆分等方面取得显著成果第十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.1酶非水相催化的概念、类型、特点、意义5.2有机介质中酶的催化反应5.3非水介质中酶的催化反应及应用主要内容1、有机介质反应体系2、有机介质中酶的特性3、有机介质对酶催化反应的影响4、水对有机介质中酶催化反应的影响第十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日1、微水介质体系；2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系；3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系；4、正胶束体系；5、反胶束体系。5.2.1有机介质反应体系

第十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日

（1）微水介质体系由有机溶剂和微量的水组成的反应体系；微量的水是酶分子的结合水；对维持酶分子的空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；酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质中；通常所说的有机介质反应体系是微水介质体系；第十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日（2）与水溶性有机溶剂组成的均一体系由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成的反应体系，含量均比较大；酶和底物都以溶解状态存在于体系中；由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，能在该反应体系中进行催化反应的酶较少。辣根过氧化酶（HRP）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、发光聚合物材料中有重要作用。第十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日（3）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强的有机溶剂组成的两相或多相体系；游离酶、亲水性底物或者产物溶解于水相；疏水性底物或者产物溶解于有机溶剂相；固定化酶在两相界面；催化反应在两相的界面进行；适用于底物和产物两者或者其中一种是属于疏水化合物的催化反应。第十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日（4）胶束体系是在大量水溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂，加入表面活性剂之后形成的水包油的微小液滴。极性端朝外；非极性端朝内，有机溶剂包裹在液滴内部，形成一个非极性的核心；酶在水溶液中，疏水底物或产物在胶束内，反应在胶束界面进行。表面活性剂：是由亲水憎油的极性基团和亲油憎水的非极性基团两部分组成的两性分子。水相有机相酶第十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日（5）反胶束体系是在大量与水不相混溶的有机溶剂中含有少量的水，加入表面活性剂之后形成的油包水的微小液滴。1997年首次报道酶在反相胶束中具有活性(已发现40多种酶)；极性端朝内；非极性端朝外，水溶液包裹在液滴内部；酶在反胶束内，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、催化特性、动力学特性。水相有机相酶第二十页，共一百一十一页，2022年，8月28日不同类型的酶在反相胶束中的排布模型第二十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日如用十六烷基三甲基溴化铵，卵磷脂，形成“反胶束”包围酶分子，已开发出各种表活剂及助表活剂（如丁醇、已醇、辛醇）形成“反胶束”。极性非极性底物产物有机溶剂第二十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日反胶束体系能够较好地模拟酶的天然环境，大多数酶在此系统中能够保持催化活性和稳定性，甚至表现出“超活性”（superactivity）。极性非极性底物产物有机溶剂反胶束体系中酶的催化特点第二十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.1酶非水相催化的概念、类型、特点、意义5.2有机介质中酶的催化反应5.3非水介质中酶的催化反应及应用主要内容1、有机介质反应体系2、有机介质中酶的特性3、有机介质对酶催化反应的影响4、水对有机介质中酶催化反应的影响第二十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.2.2有机介质中酶的特性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。有机溶剂的存在,改变了疏水相互作用的精细平衡,影响到酶的结合部位、表面结构、活性中心构象；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,立体选择性,区域选择性和化学键选择性。第二十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日①酶的形态存在状态主要分为两大类第一类为固态酶，以固体形式存在有机溶剂中。包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应。（结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构，它的催化效率也远高于其他类型的固态酶）第二类为可溶解酶，主要包括大分子共价修饰酶和非共价修饰的高分子-酶复合物、表面活性剂-酶复合物以及微乳液中的酶等。共价修饰：把聚乙二醇（PEG）通过共价键连接到酶分子表面的赖氨酸残基上，只要给酶提供“必需水”，PEG修饰酶就可以在有机溶剂中溶解，并具有较高的催化效率和稳定性。非共价修饰：一些蛋白质、脂类、糖类（如海藻糖）、表面活性剂等用于对酶的非共价修饰。第二十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日②热稳定性（重要特征）许多酶在有机介质中热稳定性比在水溶液中的热稳定好（表5-1）在有机溶剂中，随着水含量的增加，半衰期会迅速下降。（核糖核酸酶在有机介质中每克蛋白质含水量从0.06g增加到0.2g时，酶半衰期从120min减少到45min。）第二十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密切相关；一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定；含水量超出临界含水量后酶稳定性随含水量的增加而急剧下降。第二十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日热力学稳定性有机溶剂中酶的热稳定性和储存稳定性都比水溶液中高。原因：有机溶剂中缺少使酶热失活的水分子因此由水而引起的酶分子中天冬酰胺、谷氨酰胺的脱氨基作用，天冬氨酸肽键的水解，二硫键的破坏，半胱氨酸的氧化及脯氨酸和甘氨酸的异构化等使蛋白质热失活的全过程难以进行。第二十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日③PH特性

