第七讲 酶的非水相催化精选PPT.ppt

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1、第七讲 酶的非水相催化第1页，本讲稿共94页第七讲第七讲 酶的非水相催化酶的非水相催化o教学目标：教学目标：了解非水相中酶催化研究概况和反胶束体系的酶学研究情况了解非水相中酶催化研究概况和反胶束体系的酶学研究情况理解酶在有机介质中催化的反应的具体应用理解酶在有机介质中催化的反应的具体应用掌握酶在有机介质中的催化特性掌握酶在有机介质中的催化特性o教学重点：教学重点：酶非水相中酶催化的影响因素、催化特性以及应用酶非水相中酶催化的影响因素、催化特性以及应用o教学难点：教学难点：有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响第2页，本讲稿共94页第七讲第七讲 酶的非水

2、相催化酶的非水相催化 7.17.1、酶催化反应的介质、酶催化反应的介质7.27.2、有机介质反应体系、有机介质反应体系7.37.3、有机介质反应体系影响因素、有机介质反应体系影响因素7.47.4、酶在有机介质中的催化特性、酶在有机介质中的催化特性GoGoGoGo7.57.5、有机介质中酶催化反应的条件及其控制、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go7.67.6、酶非水相催化的应用、酶非水相催化的应用 Go第3页，本讲稿共94页7.1 7.1 酶催化反应的介质酶催化反应的介质o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！o但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。但对

3、于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。o因为许多有机化合物因为许多有机化合物(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，往往有利于如由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合、分解水解、消旋化、聚合、分解等副反应的发生。等副反应的发生。是否存在非水介质能保证酶催化呢？是否存在非水介质能保证酶催化呢？1984年，克利巴诺夫（年，克利巴诺夫（Klibanov）等人在）等人在“Science”上报道在有机介质中进行了上报道在有机介质中进行了脂肪脂肪酶酶催化反应的研究，成功地在利用酶有机介质中的催化作用获得催化反应的研究，成功地在利用酶有机介质中的催化作用获得酯类

4、、肽类、手性醇酯类、肽类、手性醇等多等多种有机化合物，明确指出种有机化合物，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酶可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应。第4页，本讲稿共94页u酶非水相催化酶非水相催化：酶在非水介质中的催化作用。：酶在非水介质中的催化作用。o20多年来，科技工作者多年来，科技工作者对对酶酶在非水相介在非水相介质质中催化反中催化反应应研究十研究十分活分活跃跃，并取得突破性，并取得突破性进进展。在理展。在理论论上上进进行了非水介行了非水介质质（包（包括有机溶括有机溶剂剂、超、超临临界介界介质质、气体介、气体介质质、离子液介、离子液介质质等）中的等）中的酶酶的的

5、结结构和功能构和功能、酶酶的作用机制的作用机制以及以及酶酶的催化的催化动动力学力学等方等方面的研究，面的研究，初步建立起非水相催化的理论体系初步建立起非水相催化的理论体系。o非水相介非水相介质质中的中的酶酶催化作用的催化作用的应应用研究也取得了用研究也取得了显显著成果，著成果，例如利用例如利用脂肪脂肪酶酶在非水介在非水介质质中改良油脂等方面的工中改良油脂等方面的工业业化化应应用。用。第5页，本讲稿共94页u酶非水相催化的新特性和优势：酶非水相催化的新特性和优势：催化水不溶性化合物的催化水不溶性化合物的转转化，使化，使酶酶的作用底物范的作用底物范围围大大拓大大拓宽宽改改变变反反应应的平衡点，使水

6、溶液中不能的平衡点，使水溶液中不能发发生的反生的反应应向所期望的方向向所期望的方向进进行，行，催化水解反催化水解反应应的的酶酶可催化合成反可催化合成反应应的的进进行行酶酶在有机溶在有机溶剂剂中由于水分子的减少，象表中由于水分子的减少，象表现现出比水溶液中更具有出比水溶液中更具有“刚刚性性”特点，特点，减少或防止由水引起的副反减少或防止由水引起的副反应应酶酶的的热稳热稳定性大大提高，反定性大大提高，反应应后易于回收和重复利用后易于回收和重复利用可避免可避免长长期反期反应应中的微生物中的微生物污污染染可方便地利用可方便地利用对对水分敏感的底物水分敏感的底物进进行反行反应应可可扩扩大大pH值值的适的

7、适应应性性当使用当使用挥发挥发性溶性溶剂剂作作为为介介质时质时反反应应后的分离后的分离过过程能耗降低程能耗降低第6页，本讲稿共94页酶非水相催化的类型：酶非水相催化的类型：1 1、有机介质中的酶催化、有机介质中的酶催化2 2、气相介质中的酶催化、气相介质中的酶催化3 3、超临界介质中的酶催化、超临界介质中的酶催化4 4、离子液介质中的酶催化、离子液介质中的酶催化第7页，本讲稿共94页1 1、有机介质中的酶催化、有机介质中的酶催化o指酶在指酶在含有一定量水含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。的有机溶剂中进行的催化反应。o适用对象：底物、产物两者或其中之一为适用对象：底物、产物两者或其中之一为

