有机介质中的酶促反应

关于有机介质中的酶促反应酶在有机介质中反应的优点可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化改变了催化反应的平衡点对底物的专一性提高热稳定性提高回收和重复利用变得容易有效减少或防止由水引起的副反应的产生避免了杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染第2页,共28页，2024年2月25日，星期天酶促反应的有机介质体系(1)与水混溶的有机溶剂-水形成的单相体系(2)水-非极性有机溶剂形成的两相或多相体系(3)胶束与反胶束体系(4)非极性有机溶剂-酶悬浮体系(5)非极性有机溶剂-PEG修饰酶单项体系(6)微水有机介质体系第3页,共28页，2024年2月25日，星期天与水混溶的有机溶剂-水

形成的单相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，体系中水和有机溶剂的含量均较大酶和底物是以溶解状态存在于体系之中，由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能在这类反应体系中进行催化反应的酶较少。第4页,共28页，2024年2月25日，星期天水-非极性有机溶剂形成的

两相或多相体系由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相或多相反应体系。游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相中。一般这种体系仅适用于底物和产物或其中的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中，最常用的是两相体系。第5页,共28页，2024年2月25日，星期天胶束与反胶束体系当水和有机溶剂同时存在于反应体系时，加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白质分子在同一数量级上。第6页,共28页，2024年2月25日，星期天当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端则朝向胶束的中心，有机溶剂就被包在胶束的内部，此时的胶束就称为正相胶束或简称为胶束；当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的表面活性剂的极性端朝向胶束的中，而非极性端则朝向胶束的外侧，水就被包在胶束的内部，此时的胶束就称为反相胶束或简称为反胶束。

第7页,共28页，2024年2月25日，星期天有机溶剂-酶悬浮体系用非极性有机溶剂取代所有的作为溶剂的大量水，使酶悬浮在有机水相中。整个体系虽然含水量很低，但是水在维持酶分子的催化活性上起着极为重要的作用。底物分子以扩散的形式通过酶分子表面的水层进入活性中心，完成催化后再扩散进入有机相。酶的状态可以是结晶、冻干、沉淀，或者吸附在固体载体表面上。第8页,共28页，2024年2月25日，星期天非极性有机溶剂-PEG

修饰酶单项体系聚乙二醇（PEG）具有亲水和疏水两种特性，用PEG修饰的赖氨酸残基，增加酶分子表面的疏水性，可使酶在有机介质中溶解性增加，使酶反应体系处于一种均相状态，同时为酶分子表面创造了一个亲水的微环境。PEG修饰的酶既能在宏观的有机环境中与疏水性底物充分接触，又能在少量水的微环境中发挥催化能力。被修饰的酶在有机介质中的稳定性大幅提高。第9页,共28页，2024年2月25日，星期天微水有机介质体系微水有机介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系，也是有机介质酶催化中应用最为广泛的一种反应体系。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。一般酶都是以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质之中，在悬浮状态下进行催化反应。第10页,共28页，2024年2月25日，星期天不同反应体系中

酶的一些催化行为比较参数微水有机介质体系水-有机溶剂两相体系反胶束体系酶活力酶负载量产率产物回收酶重复使用连续操作低高低容易可能可能低高低一般难可能高低高难难难第11页,共28页，2024年2月25日，星期天热稳定性

许多酶在非水介质中的热稳定性和储存稳定性比相同酶在水溶液中更好

这种热稳定性和储存稳定性的提高难以用化学交联、固定化甚至是蛋白质工程的手段所能达到的

这种稳定性还与介质中的水含量有关第12页,共28页，2024年2月25日，星期天酶在非水介质中的性质热稳定性底物专一性对映体选择性区域选择性化学键选择性pH记忆第13页,共28页，2024年2月25日，星期天底物专一性

酶在非水介质中对底物的化学结构和立体结构均有严格的选择性不同的有机溶剂具有不同的极性，因此，在不同的有机溶剂中酶的底物专一性也是不同的在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易进行反应，而在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易进行反应。第14页,共28页，2024年2月25日，星期天酶条件热稳定性猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯,水，pH7.0T1/2<26hT1/2<2min酵母脂肪酶三丁酸甘油酯/庚醇水，pH7.0T1/21.5hT1/2<2min胰凝乳蛋白酶正辛烷，100℃水，pH8.0,55℃T1/280minT1/215min枯草杆菌蛋白酶

