非水介质中酶的化学催化反应

非水介质中酶的化学催化反应主要内容非水介质中酶的催化反应及特征(比较重要)非水介质中酶的结构与性质(比较重要)微水有机溶剂的影响与反应介质工程(重要)“pH值记忆”与“分子印迹”技术(重要)反向胶团的酶学研究(了解)水-有机溶剂两相体系(了解)酶在非水介质中的催化反应(了解)(了解)10.1非水介质中酶的催化反应非水酶催化技术起源于20世纪80年代(1984年的Science文章为标志)，起初主要是为了解决非极性底物的转化问题，出现后备受追捧，并获得了广泛的应用。原因：在非水介质中酶催化反应具有新的特点和优势；在非水介质中酶的稳定性增加。10.1非水介质中酶的催化反应哪些特点和优势？适用于脂溶性的底物，拓宽了底物范围。反应的平衡点发生了变化。在水溶液中不能发生的反应可以在非水介质中发生，如脂肪酶可催化合成反应。专一性增加，特别是手性专一性提高。稳定性提高。易回收使用避免微生物污染。减少或防止由水引起的副反应。可催化对水敏感的底物反应。10.1非水介质中酶的催化反应热稳定性提高，原因？酶的变性失活需水的参与，如形成错误的空间结构，需氢键变换，而水参与形成氢键；S-S键破坏，需水的参与；天冬酰胺、谷氨酰胺的脱酰胺反应；天冬酰胺、谷氨酰胺构成的肽键发生水解等。非水介质中无水或水含量很少。10.1非水介质中酶的催化反应干猪胰脂肪酶在100℃失活曲线湿酶和干酶在不同含水量有机溶剂中的半衰期10.2非水介质中酶的结构与性质10.2.1非水介质中酶的结构酶不能直接溶于有机溶剂，非水介质中的酶可能以两种形式存在：不溶的固态酶(较多见)溶解的酶(通过修饰后使酶能溶解于有机溶剂中)不溶的固态酶，其周围仍结合有微量水份。水分少，氢键以酶分子内形成为主导，酶分子的刚性强，稳定性好。10.2非水介质中酶的结构与性质10.2非水介质中酶的结构与性质10.2非水介质中酶的结构与性质10.2.2非水介质中的酶学性质10.2.2.1酶的稳定性提高非水介质中酶的稳定性提高。水分少，酶蛋白的结构刚性增强，引起酶变性失活的因素减少。10.2非水介质中酶的结构与性质10.2非水介质中酶的结构与性质10.2.2.2酶的特异性发生变化底物的特异性对映体的选择性位置选择性化学键选择性所有这些特异性的变化都与“分配”有关，即底物、对映体、基团等在有机溶剂和水中的分配10.2非水介质中酶的结构与性质N-乙酰-L-苯丙氨酸或N-乙酰-L-丝氨酸与丙醇的酯交换反应，在水和有机溶剂中的选择性与底物在两相中的分配系数有关10.2非水介质中酶的结构与性质酯交换反应。辛基决定反应发生的方向，水相辛基与酶活性中心结合，有机相辛基远离酶活性中心。10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程10.3.1水的作用及其调控10.3.1.1水是酶构象的润滑剂无水则酶为绝对刚性，绝对刚性的酶是没有活性的。有少量水则柔性增加，活性恢复，水分增加到一定程度后继续增加对活性的提高没有促进。10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程溶剂中的微量水可结合在酶分子上，从而使酶具有催化活性10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程10.3.1.2水分测定与水活度酶的催化活力与其结合水的多少直接相关，而其结合水与水活度直接相关。水在反应体系中会发生分配。这种分配导致直接以溶剂中的水含量计算酶的结合水会出现误差，以水活度计算才比较准确。水活度的定义：在一定温度和压力下，反应体系中水的蒸汽分压与相同条件下纯水的蒸汽压之比。水含量的测定：卡尔-费休法。10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程通俗地说，水活度反应有多少自由的水，或有多少可用的水。10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程加水量对脂肪酶催化正辛醇与三丁酸甘油酯转酯反应速率的影响10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程10.3.1.3水活度的调控饱和溶液平衡法。将酶与盐的饱和溶液平衡，同时将含有底物的溶剂平衡至相同的水活度。高水合盐调节法。向干燥的反应体系中直接加入一种高水和盐。如NaHPO4·12H2O变为NaHPO4·2H2O时向反应体系释放水。10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程10.3.2有机溶剂的影响与反应介质工程10.3.2.1有机溶剂的作用与lgP在不同的有机溶剂中酶的催化活性有差异。差异的来源：有机溶剂作用于结合在酶表面的水层，产生溶剂“扭曲（或扰动）”效应。溶剂产生溶剂扭曲效应的能力与其疏水性(极性)有关，疏水性(极性)指标可用lgP表征。极性越强，“扭曲”越强。P(分配系数)的概念：化合物(如非水介质)在标准正辛醇-水两相体系中的分配系数。10.3微水有机溶剂的影响与反应介质工程10.4“pH值记忆”与“分子印迹”技术Zakes和Klibanov将猪胰脂肪酶溶解于具有不同pH值的缓冲液中，然后在冷丙酮中进行沉淀，真空干燥，从而使酶带有不同初始微环境pH，然后用于催化三丁酸甘油脂的水解。结果发现酶的水解活力与溶解酶的缓冲液pH值有很大关系，两者呈钟罩形曲线。从而验证了酶具有“记忆”pH值的能力。与pH记忆相似，蛋白质分子还具有对配体的“记忆”功能。蛋白质溶于高浓度配体溶液中，冻干后用无水溶剂洗去配体，获得的蛋白质中会有许多由配体结合时留下的“印迹”。分子印迹有可能改变酶的专一性。10.5反向胶团的酶学研究反向胶团酶催化体系的概念：在非极性有机溶剂中，酶分子溶解在由表面活性剂形成的含水反向胶团内催化底物的转化。反向胶团溶液为均相、热力学稳定的透明液体，有点类似于生物细胞。10.5反向胶团的酶学研究10.5.1反向胶团的形成与酶的包裹体系中有水和有机溶剂同时存在时，两性表面活性剂分子可能会形成胶团。水>>溶剂，形成常规胶团，水包油；溶剂>>水，形成反向胶团，油包水；水和溶剂相对时，不形成胶团。酶可存在于胶团内，也可存在于其边缘，与酶的亲水性有关。10.5反向胶团的酶学研究10.5反向胶团的酶学研究10.5反向胶团的酶学研究10.5反向胶团的酶学研究10.5.2反向胶团包覆酶的催化特性催化反应动力学符合MM方程；催化活性可能发生改变，出现所谓的超活力；专一性可能发生改变，由溶剂的分配引起。10.5.3反向胶团的酶学应用10.6水-有机溶剂两性体系10.6.1两相体系的特点与构成水相和有机相构成两相，酶在水相，底物或产物主要在有机相。相当于非典型的非水介质酶催化反应。底物或产物在两相分配，有机相多，水相少。10.6.2两相体系的应用10.7酶在非水介质中催化的反应10.7.1酶催化反应的类型10.7.1.1酯酶和脂肪酶的酯合成反应、转酯反应剂酸酐水解反应10.7.1.2