8、疏水性物质疏水性物质o应用：生产多肽、酯类、功能性大分子、手性药物的拆分应用：生产多肽、酯类、功能性大分子、手性药物的拆分o优点：优点：有机底物在有机溶有机底物在有机溶剂剂中有中有较较大的溶解度大的溶解度酶酶的的热稳热稳定性和定性和储储存存稳稳定性比水中明定性比水中明显显提高提高使某些反使某些反应过应过程的程的热热力学可以向期望的方向移力学可以向期望的方向移动动可以可以发发生水溶液中不可能生水溶液中不可能进进行的反行的反应应，如脂肪，如脂肪酶酶催化催化酯酯交交换换和和酯酯合成反合成反应应等等表表现现出比水溶液中更具有出比水溶液中更具有“刚刚性性”特点；特点；酶酶不溶于有机溶不溶于有机溶剂剂，利

9、于，利于酶酶的回的回收与再利用收与再利用由于有机溶由于有机溶剂剂的存在，水量减少，大大降低了的存在，水量减少，大大降低了许许多需要水参与的副反多需要水参与的副反应应（酸（酸酐酐的水解、的水解、氰氰醇的消旋化和醇的消旋化和酰酰基基转转移）移）第8页，本讲稿共94页u国内外研究进展：国内外研究进展：用用酶酶催化催化转酯转酯反反应应拆分外消旋体得高光学拆分外消旋体得高光学纯纯度度对应对应体体在在酶酶促反促反应应体系中添加体系中添加-糊精可提高糊精可提高对对映体的映体的纯纯度度枯草溶菌素有效催化合成氨基酸及枯草溶菌素有效催化合成氨基酸及肽肽的的转酯转酯等等杨杨波等提出了有机溶波等提出了有机溶剂剂中在脂

10、肪中在脂肪酶酶的催化作用下含手性的催化作用下含手性中心碳原子的胺中心碳原子的胺类类化合物化合物酰酰胺化的异构胺化的异构选择选择性性规则规则李志李志远远等用胰脂等用胰脂酶酶在有机介在有机介质质中催化反中催化反应应得到高光学得到高光学纯纯度的度的2-氨基丙醇（氨基丙醇（R-）和（）和（S+）对对映体映体宗敏宗敏华华等探等探讨讨了超声了超声辐辐射射对对有机相中脂肪有机相中脂肪酶酶催化有机硅醇与脂催化有机硅醇与脂肪酸反肪酸反应应的促的促进进作用作用刘平等研究了有机溶刘平等研究了有机溶剂剂中中酶酶催化合成五催化合成五肽肽前体的反前体的反应应第9页，本讲稿共94页2 2、气相介质中的酶催化、气相介质中的酶

11、催化o酶在酶在气相介质气相介质中进行的催化反应。中进行的催化反应。o适用对象：底物是气体或者能够转化为适用对象：底物是气体或者能够转化为气体的物质气体的物质o由于气体介质的由于气体介质的密度低，扩散容易密度低，扩散容易，因此酶在气相，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，但是这方面的研究并不多。同特点，但是这方面的研究并不多。第10页，本讲稿共94页3 3、超临界介质中的酶催化、超临界介质中的酶催化o酶在酶在超临界流体超临界流体中进行的催化反应。中进行的催化反应。o超临界流体：指物质状态超过临界点后的流体。超临界流体：指物质

12、状态超过临界点后的流体。o超临界流体的超临界流体的物理特性和传质特性通常介于液体和气物理特性和传质特性通常介于液体和气体之间：体之间：o黏度大大低于液体的黏度，接近气体的黏度，有利于物质的扩散黏度大大低于液体的黏度，接近气体的黏度，有利于物质的扩散o扩散系数接近于气体，通常是液体的近百倍，可迅速渗透到物体的内部扩散系数接近于气体，通常是液体的近百倍，可迅速渗透到物体的内部而溶解目标物质，快速达到萃取平衡而溶解目标物质，快速达到萃取平衡o应用：酯化、酯交换、醇解、水解、氧化反应应用：酯化、酯交换、醇解、水解、氧化反应第11页，本讲稿共94页o常用的超常用的超临临界流体有界流体有CO2、C2H4、

13、SO2、C2H6、C3H8、C4H10等。等。o常用的超常用的超临临界流体以界流体以CO2最最为为常常见见，主要由于它，主要由于它临临界条件温和，利于界条件温和，利于酶酶保持生物活性。保持生物活性。o但也有人但也有人认为对认为对某些某些酶酶促反促反应应CO2也不是一种良好也不是一种良好的溶的溶剂剂：o因因为为它它是非极性的是非极性的，对对极性底物的溶解度极性底物的溶解度较较低不利于反低不利于反应进应进行行o可以可以改改变变酶酶周周围围微水微水环环境的酸度境的酸度o与与酶酶蛋白表面的自由氨基酸生成蛋白表面的自由氨基酸生成共价共价络络合物合物而降低而降低酶酶的活性的活性第12页，本讲稿共94页u超

