《酶工程》課件-酶的非水相催化

1、第七章 酶的非水相催化第一節(jié) 酶非水相催化的研究概況 1、概念：是指酶在含有一定量水的有機(jī)溶劑中進(jìn)行的催化反響。一、酶的非水相催化的概念指酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行的催化作用。二、酶的非水相催化的分類根據(jù)所用非水介質(zhì)的不同，分為四種：一有機(jī)介質(zhì)中的酶催化2、適用對象：底物、產(chǎn)物兩者或其中之一為疏水性物質(zhì)的酶催化作用。 1第七章 酶的非水相催化第一節(jié) 酶非水相催化的研究概況 1、概念：是指酶在氣相介質(zhì)中進(jìn)行的催化反響。一、酶的非水相催化的概念指酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行的催化作用。二、酶的非水相催化的分類根據(jù)所用非水介質(zhì)的不同，分為四種：二氣相介質(zhì)中的酶催化2、適用對象：底物是氣體或者能夠轉(zhuǎn)化為氣體的物質(zhì)的酶催

2、化反響。2第七章 酶的非水相催化第一節(jié) 酶非水相催化的研究概況 1、概念：是指酶在超臨界流體介質(zhì)中進(jìn)行的催化反響。 一、酶的非水相催化的概念指酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行的催化作用。二、酶的非水相催化的分類根據(jù)所用非水介質(zhì)的不同，分為四種：三超臨界流體介質(zhì)中的酶催化 2、超臨界流體應(yīng)當(dāng)具備的條件：1對酶結(jié)構(gòu)沒有破壞作用，對催化作用沒有明顯的不良影響。2具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，對設(shè)備沒有腐蝕性。3超臨界溫度不能太高或太低，最好在室溫附近或在酶催化的最適溫度附近。4超臨界壓力不能太高，可節(jié)約壓縮動力費(fèi)用。5容易獲得，價格要廉價。3第七章 酶的非水相催化第一節(jié) 酶非水相催化的研究概況 概念：是指酶在離子液介質(zhì)中

3、進(jìn)行的催化作用。 一、酶的非水相催化的概念指酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行的催化作用。二、酶的非水相催化的分類根據(jù)所用非水介質(zhì)的不同，分為四種：四離子液介質(zhì)中的酶催化4第七章 酶的非水相催化第二節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響 所有的酶催化反響都要在一定的反響體系中進(jìn)行，酶催化反響的體系主要有 ：水溶液反響體系最常規(guī)的酶反響體系非水介質(zhì)反響體系 氣相介質(zhì)反響體系 微水介質(zhì)體系研究最多，應(yīng)用最廣泛 與水溶性有機(jī)溶劑組成的均一體系與水溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系 正膠束體系 反膠束體系 有機(jī)介質(zhì)反響體系研究最多，應(yīng)用最廣泛超臨界流體介質(zhì)反響體系離子液介質(zhì)反響體系 5第七章 酶的非水相催化第二節(jié)

4、 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響一、有機(jī)介質(zhì)反響體系一微水介質(zhì)體系二與水溶性有機(jī)溶劑組成的均勻體系三與水溶性有機(jī)溶劑組成的兩相或多相體系1、概念：是指由有機(jī)溶劑和微量的水組成的反響體系。2、反響體系中酶的存在形式：以凍干粉或固定化酶的形式懸浮存在。1、概念：是指由水和極性較大的有機(jī)溶劑互相混溶組成的反響體系。2、反響體系中酶的存在形式：以溶解狀態(tài)存在。 1、概念：是指由水和疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑組成的兩相或多相反響體系。 2、反響體系中酶的存在形式：游離酶以溶解狀態(tài)存在，固定化酶以懸浮形式存在。6第七章 酶的非水相催化第二節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響四正膠束體系五反膠束

5、體系1、概念：是指在大量水溶液中含有少量與水不相混溶的有機(jī)溶劑，參加外表活性劑后形成的水包油的微小液滴。2、反響進(jìn)行的部位：在膠束的兩相界面中進(jìn)行，酶在膠束外面的水溶液中，疏水性的底物或產(chǎn)物在膠束內(nèi)部。1、概念：是指在大量與水不相混溶的有機(jī)溶劑中，含有少量的水溶液，參加外表活性劑后形成的油包水的微小液滴。2、反響進(jìn)行的部位：在膠束的兩相界面中進(jìn)行，酶在膠束內(nèi)面的水溶液中，疏水性的底物或產(chǎn)物在膠束外部。一、有機(jī)介質(zhì)反響體系7第七章 酶的非水相催化第二節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響二、水對有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響 酶都溶于水，只有在一定量水存在的條件下，酶分子才能進(jìn)行催化反響，所以有機(jī)

