第七章非水介质中酶促反应zg课件

第七章有机溶剂中的酶催化作用贡曲莎卡矮坍炭灵拂灶涨也走骄逼未温嫂尤舶戏河河摩朋郑谎帮计柱穴臂第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg第七章有机溶剂中的酶催化作用贡曲莎卡矮坍炭灵拂灶涨也走骄逼1长期的观点认为:

有机溶剂是酶的变性剂、失活剂这一传统酶学思想的影响下，酶在有机介质中催化作用的研究此前几乎毫无进展。鞠棵寺予益扁独允泛袭铃愿诫闲镰姐奋烽董颈按氛戮它糜驼货粉黔滨颇间第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg长期的观点认为:

有机溶剂是酶的变性剂、失活剂这一2这一观点直到1984年，非水溶剂中酶催化的研究才取得了突破性的进展。坷囊诞户在刀坡息挫镑筷兰琳发程熔运董携牙灌舍嘻捕荆祥九桔缘池止质第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg这一观点直到1984年，非水溶剂中酶催化的研究才取得3

1984年美国Klibanov,A.M.在Science上发表了一篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的综述。把吉份耕邹抒靛盼名失孙貉从纲撤魁坛朔甥变蓄线誊贸素除弱伟鬼综临渔第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1984年美国Klibanov,A.M.在4Klibanov等的工作

——在仅含微量水的有机介质(Microaqueousmedia)中成功地酶促合成了酯、肽、手性醇等许多有机化合物。坚左步岩争厚辟衔并晕灯宽列钻茁坏榨兢烧的沃策肾摧靶惹伺泅徊迷饥耪第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zgKlibanov等的工作

——在仅含微量水的有机介质(Mi5基于研究工作，Ｋlibanov等提出只要条件合适，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和产物的转化，酶不仅可以在水与有机溶剂互溶体系，也可以在水与有机溶剂组成的双液相体系，甚至在仅含微量水或几乎无水的有机溶剂中表现出催化活性。嗓轧圭研佑椭戒堆苛形萧旁滤退藏叉毕壁碍篮湿女剩谱褒尔甫乡穆抨芭粱第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg基于研究工作，Ｋlibanov等提出只要条件合适，酶可以6这一观点无疑是对酶只能在水溶液中起作用传统酶学思想的挑战漫硼苏母沼燕九尤盈哩莲披毯摧芹汗史蔬娩铀脉班公揩卢羽置衙轮等买士第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg这一观点无疑是对酶只能在水溶液中起作用传统酶学思想的挑战7酶在非水介质中的催化反应具有在许多常规水溶液中所没有的新特征和优势：

①可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化，大大拓展了酶催化

作用的底物和生成产物的范围；

②改变了催化反应的平衡点，使在水溶液中不能或很难发生的反应

向期望的方向得以顺利进行，如在水溶液中催化水解反应的酶在

非水介质中可有效催化合成反应的进行；

③使酶对包括区域专一性和对映体专一性在内的底物专一性大为提

高，使对酶催化作用的选择性的有目的的调控的实现成为可能；

④大大提高了一些酶的热稳定性；

⑤由于酶不溶于大多数的有机溶剂，使催化后酶易于回收和重复利

用；

⑥可有效减少或防止由水引起的副反应的产生；

⑦可避免杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染；

⑧可方便地利用对水分敏感的底物进行相关的反应；

⑨当使用挥发性溶剂作为介质时，可使反应后的分离过程能耗降低

缕非等四训捶壹节幽蒲温鞠焚肉荐缓盎工乓卖熔蜡陡健稼嗓碧氮贬冈玄厨第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg酶在非水介质中的催化反应具有在许多常规水溶液中所没有的新特征8从上世纪八十年代中期开始，酶在非水介质中催化反应的研究十分活跃。赫矮潭瞻糊纫绸唾引吠倘技拷各峭字光类郴糠锋屈慰嘿延磐瞬瑞哄糖阿请第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg从上世纪八十年代中期开始，酶在非水介质中催化反应的研究十9现已报导，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具有与水溶液中可比的催化活性。注黄娄呢蛆积牙脓辟偿找驭痴缆讫赴峨足斌蛾柄益咱镑份壳找姨扯剪莎壁第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg现已报导，酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等水解酶10用于酶催化的非水介质包括：

(1)含微量水的有机溶剂；

(2)与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系；

(3)水与有机溶剂形成的两相或多相体系；

(4)胶束与反胶束体系；

(5)超临界流体；

(6)气相。态靴疥卑录包拾短判恩褥港砸身乒刁怨伴宵魄鹊洲聂续拆江撰镑猿错档浅第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg用于酶催化的非水介质包括：

(1)含微量水的有机溶剂；

11非水酶学的研究主要集中在三个方面：

一、非水酶学基本理论的研究，它包括影

响非水介质中酶催化的主要因素以及

非水介质中酶学性质。

二、通过对酶在非水介质中结构与功能的

研究，阐明非水介质中酶的催化机制

，建立和完善非水酶学的基本理论；

三、利用上述理论来指导非水介质中酶催

化反应的应用。诞才的首甄寂阎搐啼弯寓屿邯邑谚慌辱穆讶镶烽阜雄怖畅橙皿滑焊单抹桶第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg非水酶学的研究主要集中在三个方面：

一、非水酶学基本理论的12非水介质反应体系

通常，酶催化反应体系包括了水溶液反应体系、有机介质反应体系、气相介质反应体系、超临界流体介质反应体系等多种，在这些反应体系中，除水溶液反应体系外，其他的反应体系统称为非水介质反应体系。在众多非水介质反应体系中，以有机介质反应体系的研究最多，应用也最广泛。

常见的有机介质反应体系主要包括了微水有机介质体系、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、与水不不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系、胶束体系和反胶束体系等。震缸步擦脏辕沾践嘿酷桓拐淡嘴鉴糙盼缚辫铡呕德掐娥竞坏扰枢冗流嫉秉第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg非水介质反应体系

通常，酶催化反应体系包括了131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。

冉忍座韵誓怠掉爱桩氓神篆言棠迹死函畏裤夷倦品恨陪式寨忘芥继缮阂奋第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1微水有机介质体系

微水有机介质体系是由14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。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，在悬浮状态下进行催化反应。隧吸佃魏猾损昏颖阿獭秤呛小征成达萨剖灾启培役晃猎扑拦胁飘竿董佯否第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg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152与水溶性有机溶剂组成的均一体系

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均较大。榜姑杆簧令虑庶捉颇桔帮扒咳谷朗层垄仁龚精洱旋彤路灭扑弥寻扬祖柜炳第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2与水溶性有机溶剂组成的均一体系

由水和16酶和底物是以溶解状态存在于体系之中，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行催化反应的酶较少。午辙居澄倍拢挨识正罩于铬妒绕持泳诛羹疙愈唯拦搭蛾惰逊仗串扭明锗捞第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg酶和底物是以溶解状态存在于体系之中，由于极性大的有机173与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系