酶在有机介质中催化反应的最适pH通常与酶在水溶液中反应的最适pH接近或者相同。酶蛋白中的可电离基团在有机溶剂中不能电离。在有机介质中，酶所处的pH环境与酶在冻干或者吸附到载体上之前所使用的缓冲液pH相同，称为pH印记（pH记忆）。利用酶pH印记的特性，通过控制缓冲液中pH的方法，达到控制有机介质中酶催化反应的最适pH。

第三十页，共一百一十一页，2022年，8月28日④酶的特异性水的物理化学性质稳定，酶在水溶液中催化反应的特异性是固定的；各种有机溶剂的性质不同，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化学键选择性第三十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日底物特异性以水为介质：底物与酶分子活性中心结合依靠AA底物侧链与酶活性中心之间疏水作用，疏水性强的底物与酶活性中心结合能力强，催化反应速度高。有机介质中：疏水性较强的底物容易受到有机溶剂的作用，影响其与酶分子活性中心的结合。①N-乙酰-L丝氨酸乙酯②N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯疏水性:②﹥①介质水辛烷胰凝乳蛋白酶②﹥①5x104①﹥②水解速度底物第三十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日不同的有机溶剂具有不同的极性，酶的底物专一性不一样极性强的有机溶剂中，疏水性底物容易反应；极性弱的有机溶剂中，疏水性弱的底物容易反应①N-乙酰-L丝氨酸乙酯②N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯疏水性:②﹥①二氯甲烷季丁醇枯草杆菌蛋白酶①﹥②+丙醇(极性较强)底物介质反应速度②﹥①第三十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日立体选择性立体选择性：酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体能力大小的指标立体选择系数越大，酶催化的对映体选择性越强外消旋化合物：两种对映异构体以等量的形式共同存在于晶格中，形成均一的结晶。产生的主要原因：由于两个不同构型对映异构分子之间的亲和力大于同构型分子之间的亲和力，结晶时两个不同构型对映异构分子等量析出，共存于同一晶格中。立体选择系数：第三十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日酶在水溶液中立体选择性强；酶在疏水性强的有机溶剂中，立体选择性差。原因：这种选择性是由底物的两种对映体把水分子从酶分子中置换出来的能力决定的；有机介质的疏水性加大，L型底物置换水的过程在热力学上不利第三十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日酶对映体选择性的意义在于：蛋白酶在水溶液中对L-氨基酸起作用；在有机介质中对D-氨基酸起作用；因此在合成手性药物时可以利用酶的对映体选择性这种特性来选择酶反应的介质。第三十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日区域选择性区域选择性：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。其强弱用区域选择系数Krs的大小衡量。与立体选择系数相似，用1、2代替构型；反应的位置选择因子：K1，2=（kcat/Km)1/（kcat/Km)2例：1,4-二丁酰基-2-辛基苯丁醇脂肪酶转脂反应+甲苯乙腈K4，120.5第三十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日化学键选择性化学键选择性：同一个底物分子中有2种以上化学键可以与酶反应，酶对其中一种化学键优先进行反应。意义：化学键选择性可在没有基团保护下进行催化反应。键的选择性与酶的来源和有机介质的种类有关。6-氨基-1-已醇黑曲霉脂肪酶毛霉脂肪酶羟基酰化生成肽键氨基酰化生成酯键占优第三十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日Tawaki等人发现反应介质对某些氨基醇进行酰化反应时的化学键选择性（O-酰化与N-酰化）有很大影响；化合物与丁酸三氯化乙酯的酰化反应在叔丁醇中和在1，2－二氯乙烷中的酰化程度不同；酰化度不同第三十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.1酶非水相催化的概念、类型、特点、意义5.2有机介质中酶的催化反应5.3非水介质中酶的催化反应及应用主要内容1、有机介质反应体系2、有机介质中酶的特性3、有机介质对酶催化反应的影响4、水对有机介质中酶催化反应的影响第四十页，共一百一十一页，2022年，8月28日酶的“柔性”与“刚性”酶与底物的结合是双方诱导锲合的过程，为了保证酶与底物的诱导锲合，在相互作用的过程中酶和底物都需要做微小的构象变化，因此酶需要一定的柔性，以使酶能趋向于与底物结合所需的最佳构象变化。柔性：溶液中水分子与酶分子之间所形成的氢键使酶分子内氢键受到一定程度的破坏，酶结构变得松散。呈一种“开启”的柔性状态。刚性：（1）有机溶剂不具备像水那样的调节功能，缺乏提供形成多种氢键的能力；（2）有机溶剂的介电常数较低，导致蛋白质带电基团之间更强的静电作用