14、临界介质酶催化的超临界介质酶催化的特点：特点：改变酶的底物专一性改变酶的底物专一性区域选择性和对映体选择性，增强酶的稳定性区域选择性和对映体选择性，增强酶的稳定性对酶的结构没有破坏作用，对催化作用没有明显的不良影对酶的结构没有破坏作用，对催化作用没有明显的不良影响响具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性超临界温度不能太高太低，最好在室温附近或在酶催化的最适超临界温度不能太高太低，最好在室温附近或在酶催化的最适温度附近温度附近超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用超临界流体要容易获得，价格便宜超临界流体要容易获得，价格便

15、宜第13页，本讲稿共94页4 4、离子液介质中的酶催化、离子液介质中的酶催化u酶在酶在离子液离子液中进行的催化作用中进行的催化作用离子液（离子液（ionic liquids）是）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好。如如1,3-二烷基咪唑类和二烷基咪唑类和N-烷基吡啶类。烷基吡啶类。o特点：特点：离子液没有可离子液没有可观观蒸汽蒸汽压压，挥发挥发性低性低具有良好的具有良好的热稳热稳定性、区域定性、区域选择选择性、立体性、立体选择选择性及性及键选择键选择性

16、性可以可以调节调节离子液的极性、疏水性和溶解性能，能溶解多种混合物，与多种溶离子液的极性、疏水性和溶解性能，能溶解多种混合物，与多种溶剂组剂组成两相体系成两相体系第14页，本讲稿共94页u研究情况：研究情况：Magnuson等研究表明等研究表明硝酸乙基胺硝酸乙基胺（体（体积积分数分数为为10%）对对从从E.coli中提取中提取碱性磷酸脂肪碱性磷酸脂肪酶酶具有活化具有活化作用作用Erbeldinger报报道了道了嗜嗜热热菌蛋白菌蛋白酶酶在在1-丁基丁基-3-甲基咪甲基咪唑唑六氟磷酸六氟磷酸中中转转化率可达化率可达40%Sheldon等研究表明等研究表明南极洲假南极洲假丝丝酵母脂肪酵母脂肪酶酶B在

17、离子在离子液液PF6、BF4中跟有和中跟有和传统传统有机溶有机溶剂剂有相同的催化有相同的催化速率速率第15页，本讲稿共94页小小 结：结：o在酶的非水相催化中，研究最多的非水介质是在酶的非水相催化中，研究最多的非水介质是有机有机溶剂溶剂。o研究表明酶在适宜的有机溶剂中具有与水中可比的研究表明酶在适宜的有机溶剂中具有与水中可比的催化活性：催化活性：水解酶：水解酶：氧化还原酶：氧化还原酶：转移酶：转移酶：酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等过氧化氢酶、过氧化物酶、醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、多酚氧化酶、细胞色素

18、氧化酶等多酚氧化酶、细胞色素氧化酶等醛缩酶醛缩酶第16页，本讲稿共94页7.27.2、有机介质反应体系、有机介质反应体系1 1、非极性有机溶剂、非极性有机溶剂酶悬浮体系酶悬浮体系2 2、与水互溶的有机溶剂、与水互溶的有机溶剂-水单相均一体系水单相均一体系 3 3、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4 4、胶束体系、胶束体系(微水介质体系微水介质体系)o正胶束体系正胶束体系o反胶束体系反胶束体系o不管采用何种有机介质反应体系，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酶催化反应的介质中都含有机溶剂和一定量的水机溶剂和一定量的水，都对催化反应有显著的影响。，都

19、对催化反应有显著的影响。第17页，本讲稿共94页1 1、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)u用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体固体酶酶悬浮在有机相中，但仍然含有必需的悬浮在有机相中，但仍然含有必需的结合水结合水以保持酶的催化活性以保持酶的催化活性(含水量一般小于含水量一般小于2%)u酶的状态为结晶态、冻干状态、沉淀状态或者酶的状态为结晶态、冻干状态、沉淀状态或者吸附在固体载体表面上吸附在固体载体表面上第18页，本讲稿共94页2 2、与水互溶的有机溶剂、与水互溶的有机溶剂-水单相均一体系水单相均一体系 l有机溶

20、剂与水形成均匀的单相溶液体系，酶、底物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。和产物都能溶解在这种体系中。l由于极性大的有机溶剂对一般没的催化活性影响较由于极性大的有机溶剂对一般没的催化活性影响较大，所以能该反应体系中进行催化反应的酶较少。大，所以能该反应体系中进行催化反应的酶较少。l主要研究集中在主要研究集中在辣根过氧化物酶辣根过氧化物酶在此均一体系中催在此均一体系中催化酚类底物聚合生成聚酚或聚胺类物质，这些物质化酚类底物聚合生成聚酚或聚胺类物质，这些物质主要用于环保胶黏剂、导电聚合物和发光聚合物等主要用于环保胶黏剂、导电聚合物和发光聚合物等功能材料的研究开发

