非水介質(zhì)中酶的化學(xué)催化反應(yīng)

非水介質(zhì)中酶的化學(xué)催化反應(yīng)主要內(nèi)容非水介質(zhì)中酶的催化反應(yīng)及特征(比較重要)非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(比較重要)微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程(重要)“pH值記憶”與“分子印跡”技術(shù)(重要)反向膠團(tuán)的酶學(xué)研究(了解)水-有機(jī)溶劑兩相體系(了解)酶在非水介質(zhì)中的催化反應(yīng)(了解)(了解)10.1非水介質(zhì)中酶的催化反應(yīng)非水酶催化技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代(1984年的Science文章為標(biāo)志)，起初主要是為了解決非極性底物的轉(zhuǎn)化問題，出現(xiàn)后備受追捧，并獲得了廣泛的應(yīng)用。原因：在非水介質(zhì)中酶催化反應(yīng)具有新的特點(diǎn)和優(yōu)勢；在非水介質(zhì)中酶的穩(wěn)定性增加。10.1非水介質(zhì)中酶的催化反應(yīng)哪些特點(diǎn)和優(yōu)勢？適用于脂溶性的底物，拓寬了底物范圍。反應(yīng)的平衡點(diǎn)發(fā)生了變化。在水溶液中不能發(fā)生的反應(yīng)可以在非水介質(zhì)中發(fā)生，如脂肪酶可催化合成反應(yīng)。專一性增加，特別是手性專一性提高。穩(wěn)定性提高。易回收使用避免微生物污染。減少或防止由水引起的副反應(yīng)?？纱呋瘜λ舾械牡孜锓磻?yīng)。10.1非水介質(zhì)中酶的催化反應(yīng)熱穩(wěn)定性提高，原因？酶的變性失活需水的參與，如形成錯(cuò)誤的空間結(jié)構(gòu)，需氫鍵變換，而水參與形成氫鍵；S-S鍵破壞，需水的參與；天冬酰胺、谷氨酰胺的脫酰胺反應(yīng)；天冬酰胺、谷氨酰胺構(gòu)成的肽鍵發(fā)生水解等。非水介質(zhì)中無水或水含量很少。10.1非水介質(zhì)中酶的催化反應(yīng)干豬胰脂肪酶在100℃失活曲線濕酶和干酶在不同含水量有機(jī)溶劑中的半衰期10.2非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)10.2.1非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)酶不能直接溶于有機(jī)溶劑，非水介質(zhì)中的酶可能以兩種形式存在：不溶的固態(tài)酶(較多見)溶解的酶(通過修飾后使酶能溶解于有機(jī)溶劑中)不溶的固態(tài)酶，其周圍仍結(jié)合有微量水份。水分少，氫鍵以酶分子內(nèi)形成為主導(dǎo)，酶分子的剛性強(qiáng)，穩(wěn)定性好。10.2非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)10.2非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)10.2非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)10.2.2非水介質(zhì)中的酶學(xué)性質(zhì)10.2.2.1酶的穩(wěn)定性提高非水介質(zhì)中酶的穩(wěn)定性提高。水分少，酶蛋白的結(jié)構(gòu)剛性增強(qiáng)，引起酶變性失活的因素減少。10.2非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)10.2非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)10.2.2.2酶的特異性發(fā)生變化底物的特異性對映體的選擇性位置選擇性化學(xué)鍵選擇性所有這些特異性的變化都與“分配”有關(guān)，即底物、對映體、基團(tuán)等在有機(jī)溶劑和水中的分配10.2非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)N-乙酰-L-苯丙氨酸或N-乙酰-L-絲氨酸與丙醇的酯交換反應(yīng)，在水和有機(jī)溶劑中的選擇性與底物在兩相中的分配系數(shù)有關(guān)10.2非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)酯交換反應(yīng)。辛基決定反應(yīng)發(fā)生的方向，水相辛基與酶活性中心結(jié)合，有機(jī)相辛基遠(yuǎn)離酶活性中心。10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.3.1水的作用及其調(diào)控10.3.1.1水是酶構(gòu)象的潤滑劑無水則酶為絕對剛性，絕對剛性的酶是沒有活性的。有少量水則柔性增加，活性恢復(fù)，水分增加到一定程度后繼續(xù)增加對活性的提高沒有促進(jìn)。