蛋白质的“刚性”增加。第四十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日“钢性”与”柔性”的动态衡第四十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日在非水相介质中水的含量对酶活性有显著影响，存在最适水含量。有机溶剂中：酶含水量小于最适含水量时，酶构象过于刚性而失活；当酶含水量大于最适含水量时，酶构象过于柔性，因变构而失活。第四十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日（二）有机介质对酶催化反应的影响①有机溶剂对酶活性的影响有机溶剂会夺取酶分子的结合水，影响酶分子微环境的水化层，破坏酶的结构（构象），引起酶催化活性下降甚至失活。一般极性越强，越容易夺取酶分子的结合水，对酶活性的影响越大。例如：正己烷能够夺取酶分子结合水的0.5%，甲醇可以夺取酶分子结合水的60%。第四十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日所以，选择的有机溶剂应具有一定的疏水性，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而影响其催化活性。极性系数lgP表示有机溶剂极性的强弱极性系数lgP=lg[X正己烷]/[X水]在二相系统中，酶被一薄层内水相所包围处于有机溶剂中，酶活性随lgP的增加而增加；lgP≥4-6时，酶活性较高；2<lgP<4，酶活力中等，lgP<2的极性溶剂不适宜作为有机介质酶催化的溶剂使用

。第四十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日一些溶剂的极性数值如下：溶剂LgP溶剂LgP十六烷8.7氯仿2.2庚烷4.0苯2.0石油醚（60-80）3.5乙酸丁酯1.7已烷3.5二乙醚0.8环已烷3.1丁醇0.8四氯化碳2.8乙酸乙酯0.7甲苯2.7一般选择的有机溶剂为饱和烷烃。

