Enzymatic catalysis in non-aqueous system

1 、酶形成于水，溶于水，水是酶分子活性构象维持的适 宜环境。 2 、无水条件下酶分子构象因环境极性改变而发生改变， 酶将变性失活； 3 、水对酶催化反应速度有显著影响。 一般认为水是酶促反应最合适的反应介质。 维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量称为必需 水（ essential water ）。 球状蛋白质的构象在水溶液中最适合与底物结合，最有 利于与底物形成中间过渡物质。 一、酶催化反应的介质

二、非水介质酶催化研究概况 二、非水介质酶催化研究概况 1 、非水介质酶催化的目的 大多数有机化合物 水不是一种适宜的溶剂。 水的存在常有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。 2 、 非水介质酶催化的探索 20 世纪初 Bourquelot E. 等曾经进行过乙醇、丙酮类有机溶 剂体系的酶非水介质酶催化试验，但是受变性或失活的影响 酶活力很低。 后果 ：酶在有机介质中催化作用的研究在半个世纪内几乎毫无进展。 酶在非水介质中，由于酶处于一种与水极不相同的环境，不可避免地导 致酶存在状态与酶结构的改变。

1984 年， Klibanov 提出酶可以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的转化。非水相获得酯类、肽类、 手性醇等有机化合物。明确酶可以在水与有机溶剂的互溶体系 中催化反应 。 已报道：酯酶、脂肪酶、 蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶 等水解酶类；过氧化物酶、 过氧化氢酶、醇脱氢酶、胆 固醇氧化酶、多酚氧化酶、 多细胞色素氧化酶等氧化还 原酶类和醛缩酶等转移酶类 中的十几种酶在适宜的有机 溶剂中都有与水溶液中可比 的催化活性。

可作用于水不溶底物，拓宽底物范围； 改变平衡点，调节反应方向； “ 刚性 ” 增加，专一性增强，有利于调控催化底物的选择性； 酶的热稳定性提高； 酶不溶于有机溶剂，反应后酶易回收； 可避免微生物污染； 减少由水引起的副产物； 有机相中产物提取简便。 3 、非水介质酶催化反应的意义 3 、非水介质酶催化反应的意义

三、酶非水相催化的几种反应介质 1 、有机介质 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。一般包括 5 种反应体系：微 水介质体系、水溶性有机溶剂体系、水不溶有机溶剂多相体系、正胶束 体系和反胶束体系。 2 、气相介质 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。但机理不甚明白。 3 、超临界介质 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。 4 、离子液介质 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。

四、有机介质反应体系 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所有的大量水，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%) 。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。 2 、与水互溶的有机溶剂 - 水单相体系 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。 3 、非极性有机溶剂 - 水两相 / 多相体系 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂 ( 高脂溶性 ) 相所 组成的两相体系。 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。

五、水对酶催化反应的影响 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； 水与酶催化作用的底物和反应产物的溶 解度有关。

六、有机溶剂对酶催化反应的影响 酶分子在有机溶剂中不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反应。 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, 甚至引起酶的变性失活。 因此应选择好所使用的溶剂，控制好介质中的含水量，或者经过酶分子修 饰提高酶分子的亲水性，避免酶在有机介质中因脱水作用而影响其催化活 性。 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。 常用的有机溶剂有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇，丙醇，乙腈，已酯， 二氯甲烷等。

七、有机介质中酶催化反应条件及控制 酶在有机介质中可以催化多种反应，主要包括：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 合反应等。 主要应控制的条件有： – 酶的种类和浓度 – 底物的种类和浓度 – 有机溶剂的种类 – 水含量 – 温度 – pH – 离子强度 本章 目录

八、非水催化酶形式的选择 （ 1 ）酶粉：酶蛋白分子骨架的构象与水中无明显变化 （２） 化学修饰酶 （３） 固定化酶

九、非水相中酶学性质 （ 1 ）热稳定性增加。 原因：有机溶剂缺少使酶热失活的水分子，使得酶分子中谷 氨酸等的脱氨基作用，天冬氨酸肽键的水解、二硫键的破坏 等失活作用难以发生。 (2) 底物特异性增强 原因：有机相中底物与酶结合不再依靠疏水作用，而是利用 二者结合的自由能来加速反应；底物和介质的疏水性直接影响 底物在酶活中心和介质二者之间的分配，进而影响专一性和催 化效率。 如：木瓜蛋白酶催化 N- 苄氧羰基 - 甘氨酸与甲醇的酯化反应中，溶剂疏水 性减少，底物倾向于分配在溶剂中而不是活性中心。 如：酵母脂肪酶在三丁酸甘油酯中 100 ℃ t1/2=1.5h ，水中 t1/2<2min;

