第六章 有机介质中的酶促反应
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蛋白质与酶工程
蛋白质与酶工程
——酶的非水相催化概况
2021/4/8
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一、有机介质中的酶催化
概念：酶在含有一定量水（结合水和溶剂水）的有机溶剂中的催化反应。
1)适于疏水性物质（底物或产物）的酶催化作用。 2)有机介质中的酶催化作用，酶底物特异性、立体选择性、区域选择性、键 选择性和热稳定性等都有所改变。
2021/4/8
3）一般选用2≤lgP≤4的有机溶剂作为有机介 质为宜。
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五、酶非相催化特性
1.底物专一性
◆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 的结合状态发生某些变化，致使酶的底物特异性会发生改变。 ◆不同的有机溶剂具有不同的极性，所以在不同的有机介质中， 酶的底物专一性也不一样。
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二、有机介质中的反应体系
正胶束体系
（1）胶束又称为正胶束或正胶团，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的微小液滴。
（2）表面活性剂的极性端朝外，非极性端朝内，有机溶剂包在液滴内部。
（3）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
物浓度。
Kcat: 酶的转换数。是酶催化效率的一个指标。指每个酶分子每
分钟催化底物转化的分子数。
◆酶在有机介质中催化，与在水溶液中催化比较，由于介质的特
性发生改变，而引起酶的对映体选择Байду номын сангаас也发生改变。
◆酶在水溶液中催化的立体选择性较强，而在疏水性强的有机介
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质中，酶的立体选择性较差。
11
◇在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反应；而 在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易反应。
——酶的非水相催化概况
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一、有机介质中的酶催化
概念：酶在含有一定量水（结合水和溶剂水）的有机溶剂中的催化反应。
1)适于疏水性物质（底物或产物）的酶催化作用。 2)有机介质中的酶催化作用，酶底物特异性、立体选择性、区域选择性、键 选择性和热稳定性等都有所改变。
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3）一般选用2≤lgP≤4的有机溶剂作为有机介 质为宜。
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五、酶非相催化特性
1.底物专一性
◆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 的结合状态发生某些变化，致使酶的底物特异性会发生改变。 ◆不同的有机溶剂具有不同的极性，所以在不同的有机介质中， 酶的底物专一性也不一样。
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二、有机介质中的反应体系
正胶束体系
（1）胶束又称为正胶束或正胶团，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的微小液滴。
（2）表面活性剂的极性端朝外，非极性端朝内，有机溶剂包在液滴内部。
（3）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
物浓度。
Kcat: 酶的转换数。是酶催化效率的一个指标。指每个酶分子每
分钟催化底物转化的分子数。
◆酶在有机介质中催化，与在水溶液中催化比较，由于介质的特
性发生改变，而引起酶的对映体选择Байду номын сангаас也发生改变。
◆酶在水溶液中催化的立体选择性较强，而在疏水性强的有机介
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质中，酶的立体选择性较差。
