酶非水相催化理论及应用特性 .ppt
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1、 第七章第七章 酶非水相催化酶非水相催化1 1、酶非水相催化的几种类型、酶非水相催化的几种类型2 2、有机介质反应体系、有机介质反应体系 3 3、有机溶剂中酶催化作用的影响因素、有机溶剂中酶催化作用的影响因素 6 6、有机介质中酶催化的应用、有机介质中酶催化的应用 GoGoGoGoGoGoGoGo本章内容:本章内容:4 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5 5、有机介质中酶的应用形式、有机介质中酶的应用形式GoGoGoGo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。p 但对于大多数有机化合物来说,水并不是一种适宜的溶剂。但对于大多数有机化合物来说,水并不是一
2、种适宜的溶剂。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。p 由于水的存在,往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解由于水的存在,往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。等副反应的发生。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)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、手性醇等多种有机化合物,明确指出作用,获得酯类、肽类、手性醇等多种有
3、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。长期以来,人们一直认为酶是水溶性生物大分子,长期以来,人们一直认为酶是水溶性生物大分子,只能在水溶液中发挥其催化功能,而有机介质会只能在水溶液中发挥其催化功能,而有机介质会使酶活性丧失。这种传统思想极大地限制了酶学使酶活性丧失。这种传统思想极大地限制了酶学的发展。的发展。19841984年年Zaks AZaks A和和 Klibanov A.M Klibanov A.M 首次发表首次发表了关于非水相介质中脂肪酶的催化行为及热稳定了关于非水相介质中脂肪酶的催化行为及热稳定性的研究报道,引起
4、了广泛的关注。传统的酶学性的研究报道,引起了广泛的关注。传统的酶学领域迅速地产生了一个全新的分支领域迅速地产生了一个全新的分支非水酶学非水酶学(nonaqueous enzymology)(nonaqueous enzymology)。早在早在2020世纪初,世纪初,.ourquelotourquelot等曾经将乙醇、丙酮类的有等曾经将乙醇、丙酮类的有机溶剂加到酶的水溶液中,进行非水介质中酶催化的尝试。机溶剂加到酶的水溶液中,进行非水介质中酶催化的尝试。1975197519831983年间年间.ucklanduckland和和.artinekartinek等做了将微等做了将微生物细胞、游离酶和
5、固定化酶用于有机溶剂中合成酯和类固醇生物细胞、游离酶和固定化酶用于有机溶剂中合成酯和类固醇及甾醇转化的探索。及甾醇转化的探索。一、非水介质酶催化发展情况一、非水介质酶催化发展情况第一节酶非水相催化的概况第一节酶非水相催化的概况直到直到1984年,非水溶剂中酶催化的研究才取得了突破性的进年,非水溶剂中酶催化的研究才取得了突破性的进展。展。此后十几年来,酶在非水介质中催化反应的研究十分活跃。此后十几年来,酶在非水介质中催化反应的研究十分活跃。二、酶非水相催化的几种类型二、酶非水相催化的几种类型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 有机介质中的
6、酶催化是指酶在含有有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水一定量水的的有机溶剂有机溶剂中进行的催化反应。中进行的催化反应。适用于适用于底物、产物两者或其中之一为底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。疏水性物质的酶催化作用。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。应。温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体(supercritical fluid)。超临界流体的许多物理化学性质介于气体和液体之间,并具超临界流体的许多物理化学性质介于气体和液体之间,并具有两者的优点,如具有与液
