酶的非水相催化 (2)讲稿.ppt
关于酶的非水相催化关于酶的非水相催化 (2)(2)1第一页，讲稿共四十页哦26.1 6.1 酶催化反应的介质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，水并不是一种适宜的溶剂。因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为许多有机化合物(底物底物)在水介质中难溶或不溶。在水介质中难溶或不溶。由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。生。是否存在非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）等人在有机介质中进行了酶催化反应的）等人在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，获得酯类、肽类、手研究，他们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，明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶体系中进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中进行催化反应行催化反应。第二页，讲稿共四十页哦3酶的非水相催化p定义：酶在非水相中进行的催化反应。p在非水相中，酶分子受到非水介质的影响，其催化特性有着很大不同。第三页，讲稿共四十页哦4酶非水相催化的几种类型酶非水相催化的几种类型p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。酶在有机介质中起催化作用时，酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性和热稳定性等都有改变 主要用于肽、酯类等生产，甾体转化，功能高分子合成，手性药物拆分等。第四页，讲稿共四十页哦5p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。适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。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。p 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。超临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点的流体。第五页，讲稿共四十页哦6 p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（离子液（ionic ionic liquidsliquids）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室）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。第六页，讲稿共四十页哦76.2 6.2 有机介质反应体系有机介质反应体系 非极性有机溶剂非极性有机溶剂酶悬浮体系酶悬浮体系(微水介质体系微水介质体系)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与水互溶的有机溶剂水单相体系水单相体系有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在这种体系中。非极性有机溶剂非极性有机溶剂水两相水两相/多相体系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，酶催化反应的介质中都含有机溶剂和一定量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。它们都对催化反应有显著的影响。水。它们都对催化反应有显著的影响。第七页，讲稿共四十页哦水对有机介质中酶催化反应的影响水对有机介质中酶催化反应的影响酶在有机介质中进行催化反应时，水是不可缺少的成分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空间构象、酶的催化活性催化活性、酶的稳定性稳定性、酶的催化反应速度催化反应速度等都有密切关系，水还与酶催化作用的底物和反应产物的溶解度底物和反应产物的溶解度有关。水对酶分子空间构象影响 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（称为必需水（essential wateressential water）。第八页，讲稿共四十页哦9水对酶催化反应速度影响 有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。例如马肝醇脱氢酶在含水量极低的情况下，酶催化反应速度随含水量增加而增加。在催化反应达到最大时的含水量称为最适水含量最适水含量。相同的酶，反应体系的最适含水量随有机溶剂种类、固定化载体特性、修饰剂种类等不同而不同。第九页，讲稿共四十页哦反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响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。