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◇在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反应；而 在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易反应。
有机介质中的酶催化
反应体系中水对酶催化反应的影响
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，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、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。
本章 目录
6.3 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 立体选择性
区域选择性
键选择性 热稳定性
有机介质酶催化反应的优点
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”特点。因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。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。
由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关, 因此在有机介质中 酶的稳定性得到显著提高。 由于有机溶剂的存在, 水量减少，大大降低了许多需要水参与的副 反应，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。
酶非水相催化的几种类型
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。 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。 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。 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（ionic liquids）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， 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。 本章
酶工程4
• а w 是一个强质性质的物理量，在平衡状态时，反应体系中各
组分（酶、溶剂、底物和产物）的а
• 最佳水活度与溶剂的极性几乎无关
w
是相同的。
华东理工大学 ECUST
表征必需水作用的参数---热力学水活度
华东理工大学 ECUST
获得恒定水活度的方法：
• 向反应体系中直接加水。 ×
• 用一个饱和盐水溶液分别预平衡底物溶液和酶制剂。 • 直接向反应体系加入水合盐：Na2HPO4（二、七、十 二水合盐）
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3 专一性
枯草杆菌蛋白酶催化在水溶液中催化N-乙酰-L-丝氨酸乙酯和N-乙酰-L
苯丙氨酸乙酯与丙醇的转酯反应，在二氯甲烷或苯中：丝氨酸>苯丙氨
酸；在吡啶或季丁醇中：苯丙氨酸>丝氨酸 原因：溶剂改变底物分配系数
有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主 导反应。
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酶活性丧失的可能原因：
有机溶剂与底物或产物相互作用
• 直接作用：氯仿显著减少过氧化物酶催化苯酚的氧化，原因在于氯仿 是苯酚基的淬灭剂； • 影响底物或产物的分配
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2 活性
在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加 超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性 （Super-activity）。 表面活性剂刚性壳层能缓冲酶结构波动性，保证酶结构的稳定； 保护酶避免与有机溶剂直接接触； 为酶催化反应提供巨大相界面，减小传质阻力
剂（如吡啶或二甲基甲酰胺） 例：在己烷中聚苯酚氧化酶的催化反应，极性的苯醌产物不溶于己烷，
导致在酶周围的水层发生不需要的聚合，该聚合物缠住酶，降低酶活，
组分（酶、溶剂、底物和产物）的а
• 最佳水活度与溶剂的极性几乎无关
w
是相同的。
