酶非水相催化 (2)PPT

1、关于酶非水相催化 (2)第一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月观念的改变有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化反应建立起来的。近年来，进行了非水介质的酶结构与功能、酶作用机制、酶作用动力学的研究，建立起非水酶学（non-aqueous enzymology)。第二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月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、键选择性、热稳定性等

2、有所改变。应用：多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合成、手性药物拆分的研究。第一节 酶非水相催化的主要内容受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同。第三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第二节有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响第四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月一、有机介质反应体系第五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月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。第六张，PPT共七十二页，创作于2

3、022年6月二、水对有机介质中酶催化的影响有机溶剂中酶的催化活力与反应系统的含水量密切相关。系统含水量:与酶分子紧密结合的结合水、溶解在有机溶剂中的游离水。与酶结合的水量是影响酶的活力、稳定性以及专一性的决定因素第七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1、水对酶分子空间构象的影响无水下酶空间构象被破坏,故需一层水化层;必需水:维持酶分子完整空间构象所必需的最低水量;不同的酶所需求的必需水的量差别较大;每分子凝乳蛋白酶只需50分子的水，每分子多酚氧化酶却需3.5102个水分子原因:必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等副键所必需的。第八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2.水对酶催化

4、反应速度的影响 有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。在催化反应速度达到最大时的水含量称为最适水含量。 在实际应用时应当根据实际情况，通过实验确定最适水含量。第九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月 三、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响第十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1. 有机溶剂对酶结构与功能的影响在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，较好地保持其构象；有机溶剂中酶分子不能直接溶解，因此根据酶分子特性与有机溶剂特性不同，其空间结构的保持也有不同。有些酶在有机溶剂作用下，其结构受到破坏；有的酶分子则保持完整；第十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（1）有机

5、溶剂对结合水的影响一些相对亲水性的有机溶剂能够夺取酶表面的必需水而导致酶失活。由于酶与溶剂竞争水分子，体系的最适含水量与酶的用量及底物浓度有关。提高酶分子的亲水性，可以限制酶在有机溶剂中的脱水作用。2. 有机溶剂对酶活性的影响第十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月、溶剂对底物和产物分配的影响溶剂能直接或间接地与底物和产物相互作用。溶剂能改变酶分子必需水层中底物或产物的浓度。有机溶剂极性小，疏水性强，则疏水性底物难于进入必需水层；有机溶剂极性过强，亲水性强，则疏水性底物在有机溶剂中的溶解度低。故选择2lgp5的有机溶剂作为有机介质为宜。第十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第

6、三节 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。第十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月 酶在有机溶剂中对底物的化学结构和立体结构均有严格的选择性。例如：青霉脂肪酶 在正己烷中催化2-辛醇与不同链长的脂肪酸进行酯化反应时，该酶对短链脂肪酸具有较强的特异性。一、底物专一性第十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(1)有机介质中酶活性中心结合部位与底物的结合状态发生改变,致使酶的底物特异性发生改变:水溶液中底物与酶活性中心结合靠疏水作用

7、;有机介质中有机溶剂与底物的疏水作用更强;第十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(2)不同的有机介质，酶的底物专一性也不一样:极性较强的有机溶剂中,疏水性较强的底物易反应;极性较弱的有机溶剂中,疏水性较弱的底物易反应;第十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月 酶的对映体选择性是指酶识别外消旋化合物中某种构象对映体的能力。 有机溶剂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。 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。 二、对映体选择性第十八张，PPT共七十二页，创作于

8、2022年6月三、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例：1,4-二丁酰基-2-辛基苯丁醇脂肪酶转脂反应+甲苯乙腈K4，120.5第十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月四、键选择性（chemoselectivity)即在同一个底物分子中有两种以上的化学键都可以与酶反应时，酶对其中一种化学键优先进行反应。6-氨基-1-已醇黑曲霉脂肪酶毛霉脂肪酶羟基酰化氨基酰化占优势第二十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月五、热稳定性 有机溶剂中酶

9、的热稳定性和储存稳定性都比水溶液中高。例如： 猪胰脂肪酶（PPL）在苯中催化酯交换反应时，（1）酶活性随温度升高（2070）而增加，（2）在70连续反应7次（每次96 h）后酶活力仍保持 60，（3）在100时的半衰期可达数十小时，而在水中100几乎马上失活。 PPL的稳定性取决于有机溶剂中水的浓度， 1的水，会使PPL的稳定性降低到和水溶液中相同的水平。 第二十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月六、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-imprint

