有机介质中的酶促反应

1、有机介质中的酶促反应有机介质中的酶促反应 酶在有机介质中反应的优点酶在有机介质中反应的优点l可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化l改变了催化反应的平衡点改变了催化反应的平衡点l对底物的专一性提高对底物的专一性提高l热稳定性提高热稳定性提高l回收和重复利用变得容易回收和重复利用变得容易l有效减少或防止由水引起的副反应的产生有效减少或防止由水引起的副反应的产生l避免了杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染避免了杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染酶促反应的有机介质体系酶促反应的有机介质体系(1)与水混溶的有机溶剂与水混溶的有机溶剂-水形成的单相体系水形

2、成的单相体系(2) 水水-非极性有机溶剂形成的两相或多相体非极性有机溶剂形成的两相或多相体系系(3) 胶束与反胶束体系胶束与反胶束体系(4) 非极性有机溶剂非极性有机溶剂-酶悬浮体系酶悬浮体系(5) 非极性有机溶剂非极性有机溶剂-PEG修饰酶单项体系修饰酶单项体系(6) 微水有机介质体系微水有机介质体系与水混溶的有机溶剂与水混溶的有机溶剂-水水形成的单相体系形成的单相体系 由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成的反应体系，体系中水和有机溶剂的含量的反应体系，体系中水和有机溶剂的含量均较大均较大 酶和底物是以溶解状态存在于体系之中，酶和底物是以溶解状态存在于体系

3、之中，由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能在这类反应体系中进性影响较大，所以能在这类反应体系中进行催化反应的酶较少。行催化反应的酶较少。 水水- -非极性有机溶剂形成的非极性有机溶剂形成的两相或多相体系两相或多相体系 由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相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。或多相反应体系。 游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相中。中。 一般这种体系仅适用于底物和产物或其中一般这种体系仅适用于底物和产物或

4、其中的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中，最常用的是两相体系。，最常用的是两相体系。胶束与反胶束体系胶束与反胶束体系 当水和有机溶剂同时存在于反应体系时，当水和有机溶剂同时存在于反应体系时，加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白质分子在同一数量级上。质分子在同一数量级上。 当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端则朝向胶束的中心

5、，有机溶剂就被包在胶束的内则朝向胶束的中心，有机溶剂就被包在胶束的内部，此时的胶束就称为部，此时的胶束就称为正相胶束或简称为胶束正相胶束或简称为胶束； 当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的表当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的表面活性剂的极性端朝向胶束的中，而非极性端则面活性剂的极性端朝向胶束的中，而非极性端则朝向胶束的外侧，水就被包在胶束的内部，此时朝向胶束的外侧，水就被包在胶束的内部，此时的胶束就称为的胶束就称为反相胶束反相胶束或简称为或简称为反胶束反胶束。 有机溶剂有机溶剂- -酶悬浮体系酶悬浮体系 用非极性有机溶剂取代所有的作为溶剂的大量水用非极性有机溶剂取代所有的作为溶剂的大

6、量水，使酶悬浮在有机水相中。整个体系虽然含水量，使酶悬浮在有机水相中。整个体系虽然含水量很低，但是水在维持酶分子的催化活性上起着极很低，但是水在维持酶分子的催化活性上起着极为重要的作用。底物分子以扩散的形式通过酶分为重要的作用。底物分子以扩散的形式通过酶分子表面的水层进入活性中心，完成催化后再扩散子表面的水层进入活性中心，完成催化后再扩散进入有机相。进入有机相。 酶的状态可以是结晶、冻干、沉淀，或者吸附在酶的状态可以是结晶、冻干、沉淀，或者吸附在固体载体表面上。固体载体表面上。非极性有机溶剂非极性有机溶剂-PEG-PEG修饰酶单项体系修饰酶单项体系 聚乙二醇（聚乙二醇（PEG）具有亲水和疏水两

7、种特性，用）具有亲水和疏水两种特性，用PEG修饰的赖氨酸残基，增加酶分子表面的疏水修饰的赖氨酸残基，增加酶分子表面的疏水性，可使酶在有机介质中溶解性增加，使酶反应性，可使酶在有机介质中溶解性增加，使酶反应体系处于一种均相状态，同时为酶分子表面创造体系处于一种均相状态，同时为酶分子表面创造了一个亲水的微环境。了一个亲水的微环境。 PEG修饰的酶既能在宏观的有机环境中与疏水性修饰的酶既能在宏观的有机环境中与疏水性底物充分接触，又能在少量水的微环境中发挥催底物充分接触，又能在少量水的微环境中发挥催化能力。被修饰的酶在有机介质中的稳定性大幅化能力。被修饰的酶在有机介质中的稳定性大幅提高。提高。微水有机