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表征必需水作用的参数---热力学水活度
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获得恒定水活度的方法：
• 向反应体系中直接加水。 ×
• 用一个饱和盐水溶液分别预平衡底物溶液和酶制剂。 • 直接向反应体系加入水合盐：Na2HPO4（二、七、十 二水合盐）
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3 专一性
枯草杆菌蛋白酶催化在水溶液中催化N-乙酰-L-丝氨酸乙酯和N-乙酰-L
苯丙氨酸乙酯与丙醇的转酯反应，在二氯甲烷或苯中：丝氨酸>苯丙氨
酸；在吡啶或季丁醇中：苯丙氨酸>丝氨酸 原因：溶剂改变底物分配系数
有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主 导反应。
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酶活性丧失的可能原因：
有机溶剂与底物或产物相互作用
• 直接作用：氯仿显著减少过氧化物酶催化苯酚的氧化，原因在于氯仿 是苯酚基的淬灭剂； • 影响底物或产物的分配
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2 活性
在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加 超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性 （Super-activity）。 表面活性剂刚性壳层能缓冲酶结构波动性，保证酶结构的稳定； 保护酶避免与有机溶剂直接接触； 为酶催化反应提供巨大相界面，减小传质阻力
剂（如吡啶或二甲基甲酰胺） 例：在己烷中聚苯酚氧化酶的催化反应，极性的苯醌产物不溶于己烷，
导致在酶周围的水层发生不需要的聚合，该聚合物缠住酶，降低酶活，
Chapter 6 酶的非水相催化(上)
1984年，克利巴诺夫（Klibanov）等人在“Science”上
报道在有机介质中进行了脂肪酶催化反应的研究，成功地
在利用酶在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行催化 反应。
酶非水相催化：酶在非水介质中的催化作用。
20多年来，科技工作者对酶在非水相介质中催化反应研究十 分活跃，并取得突破性进展。
反胶束体系的优点
组成灵活、热力学稳定
漆酶在反胶束体系中的活性约为水中的60倍
过氧化物酶约为水中的100倍 酸性磷酸酶约为水中的200倍
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
反胶束体系的应用
研究最多的是肽的合成和脂肪酶的催化反应。
合物，与多种溶剂组成两相体系
研究进展
研究1： 硝酸乙基胺（体积分数为10%）对从E.coli中提取碱性 磷酸脂肪酶具有活化作用。 研究2： 嗜热菌蛋白酶在1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸中转化率
可达40%。
研究3： 南极洲假丝酵母脂肪酶B在离子液PF6 、BF4中跟有和 传统有机溶剂有相同的催化速率。
2、与水互溶的有机溶剂-水单相均一体系
3、非极性有机溶剂—水两相/多相体系 4、胶束体系 正胶束体系 反胶束体系
不管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，都对催化反应有显著的影响。
1、非极性有机溶剂—酶悬浮体系(微水介质体系)
用非极性有机溶剂取代大部分水溶液，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%)。
蛋白质与酶工程 第六章 酶的非水相催化
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2.水对酶催化反应速度的影响
典型的非水酶体系中水含量通常只占 0.01% ，但 其微小差距会导致酶催化活力的较大改变。 水影响蛋白质结构的完整性、活性位点的极性和 稳定性。
有机溶剂中 酶含水量<最适水量，酶构象过于“刚性”而失活； 有机溶剂中 酶含水量>最适水量，酶构象过于“柔性”，因变 构而失活； 最适水量：蛋白质结构的动力学刚性和热力学稳定性之间的最 佳点平衡点，酶活性最大，保证酶的极性部位水合，表现酶活 力所必需 同一种酶，反应系统的最适水量与有机溶剂的种类、酶的纯度、 固定化酶的载体性质和修饰性质有关
有机相 酶
水相
5、反相胶束体系