21、。功能材料的研究开发。第19页，本讲稿共94页3 3、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o由含有溶解由含有溶解酶酶的水相和一个非极性的有机溶的水相和一个非极性的有机溶剂剂(高脂高脂溶性溶性)相所相所组组成的两相体系。游离成的两相体系。游离酶酶、亲亲水性底物水性底物或或产产物溶解于水相，疏水性底物或物溶解于水相，疏水性底物或产产物溶解于有机物溶解于有机相。相。o如果采用固定化如果采用固定化酶酶，则则以以悬悬浮形式存在于两相的界浮形式存在于两相的界面，面，催化反催化反应应通常在两相的界面通常在两相的界面进进行。行。o一般适用于底物或者一般适用于底物或者产产物两者或其中一种

22、属于物两者或其中一种属于疏水疏水性化合物性化合物的催化反的催化反应应。第20页，本讲稿共94页4 4、胶束体系、胶束体系 o胶束胶束也称为也称为正胶束或正胶团正胶束或正胶团，是在大量，是在大量水水溶液中含有少量与水不相混溶液中含有少量与水不相混溶的溶的有机溶剂有机溶剂，加入，加入表面活性剂表面活性剂后形成的水包油后形成的水包油(0(0W)W)的微小液滴。的微小液滴。o表面活性剂是由表面活性剂是由亲水憎油的极性基团亲水憎油的极性基团和和亲油憎水的非极性基团亲油憎水的非极性基团两部分组两部分组成的两性分子，既能溶解水溶性物质又能增溶疏水性物质。成的两性分子，既能溶解水溶性物质又能增溶疏水性物质。o

23、正胶束正胶束是通过表面活性剂的极性端朝外与水结合，非极性端朝内，有机溶剂包在液滴内部，形成一个非极性是通过表面活性剂的极性端朝外与水结合，非极性端朝内，有机溶剂包在液滴内部，形成一个非极性的核心形成，如图的核心形成，如图(a)(a)所示。正胶束体系中所示。正胶束体系中水相是连续相，有机相水相是连续相，有机相(油相油相)是分散相是分散相。酶催化反应时，酶在。酶催化反应时，酶在胶束外面的水溶液中，疏水性的底物或产物在胶束内部，反应在胶束的两相界面中进行。胶束外面的水溶液中，疏水性的底物或产物在胶束内部，反应在胶束的两相界面中进行。o反胶束反胶束是由水表面活性剂有机溶剂所组成的低水含量的油包水是由水

24、表面活性剂有机溶剂所组成的低水含量的油包水(W(WO)O)微乳液。它是一个宏观均匀、微微乳液。它是一个宏观均匀、微观多相的热力学稳定体系，该体系是一种两亲介质，既能溶解水溶性物质又能增溶疏水性物质，观多相的热力学稳定体系，该体系是一种两亲介质，既能溶解水溶性物质又能增溶疏水性物质，其中其中有机相有机相(简称油相简称油相)是连续相，水相是分散相是连续相，水相是分散相，油相与水相之间通过表面活性剂单分子层隔开形成球状的，油相与水相之间通过表面活性剂单分子层隔开形成球状的反胶束微粒，如图反胶束微粒，如图 (b)(b)所示。所示。第21页，本讲稿共94页分析反胶束体系应用较广的原因？分析反胶束体系应用

25、较广的原因？u反胶束体系中表面活性剂的极性端朝内，非极性端朝外，与非极性的反胶束体系中表面活性剂的极性端朝内，非极性端朝外，与非极性的有机溶剂接触，从而形成一个极性核心，水溶液包在胶束核心内部，有机溶剂接触，从而形成一个极性核心，水溶液包在胶束核心内部，酶分子在反胶束内部的水溶液中，也有的附着于反胶束内膜上酶分子在反胶束内部的水溶液中，也有的附着于反胶束内膜上，有的，有的甚至部分伸入膜中。当酶在其中起催化作用时活性保持不变，同时包埋甚至部分伸入膜中。当酶在其中起催化作用时活性保持不变，同时包埋于反胶束中的酶，不仅避免了与周围有机溶剂直接接触而可能导致的失于反胶束中的酶，不仅避免了与周围有机溶剂

26、直接接触而可能导致的失活活u高度分散的反胶束提供了高度分散的反胶束提供了巨大的相界面积巨大的相界面积，使得通过反胶束内外间的，使得通过反胶束内外间的传传质阻力变得很小质阻力变得很小，特别是当产物为非水溶性时，其一经形成即转入，特别是当产物为非水溶性时，其一经形成即转入有机相而远离酶，可有效地减弱其对反应的抑制有机相而远离酶，可有效地减弱其对反应的抑制第22页，本讲稿共94页u反胶束体系反胶束体系o溶剂：溶剂：o非极性有机溶剂非极性有机溶剂，常用的是六碳以上的直链及支链烷烃、，常用的是六碳以上的直链及支链烷烃、部分芳香族化合物及卤代烷烃（辛烷、氯仿、二乙醚），部分芳香族化合物及卤代烷烃（辛烷、氯