7、体相近的溶解能力和传热系数,具有两者的优点,如具有与液体相近的溶解能力和传热系数,具有与气体相近的黏度系数和扩散系数。同时它也具有区别于气有与气体相近的黏度系数和扩散系数。同时它也具有区别于气态和液态的明显特点:态和液态的明显特点:(1)可以得到处于气态和液态之间的任一密度;)可以得到处于气态和液态之间的任一密度;(2)在临界点附近,压力的微小变化可导致密度的巨大变)在临界点附近,压力的微小变化可导致密度的巨大变化。化。3 3、超临界介质中的酶催化、超临界介质中的酶催化离子液离子液(ionic liquids)是由有机阳离子与有机(无机)阴)是由有机阳离子与有机(无机)阴离子构成的在室温条件下
8、呈液态的离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类低熔点盐类,挥发性低、,挥发性低、稳定性好。稳定性好。与传统的有机溶剂不同的是,离子液体没有蒸汽压,但是与传统的有机溶剂不同的是,离子液体没有蒸汽压,但是有很好的溶解性,热稳定范围很宽,超过液态温度范围有很好的溶解性,热稳定范围很宽,超过液态温度范围(300)。4 4、离子液介质中的酶催化、离子液介质中的酶催化氯化1-甲基-3-乙基咪唑盐1-甲基-3-丁基咪唑六氟磷酸盐 酶非水相催化的几种类型酶非水相催化的几种类型1 1、有机介质中的酶催化、有机介质中的酶催化2、气相介质中的酶催化3、超临界介质中的酶催化4、离子液介质中的酶催化小结:小结:第二节
9、第二节 有机介质反应体系有机介质反应体系 有机溶剂与水形成均匀的单相溶液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。酶、底物和产物都能溶解在这种体系中。一、常见的有机介质体系一、常见的有机介质体系用非极性有机溶剂取代所有的大量水,使固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。体酶悬浮在有机相中。酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀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。状态,或者吸附在固体载体表面上。2、水与水互溶有机溶剂(均一体系)、水与水互溶有机溶剂(均一体系)1、微量水非极性有机溶剂、微量水非极性有机溶剂(微水介质
10、体系微水介质体系).“水包油水包油”和和“油包水油包水”由含有溶解酶的水相和一个非极性的有由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂机溶剂(高脂溶性高脂溶性)相所组成的两相体系。相所组成的两相体系。3、水非极性有机溶剂(两相体系)、水非极性有机溶剂(两相体系)4、胶束体系和反胶束体系、胶束体系和反胶束体系.EEES水相水相Ep(正)胶束体系:表面活性剂的极性段朝外,非极性端朝内,(正)胶束体系:表面活性剂的极性段朝外,非极性端朝内,反应时酶在胶束外面的水溶剂中,疏水性的底物或产物在胶束内反应时酶在胶束外面的水溶剂中,疏水性的底物或产物在胶束内部。反应在胶束的两相界面进行。部。反应在胶束的两相界面
11、进行。p反胶束体系:表面活性剂的极性端朝内,非极性端朝外,水溶反胶束体系:表面活性剂的极性端朝内,非极性端朝外,水溶液包在胶束内部。反应时,酶分子在反胶束内部的液包在胶束内部。反应时,酶分子在反胶束内部的“小水池小水池”中进中进行催化。行催化。.有机相有机相S胶束体系胶束体系反胶束体系反胶束体系水相水相有机相有机相表面活性剂:表面活性剂是由亲水憎油的极性基团和亲油表面活性剂: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。憎水的非极性基团两部分组成的两性分子。在有机相酶反应中用得最多的是阴离子表面活性剂:在有机相酶反应中用得最多的是阴离子表面活性剂:AOT(Aero
12、solOT)AOT(AerosolOT),其化学名为丁二酸,其化学名为丁二酸-2-2-乙基酯磺酸钠。乙基酯磺酸钠。不管采用何种有机介质反应体系,酶催化反应的介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。有显著的影响。1 1、微量水非极性有机溶剂、微量水非极性有机溶剂(微水介质体系微水介质体系)2、水与水互溶有机溶剂(均一体系)3、水非极性有机溶剂(两相体系)4、胶束体系和反胶束体系小结:小结:二、有机相酶反应的优点二、有机相酶反应的优点1 1、有利于疏水性底物的反应,增强反应物的溶解度;有
13、利于疏水性底物的反应,增强反应物的溶解度;2 2、可提高酶的热稳定性;、可提高酶的热稳定性;3 3、能催化在水中不能进行的反应;能催化在水中不能进行的反应;4 4、可改变反应平衡移动方向;可改变反应平衡移动方向;5 5、可控制底物专一性;可控制底物专一性;6 6、可防止由水引起的副反应;可防止由水引起的副反应;、酶和产物易于回收;酶和产物易于回收;、可避免微生物污染。可避免微生物污染。三、三、有机相酶反应具备条件有机相酶反应具备条件 1 1、保证必需水含量。保证必需水含量。2 2、选择合适的酶及酶形式。选择合适的酶及酶形式。3 3、选择合适的溶剂及反应体系。选择合适的溶剂及反应体系。4 4、选