反相胶束: 在与水不互溶的大量有机溶剂中,加入表面活性剂后形成 的油包水的微小水滴； 1997年首次报道酶在反相胶束中具有活性 (已发现40多种酶)； 酶分子处在反胶束内，稳定性好； 反胶束与生物膜有相似之处，适于研究生物膜表面酶的结构、催化特 性、动力学特性。
酶在有机介质中的催化的确立
1984年美国Klibanov A.M.在Science上 发表了一篇关于酶在有机介质中催化 条件和特点的综述，在仅含微量水的 有机介质中成功酶促合成了酯、肽、 手性醇等许多有机化合物。
Klibanov A.M.
结论：
只要条件合适，酶可在非生物体系的疏水介质中催 化天然或非天然的疏水性底物和产物的转化，酶可 在水与有机剂互溶体系、水与有机剂量组成的双液 相体系、仅含微量水或几乎无水的有机剂中表现出 催化活性。
酶结合水 酶 水或有机剂
第一节 酶非水相催化的研究概况
受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同
酶的非水相催化类型主要包括:
酶在有机介质中的催化反应
第六章 酶在有机介质中的催化
概念：
酶在含有一定量水的有机溶剂中进行催化
反应的过程。
是目前非水相酶催化溶剂反应体系
1、微水介质（含微量水） 2、水与有机溶剂的互溶体系 3、水与有机溶剂的双液相体系
4、（正）胶束体系
5、反胶束体系
二、水对有机介质中酶催化的影响
1、水与酶的柔性有关
2、结合水又称必需水，对酶的催化活性至关重 要。 3、水活度反映酶活性与水含量的关系，每种酶 的最大催化活力都在相同的最佳水活度下。
三、酶在有机介质中的催化活性
1、底物选择性 2、对映体选择性 3、区域选择性 4、热稳定性好 5、分子印记 6、pH印记
四、有机介质中酶催化反应的类型
1、合成反应（水解反应的逆反应） 2、转移反应（酯与有机酸） 3、醇解反应 4、氨解反应 5、异构反应 6、氧化还原反应 7、裂合反应
五、有机介质中酶催化的应用
1、手性药物的拆分 2、手性高分子聚合物的制备 3、酚树脂的合成 4、导电有机聚合物的合成 5、发光有机聚合物的合成 6、食品添加剂的生产 7、生物柴油的生产
概念：
酶在含有一定量水的有机溶剂中进行催化
反应的过程。
是目前非水相酶催化溶剂反应体系
1、微水介质（含微量水） 2、水与有机溶剂的互溶体系 3、水与有机溶剂的双液相体系
4、（正）胶束体系
5、反胶束体系
二、水对有机介质中酶催化的影响
1、水与酶的柔性有关
2、结合水又称必需水，对酶的催化活性至关重 要。 3、水活度反映酶活性与水含量的关系，每种酶 的最大催化活力都在相同的最佳水活度下。
三、酶在有机介质中的催化活性
1、底物选择性 2、对映体选择性 3、区域选择性 4、热稳定性好 5、分子印记 6、pH印记
四、有机介质中酶催化反应的类型
1、合成反应（水解反应的逆反应） 2、转移反应（酯与有机酸） 3、醇解反应 4、氨解反应 5、异构反应 6、氧化还原反应 7、裂合反应
五、有机介质中酶催化的应用
1、手性药物的拆分 2、手性高分子聚合物的制备 3、酚树脂的合成 4、导电有机聚合物的合成 5、发光有机聚合物的合成 6、食品添加剂的生产 7、生物柴油的生产
【生物化学】第六章 酶促反应动力学
2
本章纲要
一、化学动力学基础 二、底物浓度对酶反应速度的影响 三、抑制剂对酶反应速度的影响 四、激活剂对酶反应速度的影响 五、温度对酶反应速度的影响 六、pH对酶反应速度的影响
一、化学动力学基础
了解反应速率及其测定 反应分子数和反应级数
一、化学动力学基础
㈠ 反应速率及其测定
单位时间内反应物的减少量或生成物的增加量用瞬时速率表示, 单位: 浓度/时间,研究酶反应速度以酶促反应的初速度为准。
第六章 酶促反应动力学
Enzyme kinetics
概述
研究酶促反应的速率以及影响此速率的各 种因素的科学,是酶工程中的重要内容
研究酶结构和功能的关系以及酶的作用机 制，需要动力学提供实验数据
发挥酶促反应的高效率，寻找最为有利的 反应条件
酶在代谢中的作用和某些药物的作用机制 具有理论研究的意义和实践价值
C是反应物的浓度变化, K为速率常数，是时间的倒数 基元反应:反应物分子在碰撞中一步直接转化为生成物分子的反应。
一、化学动力学基础
2. 反应级数：实验测得的表示反应速率与反应浓度之间关系的概念。 对于基元反应
1.一级反应单分子反应符合V=KC的反应
蔗糖+水
葡萄糖+果糖 V=KC蔗糖C水
由于水的浓度变化影响可忽略（非限制性因素）则V=KC蔗糖
二、底物浓度对酶反应速度的影响
㈠ 中间络合物学说
L.米歇利斯和L.M.门腾(1913)基于酶被底 物饱和的现象，提出“中间产物”学说:
酶与底物反应时，通过特异识别作用，先 形成酶底物复合物，然后再形成产物和酶分 子，酶分子重新结合底物。
该学说已得到大量实验证实
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本章纲要
