第一节结束
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第二节 有机介质中酶促反应的条件
一、保证必需水的含量 二、选择合适的酶及酶形式 三、选择合适的溶剂及反应体系 四、选择合适的pH和离子强度
一、保证必需水的含量
必需水：维持酶分子完整空间构象所必需的最低 水量
最适水含量：加入适量的水能够使酶反应加速， 在催化反应速度达到最大时的水含量称最适 水含量
2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系
有机溶剂直接作用于酶
有些酶的活性会随着某些有机溶剂浓度升 高而增大，在某一浓度（最适浓度）达到 最大值；若浓度再升高，则活性下降
3、反胶束体系
微团效应使得某些酶活性增加，出现超活性现象 凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性 产生机理：是由于围绕在酶分子外面的表面活性剂
的氧化、二硫键的破坏
3、 pH值特性
pH印记（pH记忆）
酶分子在缓冲液中所处的pH状态仍然被保持在 有机介质中
酶在有机介质中催化反应的最适pH，与 在水溶液中反应的最适pH接近或者相同
4、对映体选择性
立体选择性、立体异构专一性
有机介质中，对映体选择性较差 应用于手性药物的制造
eg. 水溶液中，蛋白酶只水解含有L-氨基酸的 蛋白质，生成L-氨基酸
二、 手性高分子聚合物的制备
可生物降解的聚酯的合成
脂肪酶在甲苯、四氢呋喃、乙腈等介质中，催化有 机酸和醇单体聚合，得到可生物降解的聚酯
糖脂的合成
一类由糖和酯类聚合而成的可生物降解聚合物 以糖为羟基供体，有机酸酯为酰基供体，蛋白酶、 脂肪酶等为催化剂，在有机介质中反应，获得糖酯
三、 酚树脂的合成
有机介质中水的种类：结合水；游离水
一、保证必需水的含量
水活度(Water activity, Aw)
Aw = P / Po
P：一定条件下体系中水的蒸汽压 Po：相同条件下纯水的蒸汽压
二、选择合适的酶及酶形式
酶种类：脂肪酶、蛋白酶、次黄嘌呤氧化酶、过 氧化氢酶、过氧化物酶等
酶形式：酶粉、化学修饰酶、固定化酶
微水介质体系
有机溶剂与微量的水组成的反应体系 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质
中 通常所说的有机介质反应体系主要指微水介质
体系
1、有机介质反应体系
与水溶性有机溶剂组成的均一体系
水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成的反应 体系
酶和底物以溶解状态存在于均一体系中 由于极性大的有机溶剂对酶的催化活性影响较
Enzyme Engineering 酶工程
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第四章 有机介质中的酶促反应
第一节 概述 第二节 有机介质中酶促反应的条件 第三节 有机介质对酶性质的影响 第四节 有机介质中酶促反应应用举例
第一节 概述
非水酶学 • 通常酶发挥催化作用都是在水相中进行的，
研究酶在非水相中的催化机理的学科即为 非水酶学
有机介质中，蛋白酶可用D-氨基酸合成由 D-氨基酸组成的多肽
5、区域选择性
酶选择底物分子中某一区域的基团优先进 行反应
6、键选择性
底物有2种以上化学键可反应，酶对某一 化学键优先进行反应
四、有机介质中酶催化反应的类型
合成反应 转移反应 醇解反应 氨解反应 异构反应 氧化还原反应 裂合反应
一、对酶结构与功能的影响 二、对酶活性的影响 三、对底物和产物分配的影响 四、对反应平衡方向的影响
一、有机溶剂对酶结构与功能的影响
酶空间结构受到破坏，酶催化活性受损甚至失活
eg. 碱性磷酸酶冻干粉 乙腈20h 60%失活 丙酮36h 75%失活
冷冻干燥过程往往破坏酶活性中心构象，因此在 酶冷冻干燥过程中，应加进蔗糖、甘露醇等保护 剂
选择有机溶剂须考虑的因素
有机溶剂与反应的匹配性，即相容性 溶剂对于该主反应必须是惰性的制剂 溶剂的极性
溶剂参数 lgP：溶剂在辛醇/水两相间分配系数的对 数值，能直接反映溶剂的疏水性
2≤lgP≤5
溶剂的密度、黏度、表面张力、毒性、废物处理 和成本等
四、选择合适的pH和离子强度
在有机溶剂的环境中，不会发生质子化及 脱质子化的现象。酶在水相的pH值可在有 机相中保持，同一种酶不同来源，对pH值 敏感程度大不相同
1、有机介质反应体系
正胶束体系
正胶团。大量水溶液中含有少量与水不相混溶 的有机溶剂，加入表面活性剂后形成的水包油 的微小液滴
表面活性剂极性端朝外，非极性端朝内 酶在胶束外的水溶液中，疏水性底物或产物在
胶束内部，反应在胶束两相界面中进行
1、有机介质反应体系
反胶束体系
反胶团。大量与水不相混溶的有机溶剂中，含 有少量的水，加入表面活性剂后形成的油包水 的微小液滴
六、 食品添加剂的生产
利用脂肪酶或酯酶生成酯类
六、 食品添加剂的生产
利用嗜热菌蛋白酶生产天苯肽(阿斯巴甜)
六、 食品添加剂的生产
利用芳香醛脱氢酶生成香兰素
七、 生物柴油
动物、植物或微生物油脂与小分子醇类经过酯交 换反应而得到的脂肪酸酯类物质