10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程溶劑中的微量水可結(jié)合在酶分子上，從而使酶具有催化活性10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.3.1.2水分測定與水活度酶的催化活力與其結(jié)合水的多少直接相關(guān)，而其結(jié)合水與水活度直接相關(guān)。水在反應(yīng)體系中會(huì)發(fā)生分配。這種分配導(dǎo)致直接以溶劑中的水含量計(jì)算酶的結(jié)合水會(huì)出現(xiàn)誤差，以水活度計(jì)算才比較準(zhǔn)確。水活度的定義：在一定溫度和壓力下，反應(yīng)體系中水的蒸汽分壓與相同條件下純水的蒸汽壓之比。水含量的測定：卡爾-費(fèi)休法。10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程通俗地說，水活度反應(yīng)有多少自由的水，或有多少可用的水。10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程加水量對脂肪酶催化正辛醇與三丁酸甘油酯轉(zhuǎn)酯反應(yīng)速率的影響10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.3.1.3水活度的調(diào)控飽和溶液平衡法。將酶與鹽的飽和溶液平衡，同時(shí)將含有底物的溶劑平衡至相同的水活度。高水合鹽調(diào)節(jié)法。向干燥的反應(yīng)體系中直接加入一種高水和鹽。如NaHPO4·12H2O變?yōu)镹aHPO4·2H2O時(shí)向反應(yīng)體系釋放水。10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.3.2有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.3.2.1有機(jī)溶劑的作用與lgP在不同的有機(jī)溶劑中酶的催化活性有差異。差異的來源：有機(jī)溶劑作用于結(jié)合在酶表面的水層，產(chǎn)生溶劑“扭曲（或擾動(dòng)）”效應(yīng)。溶劑產(chǎn)生溶劑扭曲效應(yīng)的能力與其疏水性(極性)有關(guān)，疏水性(極性)指標(biāo)可用lgP表征。極性越強(qiáng)，“扭曲”越強(qiáng)。P(分配系數(shù))的概念：化合物(如非水介質(zhì))在標(biāo)準(zhǔn)正辛醇-水兩相體系中的分配系數(shù)。10.3微水有機(jī)溶劑的影響與反應(yīng)介質(zhì)工程10.4“pH值記憶”與“分子印跡”技術(shù)Zakes和Klibanov將豬胰脂肪酶溶解于具有不同pH值的緩沖液中，然后在冷丙酮中進(jìn)行沉淀，真空干燥，從而使酶帶有不同初始微環(huán)境pH，然后用于催化三丁酸甘油脂的水解。結(jié)果發(fā)現(xiàn)酶的水解活力與溶解酶的緩沖液pH值有很大關(guān)系，兩者呈鐘罩形曲線。從而驗(yàn)證了酶具有“記憶”pH值的能力。與pH記憶相似，蛋白質(zhì)分子還具有對配體的“記憶”功能。蛋白質(zhì)溶于高濃度配體溶液中，凍干后用無水溶劑洗去配體，獲得的蛋白質(zhì)中會(huì)有許多由配體結(jié)合時(shí)留下的“印跡”。分子印跡有可能改變酶的專一性。10.5反向膠團(tuán)的酶學(xué)研究反向膠團(tuán)酶催化體系的概念：在非極性有機(jī)溶劑中，酶分子溶解在由表面活性劑形成的含水反向膠團(tuán)內(nèi)催化底物的轉(zhuǎn)化。反向膠團(tuán)溶液為均相、熱力學(xué)穩(wěn)定的透明液體，有點(diǎn)類似于生物細(xì)胞。10.5反向膠團(tuán)的酶學(xué)研究10.5.1反向膠團(tuán)的形成與酶的包裹體系中有水和有機(jī)溶劑同時(shí)存在時(shí)，兩性表面活性劑分子可能會(huì)形成膠團(tuán)。水>>溶劑，形成常規(guī)膠團(tuán)，水包油；溶劑>>水，形成反向膠團(tuán)，油包水；水和溶劑相對時(shí)，不形成膠團(tuán)。酶可存在于膠團(tuán)內(nèi)，也可存在于其邊緣，與酶的親水性有關(guān)。10.5反向膠團(tuán)的酶學(xué)研究10.5反向膠團(tuán)的酶學(xué)研究10.5反向膠團(tuán)的酶學(xué)研究10.5反向膠團(tuán)的酶學(xué)研究10.5.2反向膠團(tuán)包覆酶的催化特性催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)符合MM方程；催化活性可能發(fā)生改變，出現(xiàn)所謂的超活力；專一性可能發(fā)生改變，由溶劑的分配引起。10.5.3反向膠團(tuán)的酶學(xué)應(yīng)用10.6水-有機(jī)溶劑兩性體系10.6.1兩相體系的特點(diǎn)與構(gòu)成水相和有機(jī)相構(gòu)成兩相，酶在水相，底物或產(chǎn)物主要在有機(jī)相。相當(dāng)于非典型的非水介質(zhì)酶催化反應(yīng)。底物或產(chǎn)物在兩相分配，有機(jī)相多，水相少。10.6.2兩相體系的應(yīng)用10.7酶在非水介質(zhì)中催化的反應(yīng)10.7.1酶催化反應(yīng)的類型10.7.1.1酯酶和脂肪酶的酯合成反應(yīng)、轉(zhuǎn)酯反應(yīng)劑酸酐水解反應(yīng)10.7.1.2