酶的非水相催化
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2015酶工程第5章 酶的非水相催化
不同类型的酶在反胶束中的排布模型：
5.1.2 气相介质体系：
a. 某些酶在液相中受到一定限制，如酶和辅酶操作不稳定、 底物和产物溶解性差、产物抑制，在气相中得以克服； b. 适用于易于挥发底物或能转化为气体的物质的酶催化反应；
c. 气体密度低，易扩散，气相中酶催化作用与液相明显不同。
例：Hwang 等人研究醇氧化酶在气相中催化的反应
• 底物特异性
• 立体选择性 • 区域选择性 • 键选择性 • 热稳定性 有机相中酶能够催化新的反应， 生成新产物
• pH特性
–酶在有机介质中的催化特性 —— 底物特异性
• 有机介质中的酶活性中心结合部位与底物的结合状态 改变，致使酶的底物特异性改变。
N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯
N-乙酰-L-丝氨酸乙酯
有机溶剂介质体系类型： (1) 微水-有机溶剂单相体系 (2) 水-有机溶剂单相体系
(3) 水-有机溶剂双相体系
(4) 正胶束体系
(5) 反胶束体系
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水。它们都对催化反应有显著的影响。
(1) 微水-有机溶剂单相体系
又称微水介质体系、非极性有机溶剂-酶悬浮体系 有机溶剂(98%)： 烃、醚、芳香族、卤代烃 水(<2%)： 酶分子的结合水，维持酶催化活性 酶： 悬浮状态；不溶的固相酶，结晶/冻干 /沉淀状态；或吸附在固体载体表面 特征： 酶稳定性好，分散性差，催化效率低 适用于： 水解类酶，减少含水量利于合成反应
5.1.3 超临界流体介质体系：
a. 超临界流体（supercritical fluid, SCF）是指温度和压力 超过某物质临界点所形成的可压缩性高密度流体，介于气 液之间，如CO2, SO2, C2H4，CO2最常用，廉价无毒。 b. 具有高扩散系数、低黏度和低表面张力,使底物向酶的传 质速度加快，提高反应速度; c. 可以改变酶的特性，如底物专一性、区域选择性和对映体 选择性，增强酶的稳定性。 例：超临界 CO2 中南极假丝酵母脂肪酶催化葡萄糖酰化反应
5.1.2 气相介质体系：
a. 某些酶在液相中受到一定限制，如酶和辅酶操作不稳定、 底物和产物溶解性差、产物抑制，在气相中得以克服； b. 适用于易于挥发底物或能转化为气体的物质的酶催化反应；
c. 气体密度低，易扩散，气相中酶催化作用与液相明显不同。
例：Hwang 等人研究醇氧化酶在气相中催化的反应
• 底物特异性
• 立体选择性 • 区域选择性 • 键选择性 • 热稳定性 有机相中酶能够催化新的反应， 生成新产物
• pH特性
–酶在有机介质中的催化特性 —— 底物特异性
• 有机介质中的酶活性中心结合部位与底物的结合状态 改变，致使酶的底物特异性改变。
N-乙酰-L-苯丙氨酸乙酯
N-乙酰-L-丝氨酸乙酯
有机溶剂介质体系类型： (1) 微水-有机溶剂单相体系 (2) 水-有机溶剂单相体系
(3) 水-有机溶剂双相体系
(4) 正胶束体系
(5) 反胶束体系
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水。它们都对催化反应有显著的影响。
(1) 微水-有机溶剂单相体系
又称微水介质体系、非极性有机溶剂-酶悬浮体系 有机溶剂(98%)： 烃、醚、芳香族、卤代烃 水(<2%)： 酶分子的结合水，维持酶催化活性 酶： 悬浮状态；不溶的固相酶，结晶/冻干 /沉淀状态；或吸附在固体载体表面 特征： 酶稳定性好，分散性差，催化效率低 适用于： 水解类酶，减少含水量利于合成反应
5.1.3 超临界流体介质体系：
a. 超临界流体（supercritical fluid, SCF）是指温度和压力 超过某物质临界点所形成的可压缩性高密度流体，介于气 液之间，如CO2, SO2, C2H4，CO2最常用，廉价无毒。 b. 具有高扩散系数、低黏度和低表面张力,使底物向酶的传 质速度加快，提高反应速度; c. 可以改变酶的特性，如底物专一性、区域选择性和对映体 选择性，增强酶的稳定性。 例：超临界 CO2 中南极假丝酵母脂肪酶催化葡萄糖酰化反应
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。