10、ing）;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第二十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月原因：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;第二十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第四节 有机介质中酶催化反应的条件及其控制酶在有机介质中的催化反应受各种因素影响，主要有酶、底物、有机溶剂种类、水含量、温度、pH值和离子强度等

11、。第二十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月一、有机介质中酶催化反应的类型1、合成反应2、转移反应3、醇解反应4、氨解反应5、异构反应6、氧化还原反应7、裂合反应第二十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1、合成反应有机介质中水含量极微，可催化水解反应的逆反应；（1）脂肪酶或酯酶催化有机酸和醇进行酯的合成反应：意义:酶催化酯合成可合成手性化合物,且酶的立体选择性主要是选择立体异构的醇。第二十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（2）蛋白酶可在有机介质中催化氨基酸进行合成反应，生成多肽第二十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2、转移反应如脂肪酸催化酯与有机酸反应

12、生成另一种酯与有机酸,即转酯反应：第二十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月3、醇解反应假单胞脂肪酶催化酸酐醇生成二酸单酯化合物即酸酐水解反应,例:第三十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月4、氨解反应如脂肪酶催化酯类进行不对称氨解反应：R-苯丙氨酸甲酯酰胺叔丁醇第三十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月5、异构反应如消旋酶催化一种异构体为另一种异构体例第三十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月6、氧化还原反应（1）单加氧（2）双加氧（3）催化醛类或酮类还原成醇类第三十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（1）单加氧第三十四张，PPT共七十二页，创作于20

13、22年6月（2）双加氧第三十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（3）催化醛类或酮类还原成醇类第三十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月7、裂合反应如醇腈酶催化醛与氢氰酸的反应第三十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月二、酶的选择1、不同酶具不同结构和特性，同一种酶由于来源、处理法不同特性亦有差别；2、酶反应速度与酶浓度成正比；3、另注意酶的稳定性、底物专一性,对映体选择性、区域选择性、键选择性等第三十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月三、底物的选择和浓度控制1、有机剂与水中酶的底物专一性不同；2、底物浓度对酶催化速度有明显的影响；3、有机介质中要考虑底物在有

14、机溶剂和必需水层中的分配情况；4、高浓度底物会对反应产生不利影响。第三十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月四、有机溶剂的选择1、有机溶剂的极性要选择恰当：极性过强,夺取较多酶表面水分子,使疏水性底物溶解度降低;极性过弱,底物难以进入必需水层;故取中间: 2lgP5第四十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2、与水混溶的有机介质其含量对酶催化有影响。与水混溶的二氧六环介质,辣根过氧化酶(HRP)催化对苯基苯酚的聚合反应,随着二氧六环的含量增加,酶催化得到的聚合物的分子量也增加,80%时最大。二氧六环含量/%聚合物相对分子质量第四十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月五、含

15、水量的控制当其它因素不变时，系统含水量对酶活性有影响，只有在最适含水量时酶才有最高活力；最适水含量通常随溶剂极性增大（lgP减小）而增大；1水含量反应速度21341-已烷2-四氯甲烷3-甲苯4-苯第四十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月六、温度的控制1、微水有机介质中含水量低，酶的热稳定性增强，其最适温度高于水溶液中催化的最适温度；2、温度低，酶的立体选择性高。Lam和Keinan的实验结果支持此结论；第四十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月七、pH值的控制酶在有机介质中的最适PH值通常与在水溶液中催化的最适pH相同或接近；可通过调节缓冲液pH的方法调节有机介质中酶催化的p

16、H值；酶在冷冻干燥过程中，pH状态有变化；希令（hilling)发现缓冲液对冷冻干燥过程中pH值和酶活力有影响，故加入一定量的蔗糖、甘露醇等冷冻干燥保护剂；在酶液冻干之前或催化过程采取保护措施；加有机相缓冲液可对有机介质中酶反应的pH调节。第四十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月第五节酶非水相催化的应用第四十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月 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 聚合 二酯的选择性聚合蛋白酶 肽合成 合成多肽 酰基化 糖类的酰基化羟基化酶 氧化 甾体转化过氧化物酶 聚合 酚类、胺类聚合多酚氧化酶 氧化 芳香化合物

17、羟基化胆固醇氧化酶 氧化 胆固醇测定醇脱氢酶 酯化 有机硅醇的酯化酶非水相催化应用第四十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月一、手性药物的拆分手性化合物指化学组成相同而立体结构互为对映体的两种异构化合物；手性药物指只含单一对映体的药物；已经发现很多手性药物的对映体具有不同的药理作用。过去手性药物多较是以消旋体形式出售。1961年欧洲出现了孕妇服用多消旋体的“反应停”后，产生多起畸形胎事件。1992年美国食品与药物管理局（FDA）明确要求含手性因素的化学药物，必须说明其二个对映体在体内的不同生理活性，药理作用和药物代谢动力学情况。1994年以来，手性药物世界销售额以年20以上的速度增长。

