最新优质课件第八章-非水相酶催化

第八章非水相酶催化主讲:李明顺生命科学技术学院农业微生物国家重点实验室mshli7125@87287701-8008(O)第八章非水相酶催化主讲:李明顺生命科学技术学院1非水酶学概述有机介质中的酶促反应23有机介质中酶的催化特性第六章：主要讲授内容4气相和超临界介质的酶促反应1非水酶学概述有机介质中的酶促反应23有机介质中酶的催化特性水相中的酶催化反应非水相中的酶催化反应有机介质的酶催化气相介质的酶催化离子液介质的酶催化超临界流体介质的酶催化酶催化反应水介质的酶催化常规反应体系第一节：非水酶学概述水相中的酶催化反应非水相中的酶催化反应有机介质的酶催化酶催化水相中的酶催化反应最常用，不适合有机化合物底物的反应。水解酶的水解反应中，水浓度过高，影响反应速度。水相中的酶催化反应定义:酶在非水相介质中进行的催化作用优点:(1)提高脂溶性底物的溶解度，有利于高浓度底物连续生物转化。(2)改变反应平衡，水解酶能催化合成反应，如脂的合成和肽的合成。(3)可以控制由水引起的副反应(如酸酐的水解)。定义:(4)酶不溶于有机介质，易于回收再利用。(5)酶的固定化简单，可以只沉积在载体表面。(6)从低沸点的溶剂中分离纯化产物比水中容易。(7)酶的热稳定性比水高，而且没有微生物污染。用途:肽,酯类等的生产,(4)酶不溶于有机介质，易于回收再利用。第二节：有机介质中的酶促反应酶在含有一定量水的有机溶剂中进行催化反应的体系。(1)与水互溶的有机溶剂---水单相体系(亲脂性底物）由水和极性较大的有机溶剂相互混合组成的反应体系。辣根过氧化物酶（HRP）催化酚类或芳香胺类底物聚合成聚酚或聚胺类物质，用于环保黏合剂、导电聚合物和发光聚合物等功能材料的研究。一.有机介质反应体系第二节：有机介质中的酶促反应酶在含有一定量水的有机溶剂中进行（2）与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相不均一体系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。催化反应通常在两相的界面上进行（水与烷羟，醚，氯代烷羟）。（2）与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相不均一体系(3)非极性有机溶剂-酶悬浮体系由非极性有机溶剂和微量的水组成的反应体系。主要是酶分子的结合水，对维持酶分子的空间构象和催化活性至关重要。(3)非极性有机溶剂-酶悬浮体系(4)非极性有机溶剂-PEG修饰酶单相体系用PEG修饰酶分子的赖氨酸，增加疏水性，增加有机溶剂中的溶解性，同时具有亲水的微环境。酶的稳定性大幅提高。(4)非极性有机溶剂-PEG修饰酶单相体系（5)反胶束体系在大量与水不相混溶的有机溶剂中，含有少量水溶液。加入表面活性剂后形成的油包水的微小颗粒（极性的一端朝内，非极性的一端朝外）。水有机溶剂酶底物（5)反胶束体系水有机溶剂酶底物（6）（正）胶束体系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颗粒（非极性的一端朝内，极性的一端朝外）。水有机溶剂酶底物（6）（正）胶束体系水有机溶剂酶底物把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，而微观上是微水相反应。因此非水体系又称低水体系。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，对酶催化有影响。把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，而微观上是微水相二.有机介质中酶促反应的影响因素水的影响有机溶剂

pH

固定化酶的形态温度添加物二.有机介质中酶促反应的影响因素水的影响（一）水对有机介质中酶促反应的影响（1）对酶分子空间构象的影响（2）对酶催化反应速度的影响（3）水活度（一）水对有机介质中酶促反应的影响（1）对酶分子空间构象的（1）对酶分子空间构象的影响必需水(EssentialWater)：维持酶催化活性所必须的最少量的水。与酶分子紧密结合的一层左右的水分子，对酶活性至关重要的。不同酶与必需水结合的紧密程度及所结合的必需水量是不同的。（1）对酶分子空间构象的影响必需水(EssentialWa含水量与酶稳定性有关，温度升高导致酶分子发生可逆折叠，然后进行一种或几种下列反应：