14、择最佳选择最佳pHpH值。值。第三节第三节 有机溶剂中酶催化作用的影响因素有机溶剂中酶催化作用的影响因素 一、水对有机介质中酶催化反应的影响一、水对有机介质中酶催化反应的影响有机介质中的水含量多少对酶的空间构象、酶的催化活性、酶的稳定性、酶的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有关。必需水必需水: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。例如:凝乳蛋白酶,只需分子的水。例如:凝乳蛋白酶,只需分子的水。多酚氧化酶,需个水分子。多酚氧化酶,需个水分子。最适水含量最适水含量:在催化反应速度达到最大时的水含量称为最:在催化反应
15、速度达到最大时的水含量称为最适水含量。适水含量。在实际应用时应当根据实际情况,通过实验确定最适在实际应用时应当根据实际情况,通过实验确定最适合水含量。合水含量。酶酶二、有机溶剂对有机介质中酶催化反应的影响二、有机溶剂对有机介质中酶催化反应的影响水溶性有机溶剂水溶性有机溶剂:甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、丙酮、:甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、丙酮、乙晴等乙晴等水不溶性的有水不溶性的有:石油醚、己烷、庚烷、辛烷、苯、甲苯、:石油醚、己烷、庚烷、辛烷、苯、甲苯、氯仿、乙醚、戊醚等氯仿、乙醚、戊醚等常用的有机溶剂:常用的有机溶剂:2、有机溶剂对酶结构的影响1、有机溶剂对酶分子表面结合水的影响有机溶剂的极性越强
16、,越易于夺取酶分子表面的结合水,对酶活性的影响就越大。(1)对酶分子表面结构的影响;(2)对酶活性中心的影响。枯草杆菌蛋白酶晶体在乙腈溶剂中,原有的119个与酶分子结合的水分子中有20个水分子被脱去,12个乙腈分子结合到了上去,其中4个取代了原来水分子的位置。例如,正己烷能夺取酶分子0.5%的结合水,甲醇则可以夺取酶分子60%的结合水。辣根过氧化物酶在甲醇中的催化时,发现甲醇可以进入到酶活性中心,与卟啉铁配位。4个已经分子可以进入到活性枯草杆菌蛋白酶活性中心,结合位点与抑制剂相似。3、有机溶剂对酶作用底物和产物的影响有机溶剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。p一般选用一般选用2lgP52
17、lgP5的有机溶剂。的有机溶剂。4、选择有机溶剂必须考虑的因素()有机溶剂与反应的匹配性(即相容性)例:对于酶促糖改性而言,使用疏水性的,与水不互溶的溶剂是不现实的,因为不溶性底物和不溶性的酶之间无相互作用,必须用亲水性的溶剂(如吡啶或二甲基甲酰胺)()极性系数lgP:即一种溶剂在正辛烷/水两相间分配系数的常用对数值,它能直接反映溶剂的疏水性。极性系数越大,表明其极性越弱,极性系数越小,则极性越强。(4)溶剂的密度、黏度、表面张力、毒性、废物处理和成本等(溶剂因底物而宜)。(3)选择的溶剂对主反应必须是惰性的,即不参与主反应。例如,醇与酯之间发生的酯基转移反应生成新醇和新酯,就不能用醇也不能用
18、酯作为溶剂。第四节第四节 酶在有机介质中的催化特性酶在有机介质中的催化特性 一、酶催化反应的选择性一、酶催化反应的选择性1、底物专一性的变化水溶液中丝氨酸乙酯苯丙氨酸乙酯胰蛋白酶高104倍辛烷中丝氨酸乙酯苯丙氨酸乙酯胰蛋白酶高20倍非水酶学的发展使人们认识到可以通过改变反应介质来改变酶催化反应的选择性,从而达到人为地改变和控制酶的选择性。2、对映体选择性的变化在有机介质中,某些蛋白酶可以用D-氨基酸为底物合成由D-氨基酸组成的多肽。这一点在手性药物制造中,有重要的应用。3、位置选择性的变化有机溶剂中,酶能够选择性地催化底物中某个区域的基团发生反应。脂肪酶催化1,4-二丁酰基-2-辛基苯与丁醇之
19、间的转酯反应,在甲苯介质中,优先催化C-4位的酰基,在乙腈中,优先催化C-1位的酰基。4、化学键选择性的变化在同一个底物分子中有2中以上的化学键都可以被酶催化时,酶对其中一种化学键优先进行反应。不同来源的脂肪酶催化6-氨基-1-己醇的酰化反应时,对其中的氨基和羟基有选择性,分别生成肽键和酯键。、干酶粉和结晶酶干酶粉和结晶酶目前最简单的也是被大多数研究者所采用的非水催化的体系是将固态酶粉直接悬浮在有机溶剂中。、固定化酶固定化酶酶固定化后,增大了酶与底物接触的表面,在一定程度上可以提高酶在有机溶剂中的扩散效果和热力学稳定性,有利于酶的回收和连续化生产。、化学修饰酶化学修饰酶双亲分子共价修饰或非共价
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