27、仿、二乙醚），其中其中正辛烷正辛烷或或异辛烷异辛烷用得最多用得最多o表面活性剂：表面活性剂：o阳离子型阳离子型(CTAB：溴化十六烷基三甲基胺：溴化十六烷基三甲基胺)o阴离子型阴离子型(AOT：2-乙基己基乙基己基-琥珀酸酯磺酸钠琥珀酸酯磺酸钠)o非离子型（非离子型（Tween系列）系列）o两性型（卵磷脂）两性型（卵磷脂）第23页，本讲稿共94页反胶束微粒的大小：反胶束微粒的大小：l取决于反胶束的含水量取决于反胶束的含水量(Wo)。Wo的定义为的定义为反胶束中水分子数与表面活反胶束中水分子数与表面活性剂分子数之比，也即有机溶剂中水的摩尔浓度与表面活性剂的摩尔浓度之性剂分子数之比，也即有机溶剂中

28、水的摩尔浓度与表面活性剂的摩尔浓度之比比。l反胶束体系中的水通常可分为反胶束体系中的水通常可分为结合水和自由水结合水和自由水。结合水是指位于反胶束内。结合水是指位于反胶束内部形成水池的那部分水；自由水即为存在于水相中的那部分水。部形成水池的那部分水；自由水即为存在于水相中的那部分水。l研究表明不同的酶有不同的最适研究表明不同的酶有不同的最适Wo值值，该值取决于表面活性剂和酶的，该值取决于表面活性剂和酶的性质，即反胶束的内核体积与酶分子体积要相适应。性质，即反胶束的内核体积与酶分子体积要相适应。l酶活力与酶活力与W0的关系一般符合的关系一般符合钟形曲线钟形曲线。第24页，本讲稿共94页分析反胶束

29、体系的优点？分析反胶束体系的优点？o具有组成灵活、热力学稳定具有组成灵活、热力学稳定o漆酶在反胶束体系中的活性约为水中的漆酶在反胶束体系中的活性约为水中的6060倍倍o过氧化物酶约为水中的过氧化物酶约为水中的100100倍倍o酸性磷酸酶约为水中的酸性磷酸酶约为水中的200200倍倍o界面积大，可通过相调节来实现产物回收，既能为反应物和产界面积大，可通过相调节来实现产物回收，既能为反应物和产物提供有机相，又能为酶分子维持其活性提供稳定的微环境。物提供有机相，又能为酶分子维持其活性提供稳定的微环境。第25页，本讲稿共94页u反胶束体系的应用：反胶束体系的应用：近年来受到人们的普遍关注，其中研究最多

30、的是近年来受到人们的普遍关注，其中研究最多的是肽的合成肽的合成和和脂肪酶脂肪酶的催的催化反应：化反应：oXing等研究了等研究了AOT正辛烷正辛烷的反胶束体系中的反胶束体系中-胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶催化催化合成合成肽衍生物肽衍生物的反应得到的反应得到5688的产率，而且还对反应体系的的产率，而且还对反应体系的Wo值、反值、反应时间和酶浓度等条件进行了讨论；应时间和酶浓度等条件进行了讨论；oChen等在反胶束体系中用不同的等在反胶束体系中用不同的蛋白酶合成了二肽蛋白酶合成了二肽；oTsai等研究了等研究了AOT异辛烷磷酸盐缓冲液异辛烷磷酸盐缓冲液中中脂肪酶催化脂肪酶催化油脂水解反油脂水解反应时

31、表面活性剂浓度对脂肪酶水解活力的影响；应时表面活性剂浓度对脂肪酶水解活力的影响；o李干佐等研究了李干佐等研究了AOT异辛烷水体系异辛烷水体系中解中解脂假丝酵母脂肪酶催化脂假丝酵母脂肪酶催化庚酸庚酸和庚醇的酯化反应动力学；和庚醇的酯化反应动力学；oRees等研究了等研究了阳离子表面活性剂阳离子表面活性剂CTAB的反胶束体系中的反胶束体系中有色黏性细菌脂有色黏性细菌脂肪酶催化肪酶催化癸酸辛酯的合成；癸酸辛酯的合成；o马成松等还研究了马成松等还研究了辣根过氧化物酶辣根过氧化物酶在在AOT水异辛烷水异辛烷中多底物酶中多底物酶促反应等。促反应等。第26页，本讲稿共94页u反胶束酶体系的制备方法反胶束酶体