第四十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日②有机溶剂对酶结构与功能的影响水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，能够保持其构象； 有机溶剂中酶分子不能直接溶解空间结构会有所变化酶分子与溶剂的直接接触，酶蛋白分子表面结构发生一定变化；溶剂分子能渗入酶的活性中心，与底物竞争酶的活性中心结合位点。减少了整个酶活性中心的数量，从而抑制酶活。第四十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日③有机溶剂对底物和产物分配的影响有机溶剂能与底物和产物相互作用，从而改变酶分子必需水层中底物或产物的浓度。从而间接地影响酶活性。有机溶剂极性小，疏水性强，疏水性底物难以进入必需水层；有机溶剂极性强，亲水性强，疏水性底物在有机溶剂中溶解度太低。选择2≤lgP≤5的有机溶剂作为有机介质第四十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.1酶非水相催化的概念、类型、特点、意义5.2有机介质中酶的催化反应5.3非水介质中酶的催化反应及应用主要内容1、有机介质反应体系2、有机介质中酶的特性（酶的形态、热稳定性、pH特性、酶的特异性）3、有机介质对酶催化反应的影响4、水对有机介质中酶催化反应的影响第四十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日有机溶剂对酶活性影响对酶结构与功能的影响对底物产物分配的影响夺取酶分子结合水，改变酶的构象酶与溶剂接触，表面结构会发生变化；有机溶剂进入酶活性中心有机溶剂极性强弱（疏水性底物和产物）选择有机溶剂的标准：极性系数lgP=lg[X正己烷]/[X水]2≤lgP≤5水对酶的影响“刚性”、“柔性”、“最适含水量”第五十页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.1酶非水相催化的概念、类型、特点、意义5.2有机介质中酶的催化反应5.3非水介质中酶的催化反应及应用主要内容1、有机介质反应体系2、有机介质中酶的特性（酶的形态、热稳定性、pH特性、酶的特异性）3、有机介质对酶催化反应的影响4、水对有机介质中酶催化反应的影响第五十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.2.4有机介质中的水对酶催化反应的影响有机介质水酶无论在有机溶剂还是在水溶液中，酶是溶于水的第五十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日①含水量非水相酶促催化系统含水量（<1%）：结合水：与酶水合、固定化载体的结合水溶剂水：有机溶剂中所含有的自由水宏观上第五十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日一定量的水对维持酶催化所需的正确构象是必需的，完全非水酶悬液没有催化活性。酶蛋白分子表面含有大量带电基团和极性基团，在绝对无水条件下，带电基团因相互作用形成“锁定”的失活构象（刚性），加入适量水充当润滑剂可使酶的柔性增加，维持酶的活性。维持酶的天然结构和功能只需要非常少量的水。例如：悬浮在辛烷中的胰凝乳蛋白酶在酶分子表面形成单层覆盖水的含水量时，即有活性。一般含水量为0.3g/g酶左右时，酶活力达到最大。第五十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日酶催化反应是在环绕着酶分子表面的水层内进行的。酶催化反应时，底物分子先从有机相进入水相，与酶形成底物-酶复合物，发生反应。第五十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日有机介质中，酶催化活性随着结合水量增加提高，结合水不变的条件下，体系含水量的变化在一定范围内对酶催化活性影响不大。结合水对于维持酶的结构和催化活性起决定左右。最佳含水量时，蛋白质结构动力学刚性和热力学稳定性之间才能达到最佳平衡点，酶表现出最大活性。结合水（“刚性”“柔性”）第五十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日最适含水量与溶剂极性成正比水活度（Aw）：在特定温度和压力条件下，体系中水的逸度与纯水逸度之比，通常用体系中水的蒸汽压（P）与相同条件下纯水的蒸汽压（P0）之比表示（Aw=P/P0）最佳水活度与溶剂的极性大小没有关系；利用水活度描述有机介质中水对酶催化反应的影响。酶活性与反应体系中的水活度直接相关，例如黑毛霉脂肪酶在Aw=0.55时在不同极性的溶剂中都表现出最高的酶活力。逸度是溶剂从溶液逃脱的趋势第五十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日②水对酶分子空间构象的影响酶活性构象的形成：氢键、盐键、疏水键等（需有水存在）酶分子需要一层水化层，以维持其完整的空间构象。必需水：维持酶完整空间构象所必需的最低水量，不同酶所需求的必需水的量差别大。第五十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日例如：在辛烷介质中，每分子糜蛋白酶只需50分子水，就可维持其活性；每分子多酚氧化酶需3.5×102水分子；每分子醇脱氢酶的必需水高达几百个水分子。第五十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日③水对酶催化反应速度的影响水影响蛋白质空间构象的完整性、活性位点的稳定性影响酶催化反应速度典型的非水酶体系中水含量通常只占0.01%，但其微小差距会导致酶催化速度的较大改变。