8、介质体系微水有机介质体系 微水有机介质体系是由有机溶剂和微量的微水有机介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系，也是有机介质酶催化水组成的反应体系，也是有机介质酶催化中应用最为广泛的一种反应体系。中应用最为广泛的一种反应体系。 酶分子的酶分子的结合水结合水对维持酶分子的空间构象对维持酶分子的空间构象和催化活性至关重要。一般酶都是以冻干和催化活性至关重要。一般酶都是以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质之中粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质之中，在悬浮状态下进行催化反应。，在悬浮状态下进行催化反应。不同反应体系中不同反应体系中酶的一些催化行为比较酶的一些催化行为比较参数参数微水有机介微水有机介

9、质体系质体系水水- -有机溶剂有机溶剂两相体系两相体系反胶束体反胶束体系系酶活力酶活力酶负载量酶负载量产率产率产物回收产物回收酶重复使用酶重复使用连续操作连续操作低低高高低低容易容易可能可能可能可能低低高高低低一般一般难难可能可能高高低低高高难难难难难难热稳定性热稳定性 许多酶在非水介质中的热稳定性和储存稳定性比相同酶在水溶液中更好 这种热稳定性和储存稳定性的提高难以用化学交联、固定化甚至是蛋白质工程的手段所能达到的 这种稳定性还与介质中的水含量有关酶在非水介质中的性质酶在非水介质中的性质热稳定性热稳定性底物专一性底物专一性对映体选择性对映体选择性区域选择性区域选择性化学键选择性化学键选择性p

10、H记忆记忆底物专一性底物专一性 酶在非水介质中对底物的化学结构和立体酶在非水介质中对底物的化学结构和立体结构均有严格的选择性结构均有严格的选择性 不同的有机溶剂具有不同的极性，因此，在不同的有机溶剂中酶的底物专一性也是不同的 在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易进行反应，而在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易进行反应。酶条件热稳定性猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯,水， pH7.0T1/2 26 hT1/2 2 min酵母脂肪酶三丁酸甘油酯/庚醇水， pH7.0T1/2 1.5 hT1/2 2 min胰凝乳蛋白酶正辛烷，100水，pH8.0, 55T1/2 80 minT1/2 15 m

11、in枯草杆菌蛋白酶 正辛烷， 110 T1/2 80 min溶菌酶环己烷110水T1/2 140 minT1/2 10 min核糖核酸酶壬烷，110，6 h水，pH8.0, 90剩95%活性T1/2 24 hT1/2 50 daysHind III 正庚烷，55，30days 活性没有降低脂蛋白脂肪酶甲苯，90，400 h 剩余活性40%-葡萄糖苷酶 2-丙醇，50，30 h 剩余活性80%酪氨酸酶氯仿，50水，50T1/2 90 minT1/2 10 min酸性磷酸酯酶正十六烷，80水 ， 70T1/2 8.0 minT1/2 1.0 min细胞色素氧化酶甲苯，0.3%水甲苯，1.3%水T1

12、/2 4.0 hT1/2 1.7 min对映体选择性对映体选择性 酶的对映体选择性是指酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力 这种选择性是由不同对映体与酶的活性中心的三维空间构像的互补性或称亲和力决定的 非水介质中酶对底物的对映体选择性由于介质的亲（疏）水性的变化而发生改变 酶在水溶液中的对映体选择性较强，而在疏水性较强的有机溶剂中，酶的对映体选择性较差区域选择性区域选择性 区域选择性，即酶能够选择性地优先催化底物分子中某一区域的基团进行反应 酶在非水介质中进行催化时，区域选择性可能会发生一定变化化学键选择性化学键选择性 化学键选择性是指当同一个底物分子中有2个以上的化学键都可以与进行反

13、应时，酶对其中的一个别化学键可以优先进行催化反应 在有机介质中进行酶催化反应时，化学键选择性可能变化有机介质中酶促反应的影响因素有机介质中酶促反应的影响因素 有机溶剂对酶催化反应的影响有机溶剂对酶催化反应的影响 水对酶催化反应的影响水对酶催化反应的影响pH记忆记忆 在有机介质酶催化反应中，酶所处的pH环境与酶在冻干或吸附到载体之前所使用的缓冲液pH值相同 酶的催化反应速度与其冻干或吸附到载体之前缓冲溶液的pH密切相关 非水介质中的酶能够非水介质中的酶能够“记忆”冻干或吸附冻干或吸附到载体之前所处缓冲液中的到载体之前所处缓冲液中的pH值，反应的值，反应的最适最适pH接近于水溶液中的最适接近于水溶