在有机溶剂对酶的活力、酶的稳定性、酶的催化特性和酶的催化速度都有显著影响。1、有机溶剂对酶的结构和功能影响 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。根据酶分子的特性和有机溶剂的特性的不同，根据酶分子的特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保持其空间结构完整性的情况也有所差别。第十页，讲稿共四十页哦112、有机溶剂对酶活性的影响 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避免酶在有机介质中因脱水作用而影响其催化活性作用而影响其催化活性。3、有机溶剂对底物和产物分配的影响 有机溶剂与水之间的极性不同，在反应过程中会影响底物底物和产物的分配和产物的分配，从而影响酶的催化反应。第十一页，讲稿共四十页哦126.3 酶在有机介质中的催化特性酶在有机介质中的催化特性 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：底物特异性：在有机介质中，由于酶分子活性中心的结在有机介质中，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改变，致使酶的底物合部位与底物之间的结合状态发生改变，致使酶的底物特异性发生改变。特异性发生改变。不同有机溶剂具有不同极性，所以在不同有机介质中酶的底物专一性不同。第十二页，讲稿共四十页哦13立体选择性：立体选择性：酶在有机介质中催化与水溶液中催化相酶在有机介质中催化与水溶液中催化相比较，由于介质特性发生变化，而引起酶的立体选择比较，由于介质特性发生变化，而引起酶的立体选择性发生变化。性发生变化。一般说，酶在水溶液中立体选择性较强，而在有机溶剂一般说，酶在水溶液中立体选择性较强，而在有机溶剂中立体选择性较差。中立体选择性较差。区域选择性：区域选择性：酶在有机介质中催化时，具有区域选择性，酶在有机介质中催化时，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。即酶能够选择底物分子中某一区域的基团优先进行反应。第十三页，讲稿共四十页哦14键选择性：键选择性：即在有机介质中当底物分子中两种以上的键与即在有机介质中当底物分子中两种以上的键与酶反应时，酶对其中一种键优先进行反应。酶反应时，酶对其中一种键优先进行反应。键的选择性与酶的来源和有机介质性质有关。键的选择性与酶的来源和有机介质性质有关。热稳定性：热稳定性：许多酶在有机介质中热稳定性优于水溶液。许多酶在有机介质中热稳定性优于水溶液。主要由于有机介质中缺少使酶分子变性失活的水分子。主要由于有机介质中缺少使酶分子变性失活的水分子。第十四页，讲稿共四十页哦某些某些酶酶在有机介在有机介质质与水溶液中的与水溶液中的热稳热稳定性定性 酶 介质条件 热稳定性猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯水，pH7.0T1/2 26 hT1/2 2 min酵母脂肪酶三丁酸甘油酯/庚醇水，pH7.0T1/2=1.5 hT1/2 2 min脂蛋白脂肪酶甲苯，90，400 h活力剩余40胰凝乳蛋白酶正辛烷，100水，pH 8.0,55T1/2=80 minT1/2=15 min枯草杆菌蛋白酶正辛烷，110T1/2=80 min核糖核酸酶壬烷，110，6 h水，pH 8.0,90活力剩余95T1/2 24 hT1/2 10 min限制性核酸内切酶（Hind）正庚烷，55，30d活力不降低-葡萄糖苷酶2-丙醇，50，30 h活力剩余80溶菌酶环己烷，110水T1/2=140 minT1/2=10 min本章目录第十五页，讲稿共四十页哦16 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“刚性刚性”特点。因因而使通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些特性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。成为可能。例如在有机溶剂中，可以利用酶与配体的相互作用性质，诱导改变酶分子的构象，调控酶的底物专一性,、立体选择性和手性选择性等。有机介质酶催化反应的优点有机介质酶催化反应的优点第十六页，讲稿共四十页哦17 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,因此在有因此在有机介质中酶的稳定性得到显著提高。机介质中酶的稳定性得到显著提高。由于有机溶剂的存在由于有机溶剂的存在,水量减少，大大降低了许多需要水参水量减少，大大降低了许多需要水参与的副反应与的副反应，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。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,提高收率。提高收率。