第九章 酶的非水相催化

1、 有機介質中的酶催化是指酶在有機介質中的酶催化是指酶在含有一定量水含有一定量水的有機的有機溶劑中進行的催化反應。溶劑中進行的催化反應。 適用于底物、產物兩者或其中之一為疏水性物質的適用于底物、產物兩者或其中之一為疏水性物質的酶催化作用。酶催化作用。 酶在氣相介質中進行的催化反應。酶在氣相介質中進行的催化反應。 適用于底物是氣體或者能夠轉化為氣體的物質的適用于底物是氣體或者能夠轉化為氣體的物質的酶催化反應。酶催化反應。 酶在超臨界流體中進行的催化反應。酶在超臨界流體中進行的催化反應。 超臨界流體是指溫度和壓力超過某物質超臨界點的超臨界流體是指溫度和壓力超過某物質超臨界點的流體。流體。 在離子液中

2、進行的催化作用。在離子液中進行的催化作用。 離子液（離子液（ionic liquidsionic liquids）是由有機陽離子與有機）是由有機陽離子與有機（無機）陰離子構成的，在室溫條件下呈液態(tài)的低熔點鹽（無機）陰離子構成的，在室溫條件下呈液態(tài)的低熔點鹽類，揮發(fā)性低、穩(wěn)定性好。類，揮發(fā)性低、穩(wěn)定性好。6.2 有機介質中水和有機溶劑對酶催化反應的影響有機介質中水和有機溶劑對酶催化反應的影響 （1 1）微水介質體系）微水介質體系( (含水量一含水量一般小于般小于2%)2%)酶以酶以凍干粉凍干粉或或固定化酶固定化酶的形式的形式懸懸浮于有機溶劑浮于有機溶劑中，在懸浮狀態(tài)下中，在懸浮狀態(tài)下進行反應進行

3、反應。（4 4）膠束體系）膠束體系（5 5）反膠束體系）反膠束體系反相膠束與生物膜有相似之處適用于生物膜表面反相膠束與生物膜有相似之處適用于生物膜表面或與膜結合的酶的結構、催化特性和動力學性質或與膜結合的酶的結構、催化特性和動力學性質研究研究。（酶被限制在含水的微環(huán)境中，而底物和（酶被限制在含水的微環(huán)境中，而底物和產物可以自由進出膠束）看圖正、反膠束體系產物可以自由進出膠束）看圖正、反膠束體系“緊密緊密”：酶分子內的氫鍵：酶分子內的氫鍵“開啟開啟”：酶分子間的氫鍵：酶分子間的氫鍵a不同酶需水量不同不同酶需水量不同b. 同一種酶在不同有機溶劑中需水量不同同一種酶在不同有機溶劑中需水量不同溶劑疏水

4、性越強，需水量越少溶劑疏水性越強，需水量越少生物催化劑必需水層（1 1）必需水（）必需水（essential wateressential water）：）： 緊緊吸附在酶分子表面，維持酶催化活性所必需的最少最少量水。（1） 與酶分子表面帶電基團結合達到0-0.07g/g（水/酶）：一個酶分子周圍有0-60個水分子，蛋白質自由度無，酶活無（2） 與表面的極性基團結合(0.07-0.25g/g)：一個酶分子周圍有60-220個水分子，蛋白質自由度上升，顯示出酶活（3） 凝聚到表面相互作用較弱的部位（0.250.38g/g）：一個酶分子周圍有220-300個水分子，蛋白質自由度上升，最大酶活（4）

5、 酶分子表面完全水化，被一層水分子覆蓋。：酶分子周圍的水分子達到300以上，酶活降低，自由度最大干燥的酶水合過程：干燥的酶水合過程：有機溶劑的極性有機溶劑的極性lgP 極性參數(shù)極性參數(shù)P溶劑在正辛烷與水兩相中的分配系數(shù)溶劑在正辛烷與水兩相中的分配系數(shù) 研究表明，有機溶劑的極性越強，越容易奪研究表明，有機溶劑的極性越強，越容易奪取酶分子結合水，對酶活力的影響就越大。取酶分子結合水，對酶活力的影響就越大。用有機溶劑極性參數(shù)lgP描述有機溶劑的極性與酶活力之間的關系溶劑極性對酶活性影響的規(guī)律（溶劑極性對酶活性影響的規(guī)律（Laane規(guī)律）規(guī)律）lglgP P性質性質水中溶解度水中溶解度/% /% (2