一、化学动力学基础 二、底物浓度对酶反应速度的影响 三、抑制剂对酶反应速度的影响 四、激活剂对酶反应速度的影响 五、温度对酶反应速度的影响 六、pH对酶反应速度的影响
一、化学动力学基础
了解反应速率及其测定 反应分子数和反应级数
一、化学动力学基础
㈠ 反应速率及其测定
单位时间内反应物的减少量或生成物的增加量用瞬时速率表示, 单位: 浓度/时间,研究酶反应速度以酶促反应的初速度为准。
第六章 酶促反应动力学
Enzyme kinetics
概述
研究酶促反应的速率以及影响此速率的各 种因素的科学,是酶工程中的重要内容
研究酶结构和功能的关系以及酶的作用机 制，需要动力学提供实验数据
发挥酶促反应的高效率，寻找最为有利的 反应条件
酶在代谢中的作用和某些药物的作用机制 具有理论研究的意义和实践价值
C是反应物的浓度变化, K为速率常数，是时间的倒数 基元反应:反应物分子在碰撞中一步直接转化为生成物分子的反应。
一、化学动力学基础
2. 反应级数：实验测得的表示反应速率与反应浓度之间关系的概念。 对于基元反应
1.一级反应单分子反应符合V=KC的反应
蔗糖+水
葡萄糖+果糖 V=KC蔗糖C水
由于水的浓度变化影响可忽略（非限制性因素）则V=KC蔗糖
二、底物浓度对酶反应速度的影响
㈠ 中间络合物学说
L.米歇利斯和L.M.门腾(1913)基于酶被底 物饱和的现象，提出“中间产物”学说:
酶与底物反应时，通过特异识别作用，先 形成酶底物复合物，然后再形成产物和酶分 子，酶分子重新结合底物。
该学说已得到大量实验证实
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有机介质中的酶反应
医学ppt
2
（二）有机相酶反应具备条件 1．保证必需水含量。 2．选择合适的酶及酶形式。 3．选择合适的溶剂及反应体系。 4．选择最佳pH值。
（三）有机相酶反应的研究进展 1． 超临界流体中的酶反应 2． 仿水溶剂和印迹技术
医学ppt
3
二、有机介质中酶促反应的条件 1．必需水 2．酶的选择 3．溶剂及反应体系的选择 4．pH选择和离子强度的影响
催化反应 肽合成 酰基化 氧化 聚合 氧化 酯化 肽合成 酯合成 转酯 聚合 酰基化
应用 合成多肽 糖类酰基化 甾体转化 酚类、胺类化合物的聚合 胆固醇测定 有机硅醇的酯化 青霉素G前体肽合成 醇与有机酸合成酯类 各类酯类生产 二酯的选择性聚合 甘醇的酰基化
医学ppt
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9
• 有机溶剂影响酶催化的方式 （1）有机溶剂能通过直接与酶相互作用引起抑制或失活
A 增大酶反应的活化能来降低酶反应速度。
B 降低中心内部极性并加强底物与酶之间形成的氢键，使酶活性下降。
C 酶三级结构变化，间接改变酶活性中心结构影响失活。
（2）有机溶剂与扩散的底物或产物相互作用而影响酶活 （3）有机溶剂直接与酶附近的必需水相互作用
2）W值最佳时，微团内径总是相当于被包裹的酶分子直径。 3、专一性 • 某些有机介质可能使某些酶的专一性发生变化，这是酶活性中心构象刚
性增强的结果。 • 有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主导反应。
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酶活性丧失的可能原因
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4、反应平衡方向
酶
合成产物
枯草杆菌蛋白酶 核糖核酸酶
2、酶形式的选择
（1）酶粉 例如：有人研究a-胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，发现催化 活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。
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第一节结束
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第二节 有机介质中酶促反应的条件
一、保证必需水的含量 二、选择合适的酶及酶形式 三、选择合适的溶剂及反应体系 四、选择合适的pH和离子强度
一、保证必需水的含量
必需水：维持酶分子完整空间构象所必需的最低 水量
最适水含量：加入适量的水能够使酶反应加速， 在催化反应速度达到最大时的水含量称最适 水含量
2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系
有机溶剂直接作用于酶