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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。
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。
酶工程思考题(附答案)
酶工程思考题汇总第一章P251．何谓酶工程?试述其主要内容和任务.酶的生产，改性与应用的技术过程称为酶工程。
主要内容：微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固定化，酶非水相催化，酶定向进化，酶反应器和酶的应用等。
主要任务：经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。
2．酶有哪些显著的催化特性？专一性强（绝对专一性——钥匙学说、相对专一性——诱导契合学说）、催化效率高、作用条件温和3．简述影响酶催化作用的主要因素.底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素第二章P635．酶的生物合成有哪几种模式？生长偶联型（同步合成型、中期合成型）、部分生长偶联型（延续合成型）非生长偶联型（滞后合成型）7．提高酶产量的措施主要有哪些？a.添加诱导物（酶的作用底物、酶的催化反应物、作用底物的类似物）b.控制阻遏物的浓度c.添加表面活性剂d.添加产酶促进剂11．固定化微生物原生质体发酵产酶有何特点？1.提高产酶率2.可以反复使用或连续使用较长时间3.基因工程菌的质粒稳定，不易丢失4.发酵稳定性好5.缩短发酵周期，提高设备利用率6.产品容易分离纯化7.适用于胞外酶等细胞产物的生产第三章P843．植物细胞培养产酶有何特点？1.提高产率2.缩短周期3.易于管理，减轻劳动强度4.提高产品质量5.其他4．简述植物细胞培养产酶的工艺过程。
外植体细胞的获取细胞培养分离纯化产物6．动物细胞培养过程中要注意控制哪些工艺条件？1.培养基的组成成分2.培养基的配制3.温度的控制4.ph的控制5.渗透压的控制6.溶解氧的控制第四章P1351．细胞破碎的方法主要有哪些？各有何特点？机械破碎法：通过机械运动产生的剪切力，使组织、细胞破碎（捣碎法，研磨法，匀浆法）物理破碎法：通过物理因素的作用（温度差破碎法，压力差破碎法，超声波破碎法）化学破碎法：通过化学试剂对细胞膜的作用（添加有机溶剂，添加表面活性剂）酶促破碎法：通过细胞本身的酶系或外加酶制剂的催化作用，使细胞外层结构受到破坏（自溶法，外加酶制剂法）2．试述酶提取的主要方法。
酶的非水相催化 (2)
Contents of chapter 10
10.1 非水介质酶学基础
10.1.1 非水介质体系与非水相生物酶学特点 10.1.2 非水介质中酶的结构与性质 10.1.3 水在酶催化反应中的作用 10.1.4 有机溶剂对酶催化反应的影响 10.1.5 有机有机溶剂单向体系是指用水不互溶的有机溶剂取代 几乎所有的水，即有机溶剂含量》98% ，有机溶剂 中含有微量水《2%，固相酶分散在单项的有机溶剂 中形成颗粒。虽然宏观地看在此体系中酶是干的状 态，但是其表面必须有能保证酶的催化活性的残余 的结合水。
（2）水互溶有机溶剂单相体系
水互溶有机溶剂单相体系是指由水和与水互溶的
种固体化合物混合而得到的具有一个最低共熔点的
状态，在低共熔固 - 固体系中进行的酶促反应的特 点是靠反应底物形成低共熔点，由于反应体系的液
- 固体积比远小于水溶液或有机溶剂，从而反应底
物浓度高、反应速度快、产物浓度和收率高。反应
体积小，还可以大大降低产物分离提纯的成本。
非水相生物酶促反应的特点
1. 可以将加水分解反应转为其逆反应 2. 热稳定性比水中要高 3. 改变酶对底物的转移性 4. 从低沸点的溶剂中可以容易地分离纯化产物 5. 能抑制依赖于水的某些不利反应 6. 没有微生物的污染
氟利昂湖泊无机化合物等都可以作为酶催化亲脂性
底物的溶剂，酶在这些溶剂中就像在亲脂性有机溶 剂中一样稳定。超临界气体对多数酶都能适用，酶 催化的酯化、转脂、醇解、水解、羟化等反应都可 在此体系中进行。
（6）低共熔混合体系
低共熔酶促反应是继有机相没促反应基础上发展起
来的新的酶促反应技术。低共熔状态是由两种或多