6、0)(20)對酶活性的影響對酶活性的影響2 2 極性溶劑極性溶劑0.40.4容易使酶失活，較少使容易使酶失活，較少使用用2 2，4 4中等極性中等極性0.040.040.40.4酶的活性難以預測，小酶的活性難以預測，小心使用。可以表現(xiàn)酶活心使用。可以表現(xiàn)酶活4 4非極性非極性0.040.04不會引起酶的變性，能不會引起酶的變性，能保持酶的高活性保持酶的高活性（1 1）有機溶劑對酶）有機溶劑對酶必需水必需水的影響的影響n極性弱的溶劑：影響小n極性強的溶劑：奪取酶必需水n疏水性溶劑：不易溶解吸附酶必需水n酶的失水與溶劑的極性參數(shù)極性參數(shù)（lgP）和介電常數(shù)介電常數(shù)（）相關，與系統(tǒng)中底物的極性、底物

7、濃度底物的極性、底物濃度和含水量含水量均有關系PSn催化過程：nSE-SE-PP （水相反應）nSwater shellE-SE-PPorganic phase （非水介質）n主要推動力：n底物-酶之間的結合能Organic SolventE-SE-P底物分子底物分子必須先進入酶分子的必須先進入酶分子的必需水層必需水層，再進入到酶活性中心完成催，再進入到酶活性中心完成催化過程，化過程，產物產物同樣需要先進入水層再轉移到反應介質。同樣需要先進入水層再轉移到反應介質。（2 2）有機溶劑對）有機溶劑對底物和產物分配底物和產物分配的影響的影響+底物與有機介質的極性差異NAcLPheOEtNAcLSer

8、OEt疏水性底物疏水性底物親水性底物親水性底物叔丁醇或叔丁胺親水性溶劑親水性溶劑CH2Cl2疏水性溶劑疏水性溶劑subtilisin 反應快反應快反應快反應快許多酶活性中心是疏水性疏水性的，容易與疏水性底物疏水性底物結合進行反應，疏水性底物容易從水中析出到達疏水性活性中心。 在疏水性強的有機溶劑中，疏水性底物與有機溶劑間的相互相互作用增強作用增強，底物從溶劑中到達活性中心比在水中困難，從而酶酶催化反應速度減慢催化反應速度減慢。極性小極性小疏水性強疏水性強底物在有機溶劑中溶解度大難于進入必需水層極性大極性大親水性強親水性強底物在有機溶劑中溶解度小，底物濃度降低有機溶劑有機溶劑 催化速度降低催化速

9、度降低適宜適宜lgP： lgP 5（疏水性底物）（疏水性底物）n有機溶劑對酶催化反應的影響：n酶的活性和穩(wěn)定性n酶的底物特異性、對映體選擇性、潛手性選擇性、位置選擇性、化學鍵選擇性n原因：n與必需水作用n與底物和產物作用n改變酶蛋白的結構與柔韌性n改變酶促反應動力學特征6.4 6.4 酶在有機介質中的催化特性酶在有機介質中的催化特性有機介質對酶的表面結構、活性中心的結合部位和底物性質都有機介質對酶的表面結構、活性中心的結合部位和底物性質都會產生一定的影響，從而顯示出與水相介質中不同的催化特性會產生一定的影響，從而顯示出與水相介質中不同的催化特性. .n底物特異性底物特異性n立體選擇性立體選擇性

10、n區(qū)域選擇性區(qū)域選擇性n鍵選擇性鍵選擇性n熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性n活性活性npHpH值值6.4.2 6.4.2 立體選擇性立體選擇性 6.4.3 6.4.3 位置選擇性位置選擇性酶能夠選擇底物分子中某一區(qū)域的基團優(yōu)先進行反應。酶能夠選擇底物分子中某一區(qū)域的基團優(yōu)先進行反應。位置特異性位置特異性：酶可以選擇性地催化底物中某個區(qū)域的基團發(fā)生反應就是位置特異性，也稱區(qū)域選擇性。6.4.4 6.4.4 化學鍵選擇性化學鍵選擇性化學鍵選擇性是指當同一個底物分子中有化學鍵選擇性是指當同一個底物分子中有2個以上的化學鍵個以上的化學鍵都可以與其進行反應時，酶對其中的一個化學鍵可以優(yōu)先進都可以與其進行反應時，酶對其中