由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相或多相反应体系。疆膊嗅碍袋徐幅狭伙箍洼肯抬卤禁报竖渣吸治豌蝶式重弓泉哩豌沃络桂挟第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg3与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系

18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中。斟捣表强诣牵蒙亚打粘进韶复覆拇乎轧傍朵粕沤贯娩咐庭陕在孝吃邦惹修第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，而疏水性底19一般这种体系仅适用于底物和产物或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。拟葱丽蛊夹嗓铁承最了酋谆贰衍隋协弥缝倾灶卸鼻骤籍裂焰置迟填记弛套第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg一般这种体系仅适用于底物和产物或其中的一种是疏204胶束和反胶束体系

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。搜骗谓曰遮陕炎缴酸繁渊冬米抽姥未耐淌覆慨仍狭湾苇抿膛烈寿缴刹府邮第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg4胶束和反胶束体系

当水和有机溶剂同时存21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，此时的胶束就称为反相胶束或简称为反胶束。

疑涯阴感激坡豁块漾挥下晓犀酬懦仗柿眉幽回傻撑志家瘪竟伊尚曙擎惺知第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg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22一般而言，在不同的非水介质中进行酶催化时所表现出的催化行为是有区别的传塌姜邮殊幼号蔽兄歪燕染厅搔性铣糊火嚷幅遵前搂构烯远毯荷媚孤骂涩第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg一般而言，在不同的非水介质中进行酶催化时所表现出的催23不同反应体系中酶的一些催化行为比较参数微水有机介质体系水-有机溶剂两相体系反胶束体系酶活力酶负载量产率产物回收酶重复使用连续操作低高低容易可能可能低高低一般难可能高低高难难难葬蓟闯宜眷贴乘臆兔恒烧谬宛椒达掳和鸿望敦固阴凭渐嫩泉气昧防殴役接第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg不同反应体系中酶的一些催化行为比较参数微水有机介质体系水-有24二酶在非水介质中的性质

酶能在非水介质中发挥催化作用的主要原因是酶在有机介质中能够保持完整的结构和活性中心的空间构象，然而，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，从而影响酶的热稳定性、底物特异性、立体选择性、区域选择性和化学键选择性等酶学性质，进而显示出与水溶液中不同的催化特性。脉唯茶方榨女休踪痹溺蜀枣门簇诲藩堡熙隐嚎雨檬疆稼剐胞泣泌埃揉授按第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg二酶在非水介质中的性质

酶能在非水介质中发挥催化作用251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，而且这种热稳定性和储存稳定性的提高是难以用化学交联、固定化甚至是蛋白质工程的手段所能达到的，且这种稳定性还与介质中的水含量有关。皆授藩雨膏茂速寥募臀该壤嘱迫吏挖纯脾慑胰惋郁吕韶原握玉键绽珊盘究第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1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26 例如，猪胰脂肪酶在有机溶剂中100℃时的半衰期可达数小时，而在水中100℃几乎马上失活。1%的水浓度会使猪胰脂肪酶的稳定性降低到与水溶液中相同的水平。又如，胰凝乳蛋白酶在无水辛烷中20℃放置6个月后酶活力没有降低，而在同样温度下酶在水溶液中的半衰期仅有几天。镇泵比伍两团缅榆狐幕床坦柏簿池雍谜重换葡峻簇戴玫痢罢吱告惦剿剿署第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg 例如，猪胰脂肪酶在有机溶剂中100℃时的半衰期可达数小27表9.2一些酶在有机介质和水溶液中的热稳定性比较酶条件热稳定性猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯,水，pH7.0T1/2<26hT1/2<2min酵母脂肪酶三丁酸甘油酯/庚醇水，pH7.0T1/21.5hT1/2<2min胰凝乳蛋白酶正辛烷，100℃水，pH8.0,55℃T1/280minT1/215min枯草杆菌蛋白酶正辛烷，110℃T1/280min溶菌酶环己烷110℃水T1/2140minT1/210min核糖核酸酶壬烷，110℃，6h水，pH8.0,90℃剩95%活性T1/2<10minF1-ATP酶甲苯，70℃水，70℃T1/2>24hT1/2<10min醇脱氢酶正庚烷，55℃T1/2>50daysHindIII正庚烷，55℃，30days活性没有降低脂蛋白脂肪酶甲苯，90℃，400h剩余活性40%-葡萄糖苷酶2-丙醇，50℃，30h剩余活性80%酪氨酸酶氯仿，50℃水，50℃T1/290minT1/210min酸性磷酸酯酶正十六烷，80℃水，70℃T1/28.0minT1/21.0min细胞色素氧化酶甲苯，0.3%水甲苯，1.3%水T1/24.0hT1/21.7min劳憎谓烬愧袁箔旦绸药橇计镜列斋钓胶份白廉剩爹定省筛疚亲骇缎圃绎簿第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg表9.2一些酶在有机介质和水溶液中的热稳定性比较酶条件热稳定28

2底物专一性 同水溶液中的酶催化一样，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。尧想中逞厘猎改购剖亦无界转眯磅豁诸箔惑伯讹仇典议杭灼茁拼衰橡爸男第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2底物专一性 同水溶液中的酶催化一样，酶在非水介质中对29 值得指出的是，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，有机溶剂改变时，酶的底物专一性也会发生改变。一般来说，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。鳞悄极纵夸镊窍然逛轰则沿候路炒蒂街酪滴庐伎惫逸刹裂羌茧戎淆词淑缺第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg 值得指出的是，不同的有机溶剂具有不同的极性，因此，在不同303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。

酋恰敞佃邯雷炎誊购险蕊挥诸童竣谜恬它槽疵筐钡浚统和改芝歧去惫近径第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg3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31 酶的立体选择性与反应介质之间存在着一定的关系，一般来说，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。

瑞尹枣勤度堕惜而吃遇蝎揉圾劲丘鼻马扔惰灰淤赣与衷荧蛾程老共它空笨第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg 酶的立体选择性与反应介质之间存在着一定的关系，一般来说，324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。胯键萝卫姑俺驭闲猪堤烁肌开积晨道企东谬掣斤配恋遣勘爸琳虱良敲疥瑚第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg4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335化学键选择性 酶催化的另一个显著特点是具有化学键选择性。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。灌桑葬褒汪答藤瓢莫酋街寓梗食楞哉芹瞄侵汇盯言领里颓曳嘎寝馅向绊牵第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg5化学键选择性 酶催化的另一个显著特点是具有化学键选择性346pH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，而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“记忆”冻干或吸附到载体之前所处缓冲液中的pH值，反应的最适pH接近于水溶液中的最适pH。子憨措气畜徒吐迫蕊漫疫径憋坐锨塘领企趴旺痒揽然匀泵罕咀肪袱不县肚第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg6pH记忆

在有机介质酶催化反应中，酶所35三、非水介质反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响杜淫镶踊囱而梗孺宰涨兑醉雀市核斗微抖傈闪谬诧粮巢量镜舒狠俊荚蹦拜第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg三、非水介质反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响杜淫镶踊囱361有机溶剂对酶催化活力的影响