(1)形成不规则结构。

(2)通过β消除使S—S键破坏。（β-消除是指氨基酸残基中β碳原子上基团的消除）。

(3)Asn（天冬酰酸）和Gln（谷氨酰胺）脱酰胺。

(4)Asn残基水解。酶在无水环境中不发生上述反应，表现异常稳定。含水量与酶稳定性有关，温度升高导致酶分子发生可逆折叠，然后进必需水量对酶活性的影响

1983年，Rupley等人从溶菌酶的结论得知，一个干燥蛋白的水合(Hydration)过程经过4个步骤：

(1)加入的水首先与酶分子表面的带电基团结合，达到每克蛋白质0~0.07g水。

(2)然后与酶分子表面的极性基团结合(每克蛋白质0.07~0.25g水)。

(3)多出来的水再凝聚到蛋白质分子表而相互作用较弱的部位(每克蛋白质0.25~0.38g水)。

(4)最后，酶分子表面完全水化，被一层水分子所覆盖(每克蛋白质0.38g水，大约300个水分子)。必需水量对酶活性的影响仿水溶剂绝对无水条件：酶分子表面的大量带电基团和极性基团相互作用形成僵硬的失活构想。适当的水条件：形成氢键，柔性增大，维持活性仿水溶剂替代水可控制和消除有水引起的逆反应和副反应。概念：可用二甲基甲酰胺（DMF),乙二醇，丙酰胺等极性添加剂部分或全部代替系统中辅助溶剂水，从而改变酶的活性或立体选择性。仿水溶剂绝对无水条件：酶分子表面的大量带电基团和极性基团相互（2）水对酶催化反应速度的影响在催化反应速度达到最大时的水含量为最适水含量。与有机溶剂的种类，酶的纯度，固定化酶的载体性质和修饰剂有关。例：马肝醇脱氢酶在水含量较低的条件下，酶的催化反应速度随水的含量的增加而升高。（2）水对酶催化反应速度的影响在催化反应速度达到最大时的水含(3)水活度(ThermodynamicWaterActivity，Aw)：（确定酶结合水的多少的一个参数）在一定温度压力下，反应体系中的蒸汽压和同样条件下纯水体系的蒸汽压之比。Halling(1989)Aw=P/P0式中：P—在一定条件下体系中水的蒸气压

P0—在相同条件下纯水的蒸气压(3)水活度(ThermodynamicWaterAc理由：

(1)水活度的大小直接反映出酶分子上水分的多少，而与体系中的含水量及所用的溶剂无关。

(2)低水溶剂体系是一个涉及到固体(酶及其载体)、液体(含有底物的溶剂)和气体(液面上部空间)的多相体系，当体系处于平衡状态时各相的水活度相等。

(3)水活度的大小易测，可以通过测定反应物平衡的液面上气体的相对湿度来得到。理由：研究表明，在一般条件下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加，而最佳水活度与溶剂的极性大小没有关系，用水活度作为参数来研究水对酶催化作用的影响更为准确。Aw<1：合成Aw>1：水解研究表明，在一般条件下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加，最新优质课件第八章-非水相酶催化脂肪酶活性与水的关系在反应体系中，必需水量也决定于有机溶剂。加水量%(V/V)相对活力%070.2920.41002.075脂肪酶活性与水的关系在反应体系中，必需水量也决定于有机溶剂。（4）水对酶催化反应平衡及立体选择性的影响：

利用水活度控制反应的平衡。Aw<1：合成Aw>1：水解（4）水对酶催化反应平衡及立体选择性的影响：

利用（二）有机溶剂的选择（1）有机溶剂对酶结构与功能的影响A)对酶分子表面结构的影响酶在有机介质中与有机溶剂接触，酶分子的表面结构有所变化。例：枯草杆菌蛋白酶晶体，原来有119个与酶结合的水分子，悬浮在乙腈中后与酶分子结合的水分子只有99个，有12个乙腈分子结合到酶分子中，其中4个是原来水分子结合的位点。（二）有机溶剂的选择（1）有机溶剂对酶结构与功能的影响B)有机溶剂对酶活性中心结合位点的影响当酶悬浮于有机溶剂中，有一部分溶剂能渗入到酶分子的活性中心，与底物竞争活性位点，降低底物结合能力，从而影响酶的催化活性。例：辣根过氧化物酶（HRP)在甲醇中催化时，甲醇分子可以进入活性中心，与卟啉铁配位结合。B)有机溶剂对酶活性中心结合位点的影响(2)有机溶剂对酶活性的影响有些有机溶剂，特别是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，甚至引起酶失活。(2)有机溶剂对酶活性的影响lgP---极性系数