18、目前，世界上批准上市约61种。第四十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月手性药物两种对映体的药理作用药物名称 有效对映体作用 另一种对映体作用普萘洛尔 S构型，治疗心脏病，-受体阻断剂 R构型，钠通道阻滞剂青霉素胺 S构型，消炎、解热、镇痛 R构型，突变剂反应停 S构型，镇静剂 R构型，致畸胎第四十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1、手性药物两种对映体的药效差异（1）一种有疗效，另一种很弱；（2）一种有效，另一种有毒副作用；（3）两种相反；（4）两种各有不同药效；（5）两种消旋体作用具互补性分5种类型：第四十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2、酶在手性化合物拆分

19、方面的应用第五十张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(1)普萘洛尔的酶法拆分 Berinakatti在有机溶剂中用PSL(假单胞菌脂肪 酶）对外消旋萘氧氯丙醇酯水解,得到-酯的ee值（对映体过量值）大于95%PSL对外消旋萘氧氯丙醇酯水解反应路线图第五十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月(2) 2,3-环氧丙醇衍生物的拆分 2,3-环氧丙醇单一对映体的衍生物是很重要的手性中间体,可以用于合成受体阻断剂、HIV蛋白酶抑制剂、抗病毒药物等。Vantol对2,3-环氧丙醇丁酸酯在有机介质体系中用PPL(猪胰脂肪酶)进行酶促拆分，得到单一的对映体。*脂肪酶水解反应拆分2,3-环氧丙醇丁

20、酸酯，*手性碳位置第五十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月（3）2-芳基丙酸(CH3CHArCOOH)的衍生物的拆分 2-芳基丙酸(CH3CHArCOOH)是手性化合物，其单一对映体的衍生物是治疗关节炎、风湿病等的消炎镇痛药物，如萘普生、布洛芬等。台湾的Tsai证实在80%异辛烷与20%甲苯中酶反应获得较高ee值光学活性物。2-芳基丙酸的酶法拆分示意图第五十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月二、手性高分子聚合物的制备第五十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月酶催化合成可生物降解高分子可生物降解高分子是指在一定条件下能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料，应用广泛：领域应用

21、领域应用医疗外科手术缝合线；伤口涂料；人造血管；药物释放体系；骨骼替代品工业无污染可生物降解包装材料；除锈剂、抗真菌载体农业农用地膜；肥料、杀虫剂除草剂释放体系第五十五张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1. 可生物降解的聚酯的酶促合成第五十六张，PPT共七十二页，创作于2022年6月糖酯作为一种生物功能分子和化工原料具有重要价值。2、可生物降解的聚糖酯的酶促合成第五十七张，PPT共七十二页，创作于2022年6月三、酚树脂的合成酚树脂是一种广泛应用的酚类聚合物，可以用作黏合剂、化学定影剂等。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。第五

22、十八张，PPT共七十二页，创作于2022年6月四、导电有机聚合物的合成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。聚苯胺具有导电性能，可以用于飞行器的防雷装置，以免受到雷电的袭击；用于衣物的表面，起到抗静电的作用；用作雷达、屏幕等的微波吸收剂等。第五十九张，PPT共七十二页，创作于2022年6月五、发光有机聚合物的合成新型光学材料在激光技术、全色显示系统、光电计算机等方面都有重要应用，是当今材料科学与工程领域的研究热点之一。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。第六十张，PPT共七十

23、二页，创作于2022年6月六、食品添加剂的生产第六十一张，PPT共七十二页，创作于2022年6月1、利用脂肪酶或酯酶催化生成酯类利用脂肪酶将甘油三酯水解成单酯，是食品乳化剂。第六十二张，PPT共七十二页，创作于2022年6月2、利用嗜热菌蛋白酶生产天苯肽天苯肽是二肽甲酯，是食品甜味剂，甜度是蔗糖的150200倍；通过嗜热菌蛋白酶在有机介质中合成第六十三张，PPT共七十二页，创作于2022年6月3、利用芳香醛脱氢酶生产香兰素通过微生物发酵得到香兰酸，再通过脱氢酶在有机介质中，将香兰酸还原为香兰素得之。它的年产量仅有20 t，而世界每年需求量为12000t。 第六十四张，PPT共七十二页，创作于2022年6月七、生物柴油的生产石油短缺；传统能源的日益枯竭需