第六十页，共一百一十一页，2022年，8月28日第六十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日最适含水量随溶剂极性的增加而增加。同一种酶，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和修饰性质有关，需要通过实验确定最适水含量。第六十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日载体对酶固定化使用载体对酶固定化，所选择的载体对酶的微水环境要尽可能小的影响；疏水性载体对酶的固定化有利；载体亲水性增强，导致酶的催化活力下降。提高载体上疏水基团的含量，可以提高固定化酶对底物的亲和力，提高反应活性；也可以通过酶分子的化学修饰：把聚乙二醇（PEG）通过共价键连接到酶分子表面的赖氨酸残基上，给酶提供“必需水”，PEG修饰酶就可以在有机溶剂中溶解，并具有较高的催化效率和稳定性。第六十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日第六十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日第六十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.1酶非水相催化的概念、类型、特点、意义5.2有机介质中酶的催化反应5.3非水介质中酶的催化反应及应用主要内容1、有机介质反应体系2、有机介质中酶的特性3、有机介质对酶催化反应的影响4、水对有机介质中酶催化反应的影响第六十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日5.3非水介质中酶的催化反应及应用1、合成反应2、转移反应3、醇解反应4、氨解反应5、异构反应6、氧化还原反应7、裂合反应第六十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日1.合成反应（1，2）在有机介质中含水量极微，水解反应难以发生；但是酶可以催化水解反应的逆反应，即合成反应。（1）脂肪酶或酯酶催化酯的合成反应：酯合成反应是以醇或羧酸为底物，反应过程中涉及水分子的生成，因此非水介质是酯合成反应的理想体系。意义:酶催化酯合成可合成手性化合物,且酶的立体选择性主要是选择立体异构的醇.第六十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日6－O－酰基－1－烷基葡萄糖苷是生物可降解的非离子型表面活性剂（用于生产洗洁精等）；工业上合成时，采用热稳定性脂肪酶催化脂肪酸和烷基葡萄糖苷缩合。为使反应进行完全，反应过程中生产的水需通过减压蒸馏除去。第六十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日脂肪酶在微生物有广泛的分布，现应用到了工业生产中；自然界中的微生物大约有65个属可产脂肪酶，其中放线菌4个属，细菌28个属，酵母10个属，其他真菌23个属；曲霉、根霉、假单胞菌、地细菌、芽孢杆菌等是主要生产菌。第七十页，共一百一十一页，2022年，8月28日棕榈酸，又称软脂酸，十六（烷）酸；是一种饱和高级脂肪酸，以甘油酯的形式普遍存在于动植物油脂中；在自然界中分布很广。从棕榈树所来的油，即棕榈油、棕榈仁油；牛油、乳酪、牛奶及肉类均有着这种脂肪酸第七十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日第七十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日过程参数：产率：99％化学纯度：>99％反应器类型：批次反应器停留时间：14h产品用途棕榈酸异丙酯无毒，对人体皮肤无害。广泛应用于制药及化妆品工业中。作为添加剂和增溶剂使用。在护肤中是优良的皮肤柔润剂，对皮肤渗透性好，可使肌肤柔软嫩滑。可作为睫毛膏中色素的良好溶剂，常用于肥皂、护肤霜、眼影、口红、睫毛膏等配方中。第七十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日存在的问题是酯合成过程中生成的水，这将导致反应正向和逆向会有同样的速率。工艺流程：0.26×105Pa压力下采用共沸蒸馏（醇/水）来除去反应中的水。为了补充蒸馏损失，2－丙醇必须以连续流加反应器（58g·h－1）。第七十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日2.多肽合成反应化学法（4步）：①保护非反应性基团；②活化羧基；③形成肽键；④脱保护基团酶法：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。第七十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日因酶有底物专一性，为了在多肽合成中使酶能催化各种氨基酸间形成肽键，就必须有个能合成各种肽键的酶库。现存的各种蛋白酶还不能完全满足这种要求，到目前为止最大问题使缺少催化脯氨酸衍生物生成肽键的特异性酶。第七十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日钯碳是一种催化剂，是把金属钯粉负载到活性碳上制成的，用于不饱和有机物的氢化还原。第七十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日芽孢杆菌属