14、液中的最适pH非水介质酶催化的应用非水介质酶催化的应用 近年来的大量研究已经表明，在非水介质中酶常近年来的大量研究已经表明，在非水介质中酶常常会有高度的选择性，包括立体选择性、对映体常会有高度的选择性，包括立体选择性、对映体选择性、区域选择性和化学选择性，这为非水介选择性、区域选择性和化学选择性，这为非水介质酶催化在有机合成领域中的应用开辟了极有意质酶催化在有机合成领域中的应用开辟了极有意义的新天地义的新天地 已有以脂肪酶、蛋白酶为典型代表的多种酶被用已有以脂肪酶、蛋白酶为典型代表的多种酶被用于非水介质中催化酯化、酯交换、肽合成和大环于非水介质中催化酯化、酯交换、肽合成和大环内酯合成等多种反应

15、，其中特别在前手性化合物内酯合成等多种反应，其中特别在前手性化合物的不对称合成、对映体的选择性拆分等方面获得的不对称合成、对映体的选择性拆分等方面获得了有重要意义的应用了有重要意义的应用1、光学活性化合物的制备、光学活性化合物的制备 可以将有潜在手性的化合物和前体通过酶可以将有潜在手性的化合物和前体通过酶催化反应转化为单一对映体的光学活性催化反应转化为单一对映体的光学活性 可以非水介质中的酶催化反应合成含磷、可以非水介质中的酶催化反应合成含磷、硫、氮及金属的光学活性化合物硫、氮及金属的光学活性化合物 可以利用非水介质中的酶催化进行外消旋可以利用非水介质中的酶催化进行外消旋化合物的拆分反应。化合

16、物的拆分反应。普萘洛尔的酶法拆分普萘洛尔的酶法拆分 利用利用PSL（假单胞菌脂肪酶）在有机溶剂中（假单胞菌脂肪酶）在有机溶剂中可对外消旋的萘氧氯丙醇酯进行水解，得可对外消旋的萘氧氯丙醇酯进行水解，得到了到了(R)酯的酯的ee值大于值大于95%；而利用；而利用PSL对消旋的萘氧氯丙醇进行选择性酰化，也对消旋的萘氧氯丙醇进行选择性酰化，也得到了得到了ee大于大于95%的光学活性的的光学活性的()醇。醇。水解(R)-型OCIOHOCIOCORPSLOCIOCOR+(S)-型ee%95%环氧丙醇的酶法拆分环氧丙醇的酶法拆分 PPL（猪胰脂肪酶）在有机溶剂中与两相（猪胰脂肪酶）在有机溶剂中与两相体系中可

17、对体系中可对,环氧丙醇的丁酸酯进行环氧丙醇的丁酸酯进行了酶促拆分。了酶促拆分。PPL+水解OCORO*OHOHOCOROH布洛芬的酶法拆分布洛芬的酶法拆分 在有机溶剂中对布洛芬进行酶促酯化反应时加入在有机溶剂中对布洛芬进行酶促酯化反应时加入少量的极性溶剂，可使酶的选择性有明显的提高少量的极性溶剂，可使酶的选择性有明显的提高，如加入了二甲基甲酰胺后，最后得到，如加入了二甲基甲酰胺后，最后得到(S)-布洛芬布洛芬的的ee值从值从57.5%增加到了增加到了91%。CH3OOHCH3CH3+CH3OOCH3CH3COR(S)-型(R)-型+ROHCH3OOHCH3CH3脂肪酶酯合成羟色胺拮抗物和摄取抑

18、制剂类手性药物羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类手性药物 羟色胺（羟色胺（5-HT）是一种涉及到各种精神病、）是一种涉及到各种精神病、神经系统紊乱，如焦虑、精神分裂症和抑郁症的神经系统紊乱，如焦虑、精神分裂症和抑郁症的一种重要神经递质。制备过程中，成功地将非水一种重要神经递质。制备过程中，成功地将非水介质中实现了酶法拆分介质中实现了酶法拆分.(R,R)(S,S)NOCOCH3CH3CH2PhNOHCH3CH2Ph脂肪酶 +NOHCH3CH2Ph其它手性药物其它手性药物 利用脂肪酶对合成昆虫信息素、利用脂肪酶对合成昆虫信息素、 -维生素维生素E、3及前列腺素类似物的重要中间体叔及前列腺素类似物的重要中间体叔 苯氧酸酯进行酶促拆分反应苯氧酸酯进行酶促拆分反应, 得到了二得到了二种不同的异构体种不同的异构体 COOCH3OCH2PhCH3COOHCH3OCH2PhCOOCH3CH3OCH2Ph+脂肪酶非水介质中酶催化的一些应用非水介质中酶催化的一些应用酶酶催化催化反应反应应用应用酶酶催化反催化反应应应用应