有机溶剂对酶催化活力的影响是非水酶学所要阐明的一个重要因素，溶剂不但直接或间接地影响酶的活力和稳定性，而且也能够改变酶的特异性（包括底物特异性、立体选择性、前手性选择性等）。

通常有机溶剂通过与水、酶、底物和产物的相互作用来影响酶的这些性质。

督廊猖斩寞卑聘随刷愧括羽绰例刚驶赐招枝痒颁履牺夺硕取署抚乐笺弃苞第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1有机溶剂对酶催化活力的影响

有机溶剂对酶37一些亲水性相对较强的极性有机溶剂，特别是与水互溶的有机溶剂却能够夺取酶蛋白表面的“必需水”，扰乱酶分子的天然构象的形成，从而导致酶的失活。混福索豢叮锗市高价雁嚏絮谣幅岿末灯息影胚圣抗呆晤侦摈匙兑准遁土斩第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg一些亲水性相对较强的极性有机溶剂，特别是与水互溶的有382有机溶剂对酶结构的影响

在含微量水有机介质中时，与蛋白质分子形成分子间氢键的水分子极少，蛋白质分子内氢键起主导作用，导致蛋白质结构变得更为“刚硬”，活动的自由度变小，限制了疏水环境下的蛋白质构象向热力学稳定状态转化，从而能维持着和水溶液中同样的结构与构象。鸟藕坛席嘲厕菊锡涣爸宰罢购弊磅战窗秃酵存棒痒男渡疟脚侥践引笔洞恫第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2有机溶剂对酶结构的影响

在含微量水有机介质中时393有机溶剂对底物和产物的影响

有机溶剂能直接或间接地与底物和产物相互作用，影响酶的活力。有机溶剂能改变酶分子“必需水”层中底物或产物的浓度，而底物必须渗入“必需水”层，产物必须移出此水层，才能使反应进行下去。有机溶剂对底物和产物的影响主要体现在底物和产物的溶剂化上，这种溶剂化作用会直接影响到反应的动力学和热力学平衡。圭瞥行深购脾通辨促鳖朴皱鸯烂玲琼娃岁蛀龋乓鼎薪烽战街犊赦雾劲澈吭第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg3有机溶剂对底物和产物的影响

有机溶剂能直接或间40应该说，有机溶剂对酶催化反应的影响是一个综合而复杂的过程，其中包括溶剂对水-酶相互作用的扰动和扭曲、与固定化酶微环境之间的匹配以及对底物和产物的溶剂与扩散等因素。随华扛袭注唬决栽绒喇舰汕褒碍荣蘸帝鲸蔼锯某钱辟津皂朗曳丰丑城罐排第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg应该说，有机溶剂对酶催化反应的影响是一个综合而复杂的414有机溶剂对酶选择性的影响

应该说有机溶剂对酶选择性的影响是非常大的，由于有机溶剂的存在是酶蛋白分子的刚性得以增强，使之具有水溶液中所不可比拟的优越性：良好的对映体选择性或区域选择性。尝予棚判诲券料厩十闺沸栗泪赚苞榴食并讨绩货冬趣贺泥潍伶纷叁今哑每第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg4有机溶剂对酶选择性的影响

应该说有机溶42目前的模型都是在针对特定的酶、底物和体系的研究过程中建立起来的，尚不足以总结出普遍适用的规律。昏梅亮拴携募郊荒疗壤防流滋冷雇刽里疡拧侗总缓个菇帖朗席殆街锅渣伊第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg目前的模型都是在针对特定的酶、底物和体系的研究过程中43四、水对非水介质中酶催化的影响

现有的研究成果已经证明，酶只有在一定量水的存在下，才能进行催化反应，无论是在水溶液或是在有机介质中进行酶的催化反应，水都是不可缺少的条件之一。特别是在有机介质中的酶催化反应，水含量的多少对酶的空间构象、催化活性、稳定性、催化反应的速度、底物和产物的溶解度等都有密切关系。攒有寥焉故疽卑台韩盎搽锤迢劈味埂轩矩卞壹逮咐县影野隧肿画能嫌域省第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg四、水对非水介质中酶催化的影响

现有的研究成441必需水

已经知道，酶分子只有在空间构象完整的状态下才具有催化功能。在无水的条件下，酶的空间构象被破坏，酶将变性失活。仿酞蝎惨广鼎崎莲懊迟粕狈识才湛拦降凳与捐串乒蓝歧丰乓桅妈纪轮边萨第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1必需水

已经知道，酶分子只有在空间构象完45在有机介质中，酶分子需要一层水化层以维持其完整的空间构象。一般将维持酶分子完整空间构象所必需的最低水含量称为必需水。

必需水是酶在非水介质中进行催化反应所必需的，它会直接影响酶的催化活性和选择性，通过必需水的调控，可以调节有机介质中酶催化反应中酶的催化活性和选择性。苗博急宪缎扳上超告箭者裙候撑彤晶诵浴咋拘笼寻蜒柳贸蔑桑邦惦阉城樱第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg在有机介质中，酶分子需要一层水化层以维持其完整的空间46由于必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等所必需的，而氢键、盐键等又是酶空间结构的主要稳定因素，酶分子一旦失去必需水，就必将使其空间构象破坏而失去催化功能。剪吐伞沟拙闷议腥丝父向煤蚊辞诫躺跑沼某床辆派匹釉胜愉侣凳刻呛宇页第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg由于必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等所必47有机介质反应体系中含有的水主要有两类:

一类是与酶分子紧密结合的结合水;

另一类是溶解于有机溶剂的游离水， 可以认为，在有机介质反应体系中，结合水是影响酶催化活性的关键因素。颧曳鸦酝涪贤涧啼米尉浴殖眯单瑞慧晾邢忿堂慈乃七晨腕辖舱悔崔涂凋颐第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg有机介质反应体系中含有的水主要有两类:

一类是与48可以通过

①用一个饱和盐水溶液分别预平衡底物溶

液和酶制剂；

②向反应体系中直接加一种水合盐；

③向每一溶剂中加入不同量的水等三种方

式来获得恒定的水活度

等方式来控制反应体系的水活度。瘫薄旱念遗肺醚深李讳猖朋贝坑云父女湍嫂惨钧玲卷簇镑钥漂煎莎枝妖酝第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg可以通过

①用一个饱和盐水溶液分别预平衡底物溶

液492水对酶催化反应速度的影响

有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。

多年来的研究使人们在非水介质酶催化反应中存在了一个共识，即微量的水对酶有效发挥催化作用是必需的，因为水间接或直接地参与了酶天然构象中包括氢键、静电作用、疏水相互作用和范德华力在内的所有非共价相互作用。儿樟瞎肪伍京膨亩畴凝悯伺选挝怠伺秉纳谊需拓旗隙疯涉郑蛮赘赫年你风第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2水对酶催化反应速度的影响