P是指溶剂在正辛烷与水两相中的分配系数，其对数lgP为极性系数表示溶剂极性的强弱，系数越大，极性越小;系数越小，极性越大。

lgP<2的极性溶剂,酶具有较低的催化活力

lgP在24的中等极性溶剂，酶表现为中等催化活力

lgP>4的非极性溶剂，酶有较高的催化活力lgP---极性系数例：正己烷能够夺取酶分子0.5%的结合水，甲醇可以夺取酶分子60%的结合水。lgP<2的极性溶剂一般不适宜作为有机介质酶催化反应的溶剂使用。例：正己烷能够夺取酶分子0.5%的结合水，甲醇可以夺取酶分子(3)有机溶剂对底物和产物分配的影响在有机溶剂中，酶能够保持其“必需水”层、形成柔韧性的天然构象是酶发挥活力的重要前提。有机溶剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。酶的活性中心底物必需水层有机溶剂产物(3)有机溶剂对底物和产物分配的影响在有机溶剂中，lgP很大，疏水性太强，疏水性底物难于从有机溶剂中进入必需水层，而降低酶的催化速度lgP很小，亲水性太强，疏水性底物在有机溶剂中的溶解度低，底物浓度降低，也使催化速度减慢。一般选用2≤lgP≤5的有机溶剂为宜。lgP很大，疏水性太强，疏水性底物难于从有机溶剂中进入必需水（4）选择有机溶剂：有机溶剂与底物和产物的相容性。选择的溶剂对主反应惰性。其他因素：密度，粘度，表面张力，废物处理，生产成本等。（4）选择有机溶剂：第三节：有机介质中酶的催化特性酶活性的变化稳定性的变化pH记忆和分子印记酶的底物专一性的改变反应平衡方向的移动酶促动力学变化第三节：有机介质中酶的催化特性酶活性的变化第三节：有机介质中酶的催化特性（1）相对专一性（2）立体异构选择性（3）区域选择性（4）前手性选择性（一）酶的底物专一性的改变第三节：有机介质中酶的催化特性（1）相对专一性（一）酶的底物第三节：有机介质中酶的催化特性在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反应；在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易反应。例：枯草杆菌蛋白酶催化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，在极性较弱的二氯甲烷或在苯介质中，含丝氨酸的底物优先反应；在极性较强的吡啶或季丁醇介质中，则含苯丙氨酸的底物优先反应。（1）相对专一性第三节：有机介质中酶的催化特性在极性较强的有机溶剂中，疏水（2）酶的立体异构选择性：对映体选择性（enantioselectivity）：酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小的指标，有机介质中酶对底物的对映体选择性有机介质的亲疏水性的变化而发生改变。酶的对映体选择性强弱可以用立体选择系数KLD的大小来衡量。（Kcat/Km）L（Kcat/Km）D

KLD

=（2）酶的立体异构选择性：对映体选择性（enanti式中KLD——立体选择系数

L——L-型异构体

D——D-型异构体

Km——米氏常数，酶催化反应速度达到最大速度一半时的底物浓度。

Kcat——酶的转换数，指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数。式中KLD——立体选择系数例：胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶等对于底物N-Ac-Ala-OetCl（丙氨酸氯乙酯）的KLD在有机溶剂中为10以下，而在水中为103