6、介質(zhì)中水的含量對酶的催化作用有一定的影響。 一水對酶分子空間構(gòu)象的影響1、必需水的概念：是指維持酶分子完整的空間構(gòu)象所必需的最低水量。2、影響：酶分子失去必需水后，其空間構(gòu)象將被破壞，失去催化功能。8第七章 酶的非水相催化第二節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響 二水對酶催化反響速度的影響1、最適水含量的概念：是指在催化反響速度到達(dá)最大時的水含量 。2、影響：對酶催化反響速度有顯著的影響。第七章 酶的非水相催化第二節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響二、水對有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響 酶都溶于水，只有在一定量水存在的條件下，酶分子才能進(jìn)行催化反響，所以有機(jī)介質(zhì)中水的含量對酶的催化作

7、用有一定的影響。 9第七章 酶的非水相催化第二節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響三水活度1、有機(jī)介質(zhì)中水的存在形式：3、水活度的概念：是指體系中水的逸度與純水逸度之比。2、結(jié)合水是影響酶催化活性的關(guān)鍵因素。二、水對有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響 酶都溶于水，只有在一定量水存在的條件下，酶分子才能進(jìn)行催化反響，所以有機(jī)介質(zhì)中水的含量對酶的催化作用有一定的影響。 (1)與酶分子緊密結(jié)合的結(jié)合水。(2)溶解在有機(jī)溶劑中的游離水。 10第七章 酶的非水相催化第二節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響 三、有機(jī)溶劑對有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響 有機(jī)溶劑是有機(jī)介質(zhì)反響體系中的主要成分之一，所以它對酶的

8、催化作用有一定的影響。 一有機(jī)溶劑對酶結(jié)構(gòu)與功能的影響1、有些酶在有機(jī)溶劑的作用下，其空間結(jié)構(gòu)受到破壞，影響酶的活性甚至使酶失活。2、有些酶在有機(jī)溶劑中，基整體結(jié)構(gòu)和活性中心根本上保持完整，能夠在適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)介質(zhì)中進(jìn)行催化反響，但也可能對酶的外表結(jié)構(gòu)和活性中心產(chǎn)生一定的影響。11第七章 酶的非水相催化第二節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中水和有機(jī)溶劑對酶催化反響的影響二有機(jī)溶劑對酶活性的影響 有些有機(jī)溶劑，特別是極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑，會奪取酶分子的結(jié)合水，使酶的活性降低甚至失活。 三有機(jī)溶劑對底物和產(chǎn)物分配的影響 有機(jī)溶劑與水之間的極性不同，在反響過程中會影響底物和產(chǎn)物的分配，即改變酶分子必需水層中底物和產(chǎn)物的濃度，

9、降低反響速度。 三、有機(jī)溶劑對有機(jī)介質(zhì)中酶催化的影響 有機(jī)溶劑是有機(jī)介質(zhì)反響體系中的主要成分之一，所以它對酶的催化作用有一定的影響。 12第七章 酶的非水相催化第三節(jié) 酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性 酶在有機(jī)介質(zhì)中由于能根本保持其完整的結(jié)構(gòu)和活性中心的空間構(gòu)象，所以能夠發(fā)揮其催化功能。然而，酶在有機(jī)介質(zhì)中起催化作用時，由于有機(jī)溶劑與水之間的極性不同，對酶外表結(jié)構(gòu)、活性中心的結(jié)合部位和底物性質(zhì)都會產(chǎn)生一定的影響，從而影響酶的底物專一性、對映體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性和熱穩(wěn)定性等，而顯示出與水相中不同的催化特性。 13第七章 酶的非水相催化一、底物專一性底物特異性一在有機(jī)介質(zhì)中，由于酶分子活性中心的

10、結(jié)合部位與底物之間的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生某些變化，使底物的特異性發(fā)生某些改變。二不同的有機(jī)溶劑由于具有不同，酶的底物專一性也不同。一般說來，在極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，疏水性較強(qiáng)的底物容易反響；在極性較弱的有機(jī)溶劑中，疏水性較弱的底物容易反響。第三節(jié) 酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性14第七章 酶的非水相催化 二、對映體選擇性立體選擇性、立體異構(gòu)專一性一概念：是指酶在對稱的外消旋化合物中識別一種異構(gòu)體的能力大小的指標(biāo)。對映體選擇性的強(qiáng)弱用立體選擇系數(shù)的大小表示。二立體選擇系數(shù)KLD式中: KLD 立體選擇系數(shù) L L-型異構(gòu)體 D D-型異構(gòu)體 Km 米氏常數(shù) Kcat 酶的轉(zhuǎn)換數(shù) (Kcat/Km)LKLD=