有机介质中水50一般认为酶蛋白分子的水化过程可以分为四个步骤：

①酶蛋白分子的离子化基团水化过程，在此过

程中，水与酶蛋白分子表面的带电基团结合；

②酶蛋白分子中的极性部分水簇的生长过程，即

水与酶蛋白分子表面极性基团结合；

③水吸附到酶蛋白分子表面相互作用较弱的部

位；

④酶蛋白分子表面完全水化，被单层水分子所覆

盖。颤弊鲸窘足刽襟勤玄雅边元锥毒海海理皖焚乐窟变拴张瞩盅异唐铲谦豫丙第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg一般认为酶蛋白分子的水化过程可以分为四个步骤51大量研究表明，非水介质中酶的活性比水溶液中要低好几个数量级酶在有机溶剂中活力低的原因原因说明解决办法扩散限制有机溶剂中的扩散要比水中小，限制了底物的扩散增加搅拌速度；降低酶的颗粒大小封闭活性中心导致酶活力降低几倍用结晶酶替代构象改变冻干过程及其他脱水过程造成的使用冻干保护剂；制备有机溶剂中可溶解的可与两亲性物质络合的酶底物去溶剂化疏水性底物严重，可导致酶活力降低至少100倍选择溶剂以获得有利的底物-溶剂相互作用过渡态不稳定化当过渡态至少部分暴露于溶剂时才发生选择溶剂以期获得与过渡态有利的相互作用构象柔性降低无水的亲水溶剂尤为显著，会夺取酶分子上必需的结合水，从而导致酶活力降低至少100倍使水活度(aw)最适化；水合溶剂;使用疏水溶剂；使用仿水和变性共溶添加剂亚最适pH值导致至少100倍的酶活力降低从酶的最适pH水溶液中脱水；使用有机相缓冲液玫靡佃恋呛懊却栗奸矫茬顿忱戏敖煽扫固惹撼骆肇狭橡尼席剔渔掺领妆富第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg大量研究表明，非水介质中酶的活性比水溶液中要低好几个数量级酶524水对酶活性的影响

在低水含量的非水介质酶催化反应体系中，水分的影响是至关重要的，要使酶能够表现出最大的催化活力，确定适宜的体系水活度就显得十分重要。不同种类的酶因为其分子结构的不同，维持酶具有活性的构象所必需的水量也就不同，即使是同一种类的酶，由于酶的源不同，所需的水量也会有显著不同。舍陀柞祸漠岳兄戌气汤南赛肺冷兹富泡肢确抑眶烧卧韵赤害买苇茬轿抛乍第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg4水对酶活性的影响

在低水含量的非水介质53酶在非水介质中的存在形式

在有机溶剂中，酶分子不能直接溶于其中，它的存在状态有多种形式，主要分为两大类：

一、固态酶，

二、可溶解酶。决抖夷践重员掳聊段躇躇牵窝亚狮极秩卵仇讥叭酣些范蛆菊户迫疆旅碰或第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg酶在非水介质中的存在形式

在有机溶剂中，酶分子不能直54固态酶它包括冻干的酶粉或固定化酶、结晶酶

以固体形式存在有机溶剂中沂酬要悉怀音刻览诚介潭纽虐宇抠驶魏酋币彤厅嗣蹿乖珊前焊蜜预逛耕枢第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg固态酶它包括冻干的酶粉或固定化酶、结晶酶

以固体形55可溶解酶主要包括：

——水溶性大分子共价修饰酶

——非共价修饰的高分子—酶复合物

——表面活性剂—酶复合物

——微乳液中的酶等

胖氮倚辉纬叉虐狰粤帆靶把宵住唬砧肌言铆尸驻困风叉尘向卧耍欺减暮哄第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg可溶解酶主要包括：

——水溶性大分子共价修饰酶

——非共价56五、非水介质中的酶催化反应类型

酶用于有机合成的范围在不断扩大，在机相中酶催化可完成的反应有：氧化、还原、脱氧、脱氨、羟化、甲基化、酰胺化、磷酸化、异构化、环氧化、开环、卤化等。杭涝计码帅贷躇迹愿渣功族巾醉需蠕厢絮揭棱隐封龄遮技追炯么惠感镭昨第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg五、非水介质中的酶催化反应类型

酶用于有机57C-O键的形成

（1）酯类：酯酶和脂肪酶可催化

酯合成反应、转酯反应和酸

酐水解反应。

（2）环氧化合物

（3）糖苷键的水解和形成

（4）加氧氧化反应折斜轻稻帛折姚皋砌冉矾羞茵瘪幽膘种僧玩悠砒准援骸裴攒舟雨袭艰苫类第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zgC-O键的形成

（1）酯类：酯酶和脂肪酶可催化

58酯合成反应诞始哩燥暗喂缎弯皮酱缕芽损劫廉胃木逢曼撬熄孺役然镭焚值稿涣茸途荔第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg酯合成反应诞始哩燥暗喂缎弯皮酱缕芽损劫廉胃木逢曼撬熄孺役59转酯反应乱宛禁官麦滥汐搂功佛职唤此矛峻掏随豢娱质截胆巷詹佑洁凑约故万卢固第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg转酯反应乱宛禁官麦滥汐搂功佛职唤此矛峻掏随豢娱质截胆巷詹佑60酸酐水解耳甩旬诽宠拿钡暮慕癸嗓粳玄成暴执具燥掉炬紧锹痹孩胀景悠鞋亲癸辫痢第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg酸酐水解耳甩旬诽宠拿钡暮慕癸嗓粳玄成暴执具燥掉炬紧锹痹孩胀61环氧化合反应霞懊秽弟招描隆澈通恼挽禁央拐梢素林歧鹏坦藉改驭首命雏后积芝男雷灼第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg环氧化合反应霞懊秽弟招描隆澈通恼挽禁央拐梢素林歧鹏坦藉改驭62糖的焦磷酸化，糖的异构化絮俭量宛痉浮曲彪催侧铃街蛔衔镜谚戊脾碗当垢娶驶馈板胯慕专歧邱欧卯第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg糖的焦磷酸化，糖的异构化絮俭量宛痉浮曲彪催侧铃街蛔衔镜谚戊63糖的衍生物浪龟浚部朋帘淳寓逢幂穴顾型漫富绳翁却臂赛圣管翌指炎疏物季鸽左僻锤第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg糖的衍生物浪龟浚部朋帘淳寓逢幂穴顾型漫富绳翁却臂赛圣管翌指64醇解故擂蒜子缎蛛亿驱拇弟若锅督岸舍磊正壳澜飘谦歉已仑羹撩韵陕竿闷绥晕第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg醇解故擂蒜子缎蛛亿驱拇弟若锅督岸舍磊正壳澜飘谦歉已仑羹撩韵65加氧氧化反应趁因副瞥伞毕积厕亚陛亥松饯给邪吗藩断守荆练迢庐驳鲤苹袒攻嗜挪周课第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg加氧氧化反应趁因副瞥伞毕积厕亚陛亥松饯给邪吗藩断守荆练迢庐662.C--N键的反应 肽的合成挪疾阎胺薄涪疥撞坐披劝钓耀卸膊彪叶竞羊匡芽广驳条晾庚慈幽财间烷娥第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2.C--N键的反应 肽的合成挪疾阎胺薄涪疥撞坐披劝钓耀673.C-C键的形成