嗜热菌蛋白酶：作用于肽链上苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸的N端。

第七十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日过程参数；选择性：>99.9％ee（光学纯度）：>99.9%反应器类型：批次反应器生产能力：>2000吨/年下游处理过程：过滤投产时间：1988公司：HollandSweetenerCompany，荷兰；荷兰的DSM与日本Toso的合资公司，日本；其他第七十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日产品用途：阿斯巴甜是一种食品级低热量甜味剂，甜味纯正，是迄今开发成功的甜味最接近蔗糖的甜味剂。它最早在1979年被法国批准上市。阿斯巴甜是蔗糖甜度的200倍。在应用中仅需少量就可达到希望的甜度，所以在食品和饮料中使用阿斯巴甜替代糖，可显著降低热量（不会造成龋齿、糖尿病）。可用于软饮料、食用甜味剂、乳制品、速溶饮品、果酱、糖果。天冬氨酸：一种刺激性毒素，会刺激神经细胞至死；苯丙氨酸导致脑部永久的伤害；甲醇是一种神经毒素，致盲性，被分解成甲醛；阿斯巴甜在体内迅速代谢为天冬氨酸、苯丙氨酸和甲醇。第八十页，共一百一十一页，2022年，8月28日阿斯巴甜化学法合成的主要问题：形成副产物β-阿斯巴甜。该对映体为苦味，必须从α-对映体中完全去除。酶法合成优点：无β-对映体产生。该酶为完全立体选择性，因此可利用的底物：混合消旋体的苯丙氨酸甲酯。反应条件温和。该细菌菌株发现于日本中部的Rokko温泉中。在温度达60℃时，依然很稳定。因反应受平衡限制，所以必须将产物从反应混合物中除去来提高产率。第八十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日

在有机介质中，酶可以催化一些转移反应，如脂肪酶催化酯与有机酸反应生成另一种酯与有机酸，即转酯反应：2.转移反应第八十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日

甲单胞脂肪酶催化酸酐醇解生成二酸单酯化合物，即：二异丙醚介质几个含氧酸分子脱去一分子水或几分子水，所剩下的部分称为该酸的酸酐。3.醇解反应BuOH：正丁醇第八十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日脂肪酶在有机介质中催化酯类进行不对称氨解反应，生成酰胺和醇。应用：合成手性酰胺，手性羧酸及手性醇叔丁醇介质脂肪酶催化外消旋苯丙氨酸甲酯进行不对称氨解反应，将R-苯丙氨酸甲酯氨解生成R-苯丙酰胺和甲醇。4.酰胺化反应（氨解反应）第八十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日

消旋酶催化一种异构体为另一种异构体氨基己内酰胺，ACL（以此为原料采用水解酶法生产赖氨酸）5.异构反应水解酶第八十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日

反应需辅酶。辅酶为极性化合物，在有机溶剂中溶解度低，严重影响酶的催化活性。与水解酶相比，氧化还原酶在有机溶剂体系中使用较少。解决办法：先将酶和辅酶共沉淀在载体上，载体上提供少量水。6.氧化还原反应第八十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日6.氧化还原反应（1）单加氧（2）双加氧（3）催化醛类或酮类还原成醇类二羟基苯己二烯二酸第八十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日第八十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日第八十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日自然界中分布极广的一种金属蛋白酶，普遍存在于植物、真菌、昆虫的质体中，甚至在土壤中腐烂的植物残渣上都可以检测到多酚氧化酶的活性。共同特征：能够通过分子氧氧化酚或多酚形成对应的醌。哺乳动物体内的肾上腺素、去甲肾上腺素：儿茶酚的苯环上带有一个β-羟基乙胺侧链的化合物。用作皮肤防腐杀菌剂：对白色念珠菌和皮真菌有抑制活性。儿茶酚是杀菌剂乙霉威、杀虫剂残杀威和克百威的中间体。多酚氧化酶与微管蛋白结合胆碱酯酶第九十页，共一百一十一页，2022年，8月28日