人们对有机介质中酶的催化作用进行了许多研究表明 酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等水解酶， 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、细胞色素氧化酶等氧化还原酶以及醛缩 酶等转移酶中的十几种酶都可以在适当的有机溶剂中 起催化作用。而且酶在有机介质中的热稳定比在水溶 液中显著提高。
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%)。
非水相中的酶催化技术ppt课件
非水相中的酶催 化技术
Enzyme
酶作为一种高效生物催化剂, 具有高度的特异
立体选择性及区域选择性, 并在常温、常压和值 中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利 用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多 的目标产物, 避免了化学合成中的许多不足。目 前, 酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关 注的领域之一, 这主要是因为医药产品一般附加 值高, 且大多是光学活性物质, 作为十分优良的 手性催化剂—酶, 用于多种高效手性药物的合成 及制备将十分有效, 潜力巨大。
二辛酸丙二醇酯的工艺条件研究
底物摩尔比对酯化率的影响
辛酸与丙二醇的摩尔比对辛酸转化为二辛酸丙二醇 酯的酯化率影响较大，考察底物摩尔比对酯化率的影响。 固定丙二醇的量不变，按辛酸与丙二醇摩尔比为1:1、2:1、 3:1、4:1 加入辛酸，加酶量均为丙二醇质量的 1.5%进行反 应。测定不同底物摩尔比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯 计）随反应时间的变化，结果如下图所示。 由图可知，随着辛酸与丙二醇 摩尔比从1:1增加至2:1时，丙二醇转 化为二辛酸丙二醇酯的酯化率有很 大幅度的提高，继续增加至3:1、4:1 酯化率增加幅度不大。同时，考虑 到辛酸过高不利于二辛酸丙二醇酯 的纯化，故选择辛酸与丙二醇最佳 摩尔比为2:1.
按辛酸与丙二醇的摩尔比为 2:1加入原料，加酶量为丙二 醇质量的1.5%，分别在温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、 60 ℃、65 ℃下进行反应，每隔1d取样进行GC分析。测定不 同温度下的酯化率（以二辛酸丙二醇酯计），结果如下图所 示。由下图可见，BT—01脂肪酶催化合成二辛酸丙二醇酯最 佳反应温度为50 ℃，温度过高或过低均不利于反应进行。
GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯类占 有较大的比例。目前，合成该类化合物主要采用化 学合成法。而化学合成工艺往往需要使用腐蚀性强 的强酸作为催化剂，以毒性高的有机原料为溶剂， 易造成环境污染。随着人们对健康的关注和环保意 识的增强，开辟一条对环境友好、安全的合成工艺 路线极为重要。与化学合成法相比，生物催化是一 种“绿色的”环境友好的合成工艺，它具有反应条 件温和、催化效率高、催化专一性强等优点。目前， 国外用生物催化剂替代化学催化剂生产化学品已成 为必然的发展趋势。
Enzyme
酶作为一种高效生物催化剂, 具有高度的特异
立体选择性及区域选择性, 并在常温、常压和值 中性附近条件下具有十分高效的催化活力。利 用酶的高效选择性催化作用可制造出种类繁多 的目标产物, 避免了化学合成中的许多不足。目 前, 酶催化技术在医药方面的应用是当前最为关 注的领域之一, 这主要是因为医药产品一般附加 值高, 且大多是光学活性物质, 作为十分优良的 手性催化剂—酶, 用于多种高效手性药物的合成 及制备将十分有效, 潜力巨大。
二辛酸丙二醇酯的工艺条件研究
底物摩尔比对酯化率的影响
辛酸与丙二醇的摩尔比对辛酸转化为二辛酸丙二醇 酯的酯化率影响较大，考察底物摩尔比对酯化率的影响。 固定丙二醇的量不变，按辛酸与丙二醇摩尔比为1:1、2:1、 3:1、4:1 加入辛酸，加酶量均为丙二醇质量的 1.5%进行反 应。测定不同底物摩尔比下酯化率（以二辛酸丙二醇酯 计）随反应时间的变化，结果如下图所示。 由图可知，随着辛酸与丙二醇 摩尔比从1:1增加至2:1时，丙二醇转 化为二辛酸丙二醇酯的酯化率有很 大幅度的提高，继续增加至3:1、4:1 酯化率增加幅度不大。同时，考虑 到辛酸过高不利于二辛酸丙二醇酯 的纯化，故选择辛酸与丙二醇最佳 摩尔比为2:1.