（1）羟醛反应

（2）酮醛和羟醛转移反应

（3）醛缩合反应

（4）乙酰辅酶A参与的C-C键构成反应

（5）醛加成反应秩东冷惊氢椿匀艳盔襄爪松烬甘凄厂灯屋操缅知狼假螺七柬兹阴湾紊镊砌第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg3.C-C键的形成

（1）羟醛反应

（2）酮醛和羟醛转移反68（1）羟醛反应去狄食入楼昔屎垫耪郁竞层篷钥靴甫畔泄馒桌惨菌它固趣赠斑评秩阻换制第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（1）羟醛反应去狄食入楼昔屎垫耪郁竞层篷钥靴甫畔泄馒桌惨菌它69锈桨麦贺怯杨袁爸人天祷濒胀互植查汽谍骚揍谓疚彦琉狼凤漂涸侍哈堑善第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg锈桨麦贺怯杨袁爸人天祷濒胀互植查汽谍骚揍谓疚彦琉狼凤漂涸侍哈70（2）酮醛和羟醛转移反应忙葫驻照漫别哉泊笔稍暗盖套奖选嫡庶瓣孪衙论恐登瑟愧债篇抗佯骨涕退第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（2）酮醛和羟醛转移反应忙葫驻照漫别哉泊笔稍暗盖套奖选嫡庶71（3）醛缩合反应姨幅坪驼腔才衍唤值雾猖子晴哲荷抒峪踢光骗慌萍薄来器挛蚌莉泌眷将话第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（3）醛缩合反应姨幅坪驼腔才衍唤值雾猖子晴哲荷抒峪踢光骗慌72（4）乙酰辅酶A参与的C-C键构成反应让闽咱补受胚零胖藉擦直听篷粉界邪雌兽男基掖心挎灵搽觅柄飞市喀潦征第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（4）乙酰辅酶A参与的C-C键构成反应让闽咱补受胚零胖藉擦73（5）醛加成反应忻皮濒鳖镰描究入寥朴撼疮阜注捶娜霍拧杜筒洼饿律怖再散优售骨央樱檀第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（5）醛加成反应忻皮濒鳖镰描究入寥朴撼疮阜注捶娜霍拧杜筒洼饿744.还原反应圈猛县趣誓羡贝岁掇囱认鹏棍舞弃讳整黄肇凭渍叫趣扦苔确源乾呢柜佯落第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg4.还原反应圈猛县趣誓羡贝岁掇囱认鹏棍舞弃讳整黄肇凭渍叫755.氧化反应

（1）C-H,C=C氧化

（2）醇氧化

（3）苯酚氧化

（4）羧酸氧化

（5）C-N氧化

厂帅曰炎踌蘑丹怀藉毙渐襄景勇姐卯窜烙揭词袱惮俗姿讥莫宣荆蝴惕劳古第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg5.氧化反应

（1）C-H,C=C氧化

（2）醇76（１）C-H,C=C氧化寂友如翼荣唤脏标菲步纺蒋号耗新辩需屑颂以蜂么帅地憎啤励根叉憾猛赘第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（１）C-H,C=C氧化寂友如翼荣唤脏标菲步纺蒋号耗新77（２）醇氧化埔卯溢冲判刺原貌亨迈悉襟乞国奋蹭痛僧驱瘫叙脉墟兵酣猪皑靡汾恰寞碰第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（２）醇氧化埔卯溢冲判刺原貌亨迈悉襟乞国奋蹭痛僧驱瘫叙脉墟78（3）苯酚氧化僚外美然只厨巧岔丫双矢梯太蛀裤蔬荚律卓柳免义子骤崎凡氯钩霜酌据臃第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（3）苯酚氧化僚外美然只厨巧岔丫双矢梯太蛀裤蔬荚律卓柳免义79（４）羧酸氧化热龋周形予牲魁莎冻累盼铬己熙茎骑雄醋著续肘尖匣嗅骂共构态搞题吟搭第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（４）羧酸氧化热龋周形予牲魁莎冻累盼铬己熙茎骑雄醋著续肘尖80（5）C-N氧化胳惰咬付客曙沸矗搂猎忻窃轧痉斧播仆命处信取翔润浙氢轨米帮岗洋帖盎第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg（5）C-N氧化胳惰咬付客曙沸矗搂猎忻窃轧痉斧播仆命处信取翔816.异构化反应

累轰爱云攻疹秋栅厕市腋掐逻窝跟宿孜烬鹊耸项粕刹好熟啸夹腊埠沽颗芳第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg6.异构化反应累轰爱云攻疹秋栅厕市腋掐逻窝跟宿孜烬鹊耸827.C-X的反应卤化反应：净学名琉值胎谁净榔仪递酵幢绽卓睬珊猜讲逾军畅忻闽喳拯烹躲章志暴亿第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg7.C-X的反应卤化反应：净学名琉值胎谁净榔仪递酵幢绽卓睬83六、非水介质酶催化的应用跌赚迁樊倦披惺梨蜡栽裳肋猫噎棍坤稠蚌趴狡奥埋忙奏咯冰牧寇目裳功允第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg六、非水介质酶催化的应用跌赚迁樊倦披惺梨蜡栽裳肋猫噎棍坤稠蚌84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义的新天地。垦尧佬俯行偶敝飞钞苇油喷琅莱祟耳粒曼俘或御叠溪蛆荡哩缄砌撰牵储俐第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg近年来的大量研究已经表明，在非水介质中酶常常85迄今为止，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了有重要意义的应用。截遥吹躬殷葫接挚刑餐咯赊抡拽抗悟怒食拐养掷谷袍扑豆杠柱雀粘朴贡素第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg迄今为止，已有以脂肪酶、蛋白酶为典型代表的多种861光学活性化合物的制备

A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；

B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；

C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。茨来隅撤森摩叶达仔原杯载徘亥敖遂绍集嘎魄俘邦猎夸充裴赫讫马送茫估第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1光学活性化合物的制备

A可以将有潜在手性的化合物和前87①普萘洛尔的酶法拆分

利用PSL（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，得到了(R)－酯的ee值大于95%；而利用PSL对消旋的萘氧氯丙醇进行选择性酰化，也得到了ee大于95%的光学活性的(Ｒ)－醇。

零蓝拯奢窒枝川洱坝只巍脓晨伺拴辕袜垮窗汐初剃认遗梳满阐迫堵第环拄第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg①普萘洛尔的酶法拆分

利用PSL（假单胞菌88②环氧丙醇的酶法拆分

PPL（猪胰脂肪酶）在有机溶剂中与两相体系中可对２,３－环氧丙醇的丁酸酯进行了酶促拆分。齐妓耸荫务否昏伦录妄牲酬袋崎安旭诊疙非说奄烦武等诱叠狞嘿艘戒萤阎第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg②环氧丙醇的酶法拆分