第十七页，讲稿共四十页哦186.4 6.4 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：主要应控制的条件有：酶的种类和浓度酶的种类和浓度底物的种类和浓度底物的种类和浓度有机溶剂的种类有机溶剂的种类水含量水含量温度温度pHpH离子强度离子强度本章目录第十八页，讲稿共四十页哦196.5 6.5 酶非水相催化的应用酶非水相催化的应用 酶 催化反应 应用 脂肪脂肪酶酶 肽合成 青霉素G前体肽合成 酯合成 醇与有机酸合成酯类 转酯 各种酯类生产 聚合 二酯的选择性聚合 酰基化 甘醇的酰基化蛋白酶 肽合成 合成多肽 酰基化 糖类酰基化羟基化酶 氧化 甾体转化过氧化物酶 聚合 酚类、胺类化合物的聚合多酚氧化多酚氧化酶酶 氧化 芳香化合物的羟基化 胆固醇氧化酶 氧化 胆固醇测定醇脱氢酶 酯化 有机硅醇的酯化第十九页，讲稿共四十页哦手性手性药药物两种物两种对对映体的映体的药药理作用理作用 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体在体内的不同生理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。一、手性药物拆分一、手性药物拆分第二十页，讲稿共四十页哦21青霉素酰化酶催化叔亮氨酸拆分青霉素酰化酶催化叔亮氨酸拆分Shu-Lai Liu，Dongzhi Wei*,et al.,Bioprocess and Biosystems Engineering,2006(In press).Shu-Lai Liu，Dongzhi Wei*,et al.,Preparative Biochemistry&Biotechnology,2006(In press).第二十一页，讲稿共四十页哦22青霉素酰化酶在氨基酸拆分中的应青霉素酰化酶在氨基酸拆分中的应用用水水-乙酸丁酯双相体系中叔亮氨酸的拆分乙酸丁酯双相体系中叔亮氨酸的拆分消除副产物苯乙酸的抑制消除副产物苯乙酸的抑制第二十二页，讲稿共四十页哦23二、手性高分子聚合物的制备二、手性高分子聚合物的制备1 可生物降解的聚酯的合成2 糖脂的合成第二十三页，讲稿共四十页哦脂肪酶脂肪酶-位置选择性酯化反应位置选择性酯化反应 葡萄糖苷葡萄糖苷-6-O-6-O-酰基衍生物是一种可生物降解的非离子表面活酰基衍生物是一种可生物降解的非离子表面活性剂，它可以用脂肪酸和葡萄糖苷在脂肪酶催化下进行选择性酯性剂，它可以用脂肪酸和葡萄糖苷在脂肪酶催化下进行选择性酯化得到：化得到：第二十四页，讲稿共四十页哦25糖酯的合成糖酯的合成第二十五页，讲稿共四十页哦26脂肪酶脂肪酶-消旋化合物选择性酯化消旋化合物选择性酯化 以以2-2-取代取代-1,3-1,3-丙二醇和脂肪酸为原料，在有机溶剂介质中用丙二醇和脂肪酸为原料，在有机溶剂介质中用脂肪酶脂肪酶(CCL)(CCL)或猪肝酯酶（或猪肝酯酶（PLEPLE）催化酯化反应，可得到较高）催化酯化反应，可得到较高光学纯度的光学纯度的R R-或或S-S-酯。酯。第二十六页，讲稿共四十页哦27脂肪酶脂肪酶-消旋化合物的拆分消旋化合物的拆分 有机介质中用脂肪酶有机介质中用脂肪酶(PSL)(PSL)催化酯化用于催化酯化用于-羟基羟基-,-,-不饱和酯的拆分。可以避免副反应的发生。不饱和酯的拆分。可以避免副反应的发生。第二十七页，讲稿共四十页哦28脂肪酶脂肪酶-内酯合成反应内酯合成反应 -羟基酸或它的酯在脂肪酶催化下，发生分子内环化作用得到内酯化合物。内酯可继续反应形成开链寡聚物.内酯化产物形式主要取决于羟基酸的长度外，也取决于脂肪酶的类型、溶剂及温度等。第二十八页，讲稿共四十页哦29第二十九页，讲稿共四十页哦30三 酚树脂的合成例辣根过氧化物酶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聚合，生成酚类聚合物第三十页，讲稿共四十页哦31四 导电有机聚合物的合成例辣根过氧化物酶可以在与水混溶的有机介质（如丙酮、乙醇、二氧六环等）中，催化苯胺聚合生成聚苯胺。聚苯胺-导电装置第三十一页，讲稿共四十页哦32五 发光有机聚合物的合成例辣根过氧化物酶可以在有机介质中催化对苯基苯酚合成聚对苯基苯酚，将这种聚合物制成二极管，可以发出蓝光。第三十二页，讲稿共四十页哦33六 食品添加剂的生产利用芳香醛脱氢酶生成香兰素第三十三页，讲稿共四十页哦34七 多肽的合成例a-胰蛋白酶可以催化N-乙酰色氨酸与亮氨酸合成二肽水中反应合成率为0.1%以下在乙酸乙酯和微量水组成的系统中，合成率可达100%第三十四页，讲稿共四十页哦35八 甾体转化例可的松转化为氢化可的松的酶促反应，在水-乙酸丁酯或水-乙酸乙酯组成的系统中，转化率高达100%和90%第三十五页，讲稿共四十页哦36九、生物柴油生产九、生物柴油生产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的脂肪酸酯类物质。可以代替柴油作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料使用。为柴油发动机的燃料使用。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 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。第三十六页，讲稿共四十页哦37从生物质到生物柴油从生物质到生物柴油生物柴油生产装备生物柴油生产装备第三十七页，讲稿共四十页哦38美国生物柴油发展趋势美国生物柴油发展趋势第三十八页，讲稿共四十页哦第三十九页，讲稿共四十页哦12.10.2022感谢大家观看第四十页，讲稿共四十页哦