八、 多肽的合成
α-胰蛋白酶可催化N-乙酰色氨酸与亮氨酸合成二 肽
聚吡咯、聚噻酚、聚苯胺
辣根过氧化物酶可以在与水混溶的有机介质（如丙 酮、乙醇、二氧六环等）中，催化苯胺聚合生成聚苯胺
聚苯胺：飞行器防雷装置，雷达、屏幕等的微波吸 收剂，衣物
五、 发光有机聚合物的合成
辣根过氧化物酶可以在有机介质中催化对 苯基苯酚合成聚对苯基苯酚，将这种聚合 物制成二极管，可以发出蓝光
✓ 溶剂与底物竞争活性中心的结合位点，降低底物结合能力 ✓ 溶剂降低活性中心的极性，从而降低酶与底物结合能力
二、有机溶剂对酶活性的影响
总的来说，酶在有机溶剂中所表现出的催化活力 要比在水相中低
二、有机溶剂对酶活性的影响
极性较强的有机溶剂，如甲醇、乙醇等，会夺取 酶分子的结合水，影响酶分子微环境的水化层， 从而降低酶的催化活性，甚至失活
猪胰脂肪酶可在有机介质体系中对2,3-环氧丙醇丁酸酯进行拆分
芳基丙酸衍生物的拆分
Z-芳基丙酸单一对映体衍生物：多种治疗关节炎、风湿病的消 炎镇痛药物的活性成分
脂肪酶在有机介质体系中进行拆分获得S-构型
苯甘氨酸甲酯的拆分
苯甘氨酸的单一对映体及衍生物：半合成β-内酰胺类抗生素的重 要侧链
脂肪酶在有机介质体系中通过不对称氨解反应拆分获得
正己烷夺取酶分子0.5%的结合水 甲醇夺取酶分子结合水的60%
二、有机溶剂对酶活性的影响
不同的反应体系，有机溶剂对酶活性的影响有所 差异
1、微水体系 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系 3、反胶束体系
1、微水体系
大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活 性亦变化
➢ 有人对吸附在不同载体上的胰凝乳蛋白酶或乙酸脱氢酶 在各种水浓度下的酶活性研究表明，酶活性随水活度大 小而变化，在一定水活度下，酶活性随载体不同而变化
表面活性剂极性端朝内，非极性端朝外 酶在胶束内的水溶液中，疏水性底物或产物在
胶束外部，反应在胶束两相界面中进行
2、有机溶剂的选择
种类
水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正 丁醇、甘油、丙酮、乙腈等
水不溶性的有机溶剂：石油醚、己烷、庚 烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、 戊醚等
2、有机溶剂的选择
第一节 概述
一、酶非水相催化的种类 二、有机相酶反应的优点 三、酶在有机介质中的催化特性 四、有机介质中酶催化反应的类型
一、酶非水相催化的种类
➢ 有机介质中的酶催化 ➢ 气相介质中的酶催化 ➢ 超临界流体介质中的酶催化 ➢ 离子液介质中的酶催化
二、有机相酶反应的优点
➢ 有利于疏水性底物的反应 ➢ 可改变反应平衡移动方向 ➢ 可提高酶的热稳定性 ➢ 能催化在水中不能进行的反应 ➢ 酶不溶于有机相，容易回收和反复使用 ➢ 有机溶剂一般沸点低，容易分离纯化产物 ➢ 能抑制依赖于水的某些不利反应和副产物 ➢ 改变酶对底物的专一性 ➢ 没有微生物的生长 ➢ 固定化酶方法简单，在非水系统中酶不易脱离吸附的表面
第三节结束
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第四节 有机介质中酶促反应应用举例
第四节 有机介质中酶促反应应用举例
一、 手性药物的拆分 二、 手性高分子聚合物的制备 三、 酚树脂的合成 四、 导电有机聚合物的生成 五、 发光有机聚合物的生成 六、 食品添加剂的生产 七、 生物柴油的生产 八、 多肽的合成 九、 甾体转化
酚类聚合物。通常在甲醛存在条件下通过酚类物 质聚合而成
辣根过氧化物酶在二氧六环与水混溶的均一介质 体系中，可以催化苯酚等酚类物质聚合，生成酚 类聚合物
四、 导电有机聚合物的合成
1977年，麦迪阿米德(Macdiarmid)制备得到碘 掺杂的聚乙炔，其导电率达到金属水平，打破了 有机聚合物都是绝缘体的传统观念
这一外壳具有较大的刚性所引起
3、反胶束体系
• 超活性产生机理
三、有机溶剂对底物和产物分配的影响
有机溶剂与水之间的极性不同，在反应过程中会 影响底物和产物的分配，从而影响酶的催化反应
改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度
有机溶剂极性过小，疏水性底物在溶剂中溶解度大， 但难于进入必需水层，降低酶催化速度
大，故能在该体系中进行催化反应的酶较少
1、有机介质反应体系
与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系
水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相或多相反应体系 游离酶、亲水性底物或产物溶于水，疏水性底物或产物
溶于有机溶剂 固定化酶悬浮在两相界面 反应在两相的界面进行 适用于底物和产物两者或其中之一是疏水化合物的反应
三、酶在有机介质中的催化特性
1、底物专一性 2、热稳定性 3、pH值特性 4、对映体选择性 5、区域选择性 6、键选择性