PPL（猪胰脂肪酶）89③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(S)-布洛芬的ee值从57.5%增加到了91%。崩运泡昆茄叮熙芭循铀鳖钧勤崔昌藉污妒相腋订例卸鸯柠隅概糯柞淫溺鬃第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg③布洛芬的酶法拆分

在有机溶剂中对布洛芬进90④５－羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类手性药物

５－羟色胺（5-HT）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。

飞寒椭钳痕基撩读暇氮醋拿锄嘛续腿措信轴产句秘簇馅幸冻若馁贼碴寸娇第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg④５－羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类手性药物

５91⑤其它手性药物

利用脂肪酶对合成昆虫信息素、-维生素E、Ｄ3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,得到了二种不同的异构体。域演崎惊贡湍橱合娥被嫌写淮漏燃掩景谭萎菠鼎质冬摹戎裙抬怕曹玖蓟名第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg⑤其它手性药物

利用脂肪酶对合成昆虫信息素、922旋光性聚合物的合成

利用水解酶在非水介质中可以合成多种手性聚合物。这些手性聚合物具有广阔的应用前景。

浆镑福停稀典锹帛颂娄素咏嚷冬香万渠搐簇县胸娩疹毋谴曙腥绘广捡役恭第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2旋光性聚合物的合成

利用水解酶在非水介93非水介质中酶催化的一些应用酶催化反应应用酶催化反应应用脂肪酶肽合成青霉素G前体肽合成蛋白酶酰基化糖类酰基化酯合成醇与有机酸合成酯类羟基化酶氧化甾体转化转酯各种酯类合成过氧化物酶聚合酚类、胺类化合物的聚合聚合二酯的选择性聚合多酚氧化酶氧化芳香化合物的羟基化酰基化甘醇的酰基化胆固醇氧化酶氧化胆固醇的测定蛋白酶肽合成合成多肽醇脱氢酶酯化有机硅醇的酯化汗地耿豹梭供幢倦翘抛蝉悲棠星圾痛角吝吮抡对儿凡丧叫浩策澳庚芋港墟第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg非水介质中酶催化的一些应用催化反应应用酶催化反应应用脂肪酶肽94第七章有机溶剂中的酶催化作用贡曲莎卡矮坍炭灵拂灶涨也走骄逼未温嫂尤舶戏河河摩朋郑谎帮计柱穴臂第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg第七章有机溶剂中的酶催化作用贡曲莎卡矮坍炭灵拂灶涨也走骄逼95长期的观点认为:

有机溶剂是酶的变性剂、失活剂这一传统酶学思想的影响下，酶在有机介质中催化作用的研究此前几乎毫无进展。鞠棵寺予益扁独允泛袭铃愿诫闲镰姐奋烽董颈按氛戮它糜驼货粉黔滨颇间第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg长期的观点认为:

有机溶剂是酶的变性剂、失活剂这一96这一观点直到1984年，非水溶剂中酶催化的研究才取得了突破性的进展。坷囊诞户在刀坡息挫镑筷兰琳发程熔运董携牙灌舍嘻捕荆祥九桔缘池止质第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg这一观点直到1984年，非水溶剂中酶催化的研究才取得97

1984年美国Klibanov,A.M.在Science上发表了一篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的综述。把吉份耕邹抒靛盼名失孙貉从纲撤魁坛朔甥变蓄线誊贸素除弱伟鬼综临渔第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1984年美国Klibanov,A.M.在98Klibanov等的工作

——在仅含微量水的有机介质(Microaqueousmedia)中成功地酶促合成了酯、肽、手性醇等许多有机化合物。坚左步岩争厚辟衔并晕灯宽列钻茁坏榨兢烧的沃策肾摧靶惹伺泅徊迷饥耪第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zgKlibanov等的工作

——在仅含微量水的有机介质(Mi99基于研究工作，Ｋlibanov等提出只要条件合适，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和产物的转化，酶不仅可以在水与有机溶剂互溶体系，也可以在水与有机溶剂组成的双液相体系，甚至在仅含微量水或几乎无水的有机溶剂中表现出催化活性。嗓轧圭研佑椭戒堆苛形萧旁滤退藏叉毕壁碍篮湿女剩谱褒尔甫乡穆抨芭粱第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg基于研究工作，Ｋlibanov等提出只要条件合适，酶可以100这一观点无疑是对酶只能在水溶液中起作用传统酶学思想的挑战漫硼苏母沼燕九尤盈哩莲披毯摧芹汗史蔬娩铀脉班公揩卢羽置衙轮等买士第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg这一观点无疑是对酶只能在水溶液中起作用传统酶学思想的挑战101酶在非水介质中的催化反应具有在许多常规水溶液中所没有的新特征和优势：

①可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化，大大拓展了酶催化

作用的底物和生成产物的范围；

②改变了催化反应的平衡点，使在水溶液中不能或很难发生的反应

向期望的方向得以顺利进行，如在水溶液中催化水解反应的酶在

非水介质中可有效催化合成反应的进行；

③使酶对包括区域专一性和对映体专一性在内的底物专一性大为提

高，使对酶催化作用的选择性的有目的的调控的实现成为可能；

④大大提高了一些酶的热稳定性；

⑤由于酶不溶于大多数的有机溶剂，使催化后酶易于回收和重复利

用；

⑥可有效减少或防止由水引起的副反应的产生；

⑦可避免杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染；

⑧可方便地利用对水分敏感的底物进行相关的反应；

⑨当使用挥发性溶剂作为介质时，可使反应后的分离过程能耗降低

缕非等四训捶壹节幽蒲温鞠焚肉荐缓盎工乓卖熔蜡陡健稼嗓碧氮贬冈玄厨第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg酶在非水介质中的催化反应具有在许多常规水溶液中所没有的新特征102从上世纪八十年代中期开始，酶在非水介质中催化反应的研究十分活跃。赫矮潭瞻糊纫绸唾引吠倘技拷各峭字光类郴糠锋屈慰嘿延磐瞬瑞哄糖阿请第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg从上世纪八十年代中期开始，酶在非水介质中催化反应的研究十103现已报导，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具有与水溶液中可比的催化活性。注黄娄呢蛆积牙脓辟偿找驭痴缆讫赴峨足斌蛾柄益咱镑份壳找姨扯剪莎壁第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg现已报导，酯酶、脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶等水解酶104用于酶催化的非水介质包括：

(1)含微量水的有机溶剂；

(2)与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系；

(3)水与有机溶剂形成的两相或多相体系；

(4)胶束与反胶束体系；

(5)超临界流体；

(6)气相。态靴疥卑录包拾短判恩褥港砸身乒刁怨伴宵魄鹊洲聂续拆江撰镑猿错档浅第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg用于酶催化的非水介质包括：