104数量级。例：胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶等对于底物N-Ac（3）区域选择性（regioselectivity）酶能够选择底物分子中的某一区域的基团优先进行反应，其选择性的强弱可以用区域选择系数Krs的大小来衡量。（Kcat/Km）1（Kcat/Km）2=Krs例：用脂肪酶催化1，4-二丁酰基-2-辛基苯与丁醇之间的转酯反应，在甲苯介质中，K4,1=2，表明酶优先于底物C-4位上的酰基；而在乙腈介质中,K4,1=0.5，则表明酶优先于底物C-1位上的酰基。（3）区域选择性（regioselectivity）酶能够选概念：酶催化非手性底物选择性地形成具有一定立体构型的产物。在疏水性差的溶剂中，萘甲酰基进入酶的疏水性袋中比暴露在溶剂中热力学平衡更为有利。形成S型产物。（4）前手性选择性：概念：酶催化非手性底物选择性地形成具有一定立体构型的产物。（在疏水性强的溶剂中，萘甲酰基暴露在疏水性溶剂中，而不易进入酶的疏水性袋中。在疏水性强的溶剂中，萘甲酰基暴露在疏水性溶剂中，而不易进入酶第三节：有机介质中酶的催化特性酶的活性降低：（1）传质障碍（2）酶促反应的活化能增加（3）活性中心的刚性增加（二）酶活性的变化第三节：有机介质中酶的催化特性酶的活性降低：（二）酶活性的变第三节：有机介质中酶的催化特性酶的稳定性提高：（1）热稳定性（2）储存稳定性（3）对变性剂的稳定性（三）酶稳定性变化第三节：有机介质中酶的催化特性酶的稳定性提高：（三）酶稳定性热稳定性在有机介质中，酶的热稳定性比水溶液中的增强，可能是由于有机介质中缺少引起酶分子失活变性的水分子所致，水分子会引起酶分子中的Asn和Gly失活变性，Cys的氧化，二硫键的破坏等。热稳定性在有机介质中，酶的热稳定性比水溶液中的增强，酶介质条件热稳定性猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯水，pH7.0T1/2<26hT1/2<2min脂蛋白脂肪酶甲苯，90℃，400h活力剩余40%胰凝乳蛋白酶正辛烷，100℃水，Ph8.0，55℃T1/2=80minT1/2=15min枯草杆菌蛋白酶正辛烷，110℃T1/2=80min酸性磷酸酶正十六烷，80℃水，70℃T1/2=8minT1/2=1min酶介质条件热稳定性猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯水，pH（四）pH记忆和分子印记pH记忆（pH—imprinting）有机溶剂中的酶能够记忆它冷冻干燥或丙酮沉淀前所在缓冲液中的pH值，当酶分子从水溶液转到有机溶剂时，酶分子保留原有的pH印迹。分子印记在有机介质中从含有竞争性抑制剂的水溶液中冻干制备的酶，在除去抑制剂后，酶分子记忆原来在水相中的一些特性的现象。（四）pH记忆和分子印记pH记忆（pH—imprintin有机溶剂中酶活性与酶干燥前或吸附于载体前所在的缓冲液pH和离子强度相关。酶能“记忆”原缓冲液的pH，保持在原缓冲液中的构象。利用酶的pH印迹特性，可以通过控制缓冲液中pH值的方法，达到控制有机介质中酶催化反应的最适pH值。有机溶剂中酶活性与酶干燥前或吸附于载体前所在的缓冲液pH和离（五）反应平衡方向的移动