11、(Kcat/Km)D 酶在有機(jī)介質(zhì)與在水溶液中催化比較,由于介質(zhì)的特性發(fā)生改變,使酶的對映體選擇性發(fā)生改變。 第三節(jié) 酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性(三)影響對映體選擇性的強(qiáng)弱用立體選擇系數(shù)的大小表示。15第七章 酶的非水相催化三、區(qū)域選擇性一概念：是指酶能夠選擇底物分子中某一區(qū)域的基團(tuán)優(yōu)先進(jìn)行反響。 酶區(qū)域選擇性的強(qiáng)弱用區(qū)域選擇系數(shù)的大小表示。 二區(qū)域選擇系數(shù)Krs式中: Krs 區(qū)域選擇系數(shù) 1 區(qū)域位置1 2 區(qū)域位置2 Km 米氏常數(shù) Kcat 酶的轉(zhuǎn)換數(shù) (Kcat/Km)1Krs= (Kcat/Km)2 酶在有機(jī)介質(zhì)與在水溶液中催化比較,由于介質(zhì)的特性發(fā)生改變,使酶的區(qū)域選擇性發(fā)生改變。

12、第三節(jié) 酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性(三)影響16第七章 酶的非水相催化 四、鍵選擇性一概念：是指在同一個底物分子中有2種以上的化學(xué)鍵都可以與酶反響時，酶對其中一種化學(xué)鍵優(yōu)先進(jìn)行反響。二影響:酶在有機(jī)介質(zhì)中與在水溶液中催化比較,由于介質(zhì)的特性發(fā)生改變,使酶的鍵選擇性發(fā)生改變。 五、熱穩(wěn)定性一許多酶在有機(jī)介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性比在水中的熱穩(wěn)定性更好。 二酶在有機(jī)介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性與介質(zhì)中水含量有關(guān)。一般隨著介質(zhì)中水含量的增加，熱穩(wěn)定性下降。六、pH值特性 在有機(jī)介質(zhì)反響中，酶所處的pH值環(huán)境與酶在凍干或吸附到載體上之前所使用的緩沖液的pH值相同即pH值印記或記憶。第三節(jié) 酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性17第七章

13、酶的非水相催化第四節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的條件及其控制 酶在有機(jī)介質(zhì)中的各種催化反響受到各種因素的影響。主要有酶的種類和濃度、底物的種類和濃度、有機(jī)溶劑的種類、水含量、溫度、pH值和離子強(qiáng)度等。為了提高酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化效率和選擇性，必需控制好各種條件并根據(jù)情況變化加以必要的調(diào)節(jié)控制。 酶在有機(jī)介質(zhì)中可能催化多種反響，主要包括合成反響、轉(zhuǎn)移反響、醇解反響、氨解反響、異構(gòu)反響、氧化復(fù)原反響、裂合反響等。18第七章 酶的非水相催化一、有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的類型一合成反響 原來在水溶液中催化水解反響的酶類，在有機(jī)介質(zhì)中，由于水的含量極微，水解反響難以發(fā)生。此時，酶可以催化其逆反響，即催化合成反響

14、。 例如：脂肪酶或酯酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化有機(jī)酸和醇進(jìn)行酯類的合成反響。二轉(zhuǎn)移反響 在有機(jī)介質(zhì)中，酶可以催化一些轉(zhuǎn)移反響。例如：脂肪酶可以催化轉(zhuǎn)酯反響，即催化一種酯與一種有機(jī)酸反響，生成另一種酯和有機(jī)酸。第四節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的條件及其控制 19第七章 酶的非水相催化三醇解反響某些酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化一些醇解反響。例如：假單胞脂肪酶可以在二異丙醚介質(zhì)中催化酸酐醇解生成二酸單酯化合物。 四氨解反響某些酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化一些酯類進(jìn)行氨解反響。 例如：脂肪酶可以在叔丁醇介質(zhì)中催化外消旋苯甘氨酸甲酯進(jìn)行不對稱氨解反響，將R-苯丙氨酸甲酯氨解生成R-苯丙氨酰胺和甲醇。 第四節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催

15、化反響的條件及其控制 一、有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的類型20第七章 酶的非水相催化五異構(gòu)反響 一些異構(gòu)酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化異構(gòu)反響，將一種異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為另一種異構(gòu)體。 例如：消旋酶催化一種異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為另一種異構(gòu)體，生成外消旋的化合物。 六氧化復(fù)原反響 不少氧化復(fù)原酶類可以在一定的有機(jī)介質(zhì)中催化氧化反響，也可以催化復(fù)原反響。 例如：1、單加氧酶催化二甲基苯酚與分子氧反響，生成二甲基二羥基苯。 2、馬肝醇脫氫酶可以在有機(jī)介質(zhì)中催化醛類化合物或者酮類化合物復(fù)原，生成伯醇或仲醇等醇類化合物。 第四節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的條件及其控制 一、有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的類型七裂合反響 酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化裂合反