按辛酸与丙二醇的摩尔比为 2:1加入原料，加酶量为丙二 醇质量的1.5%，分别在温度为40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、 60 ℃、65 ℃下进行反应，每隔1d取样进行GC分析。测定不 同温度下的酯化率（以二辛酸丙二醇酯计），结果如下图所 示。由下图可见，BT—01脂肪酶催化合成二辛酸丙二醇酯最 佳反应温度为50 ℃，温度过高或过低均不利于反应进行。
GRAS24最新公布的香料化合物中丙二醇酯类占 有较大的比例。目前，合成该类化合物主要采用化 学合成法。而化学合成工艺往往需要使用腐蚀性强 的强酸作为催化剂，以毒性高的有机原料为溶剂， 易造成环境污染。随着人们对健康的关注和环保意 识的增强，开辟一条对环境友好、安全的合成工艺 路线极为重要。与化学合成法相比，生物催化是一 种“绿色的”环境友好的合成工艺，它具有反应条 件温和、催化效率高、催化专一性强等优点。目前， 国外用生物催化剂替代化学催化剂生产化学品已成 为必然的发展趋势。
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
酶非水相催化 (2)优秀课件
六、pH值特性
在有机介质中酶所处的pH环境与酶在冻干或吸 附到载体上之前所使用的缓冲液pH值相同，称 为pH印记或pH记忆（pH-imprinting）;
现象：脂肪酶催化三丁酸甘油与正庚醇的转酯 反应，酶的反应速度与其冷冻干燥前水溶液的 的PH密切相关，反应的最适PH接近于水溶液 中的最适PH
疏水性强的有机溶剂中酶的立体选择性差。 例如：某些蛋白水解酶在有机溶剂中可以合
成由D－氨基酸组成的多肽，而在水溶液中 酶只选择L-氨基酸。
三、区域选择性
酶能够选择底物分子中某个区域的基团优先发生反应； 用区域选择系数的大小衡量。
用1、2代表底物分子的区域位置；
区域选择系数：
K1，2=（kcat/Km)1/ （kcat/Km)2
性药物拆分的研究。
第二节 有机介质中水和有机溶剂
对酶催化反应的影响
一、有机介质反应体系
微水介质体系
是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,对维持酶
分子空间构象和催化活性至关重要。 另一部分水分配在有机溶剂中。 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机
介质中，是常见的有机反应体系。
原因：当酶分子从水溶液转移到有机介质时，原 有的解离状态不变，被保持在有机介质中；
有机介质中酶催化反应的最适ph通常与在水溶 液的pH接近；
但有些有机溶剂中酶的最PH与水溶液中相差较 大，还与缓冲液种类和离子强度有关;
第四节 有机介质中酶催化反应的
有机介质中的酶催化
指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。 适用范围:底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的
酶催化作用。 原因: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。 特性:酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键
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.
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的 有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是 因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量 有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与 配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会 加速这种记忆丧失。
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
.
1 酶催化反应的介质
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。因为 许多有机化合物(底物)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 应的发生。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）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。 .
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酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
.
一、酶非水相催化的几种类型
1、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。 特点：
1）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。
2）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。
Chapter 6 Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
制作：崔建东 cjd007cn@
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Contents of chapter 6
Go 1、酶催化反应的介质 Go 2、有机介质反应体系 Go 3、酶在有机介质中的催化特性 Go 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go 5、酶非水相催化的应用
酶的非水相催化
酶的非水相催化 酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非
水相催化。 在非水相中，酶分子受到非水相介质的影响，
其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。
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酶的非水相催化
非水相酶催化的特性
（1）增加非极性基质的溶解度； （2）使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如
肽的合成、酯的合成等； （3）可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、
性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能 在该反应体系的进行催化反应的酶较少。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系 (3)与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系： ◆这种体系是由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解于水 相，疏水性底物或产物溶解于有机溶剂相。 ◆如果采用固定化酶，则以悬浮形式存在两相的界面。 ◆催化反应通常在两相的界面进行。一般适用于底物和 产物两者或其中一种是属于疏水化合物的催化反应。
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酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化： 离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进
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。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
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一、酶非水相催化的几种类型
2、气相介质中的酶催化 定义：气相介质中的酶催化是指酶在气相介
质中进行的催化反应。 特点：
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
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酶的非水相催化
非水相酶催化的相关问题
★在完全无水的情况下，酶是无活性的，极少量的水就 会激发酶的活性；但含水量低于最适水量时，酶会失去 催化活性。
★有机溶剂可能直接与酶分子水合层中的必须水发生反 应，影响酶的结构和功能，尤其是极性较强的溶剂，它 可以溶解大量的水，将酶分子水合层中的必须水剥离掉， 导致酶失活，相对来讲，疏水性溶剂对水的溶解能力较 低，故对酶活和结构影响较小。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
有机介质 反应体系
微水介质
水与有机溶剂 的均一体系
水与不溶有
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(1)微水介质体系: ◆微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体
系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反应体系。 ◆微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的
1）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。
2）由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相 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。
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一、酶非水相催化的几种类型
3、超临界流体介质中的酶催化 定义：超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体
中进行的催化反应。 条件要求：
1）用于酶催化反应的超临界流体应当对酶的结构没有 破坏作用，对催化作用没有明显的不良影响；
2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性； 3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在
酶催化的最适温度附近； 4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用； 5）超临界流体要容易获得，价格要便宜等。
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一、酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
常见的阳离子有季铵盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐 离子等（如下图所示），阴离子有卤素离子、四氟 硼酸根离子、六氟磷酸根离子等.