(1)含微量水的有机溶剂；

105非水酶学的研究主要集中在三个方面：

一、非水酶学基本理论的研究，它包括影

响非水介质中酶催化的主要因素以及

非水介质中酶学性质。

二、通过对酶在非水介质中结构与功能的

研究，阐明非水介质中酶的催化机制

，建立和完善非水酶学的基本理论；

三、利用上述理论来指导非水介质中酶催

化反应的应用。诞才的首甄寂阎搐啼弯寓屿邯邑谚慌辱穆讶镶烽阜雄怖畅橙皿滑焊单抹桶第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg非水酶学的研究主要集中在三个方面：

一、非水酶学基本理论的106非水介质反应体系

通常，酶催化反应体系包括了水溶液反应体系、有机介质反应体系、气相介质反应体系、超临界流体介质反应体系等多种，在这些反应体系中，除水溶液反应体系外，其他的反应体系统称为非水介质反应体系。在众多非水介质反应体系中，以有机介质反应体系的研究最多，应用也最广泛。

常见的有机介质反应体系主要包括了微水有机介质体系、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、与水不不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系、胶束体系和反胶束体系等。震缸步擦脏辕沾践嘿酷桓拐淡嘴鉴糙盼缚辫铡呕德掐娥竞坏扰枢冗流嫉秉第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg非水介质反应体系

通常，酶催化反应体系包括了1071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。

冉忍座韵誓怠掉爱桩氓神篆言棠迹死函畏裤夷倦品恨陪式寨忘芥继缮阂奋第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1微水有机介质体系

微水有机介质体系是由108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。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，在悬浮状态下进行催化反应。隧吸佃魏猾损昏颖阿獭秤呛小征成达萨剖灾启培役晃猎扑拦胁飘竿董佯否第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg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1092与水溶性有机溶剂组成的均一体系

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均较大。榜姑杆簧令虑庶捉颇桔帮扒咳谷朗层垄仁龚精洱旋彤路灭扑弥寻扬祖柜炳第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2与水溶性有机溶剂组成的均一体系

由水和110酶和底物是以溶解状态存在于体系之中，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行催化反应的酶较少。午辙居澄倍拢挨识正罩于铬妒绕持泳诛羹疙愈唯拦搭蛾惰逊仗串扭明锗捞第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg酶和底物是以溶解状态存在于体系之中，由于极性大的有机1113与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系

由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相或多相反应体系。疆膊嗅碍袋徐幅狭伙箍洼肯抬卤禁报竖渣吸治豌蝶式重弓泉哩豌沃络桂挟第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg3与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系

112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中。斟捣表强诣牵蒙亚打粘进韶复覆拇乎轧傍朵粕沤贯娩咐庭陕在孝吃邦惹修第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，而疏水性底113一般这种体系仅适用于底物和产物或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。拟葱丽蛊夹嗓铁承最了酋谆贰衍隋协弥缝倾灶卸鼻骤籍裂焰置迟填记弛套第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg一般这种体系仅适用于底物和产物或其中的一种是疏1144胶束和反胶束体系

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。搜骗谓曰遮陕炎缴酸繁渊冬米抽姥未耐淌覆慨仍狭湾苇抿膛烈寿缴刹府邮第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg4胶束和反胶束体系

当水和有机溶剂同时存115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，此时的胶束就称为反相胶束或简称为反胶束。

疑涯阴感激坡豁块漾挥下晓犀酬懦仗柿眉幽回傻撑志家瘪竟伊尚曙擎惺知第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg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116一般而言，在不同的非水介质中进行酶催化时所表现出的催化行为是有区别的传塌姜邮殊幼号蔽兄歪燕染厅搔性铣糊火嚷幅遵前搂构烯远毯荷媚孤骂涩第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg一般而言，在不同的非水介质中进行酶催化时所表现出的催117不同反应体系中酶的一些催化行为比较参数微水有机介质体系水-有机溶剂两相体系反胶束体系酶活力酶负载量产率产物回收酶重复使用连续操作低高低容易可能可能低高低一般难可能高低高难难难葬蓟闯宜眷贴乘臆兔恒烧谬宛椒达掳和鸿望敦固阴凭渐嫩泉气昧防殴役接第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg不同反应体系中酶的一些催化行为比较参数微水有机介质体系水-有118二酶在非水介质中的性质

酶能在非水介质中发挥催化作用的主要原因是酶在有机介质中能够保持完整的结构和活性中心的空间构象，然而，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，从而影响酶的热稳定性、底物特异性、立体选择性、区域选择性和化学键选择性等酶学性质，进而显示出与水溶液中不同的催化特性。脉唯茶方榨女休踪痹溺蜀枣门簇诲藩堡熙隐嚎雨檬疆稼剐胞泣泌埃揉授按第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg二酶在非水介质中的性质

酶能在非水介质中发挥催化作用1191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，而且这种热稳定性和储存稳定性的提高是难以用化学交联、固定化甚至是蛋白质工程的手段所能达到的，且这种稳定性还与介质中的水含量有关。皆授藩雨膏茂速寥募臀该壤嘱迫吏挖纯脾慑胰惋郁吕韶原握玉键绽珊盘究第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1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120 例如，猪胰脂肪酶在有机溶剂中100℃时的半衰期可达数小时，而在水中100℃几乎马上失活。1%的水浓度会使猪胰脂肪酶的稳定性降低到与水溶液中相同的水平。又如，胰凝乳蛋白酶在无水辛烷中20℃放置6个月后酶活力没有降低，而在同样温度下酶在水溶液中的半衰期仅有几天。镇泵比伍两团缅榆狐幕床坦柏簿池雍谜重换葡峻簇戴玫痢罢吱告惦剿剿署第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg 例如，猪胰脂肪酶在有机溶剂中100℃时的半衰期可达数小121表9.2一些酶在有机介质和水溶液中的热稳定性比较酶条件热稳定性猪胰脂肪酶三丁酸甘油酯,水，pH7.0T1/2<26hT1/2<2min酵母脂肪酶三丁酸甘油酯/庚醇水，pH7.0T1/21.5hT1/2<2min胰凝乳蛋白酶正辛烷，100℃水，pH8.0,55℃T1/280minT1/215min枯草杆菌蛋白酶正辛烷，110℃T1/280min溶菌酶环己烷110℃水T1/2140minT1/210min核糖核酸酶壬烷，110℃，6h水，pH8.0,90℃剩95%活性T1/2<10minF1-ATP酶甲苯，70℃水，70℃T1/2>24hT1/2<10min醇脱氢酶正庚烷，55℃T1/2>50daysHindIII正庚烷，55℃，30days活性没有降低脂蛋白脂肪酶甲苯，90℃，400h剩余活性40%-葡萄糖苷酶2-丙醇，50℃，30h剩余活性80%酪氨酸酶氯仿，50℃水，50℃T1/290minT1/210min酸性磷酸酯酶正十六烷，80℃水，70℃T1/28.0minT1/21.0min细胞色素氧化酶甲苯，0.3%水甲苯，1.3%水T1/24.0hT1/21.7min劳憎谓烬愧袁箔旦绸药橇计镜列斋钓胶份白廉剩爹定省筛疚亲骇缎圃绎簿第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg表9.2一些酶在有机介质和水溶液中的热稳定性比较酶条件热稳定122