32、系的制备方法o(1)注入法：注入法：将含有酶的水相将含有酶的水相注入注入到含有表面活性剂的有机相中（到含有表面活性剂的有机相中（最常用最常用）o(2)液体萃取法：液体萃取法：将含酶的水相与含表面活性剂的有机相将含酶的水相与含表面活性剂的有机相直接接触直接接触（过程较慢过程较慢）o(3)固体萃取法：固体萃取法：将酶固体粉末与含水反胶束有机溶剂将酶固体粉末与含水反胶束有机溶剂一起搅拌一起搅拌（时间长，易变性时间长，易变性）第27页，本讲稿共94页u酶在反胶束体系中的活力酶在反胶束体系中的活力o酶在反胶束体系中的活力主要由三方面的因素决定：酶在反胶束体系中的活力主要由三方面的因素决定：核心核心水团的

33、大小水团的大小、表面活性剂的种类表面活性剂的种类及及反胶束微粒的浓度反胶束微粒的浓度。o由于反胶束模型和组成对酶活性有影响，调节反胶束的由于反胶束模型和组成对酶活性有影响，调节反胶束的特性可使酶更适合于特定的反应，提高反应速度。特性可使酶更适合于特定的反应，提高反应速度。研究研究者认为反胶束相当于一个微反应器者认为反胶束相当于一个微反应器，它对，它对水溶性底物有浓水溶性底物有浓缩作用缩作用，使底物在核心水团中的实际浓度远高于在水溶，使底物在核心水团中的实际浓度远高于在水溶液中的浓度，从而产生液中的浓度，从而产生“超活性超活性”。o近几年，有人提出是由于近几年，有人提出是由于表面活性剂膜引起了酶

34、分子构象刚表面活性剂膜引起了酶分子构象刚性的增加及胶束中结合水的特殊性质性的增加及胶束中结合水的特殊性质共同影响造成的。共同影响造成的。第28页，本讲稿共94页反应体系对酶酯化反应的影响反应体系对酶酯化反应的影响反应体系含反应体系含1-三甲基硅三甲基硅-1-乙醇乙醇10 mM，戊酸，戊酸10 mM，内标正十五烷，内标正十五烷，脂肪酶脂肪酶50 mg，30，120 rpm条件下振荡反应条件下振荡反应1：水饱和正已烷：水饱和正已烷10 ml，2 pH7.2缓冲液缓冲液5 ml+正已烷正已烷10 ml第29页，本讲稿共94页7.37.3、有机介质反应体系影响因素、有机介质反应体系影响因素1 1、反应

35、体系中水对酶催化反应的影响、反应体系中水对酶催化反应的影响2 2、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第30页，本讲稿共94页1 1、反应体系中水对酶催化反应的影响、反应体系中水对酶催化反应的影响 一般蛋白酶都溶于水，只有在一定量的水存在的条件下，酶分子才一般蛋白酶都溶于水，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，能进行催化反应。所以酶在有机介质中进行催化反应时，水是不可缺少水是不可缺少的成分的成分之一。之一。有机介质中的水含量多少对酶的有机介质中的水含量多少对酶的空间构象空间构象、酶的、酶的催化活性催化活性

36、、酶的、酶的稳定稳定性性、酶的、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等都有密切关系，水还与酶催化作用的底物和反底物和反应产物的溶解度应产物的溶解度有关。有关。第31页，本讲稿共94页总体来讲，水在酶催化反应中发挥着总体来讲，水在酶催化反应中发挥着双重作用双重作用：o一方面，水分子直接或间接地通过一方面，水分子直接或间接地通过氢键、疏水键及范德华氢键、疏水键及范德华力等非共价键相互作用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。来维持酶的催化活性所必需的构象。oGupta认为无水条件下酶分子的带电基团和极性基团之间相互作用，形认为无水条件下酶分子的带电基团和极性

37、基团之间相互作用，形成一种成一种非活性的非活性的“封闭封闭”结构结构，水的加入可削弱这种相互作用水的加入可削弱这种相互作用，使非活，使非活性的性的“封闭封闭”结构变得结构变得“疏松疏松”，酶分子的，酶分子的柔韧性增加柔韧性增加，并通过，并通过非共价非共价作用力作用力来维持酶的催化活性构象，与酶分子紧密结合的一层左右的来维持酶的催化活性构象，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（水分子，对酶的催化活性是至关重要的（必需水必需水）。）。o不同酶与必需水结合紧密程度及所结合的必需水数量是不同的不同酶与必需水结合紧密程度及所结合的必需水数量是不同的。o糜蛋白酶糜蛋白酶在在辛烷

38、辛烷中催化反应时需中催化反应时需5050个水分子个水分子o多酚氧化酶、酪氨酸酶、醇脱氢酶多酚氧化酶、酪氨酸酶、醇脱氢酶等则需要几百个水分子等则需要几百个水分子第32页，本讲稿共94页o另一方面，另一方面，水是导致酶的热失活的重要因素水是导致酶的热失活的重要因素，有水存在时，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：随着温度的升高酶分子会发生以下变化而失活：o形成不规则结构形成不规则结构o二硫键受到破坏二硫键受到破坏o天冬酰胺和谷氨酰胺水解转化为相应的天冬氨酸和谷氨酸天冬酰胺和谷氨酰胺水解转化为相应的天冬氨酸和谷氨酸o天冬氨酸肽键发生水解天冬氨酸肽键发生水解o因此，在有机介质的酶催化