11、的一個化學鍵可以優(yōu)先進行催化反應。行催化反應。介質的轉換對酶的化學鍵選擇性有不同程度的影響介質的轉換對酶的化學鍵選擇性有不同程度的影響n根據(jù)分子識別理論，酶通過配體的誘導、相互作用改變酶的構象，從而獲得與配體類似物結合的能力，這種由配體誘導產生的酶的記憶的方法稱為分子記憶（molecular memory）n酶蛋白分子在有機相中具有對配體的“記憶”功能。有機相生物印跡酶有機相生物印跡酶枯草桿菌蛋白酶溶液枯草桿菌蛋白酶溶液含含N-Ac-Tyr-NHN-Ac-Tyr-NH2 2 凍干凍干除去抑制劑除去抑制劑枯草桿菌枯草桿菌蛋白酶蛋白酶枯草桿菌蛋白酶溶液枯草桿菌蛋白酶溶液不含不含N-Ac-Tyr-N

12、HN-Ac-Tyr-NH2 2 凍干凍干枯草桿菌枯草桿菌蛋白酶蛋白酶在辛烷中催化酯化反應的速度比較：在辛烷中催化酯化反應的速度比較：反應（反應（1 1）中得到）中得到的酶比反應（的酶比反應（2 2）中得到的酶高）中得到的酶高100100倍倍在水溶液中其活性：在水溶液中其活性：相同相同掌握原理掌握原理（1）（2）酶蛋白抑制劑凍干除去抑制劑有機溶劑水溶液分子記憶n原理：n競爭性抑制劑誘導酶活性中心構象發(fā)生變化，形成一種高活性的構象形式，而此種構象形式在除去抑制劑后，因酶在有機介質中的高度剛性而得到保持。n水直接或間接參與了酶天然構象中所有的非共價相互作用,水充當了酶結構的“潤滑劑”，使酶分子的柔性

13、增強，原來形成的高活性構象不再保持。沉淀或凍干最適pH水或緩沖液有機溶劑pH決定酶的離子化狀態(tài)影響酶的構象酶的活性和選擇性可以保持酶的最佳電離狀態(tài)， “記住”最適pH最適pH與水相中的最適pH相同。u有機相中酶能夠記住記住最后保存其的水溶液的pH，稱為“pH記憶”（pH memory）。n“pH記憶記憶”原因原因n（A）有機溶劑不會改變酶蛋白帶電基團的離子化狀態(tài)，（在有機溶劑的環(huán)境中，不會發(fā)生質子化及脫質子化的現(xiàn)象)。所以酶在有機溶劑中的化學狀態(tài)與從中提取該酶的水溶液中的化學狀態(tài)保持相同；n（B）酶在有機溶劑中結構剛性的增加保持了之前水溶液中帶電官能團正確的離子化狀態(tài)，對酶的活性和穩(wěn)定性都非常

14、重要。n實驗現(xiàn)象：隨著凍干時用的緩沖溶液的離子強度增大，酶活會增大。6.6 6.6 酶非水相催化的應用酶非水相催化的應用 手性化合物：是指化學組成相同，而其立體結構互為對映體的兩種異構體化合物一種有顯著療效，另一種有療效弱或無效一種有顯著療效，另一種有毒副作用兩種對映體的藥效相反兩種對映體具有各自不同的藥效兩種消旋體的作用具有互補性手性藥物兩種對手性藥物兩種對映體的藥效差異映體的藥效差異手性藥物兩種對映體的藥理作用手性藥物兩種對映體的藥理作用NH2COOHHNCOOHPhacNH2COOHHNCOOHPhacDL-TlePhacCl10% NaOH+PGAN-Phac-(DL)-TleN-Ph

15、ac-(D)-TleL-TleShu-Lai Liu，Dongzhi Wei*, et al., Bioprocess and Biosystems Engineering, 2006(In press).Shu-Lai Liu，Dongzhi Wei*, et al., Preparative Biochemistry & Biotechnology, 2006(In press).青霉素?；复呋辶涟彼岵鸱智嗝顾仵；复呋辶涟彼岵鸱?利用其底物專一性及對映體的選擇性進行光學異構體利用其底物專一性及對映體的選擇性進行光學異構體的合成與拆分。的合成與拆分。 乙酸異丙酯乙酸乙烯醇酯 PSL 消旋化合物 RRSS+RCOOCH3