（六）酶促动力学的变化

底物和有机溶剂的极性相似时：底物与溶剂的亲和性高，底物和酶的亲和力降低。Km值增大（五）反应平衡方向的移动

（六）酶促动力学的变化

底物和有机气相介质中的酶催化定义酶在气相介质中进行的催化反应优点：气体介质的密度低，扩散容易用途：气体或能转化为气体为底物的催化反应气相介质中的酶催化定义超临界流体介质中的酶催化超临界流体温度和压力超过某物质临界点的流体优点：对酶的结构无破坏作用；良好的化学稳定性；超临界温度在酶反应的最适温度附近；超临界压力不能太高，节约动力费用；超临界流体容易获得，价格便宜。超临界流体介质中的酶催化超临界流体离子液介质中的酶催化离子液（ionicliquids）有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温下成液态的低熔点盐类，挥发性低，稳定性好。优点：具有良好的稳定性和区域选择性；立体选择性，键选择性。离子液介质中的酶催化离子液（ionicliquids）思考题什么时疏水参数logP？非相水酶催化和水相酶催化相比的优势水在酶促反应中的作用仿水溶剂在非水相酶催化中的作用举例说明如何选择酶催化有机体系中有机溶剂什么是超临界流体？超临界流体中酶催化有那些特点？思考题什么时疏水参数logP？第八章非水相酶催化主讲:李明顺生命科学技术学院农业微生物国家重点实验室mshli7125@87287701-8008(O)第八章非水相酶催化主讲:李明顺生命科学技术学院1非水酶学概述有机介质中的酶促反应23有机介质中酶的催化特性第六章：主要讲授内容4气相和超临界介质的酶促反应1非水酶学概述有机介质中的酶促反应23有机介质中酶的催化特性水相中的酶催化反应非水相中的酶催化反应有机介质的酶催化气相介质的酶催化离子液介质的酶催化超临界流体介质的酶催化酶催化反应水介质的酶催化常规反应体系第一节：非水酶学概述水相中的酶催化反应非水相中的酶催化反应有机介质的酶催化酶催化水相中的酶催化反应最常用，不适合有机化合物底物的反应。水解酶的水解反应中，水浓度过高，影响反应速度。水相中的酶催化反应定义:酶在非水相介质中进行的催化作用优点:(1)提高脂溶性底物的溶解度，有利于高浓度底物连续生物转化。(2)改变反应平衡，水解酶能催化合成反应，如脂的合成和肽的合成。(3)可以控制由水引起的副反应(如酸酐的水解)。定义:(4)酶不溶于有机介质，易于回收再利用。(5)酶的固定化简单，可以只沉积在载体表面。(6)从低沸点的溶剂中分离纯化产物比水中容易。(7)酶的热稳定性比水高，而且没有微生物污染。用途:肽,酯类等的生产,(4)酶不溶于有机介质，易于回收再利用。第二节：有机介质中的酶促反应酶在含有一定量水的有机溶剂中进行催化反应的体系。(1)与水互溶的有机溶剂---水单相体系(亲脂性底物）由水和极性较大的有机溶剂相互混合组成的反应体系。辣根过氧化物酶（HRP）催化酚类或芳香胺类底物聚合成聚酚或聚胺类物质，用于环保黏合剂、导电聚合物和发光聚合物等功能材料的研究。一.有机介质反应体系第二节：有机介质中的酶促反应酶在含有一定量水的有机溶剂中进行（2）与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相不均一体系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。催化反应通常在两相的界面上进行（水与烷羟，醚，氯代烷羟）。（2）与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相不均一体系(3)非极性有机溶剂-酶悬浮体系由非极性有机溶剂和微量的水组成的反应体系。主要是酶分子的结合水，对维持酶分子的空间构象和催化活性至关重要。(3)非极性有机溶剂-酶悬浮体系(4)非极性有机溶剂-PEG修饰酶单相体系用PEG修饰酶分子的赖氨酸，增加疏水性，增加有机溶剂中的溶解性，同时具有亲水的微环境。酶的稳定性大幅提高。(4)非极性有机溶剂-PEG修饰酶单相体系（5)反胶束体系在大量与水不相混溶的有机溶剂中，含有少量水溶液。加入表面活性剂后形成的油包水的微小颗粒（极性的一端朝内，非极性的一端朝外）。水有机溶剂酶底物（5)反胶束体系水有机溶剂酶底物（6）（正）胶束体系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颗粒（非极性的一端朝内，极性的一端朝外）。水有机溶剂酶底物（6）（正）胶束体系水有机溶剂酶底物把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，而微观上是微水相反应。因此非水体系又称低水体系。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，对酶催化有影响。把有机溶剂中酶催化反应理解为宏观上是非水相，而微观上是微水相二.有机介质中酶促反应的影响因素水的影响有机溶剂

pH

固定化酶的形态温度添加物二.有机介质中酶促反应的影响因素水的影响（一）水对有机介质中酶促反应的影响（1）对酶分子空间构象的影响（2）对酶催化反应速度的影响（3）水活度（一）水对有机介质中酶促反应的影响（1）对酶分子空间构象的（1）对酶分子空间构象的影响必需水(EssentialWater)：维持酶催化活性所必须的最少量的水。与酶分子紧密结合的一层左右的水分子，对酶活性至关重要的。不同酶与必需水结合的紧密程度及所结合的必需水量是不同的。（1）对酶分子空间构象的影响必需水(EssentialWa含水量与酶稳定性有关，温度升高导致酶分子发生可逆折叠，然后进行一种或几种下列反应：