特点: 不挥发、不可燃、导电性强、黏度低、热容大、蒸
汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好 的溶解性，在电化学、有机合成、催化、分离等领 域被广泛的应用。
一、酶非水相催化的几种类型
1、有机介质中的酶催化
克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的 有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是 因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量 有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性， 使得这种与 配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会 加速这种记忆丧失。
空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在 有机溶剂中。 ◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系： ◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶
组成的反应体系。 ◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极
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1 酶催化反应的介质
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。因为 许多有机化合物(底物)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 应的发生。
是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）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。 .
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酶的非水相催化
类型
有机介质
气相介质
离子介质 超临界介质
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一、酶非水相催化的几种类型
1、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。 特点：
1）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。
2）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。
Chapter 6 Enzymatic catalysis in Nonaqueous system
酶的非水相催化
制作：崔建东 cjd007cn@
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Contents of chapter 6
Go 1、酶催化反应的介质 Go 2、有机介质反应体系 Go 3、酶在有机介质中的催化特性 Go 4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制 Go 5、酶非水相催化的应用
酶的非水相催化
酶的非水相催化 酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非
水相催化。 在非水相中，酶分子受到非水相介质的影响，
其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。
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酶的非水相催化
非水相酶催化的特性
（1）增加非极性基质的溶解度； （2）使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如
肽的合成、酯的合成等； （3）可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、
性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能 在该反应体系的进行催化反应的酶较少。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系 (3)与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系： ◆这种体系是由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解于水 相，疏水性底物或产物溶解于有机溶剂相。 ◆如果采用固定化酶，则以悬浮形式存在两相的界面。 ◆催化反应通常在两相的界面进行。一般适用于底物和 产物两者或其中一种是属于疏水化合物的催化反应。
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酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化： 离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进
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。
Klibanov A M. Enzyme memory-what is remembered and why? [J]. Nature, 1995, 374: 596-600.
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一、酶非水相催化的几种类型
2、气相介质中的酶催化 定义：气相介质中的酶催化是指酶在气相介
质中进行的催化反应。 特点：
卤化物的水解等； （4）容易分离回收； （5）无微生物污染；
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酶的非水相催化
非水相酶催化的相关问题
★在完全无水的情况下，酶是无活性的，极少量的水就 会激发酶的活性；但含水量低于最适水量时，酶会失去 催化活性。
★有机溶剂可能直接与酶分子水合层中的必须水发生反 应，影响酶的结构和功能，尤其是极性较强的溶剂，它 可以溶解大量的水，将酶分子水合层中的必须水剥离掉， 导致酶失活，相对来讲，疏水性溶剂对水的溶解能力较 低，故对酶活和结构影响较小。
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
有机介质 反应体系
微水介质
水与有机溶剂 的均一体系
水与不溶有
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二、酶非水相催化的几种体系
（一）、有机介质反应体系
(1)微水介质体系: ◆微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体
系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反应体系。 ◆微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的
1）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。
2）由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相 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。
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一、酶非水相催化的几种类型
3、超临界流体介质中的酶催化 定义：超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体
中进行的催化反应。 条件要求：
1）用于酶催化反应的超临界流体应当对酶的结构没有 破坏作用，对催化作用没有明显的不良影响；
2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性； 3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在
酶催化的最适温度附近； 4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用； 5）超临界流体要容易获得，价格要便宜等。
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一、酶非水相催化的几种类型
4、离子液介质中的酶催化：
常见的阳离子有季铵盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐 离子等（如下图所示），阴离子有卤素离子、四氟 硼酸根离子、六氟磷酸根离子等.
特点: 不挥发、不可燃、导电性强、黏度低、热容大、蒸
汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好 的溶解性，在电化学、有机合成、催化、分离等领 域被广泛的应用。