39、体系中，因此，在有机介质的酶催化体系中，存在着最佳含水量存在着最佳含水量，该最佳含水量不仅取决于酶的种类，也与所选用的有机溶剂有该最佳含水量不仅取决于酶的种类，也与所选用的有机溶剂有关。关。第33页，本讲稿共94页有机溶剂中酶活性与含水量的关系有机溶剂中酶活性与含水量的关系大量实验表明，酶的催化活性与加水量的关系总大量实验表明，酶的催化活性与加水量的关系总是呈曲线形，而且大都为是呈曲线形，而且大都为钟罩形钟罩形。第34页，本讲稿共94页水活度水活度(Aw)o在有机介质中含有的水主要有两类，一类是与酶分子紧在有机介质中含有的水主要有两类，一类是与酶分子紧密结合的密结合的结合水结合水，另一类是溶解

40、在有机溶剂中的，另一类是溶解在有机溶剂中的游离水游离水。o研究表明，在有机介质体系中，酶的催化活性随着结合研究表明，在有机介质体系中，酶的催化活性随着结合水量的增加而提高。在结合水量不变的条件下，体系中水量的增加而提高。在结合水量不变的条件下，体系中水含量的变化对酶的催化活性影响不大。因此可以认为，水含量的变化对酶的催化活性影响不大。因此可以认为，在有机介质体系中，在有机介质体系中，结合水是影响酶催化活性的关键因结合水是影响酶催化活性的关键因素素，而水含量却受到酶分子以外的各种因素影响。，而水含量却受到酶分子以外的各种因素影响。o为了更为确切地反映水与酶催化活性的关系，为了更为确切地反映水与酶

41、催化活性的关系，Halling提出提出用水活度用水活度(Aw)来描述水对酶催化特性的影响。来描述水对酶催化特性的影响。第35页，本讲稿共94页oAw定义定义：在一定的温度和压力下，反应体系的水蒸气压和纯水的蒸气压：在一定的温度和压力下，反应体系的水蒸气压和纯水的蒸气压之比，直接反应了酶分子上水的多少，与其他因素无关。即：之比，直接反应了酶分子上水的多少，与其他因素无关。即：Aw=P/Po；式中，；式中，P表示在一定温度和压力下反应体系中水的蒸气压；表示在一定温度和压力下反应体系中水的蒸气压；Po表示表示在相同条件下纯水的蒸气压。在相同条件下纯水的蒸气压。o当体系达到平衡态时，体系中各部分的当体

42、系达到平衡态时，体系中各部分的Aw值相等。值相等。o由于有机介质酶促反应体系中水的重要作用，可以通过体系中含水量的不同，由于有机介质酶促反应体系中水的重要作用，可以通过体系中含水量的不同，使反应向着所期望的方向发展。一方面可以通过使反应向着所期望的方向发展。一方面可以通过调节含水量调节含水量，影响酶的水，影响酶的水化程度及物理状态，使酶根据需要表现出不同的催化活性；另外还可以化程度及物理状态，使酶根据需要表现出不同的催化活性；另外还可以通过通过改变体系中的改变体系中的Aw而改变反应的平衡点。而改变反应的平衡点。第36页，本讲稿共94页n1 1、添加法、添加法n2 2、去除法、去除法o体系中水含

43、量的有效控制的方法：体系中水含量的有效控制的方法：o直接加水法直接加水法o预平衡法预平衡法 o敞口自由挥发法敞口自由挥发法o通惰性气体或干燥空气来带走反应过程中产生的水通惰性气体或干燥空气来带走反应过程中产生的水o渗透蒸发法渗透蒸发法o水合盐对法水合盐对法第37页，本讲稿共94页o在反应的初期向反应体系中添加适量的水在反应的初期向反应体系中添加适量的水（最早和最普遍采用最早和最普遍采用）o对反应过程中没有水产生的体系非常适用对反应过程中没有水产生的体系非常适用o但对副产物产水的体系不适合：如但对副产物产水的体系不适合：如脂肪酶和蛋白水解酶脂肪酶和蛋白水解酶等在非水介质等在非水介质中分别催化酯合

44、成和肽合成反应，随着反应的进行不断产生水并且进中分别催化酯合成和肽合成反应，随着反应的进行不断产生水并且进入反应体系入反应体系u直接加水法：直接加水法：第38页，本讲稿共94页u预平衡法：预平衡法：o将将酶酶、底物和溶、底物和溶剂剂分分别别在在饱饱和和盐盐溶液形成的气相溶液形成的气相环环境中境中进进行行预预平衡平衡，不，不同的同的饱饱和和盐盐溶液溶液对应对应不同的蒸气不同的蒸气压压，将，将酶酶与与盐盐的的饱饱和溶液平衡，同和溶液平衡，同时时将将含有底物的溶含有底物的溶剂剂平衡至相同的平衡至相同的Aw，然后混合，然后混合进进行反行反应应。o采用采用这这种操作方式，在反种操作方式，在反应过应过程中