有些酶的活性会随着某些有机溶剂浓度升 高而增大，在某一浓度（最适浓度）达到 最大值；若浓度再升高，则活性下降
3、反胶束体系
微团效应使得某些酶活性增加，出现超活性现象 凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性 产生机理：是由于围绕在酶分子外面的表面活性剂
的氧化、二硫键的破坏
3、 pH值特性
pH印记（pH记忆）
酶分子在缓冲液中所处的pH状态仍然被保持在 有机介质中
酶在有机介质中催化反应的最适pH，与 在水溶液中反应的最适pH接近或者相同
4、对映体选择性
立体选择性、立体异构专一性
有机介质中，对映体选择性较差 应用于手性药物的制造
eg. 水溶液中，蛋白酶只水解含有L-氨基酸的 蛋白质，生成L-氨基酸
二、 手性高分子聚合物的制备
可生物降解的聚酯的合成
脂肪酶在甲苯、四氢呋喃、乙腈等介质中，催化有 机酸和醇单体聚合，得到可生物降解的聚酯
糖脂的合成
一类由糖和酯类聚合而成的可生物降解聚合物 以糖为羟基供体，有机酸酯为酰基供体，蛋白酶、 脂肪酶等为催化剂，在有机介质中反应，获得糖酯
三、 酚树脂的合成
有机介质中水的种类：结合水；游离水
一、保证必需水的含量
水活度(Water activity, Aw)
Aw = P / Po
P：一定条件下体系中水的蒸汽压 Po：相同条件下纯水的蒸汽压
二、选择合适的酶及酶形式
酶种类：脂肪酶、蛋白酶、次黄嘌呤氧化酶、过 氧化氢酶、过氧化物酶等
酶形式：酶粉、化学修饰酶、固定化酶
微水介质体系
有机溶剂与微量的水组成的反应体系 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质
中 通常所说的有机介质反应体系主要指微水介质
体系
1、有机介质反应体系
与水溶性有机溶剂组成的均一体系
水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成的反应 体系
酶和底物以溶解状态存在于均一体系中 由于极性大的有机溶剂对酶的催化活性影响较
Enzyme Engineering 酶工程
退出
第四章 有机介质中的酶促反应
第一节 概述 第二节 有机介质中酶促反应的条件 第三节 有机介质对酶性质的影响 第四节 有机介质中酶促反应应用举例
第一节 概述
非水酶学 • 通常酶发挥催化作用都是在水相中进行的，
研究酶在非水相中的催化机理的学科即为 非水酶学
有机介质中，蛋白酶可用D-氨基酸合成由 D-氨基酸组成的多肽
5、区域选择性
酶选择底物分子中某一区域的基团优先进 行反应
6、键选择性
底物有2种以上化学键可反应，酶对某一 化学键优先进行反应
四、有机介质中酶催化反应的类型
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
一、对酶结构与功能的影响 二、对酶活性的影响 三、对底物和产物分配的影响 四、对反应平衡方向的影响
一、有机溶剂对酶结构与功能的影响
酶空间结构受到破坏，酶催化活性受损甚至失活
eg. 碱性磷酸酶冻干粉 乙腈20h 60%失活 丙酮36h 75%失活
冷冻干燥过程往往破坏酶活性中心构象，因此在 酶冷冻干燥过程中，应加进蔗糖、甘露醇等保护 剂
选择有机溶剂须考虑的因素
有机溶剂与反应的匹配性，即相容性 溶剂对于该主反应必须是惰性的制剂 溶剂的极性
溶剂参数 lgP：溶剂在辛醇/水两相间分配系数的对 数值，能直接反映溶剂的疏水性
2≤lgP≤5
溶剂的密度、黏度、表面张力、毒性、废物处理 和成本等
四、选择合适的pH和离子强度
在有机溶剂的环境中，不会发生质子化及 脱质子化的现象。酶在水相的pH值可在有 机相中保持，同一种酶不同来源，对pH值 敏感程度大不相同
1、有机介质反应体系
正胶束体系
正胶团。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 的微小液滴
表面活性剂极性端朝外，非极性端朝内 酶在胶束外的水溶液中，疏水性底物或产物在
胶束内部，反应在胶束两相界面中进行
1、有机介质反应体系
反胶束体系
反胶团。大量与水不相混溶的有机溶剂中，含 有少量的水，加入表面活性剂后形成的油包水 的微小液滴
六、 食品添加剂的生产
利用脂肪酶或酯酶生成酯类
六、 食品添加剂的生产
利用嗜热菌蛋白酶生产天苯肽(阿斯巴甜)
六、 食品添加剂的生产
利用芳香醛脱氢酶生成香兰素
七、 生物柴油
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
八、 多肽的合成
α-胰蛋白酶可催化N-乙酰色氨酸与亮氨酸合成二 肽
聚吡咯、聚噻酚、聚苯胺
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：飞行器防雷装置，雷达、屏幕等的微波吸 收剂，衣物