(1)形成不规则结构。

(2)通过β消除使S—S键破坏。（β-消除是指氨基酸残基中β碳原子上基团的消除）。

(3)Asn（天冬酰酸）和Gln（谷氨酰胺）脱酰胺。

(4)Asn残基水解。酶在无水环境中不发生上述反应，表现异常稳定。含水量与酶稳定性有关，温度升高导致酶分子发生可逆折叠，然后进必需水量对酶活性的影响

1983年，Rupley等人从溶菌酶的结论得知，一个干燥蛋白的水合(Hydration)过程经过4个步骤：

(1)加入的水首先与酶分子表面的带电基团结合，达到每克蛋白质0~0.07g水。

(2)然后与酶分子表面的极性基团结合(每克蛋白质0.07~0.25g水)。

(3)多出来的水再凝聚到蛋白质分子表而相互作用较弱的部位(每克蛋白质0.25~0.38g水)。

(4)最后，酶分子表面完全水化，被一层水分子所覆盖(每克蛋白质0.38g水，大约300个水分子)。必需水量对酶活性的影响仿水溶剂绝对无水条件：酶分子表面的大量带电基团和极性基团相互作用形成僵硬的失活构想。适当的水条件：形成氢键，柔性增大，维持活性仿水溶剂替代水可控制和消除有水引起的逆反应和副反应。概念：可用二甲基甲酰胺（DMF),乙二醇，丙酰胺等极性添加剂部分或全部代替系统中辅助溶剂水，从而改变酶的活性或立体选择性。仿水溶剂绝对无水条件：酶分子表面的大量带电基团和极性基团相互（2）水对酶催化反应速度的影响在催化反应速度达到最大时的水含量为最适水含量。与有机溶剂的种类，酶的纯度，固定化酶的载体性质和修饰剂有关。例：马肝醇脱氢酶在水含量较低的条件下，酶的催化反应速度随水的含量的增加而升高。（2）水对酶催化反应速度的影响在催化反应速度达到最大时的水含(3)水活度(ThermodynamicWaterActivity，Aw)：（确定酶结合水的多少的一个参数）在一定温度压力下，反应体系中的蒸汽压和同样条件下纯水体系的蒸汽压之比。Halling(1989)Aw=P/P0式中：P—在一定条件下体系中水的蒸气压

P0—在相同条件下纯水的蒸气压(3)水活度(ThermodynamicWaterAc理由：

(1)水活度的大小直接反映出酶分子上水分的多少，而与体系中的含水量及所用的溶剂无关。

(2)低水溶剂体系是一个涉及到固体(酶及其载体)、液体(含有底物的溶剂)和气体(液面上部空间)的多相体系，当体系处于平衡状态时各相的水活度相等。

(3)水活度的大小易测，可以通过测定反应物平衡的液面上气体的相对湿度来得到。理由：研究表明，在一般条件下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加，而最佳水活度与溶剂的极性大小没有关系，用水活度作为参数来研究水对酶催化作用的影响更为准确。Aw<1：合成Aw>1：水解研究表明，在一般条件下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加，最新优质课件第八章-非水相酶催化脂肪酶活性与水的关系在反应体系中，必需水量也决定于有机溶剂。加水量%(V/V)相对活力%070.2920.41002.075脂肪酶活性与水的关系在反应体系中，必需水量也决定于有机溶剂。（4）水对酶催化反应平衡及立体选择性的影响：

利用水活度控制反应的平衡。Aw<1：合成Aw>1：水解（4）水对酶催化反应平衡及立体选择性的影响：

利用（二）有机溶剂的选择（1）有机溶剂对酶结构与功能的影响A)对酶分子表面结构的影响酶在有机介质中与有机溶剂接触，酶分子的表面结构有所变化。例：枯草杆菌蛋白酶晶体，原来有119个与酶结合的水分子，悬浮在乙腈中后与酶分子结合的水分子只有99个，有12个乙腈分子结合到酶分子中，其中4个是原来水分子结合的位点。（二）有机溶剂的选择（1）有机溶剂对酶结构与功能的影响B)有机溶剂对酶活性中心结合位点的影响当酶悬浮于有机溶剂中，有一部分溶剂能渗入到酶分子的活性中心，与底物竞争活性位点，降低底物结合能力，从而影响酶的催化活性。例：辣根过氧化物酶（HRP)在甲醇中催化时，甲醇分子可以进入活性中心，与卟啉铁配位结合。B)有机溶剂对酶活性中心结合位点的影响(2)有机溶剂对酶活性的影响有些有机溶剂，特别是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，甚至引起酶失活。(2)有机溶剂对酶活性的影响lgP---极性系数