45、程中Aw是否是否维维持恒定是持恒定是值值得注意的得注意的问问题题。通常有两种情况可能会引起。通常有两种情况可能会引起Aw的改的改变变：在反在反应过应过程中程中产产生或消生或消耗水；耗水；溶溶剂剂化作用和相行化作用和相行为为。其中由相平衡。其中由相平衡导导致的致的Aw的改的改变较为变较为复复杂杂，只有当水在两相之，只有当水在两相之间间及两者混合物中的活度系数有及两者混合物中的活度系数有严严格的相关性格的相关性时时，Aw在混合前后才会保持不在混合前后才会保持不变变，否，否则则，将分，将分别进别进行行预预平衡的底物和溶平衡的底物和溶剂剂相混合相混合时时Aw会会发发生改生改变变。第39页，本讲稿共94

46、页u敞口自由挥发法：敞口自由挥发法：由于反应体系中有机溶剂更容易挥发，不宜采用采用由于反应体系中有机溶剂更容易挥发，不宜采用采用u向反应体系中通惰性气体或干燥空气来带走反应过程中产生的多余向反应体系中通惰性气体或干燥空气来带走反应过程中产生的多余的水：的水：一方面一方面浪费能源、成本高浪费能源、成本高，另一方面，另一方面不容易准确控制体系的水含量不容易准确控制体系的水含量，操作，操作过程并不要求除掉体系中所有的水，而是控制体系水含量稳定在一个非过程并不要求除掉体系中所有的水，而是控制体系水含量稳定在一个非常狭小的范围内，而且体系中的反应介质和底物也可能被带走，不容易常狭小的范围内，而且体系中的

47、反应介质和底物也可能被带走，不容易被广泛接受；被广泛接受；u渗透蒸发法：渗透蒸发法：即通过均一的非多孔膜来实现体系中水的转移，可以连续除去反应即通过均一的非多孔膜来实现体系中水的转移，可以连续除去反应过程中生成的水，从而使反应平衡向合成方向移动，适用于过程中生成的水，从而使反应平衡向合成方向移动，适用于大规模大规模生产生产第40页，本讲稿共94页u水合盐对法：水合盐对法：o通过直接向反应体系中通过直接向反应体系中加入水合盐加入水合盐对来控制体系水含量，一种水合盐对对来控制体系水含量，一种水合盐对可得到一个特定的水蒸气压，不同的水合盐对产生相应的水含量。由水合盐可得到一个特定的水蒸气压，不同的水

48、合盐对产生相应的水含量。由水合盐与其无水形式构成的盐对可以与其无水形式构成的盐对可以对体系中的对体系中的Aw起缓冲作用起缓冲作用。o以以Na2HPO4为例说明其作用原理，体系中加入为例说明其作用原理，体系中加入Na2HPO4，假定反应过程，假定反应过程中有水生成，当反应进行到一定程度，体系中积累足够多的水时部分中有水生成，当反应进行到一定程度，体系中积累足够多的水时部分Na2HPO4结合水形成结合水形成Na2HPO42H20形式，从而体系中的盐以形式，从而体系中的盐以Na2HPO4Na2HPO42H20盐对盐对的形式存在，随着体系中水的积累，无水盐的形式存在，随着体系中水的积累，无水盐不断转化

49、为二水盐，在全部转化之前体系不断转化为二水盐，在全部转化之前体系Aw不变。当无水盐全部转化为二不变。当无水盐全部转化为二水盐后，水的进一步产生和积累会引起体系水盐后，水的进一步产生和积累会引起体系Aw的提高，直至水的量足以使的提高，直至水的量足以使二水盐转化为七水盐，形成二水盐转化为七水盐，形成Na2HPO42H20Na2HPO47H20盐对盐对，从而将，从而将体系体系Aw维持在另一水平。维持在另一水平。第41页，本讲稿共94页讨论：水活度对酶活性的影响讨论：水活度对酶活性的影响l（1）通常最佳水含量会随着溶）通常最佳水含量会随着溶剂剂极性增加而增加极性增加而增加l（2）酶酶因因为结为结构不同

50、构不同导导致致维维持持酶酶所具有的活性构所具有的活性构象所必需的水量也不同象所必需的水量也不同l（3）酶酶中水的位置也要正确中水的位置也要正确l（4）酶酶活性位点的运活性位点的运动动性随着水的加入性随着水的加入显显著增加著增加l（5）蛋白）蛋白质质分子的极性和分子的极性和带电带电基基团团的水合作用的水合作用对对于于酶酶的催化是必要的的催化是必要的第42页，本讲稿共94页（1 1）通常最佳水含量会随着溶剂极性增加而增加）通常最佳水含量会随着溶剂极性增加而增加u溶剂和底物性质对酶活性也有着直接或间接的影响，底物对溶剂和底物性质对酶活性也有着直接或间接的影响，底物对水也有强的吸附作用。水也有强的吸附