五、 发光有机聚合物的合成
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
✓ 溶剂与底物竞争活性中心的结合位点，降低底物结合能力 ✓ 溶剂降低活性中心的极性，从而降低酶与底物结合能力
二、有机溶剂对酶活性的影响
总的来说，酶在有机溶剂中所表现出的催化活力 要比在水相中低
二、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，甚至失活
猪胰脂肪酶可在有机介质体系中对2,3-环氧丙醇丁酸酯进行拆分
芳基丙酸衍生物的拆分
Z-芳基丙酸单一对映体衍生物：多种治疗关节炎、风湿病的消 炎镇痛药物的活性成分
脂肪酶在有机介质体系中进行拆分获得S-构型
苯甘氨酸甲酯的拆分
苯甘氨酸的单一对映体及衍生物：半合成β-内酰胺类抗生素的重 要侧链
脂肪酶在有机介质体系中通过不对称氨解反应拆分获得
正己烷夺取酶分子0.5%的结合水 甲醇夺取酶分子结合水的60%
二、有机溶剂对酶活性的影响
不同的反应体系，有机溶剂对酶活性的影响有所 差异
1、微水体系 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系 3、反胶束体系
1、微水体系
大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活 性亦变化
➢ 有人对吸附在不同载体上的胰凝乳蛋白酶或乙酸脱氢酶 在各种水浓度下的酶活性研究表明，酶活性随水活度大 小而变化，在一定水活度下，酶活性随载体不同而变化
表面活性剂极性端朝内，非极性端朝外 酶在胶束内的水溶液中，疏水性底物或产物在
胶束外部，反应在胶束两相界面中进行
2、有机溶剂的选择
种类
水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正 丁醇、甘油、丙酮、乙腈等
水不溶性的有机溶剂：石油醚、己烷、庚 烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、 戊醚等
2、有机溶剂的选择
第一节 概述
一、酶非水相催化的种类 二、有机相酶反应的优点 三、酶在有机介质中的催化特性 四、有机介质中酶催化反应的类型
一、酶非水相催化的种类
➢ 有机介质中的酶催化 ➢ 气相介质中的酶催化 ➢ 超临界流体介质中的酶催化 ➢ 离子液介质中的酶催化
二、有机相酶反应的优点
➢ 有利于疏水性底物的反应 ➢ 可改变反应平衡移动方向 ➢ 可提高酶的热稳定性 ➢ 能催化在水中不能进行的反应 ➢ 酶不溶于有机相，容易回收和反复使用 ➢ 有机溶剂一般沸点低，容易分离纯化产物 ➢ 能抑制依赖于水的某些不利反应和副产物 ➢ 改变酶对底物的专一性 ➢ 没有微生物的生长 ➢ 固定化酶方法简单，在非水系统中酶不易脱离吸附的表面
第三节结束
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第四节 有机介质中酶促反应应用举例
第四节 有机介质中酶促反应应用举例
一、 手性药物的拆分 二、 手性高分子聚合物的制备 三、 酚树脂的合成 四、 导电有机聚合物的生成 五、 发光有机聚合物的生成 六、 食品添加剂的生产 七、 生物柴油的生产 八、 多肽的合成 九、 甾体转化
酚类聚合物。通常在甲醛存在条件下通过酚类物 质聚合而成
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
四、 导电有机聚合物的合成
1977年，麦迪阿米德(Macdiarmid)制备得到碘 掺杂的聚乙炔，其导电率达到金属水平，打破了 有机聚合物都是绝缘体的传统观念
这一外壳具有较大的刚性所引起
3、反胶束体系
• 超活性产生机理
三、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 影响底物和产物的分配，从而影响酶的催化反应
改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度
有机溶剂极性过小，疏水性底物在溶剂中溶解度大， 但难于进入必需水层，降低酶催化速度
大，故能在该体系中进行催化反应的酶较少
1、有机介质反应体系
与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
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于水，疏水性底物或产物
溶于有机溶剂 固定化酶悬浮在两相界面 反应在两相的界面进行 适用于底物和产物两者或其中之一是疏水化合物的反应
三、酶在有机介质中的催化特性
1、底物专一性 2、热稳定性 3、pH值特性 4、对映体选择性 5、区域选择性 6、键选择性