残杀威、克百威：与胆碱酯酶结合。受刺激时，神经末梢兴奋，释放乙酰胆碱，与胆碱能受体结合，发挥神经-肌肉的兴奋传递作用。随后，乙酰胆碱即被胆碱酯酶水解而失去作用。如果胆碱酯酶的作用被抑制，就会发生乙酰胆碱过剩而集聚现象，引起胆碱能神经过度兴奋。第九十一页，共一百一十一页，2022年，8月28日7.裂合反应如醇腈酶催化醛与氢氰酸的反应back醛氢氰酸氰醇第九十二页，共一百一十一页，2022年，8月28日第九十三页，共一百一十一页，2022年，8月28日第九十四页，共一百一十一页，2022年，8月28日第九十五页，共一百一十一页，2022年，8月28日

酶催化反应应用脂肪酶肽合成青霉素G前体肽合成酯合成醇与有机酸合成酯类聚合二酯的选择性聚合蛋白酶肽合成合成多肽酰基化糖类的酰基化羟基化酶氧化甾体转化过氧化物酶聚合酚类、胺类聚合多酚氧化酶氧化芳香化合物羟基化胆固醇氧化酶氧化胆固醇测定醇脱氢酶酯化有机硅醇的酯化酶非水相催化应用其它应用实例第九十六页，共一百一十一页，2022年，8月28日概念：手性化合物是指化学组成相同，而其立体结构互为对映体的两种异构体化合物手性药物：只含有单一对映体的药物手性药物两种对映体的药理药效差异：一种有显著疗效，另一种疗效弱或无效一种有显著疗效，另一种有毒副作用两种对映体的药效相反两种对映体具有各自不同的药效两种消旋体的作用具有互补性一、手性药物的拆分第九十七页，共一百一十一页，2022年，8月28日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,β-受体阻断剂S构型，消炎、解热、镇痛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,β-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性药物中，单一对映体药物占绝大多数。第九十八页，共一百一十一页，2022年，8月28日化学药物分类第九十九页，共一百一十一页，2022年，8月28日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。

1、β-受体阻断剂类手性药物2、非甾体抗炎剂类手性药物3、抗生素类手性药物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，但因这些酶不易获得，价格昂贵或需要辅酶而较少研究。第一百页，共一百一十一页，2022年，8月28日脂肪酶-消旋化合物的拆分不同有机介质中脂肪酶(PSL)催化酯化，以进行γ-羟基-α,β-不饱和酯的拆分。可以避免副反应的发生。第一百零一页，共一百一十一页，2022年，8月28日脂肪酶-消旋化合物选择性酯化以2-取代-1,3-丙二醇和脂肪酸为原料，在有机溶剂介质中用脂肪酶(CCL)或猪肝酯酶（PLE）催化酯化反应，可得到较高光学纯度的R-或S-酯。第一百零二页，共一百一十一页，2022年，8月28日二、手性高分子聚合物的制备旋光性聚合物广泛存在于自然界中，由蛋白质、核酸、多糖等构成。旋光性聚合物与具有相应结构的非旋光聚合物相比，在分子识别和组装上具明显区别，在熔点、溶解性、结晶特性上有较大差异。利用酶催化获得高的立体选择性，化学催化提供高产率，合成手性聚合物是一条很有应用潜力的新途径。利用水解酶可合成多种手性聚合物；第一百零三页，共一百一十一页，2022年，8月28日酶催化合成可生物降解高分