（ 3 ）对映体（立体）选择性减弱 原因：两种对映体物质（ D 、 L ）从酶的疏水部 位置换水分子的能力不同，而在疏水性很强的非 水相，这种置换就变得差异不大了。 （ 4 ）键选择性改变 原因：同一底物中两种以上的化学键都可以与酶反应时， 酶对其中的一种键优先反应。 （ 5 ） pH 印记（ pH-imprinting ）或记忆 原因：有机溶剂中的酶能 “ 记忆 ” 冷冻干燥或丙酮沉淀前所 处的 pH 。

十、 酶非水相催化的应用 酶 催化反应 应用 脂肪酶 肽合成 青霉素 G 前体肽合成 酯合成 醇与有机酸合成酯类 转酯 各种酯类生产 聚合 二酯的选择性聚合 酰基化 甘醇的酰基化 蛋白酶 肽合成 合成多肽 酰基化 糖类酰基化 羟基化酶 氧化 甾体转化 过氧化物酶 聚合 酚类、胺类化合物的聚合 多酚氧化酶 氧化 芳香化合物的羟基化 胆固醇氧化酶 氧化 胆固醇测定 醇脱氢酶 酯化 有机硅醇的酯化

手性药物两种对映体的药理作用 药物名称有效对映体的作用另一种对映体的作用 普萘洛尔（ Propranolol ） 萘普生（ Neproxen ） 青霉素胺（ Penicillamine ） 羟基苯哌嗪 (Dropropizine) 反应停（ Thalidomide ） 酮基布洛芬（ Ketoprofen ） 喘速宁（ Trtoquinol ） 乙胺丁醇（ Ethambutol ） 萘必洛尔（ Kebivolol ） S 构型，治疗心脏病,β- 受体阻断 剂 S 构型，消炎、解热、镇痛 S 构型，抗关节炎 S 构型，镇咳 S 构型，镇静剂 S 构型，消炎 S 构型，扩张支气管 S,S 构型，抗结核病 右旋体，治疗高血压,β- 受体阻 断剂 R 构型，钠通道阻滞 剂 R 构型，疗效很弱 R 构型，突变剂 R 构型，有神经毒性 R 构型，致畸胎 R 构型，防治牙周病 R 构型，抑制血小板 凝集 R,R 构型，致失明 左旋体，舒张 血管

生物柴油 生物柴油是利用生物油脂生产的有机燃料，是由动物、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。可以代替柴油作为柴油发动机的燃料使用。 生物油脂的来源：菜子油，豆油，椰子油，棕榈油、蓖麻 油、棉籽油，葵花籽 油，废食用油等 优点： （ 1 ） 具有良好的环境属性 ( 硫含量低 ; 不含对环境会造 成污染的芳香族烷烃 ; 生物降解性高 ) （ 2 ） 具有较好的低温发动机启动性能。 （ 3 ） 具有较好的润滑性能。 （ 4 ） 具有较好的安全性能。 （ 5 ） 具有良好的燃料性能。 （ 6 ） 具有可再生性能。

生物柴油的生产方法 1 、化学法生产 采用酸、碱催化油脂与甲醇之间的转酯反应，而生成脂肪酸甲酯。 优点：反应时间短，成本低。 缺点：在反应过程中使用过量的甲醇，而使后处理过程变得较为繁杂。 能耗高；色泽深，在高温下容易变质；酯化产物难于回收；生产过程有 废碱液排放。

优点：条件温和，醇用量小、无污染排放。 缺点：对甲醇及乙醇的转化率低，一般仅为 40% ～ 60% ，酶的使用寿命短。 副产物甘油和水难于回收，不但对产物形成抑制，而且甘油对固定化酶有 毒性。 2 、生物酶非水相生产

3 、生物柴油性能指标

酶工程作业 第四次作业： 1 、简述酶反应器的类型？ 2 、简述酶反应器的选择原则？ 3 、简述酶反应器的微生物污染 防控？ 第五次作业： 1 、简述模拟酶的分类 2 、简述酶与抗体的区别 3 、简述酶在非水相催化的意义