正辛烷，110℃T1/280min溶菌酶环己烷110℃水T1/2140minT1/210min核糖核酸酶壬烷，110℃，6h水，pH8.0,90℃剩95%活性T1/2<10minF1-ATP酶甲苯，70℃水，70℃T1/2>24hT1/2<10min醇脱氢酶

正庚烷，55℃T1/2>50daysHindIII

正庚烷，55℃，30days

活性没有降低脂蛋白脂肪酶甲苯，90℃，400h

剩余活性40%

-葡萄糖苷酶2-丙醇，50℃，30h

剩余活性80%酪氨酸酶氯仿，50℃水，50℃T1/290minT1/210min酸性磷酸酯酶正十六烷，80℃水，70℃T1/28.0minT1/21.0min细胞色素氧化酶甲苯，0.3%水甲苯，1.3%水T1/24.0hT1/21.7min第15页,共28页，2024年2月25日，星期天对映体选择性酶的对映体选择性是指酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力这种选择性是由不同对映体与酶的活性中心的三维空间构像的互补性或称亲和力决定的非水介质中酶对底物的对映体选择性由于介质的亲（疏）水性的变化而发生改变酶在水溶液中的对映体选择性较强，而在疏水性较强的有机溶剂中，酶的对映体选择性较差第16页,共28页，2024年2月25日，星期天区域选择性区域选择性，即酶能够选择性地优先催化底物分子中某一区域的基团进行反应酶在非水介质中进行催化时，区域选择性可能会发生一定变化第17页,共28页，2024年2月25日，星期天化学键选择性化学键选择性是指当同一个底物分子中有2个以上的化学键都可以与进行反应时，酶对其中的一个别化学键可以优先进行催化反应在有机介质中进行酶催化反应时，化学键选择性可能变化第18页,共28页，2024年2月25日，星期天有机介质中酶促反应的影响因素有机溶剂对酶催化反应的影响水对酶催化反应的影响第19页,共28页，2024年2月25日，星期天pH记忆在有机介质酶催化反应中，酶所处的pH环境与酶在冻干或吸附到载体之前所使用的缓冲液pH值相同酶的催化反应速度与其冻干或吸附到载体之前缓冲溶液的pH密切相关非水介质中的酶能够“记忆”冻干或吸附到载体之前所处缓冲液中的pH值，反应的最适pH接近于水溶液中的最适pH第20页,共28页，2024年2月25日，星期天非水介质酶催化的应用近年来的大量研究已经表明，在非水介质中酶常常会有高度的选择性，包括立体选择性、对映体选择性、区域选择性和化学选择性，这为非水介质酶催化在有机合成领域中的应用开辟了极有意义的新天地已有以脂肪酶、蛋白酶为典型代表的多种酶被用于非水介质中催化酯化、酯交换、肽合成和大环内酯合成等多种反应，其中特别在前手性化合物的不对称合成、对映体的选择性拆分等方面获得了有重要意义的应用第21页,共28页，2024年2月25日，星期天1、光学活性化合物的制备可以将有潜在手性的化合物和前体通过酶催化反应转化为单一对映体的光学活性可以非水介质中的酶催化反应合成含磷、硫、氮及金属的光学活性化合物可以利用非水介质中的酶催化进行外消旋化合物的拆分反应。第22页,共28页，2024年2月25日，星期天①普萘洛尔的酶法拆分利用PSL（假单胞菌脂肪酶）在有机溶剂中可对外消旋的萘氧氯丙醇酯进行水解，得到了(R)－酯的ee值大于95%；而利用PSL对消旋的萘氧氯丙醇进行选择性酰化，也得到了ee大于95%的光学活性的(Ｒ)－醇。第23页,共28页，2024年2月25日，星期天②环氧丙醇的酶法拆分PPL（猪胰脂肪酶）在有机溶剂中与两相体系中可对２,３－环氧丙醇的丁酸酯进行了酶促拆分。第24页,共28页，2024年2月25日，星期天③布洛芬的酶法拆分在有机溶剂中对布洛芬进行酶促酯化反应时加入少量的极性溶剂，可使酶的选择性有明显的提高，如加入了二甲基甲酰胺后，最后得到(S)-布洛芬的ee值从57.5%增加到了91%。第25页,共28页，2024年2月25日，星期天④５－羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类手性药物５－羟色胺（5-HT）是一种涉及到各种精神病、神经系统紊乱，如焦虑、精神分裂症和抑郁症的一种重要