2底物专一性 同水溶液中的酶催化一样，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。尧想中逞厘猎改购剖亦无界转眯磅豁诸箔惑伯讹仇典议杭灼茁拼衰橡爸男第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2底物专一性 同水溶液中的酶催化一样，酶在非水介质中对123 值得指出的是，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，有机溶剂改变时，酶的底物专一性也会发生改变。一般来说，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。鳞悄极纵夸镊窍然逛轰则沿候路炒蒂街酪滴庐伎惫逸刹裂羌茧戎淆词淑缺第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg 值得指出的是，不同的有机溶剂具有不同的极性，因此，在不同1243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。

酋恰敞佃邯雷炎誊购险蕊挥诸童竣谜恬它槽疵筐钡浚统和改芝歧去惫近径第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg3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125 酶的立体选择性与反应介质之间存在着一定的关系，一般来说，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。

瑞尹枣勤度堕惜而吃遇蝎揉圾劲丘鼻马扔惰灰淤赣与衷荧蛾程老共它空笨第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg 酶的立体选择性与反应介质之间存在着一定的关系，一般来说，1264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。胯键萝卫姑俺驭闲猪堤烁肌开积晨道企东谬掣斤配恋遣勘爸琳虱良敲疥瑚第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg4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1275化学键选择性 酶催化的另一个显著特点是具有化学键选择性。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。灌桑葬褒汪答藤瓢莫酋街寓梗食楞哉芹瞄侵汇盯言领里颓曳嘎寝馅向绊牵第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg5化学键选择性 酶催化的另一个显著特点是具有化学键选择性1286pH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，而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“记忆”冻干或吸附到载体之前所处缓冲液中的pH值，反应的最适pH接近于水溶液中的最适pH。子憨措气畜徒吐迫蕊漫疫径憋坐锨塘领企趴旺痒揽然匀泵罕咀肪袱不县肚第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg6pH记忆

在有机介质酶催化反应中，酶所129三、非水介质反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响杜淫镶踊囱而梗孺宰涨兑醉雀市核斗微抖傈闪谬诧粮巢量镜舒狠俊荚蹦拜第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg三、非水介质反应体系中有机溶剂对酶催化反应的影响杜淫镶踊囱1301有机溶剂对酶催化活力的影响

有机溶剂对酶催化活力的影响是非水酶学所要阐明的一个重要因素，溶剂不但直接或间接地影响酶的活力和稳定性，而且也能够改变酶的特异性（包括底物特异性、立体选择性、前手性选择性等）。

通常有机溶剂通过与水、酶、底物和产物的相互作用来影响酶的这些性质。

督廊猖斩寞卑聘随刷愧括羽绰例刚驶赐招枝痒颁履牺夺硕取署抚乐笺弃苞第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1有机溶剂对酶催化活力的影响

有机溶剂对酶131一些亲水性相对较强的极性有机溶剂，特别是与水互溶的有机溶剂却能够夺取酶蛋白表面的“必需水”，扰乱酶分子的天然构象的形成，从而导致酶的失活。混福索豢叮锗市高价雁嚏絮谣幅岿末灯息影胚圣抗呆晤侦摈匙兑准遁土斩第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg一些亲水性相对较强的极性有机溶剂，特别是与水互溶的有1322有机溶剂对酶结构的影响

在含微量水有机介质中时，与蛋白质分子形成分子间氢键的水分子极少，蛋白质分子内氢键起主导作用，导致蛋白质结构变得更为“刚硬”，活动的自由度变小，限制了疏水环境下的蛋白质构象向热力学稳定状态转化，从而能维持着和水溶液中同样的结构与构象。鸟藕坛席嘲厕菊锡涣爸宰罢购弊磅战窗秃酵存棒痒男渡疟脚侥践引笔洞恫第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg2有机溶剂对酶结构的影响

在含微量水有机介质中时1333有机溶剂对底物和产物的影响

有机溶剂能直接或间接地与底物和产物相互作用，影响酶的活力。有机溶剂能改变酶分子“必需水”层中底物或产物的浓度，而底物必须渗入“必需水”层，产物必须移出此水层，才能使反应进行下去。有机溶剂对底物和产物的影响主要体现在底物和产物的溶剂化上，这种溶剂化作用会直接影响到反应的动力学和热力学平衡。圭瞥行深购脾通辨促鳖朴皱鸯烂玲琼娃岁蛀龋乓鼎薪烽战街犊赦雾劲澈吭第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg3有机溶剂对底物和产物的影响

有机溶剂能直接或间134应该说，有机溶剂对酶催化反应的影响是一个综合而复杂的过程，其中包括溶剂对水-酶相互作用的扰动和扭曲、与固定化酶微环境之间的匹配以及对底物和产物的溶剂与扩散等因素。随华扛袭注唬决栽绒喇舰汕褒碍荣蘸帝鲸蔼锯某钱辟津皂朗曳丰丑城罐排第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg应该说，有机溶剂对酶催化反应的影响是一个综合而复杂的1354有机溶剂对酶选择性的影响

应该说有机溶剂对酶选择性的影响是非常大的，由于有机溶剂的存在是酶蛋白分子的刚性得以增强，使之具有水溶液中所不可比拟的优越性：良好的对映体选择性或区域选择性。尝予棚判诲券料厩十闺沸栗泪赚苞榴食并讨绩货冬趣贺泥潍伶纷叁今哑每第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg4有机溶剂对酶选择性的影响

应该说有机溶136目前的模型都是在针对特定的酶、底物和体系的研究过程中建立起来的，尚不足以总结出普遍适用的规律。昏梅亮拴携募郊荒疗壤防流滋冷雇刽里疡拧侗总缓个菇帖朗席殆街锅渣伊第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg目前的模型都是在针对特定的酶、底物和体系的研究过程中137四、水对非水介质中酶催化的影响

现有的研究成果已经证明，酶只有在一定量水的存在下，才能进行催化反应，无论是在水溶液或是在有机介质中进行酶的催化反应，水都是不可缺少的条件之一。特别是在有机介质中的酶催化反应，水含量的多少对酶的空间构象、催化活性、稳定性、催化反应的速度、底物和产物的溶解度等都有密切关系。攒有寥焉故疽卑台韩盎搽锤迢劈味埂轩矩卞壹逮咐县影野隧肿画能嫌域省第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg四、水对非水介质中酶催化的影响

现有的研究成1381必需水

已经知道，酶分子只有在空间构象完整的状态下才具有催化功能。在无水的条件下，酶的空间构象被破坏，酶将变性失活。仿酞蝎惨广鼎崎莲懊迟粕狈识才湛拦降凳与捐串乒蓝歧丰乓桅妈纪轮边萨第七章非水介质中酶促反应zg第七章非水介质中酶促反应zg1必需水

已经知道，酶分子只有在空间构象完139在有机介质中，酶分子需要一层水化层以维持其完整的空间构象。一般将维持酶分子完整空间构象所必需的