第七章 酶的非水相催化to学生

非水相酶催化的研究大大拓展了酶的可能用途。 尤其是能合成化学方法难以合成的手性化合物（如光学活性药 物、农药液晶 )等,被广泛应用于酯合成、手性化合物的拆分和 合成、化工合成中间体的选择性基团保护、高聚物的合成、肽 合成等方面，应用前景非常广阔。
Overcoming Limitations
解决方案 – 有机溶剂
酶 (RS)-环氧 (S)-环氧 + (R)-二醇
4、胶束和反胶束体系：
胶束又称正胶束或正胶团，是在大量水溶液中含有少量 与水不相混溶的有机溶剂，加入表面活性剂后形成的” 水包油”型的微小液滴。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的内部。反应在胶束 的两相界面中进行。
反胶束
极性强 黏度高 与水或有机溶剂不相溶 丰富、复杂的溶剂作用
重要的离子液体举例
潜在的优势：
溶剂性质可调 增强酶的活性 改善酶的特异性 更有利的反应平衡
成本高 溶剂作用复杂，结构与功能的关系尚处于有限 的理解阶段
第二节、非水介质中酶的结构与性质
酶不溶于疏水性的有机溶剂，在非水有机相中以悬浮状态其 催化作用
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Mechanism of Transesterification
O R'O R Organic Solvent
Asp 102 His 195 O O H N Ser 195
Concerns Addressed
Chymotrypsin +
O H H N H N R'O O R
N
Gly 193
水相酶学的限制
非极性底物和产物的溶解性 Polymerization of phenols
R
OH R = alkyl
horseradish peroxidase H2 O2 Aqueous
R
HO
OH
R
Dimers/Trimers
3
Bruno, F.; Ayyagari, S.; Akkara, J. Trends in Biotechnology. 1999, 17, 67-73. Reihmann, M.; Ritter, H. Syn. Of Pol. Using Peroxidases. Adv. Poly. Sci. Springer-Verlag. 2006, 194, 1-49.
R'O R
O R'OH
R''OH R''O R
O
R'O R
O R'OH H2O
HO R
O
E
ES'
ES
ES''
E
E
ES`
ES
ES``
E
Ping Pong Mechanism
Conclusion: Mechanism is the same
(1) Chaterjee, S.; Russell, A. Enzyme Microb. Technol. 1993, 15, 1022-1029. (2) Klibanov, A. Trends Biochem. Sci. 1989, 14, 141-144.
生物催化反应中常用的非水介质体系：
有机介质 1、微水有机介质体系、 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、 3、与非极性有机溶剂组成的非均相体系 4、反胶束体系； 超临界流体介质 离子液体介质 气相介质 无溶剂系统
一、有机介质中的酶催化
1、微水有机介质： 由有机溶剂和微量的水组成的反应体系。微量的水主 要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的空间构象和催 化活性至关重要。另外一部分水分布在有机溶剂中。 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溶组成的反应体系，水 和溶剂含量均较大，酶和底物以溶解状态存在于均一体 系。
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Concerns Addressed
Structure of Subtilisin in Water and Acetonitrile
Cα Backbone Trace Active Site (Asp-32,His-64,Ser-221)
Heavy lines = MeCN Light lines = water
0.228
0.232
0.227
0.236
0.460
0.525
0.326
0.203
如：纯净的CO2被加热或压缩到高于其临界点（临界温度31.1℃，临界压 力7.28Mpa)时的状态。该流体具有无毒、无臭、不燃等优点。
四、新型环保催化介质：离子液体
有机盐 低熔点 (<100°C) 独一无二的性质 非挥发，几乎没有蒸气压 液态温度范围宽 ：-90℃～300℃ 化学和热力学稳定，不燃烧 数量庞大，理论上1018种 与传统溶剂的比较
Alpha-Helix Content (%)
30 25 20 15 10 5 0 60 % MeCN + 40 % Water (v/v) Water Neat MeCN
Solvent
Klibanov, A.; Griebenow, K. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11965-119700. 23
O R' OR''
Enzymes Aqueous, RSH
X
O R' SR
5
5
非水相生物催化的诞生
1984年，美国的Klibanov等用胰酯酶粉或其固定 化酶在几乎无水的有机溶剂中成功地合成了肽， 手性醇以及酯酰胺，这些研究改变了酶促反应只 能在水相中进行的传统观念，更重要的是使原来 认为难以进行的反应成为可能。同时发现同一种 酶在不同的溶剂中可以表现出不同的立体选择 性，促进了生物催化反应溶剂工程的研究。
8
8
Overcoming Limitations
在有机溶剂中增强酶的热稳定性
% Activity of Lipase at 100 °C
100
Enzyme in Heptanol Enzyme in Water
% Activity
80 60 40 20 0 0 20 40 60
O O R O O R
Asp 102
His 195 O O H N N H R'' O
Ser 195 N O H O HN R Gly 193
Asp 102 O O
His 195
Ser 195 N H Gly H O N `RO O H N 193 R
26
H N
R'OH
26
Chaterjee, S.; Russell, A. Enzyme Microb. Technol. 1993, 15, 1022-1029.
Mechanism of Transesterification
超临界流体的有关性质（P-V-T）
流体名称
乙烷
丙烷
丁烷
戊烷
乙烯
氨
CO2
二氧化硫
水
临界温度 （℃）
32.3
96.9
150.0
296.7
9.9
132.4
31.1
157.6
374.3
临界压力 （Mpa）
4.26
3.8
3.38
5.12
11.28
7.38
7.88
22.11
4.88
临界密度 (g/cm3)
0.220
反胶束又称反胶团，在大量与水不相混溶的有机溶剂 中，含有少量的水溶液，加入表面活性剂后形成的”油 包水”型的微小液滴。催化反应在两相的界面中进行。 在反胶束体系中，由于酶分子处于反胶束内部的水溶液 中，稳定性较好。
二、气相介质中的酶催化体系
气相介质中的酶催化反应是指酶在气体或者能够转化 为气体物质的酶催化反应。气体介质密度低，扩散容 易。目前研究很少(氢化酶、固氮酶, 甲烷加氧酶)。
Klibanov, A. et al. Proc. Nat. Acad. Sciences. 1993, 90, 8653-8657.
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2.催化机制相同
Transesterification in Organic Solvents
Concerns Addressed
Ester Hydrolysis in Water
增强难溶于水的反应物的溶解性
R horseradish peroxidase H2 O2 Aqueous R HO
OH R = alkyl
OH
R
n
二氧六环 聚合物分子量比水相提高50倍
High molecular weight polymers
Bruno, F.; Ayyagari, S.; Akkara, J. Trends in Biotechnology. 1999, 17, 67-73. Reihmann, M.; Ritter, H. Syn. Of Pol. Using Peroxidases. Adv. Poly. Sci. Springer-Verlag. 2006, 194, 1-49.
O R' OR''
Enzymes Organic Sol. NHR2
Enzymes OR'' Organic Sol. RSH R'
O R' NR2
O R'
O SR
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酶非水相中催化的优点
增强难溶于水的反应物的溶解性，能催化在水中不能进行的 反应 可提高酶的热稳定性. 可改变反应平衡 可改变酶的选择性（底物专一性、对映体选择性、位置选择 性和化学选择性） 酶和产物易于回收。 可避免微生物污染。