16、響。例如：醇腈酶催化醛與氫氰酸反響生成醇腈衍生物。 21第七章 酶的非水相催化二、酶的選擇一根據(jù)酶在所使用的有機(jī)介質(zhì)中專一性選擇適宜的底物。四、有機(jī)溶劑的選擇 二根據(jù)底物的極性，結(jié)合有機(jī)溶劑的選擇，控制好底物的濃度。三、底物的選擇和濃度控制根據(jù)需要通過試驗(yàn)進(jìn)行選擇。通常選用2lgP5的溶劑作為催化反響的介質(zhì)。第四節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的條件及其控制 22第七章 酶的非水相催化五、水含量的控制 通過試驗(yàn)確定有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的最適溫度，以提高酶催化反響的速度。一調(diào)節(jié)緩沖液pH值和離子強(qiáng)度。七、pH值的控制六、溫度的控制通過試驗(yàn)確定反響體系的最適水含量。 二在酶的冷凍枯燥過程中，還要參加一定量

17、的冷凍枯燥保護(hù)劑，減少冷凍枯燥對酶活性的影響。三在有機(jī)介質(zhì)中參加某些有機(jī)相緩沖液。 第四節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化反響的條件及其控制 23第七章 酶的非水相催化第五節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化的應(yīng)用 酶在非水相介質(zhì)中可以催化多種反響。通過酶的催化作用，可以生成一些具有特殊性能與功能的產(chǎn)物，在醫(yī)藥、食品、化工、功能材料、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。 24第七章 酶的非水相催化一、手性藥物的拆分一手性藥物的概念 是指化學(xué)組成相同，而其立體結(jié)構(gòu)互為對應(yīng)體的兩種異構(gòu)體化合物。二手性藥物的分類 根據(jù)兩種對映體之間的藥理、藥效差異，分為5種類型 1、一種對映體有顯著療效，另一種療效很弱或沒有

18、療效。 2、一種對映體有療效，另一種有不良反響。 3、兩種對映體藥效相反。 4、兩種對映體具有各自不同的藥效。 5、兩種消旋體的作用具有互補(bǔ)性。 對于1-4類的手性藥物，兩種對映體的藥理、藥效有很大的差異，所以有必要進(jìn)行對映體的拆分，只有在5類的情況下，才使用消旋體。 三酶在手性化合物拆分方面的應(yīng)用 第五節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化的應(yīng)用 25第七章 酶的非水相催化 酶在手性化合物拆分方面的研究、開發(fā)和應(yīng)用越來越廣泛。 1、環(huán)氧丙醇衍生物的拆分。第七章 酶的非水相催化一、手性藥物的拆分一手性藥物的概念二手性藥物的分類三酶在手性化合物拆分方面的應(yīng)用 第五節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化的應(yīng)用 2、芳基丙酸衍生物的拆

19、分。3、苯甘氨酸甲酯的拆分。26第七章 酶的非水相催化二、手性高分子聚合物的制備1、可生物降解的聚酯的合成 利用脂肪酶在甲苯、四氫呋喃、乙腈等有機(jī)介質(zhì)中的催化作用，將選定的有機(jī)酸和醇的單體聚合，可以得到可生物降解的聚酯。由糖類和酯類聚合而成。2、糖酯的合成第五節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化的應(yīng)用 27第七章 酶的非水相催化三、酚樹脂的合成 辣根過氧化物酶在二氧六環(huán)與水混溶的均一介質(zhì)體系中，催化苯酚等酚類物質(zhì)聚合，生成酚類聚合物。 辣根過氧化物酶在與水混溶的有機(jī)介質(zhì)中催化苯胺聚合生成聚苯胺。 四、導(dǎo)電有機(jī)聚合物的合成 辣根過氧化物酶在有機(jī)介質(zhì)中催化對苯基苯酚合成聚對苯基苯酚，將這種聚合物 物成二極管，可以發(fā)出藍(lán)光。 五、發(fā)光有機(jī)聚合物的合成 第五節(jié) 有機(jī)介質(zhì)中酶催化的應(yīng)用 28第七章 酶的非水相催化 利用酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化作用，可以獲得人們所需要的食品添加劑。 一利用脂肪酶或酯酶的催化作用生產(chǎn)所需