P是指溶剂在正辛烷与水两相中的分配系数，其对数lgP为极性系数表示溶剂极性的强弱，系数越大，极性越小;系数越小，极性越大。

lgP<2的极性溶剂,酶具有较低的催化活力

lgP在24的中等极性溶剂，酶表现为中等催化活力

lgP>4的非极性溶剂，酶有较高的催化活力lgP---极性系数例：正己烷能够夺取酶分子0.5%的结合水，甲醇可以夺取酶分子60%的结合水。lgP<2的极性溶剂一般不适宜作为有机介质酶催化反应的溶剂使用。例：正己烷能够夺取酶分子0.5%的结合水，甲醇可以夺取酶分子(3)有机溶剂对底物和产物分配的影响在有机溶剂中，酶能够保持其“必需水”层、形成柔韧性的天然构象是酶发挥活力的重要前提。有机溶剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。酶的活性中心底物必需水层有机溶剂产物(3)有机溶剂对底物和产物分配的影响在有机溶剂中，lgP很大，疏水性太强，疏水性底物难于从有机溶剂中进入必需水层，而降低酶的催化速度lgP很小，亲水性太强，疏水性底物在有机溶剂中的溶解度低，底物浓度降低，也使催化速度减慢。一般选用2≤lgP≤5的有机溶剂为宜。lgP很大，疏水性太强，疏水性底物难于从有机溶剂中进入必需水（4）选择有机溶剂：有机溶剂与底物和产物的相容性。选择的溶剂对主反应惰性。其他因素：密度，粘度，表面张力，废物处理，生产成本等。（4）选择有机溶剂：第三节：有机介质中酶的催化特性酶活性的变化稳定性的变化pH记忆和分子印记酶的底物专一性的改变反应平衡方向的移动酶促动力学变化第三节：有机介质中酶的催化特性酶活性的变化第三节：有机介质中酶的催化特性（1）相对专一性（2）立体异构选择性（3）区域选择性（4）前手性选择性（一）酶的底物专一性的改变第三节：有机介质中酶的催化特性（1）相对专一性（一）酶的底物第三节：有机介质中酶的催化特性在极性较强的有机溶剂中，疏水性较强的底物容易反应；在极性较弱的有机溶剂中，疏水性较弱的底物容易反应。例：枯草杆菌蛋白酶催化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，在极性较弱的二氯甲烷或在苯介质中，含丝氨酸的底物优先反应；在极性较强的吡啶或季丁醇介质中，则含苯丙氨酸的底物优先反应。（1）相对专一性第三节：有机介质中酶的催化特性在极性较强的有机溶剂中，疏水（2）酶的立体异构选择性：对映体选择性（enantioselectivity）：酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小的指标，有机介质中酶对底物的对映体选择性有机介质的亲疏水性的变化而发生改变。酶的对映体选择性强弱可以用立体选择系数KLD的大小来衡量。（Kcat/Km）L（Kcat/Km）D

KLD

=（2）酶的立体异构选择性：对映体选择性（enanti式中KLD——立体选择系数

L——L-型异构体

D——D-型异构体

Km——米氏常数，酶催化反应速度达到最大速度一半时的底物浓度。

Kcat——酶的转换数，指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数。式中KLD——立体选择系数例：胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶等对于底物N-Ac-Ala-OetCl（丙氨酸氯乙酯）的KLD在有机溶剂中为10以下，而在水中为103

104数量级。例：胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶等对于底物N-Ac（3）区域选择性（regioselectivity）酶能够选择底物分子中的某一区域的基团优先进行反应，其选择性的强弱可以用区域选择系数Krs的大小来衡量。（Kcat/Km）1（Kcat/Km）2=Krs例：用脂肪酶催化1，4-二丁酰基-2-辛基苯与丁醇之间的转酯反应，在甲苯介质中，K4,1=2，表明酶优先于底物C-4位上的酰基；而在乙腈介质中,K4,1=0.5，则表明酶优先于底物C-1位上的酰基。（3）区域选择性（regioselectivity）酶能够选概念：酶催化非手性底物选择性地形成具有一定立体构型的产物。在疏水性差的溶剂中，萘甲酰基进入酶的疏水性袋中比暴露在溶剂中热力学平衡更为有利。形成S型产物。（4）前手性选择性：概念：酶催化非手性底物选择性地形成具有一定立体构型的产物。（在疏水性强的溶剂中，萘甲酰基暴露在疏水性溶剂中，而不易进入酶的疏水性袋中。在疏水性强的溶剂中，萘甲酰基暴露在疏水性溶剂中，而不易进入酶第三节：有机介质中酶的催化特性酶的活性降低：（1）传质障碍（2）酶促反应的活化能增加（3）活性中心的刚性增加（二）酶活性