第六章酶的非水相催化.

Chapter6EnzymaticcatalysisinNon-aqueoussystem酶的非水相催化制作：崔建东[e-mail]61、酶催化反应的介质2、有机介质反应体系3、酶在有机介质中的催化特性4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制GoGoGoGo5、酶非水相催化的应用Go1酶催化反应的介质水是酶促反应最常用的反应介质。但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。是否存在非水介质能保证酶催化？？1984年，美国MIT的克利巴诺夫（Klibanov）等人在有机介质中进行了酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应。酶的非水相催化酶的非水相催化酶在非水介质中进行的催化作用称为酶的非水相催化。在非水相中，酶分子受到非水相介质的影响，其催化特性与在水相中催化有着较大的不同。酶的非水相催化非水相酶催化的特性（1）增加非极性基质的溶解度；（2）使某些原本在水相不能进行的反应顺利进行，如肽的合成、酯的合成等；（3）可减少在水相容易发生的副反应，如酸酐的水解、卤化物的水解等；（4）容易分离回收；（5）无微生物污染；酶的非水相催化非水相酶催化的相关问题★在完全无水的情况下，酶是无活性的，极少量的水就会激发酶的活性；但含水量低于最适水量时，酶会失去催化活性。★有机溶剂可能直接与酶分子水合层中的必须水发生反应，影响酶的结构和功能，尤其是极性较强的溶剂，它可以溶解大量的水，将酶分子水合层中的必须水剥离掉，导致酶失活，相对来讲，疏水性溶剂对水的溶解能力较低，故对酶活和结构影响较小。酶的非水相催化类型有机介质气相介质离子介质超临界介质一、酶非水相催化的几种类型1、有机介质中的酶催化：有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。特点：1）适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。2）酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心的空间构象，所以能够发挥其催化功能。一、酶非水相催化的几种类型1、有机介质中的酶催化克利巴诺夫（Klibanov）研究表明：酶在一定浓度的有机溶剂中具有一定的“分子记忆”效应，这种记忆是因为酶存在配体而产生的，当配体被移走后，由于大量有机溶剂存在状态下酶构象的高度刚性，使得这种与配体具有高亲和性的构象得以保持，而过量水的介入会加速这种记忆丧失。KlibanovAM.Enzymememory-whatisrememberedandwhy?[J].Nature,1995,374:596-600.一、酶非水相催化的几种类型2、气相介质中的酶催化定义：气相介质中的酶催化是指酶在气相介质中进行的催化反应。特点：1）适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。2）由于气体介质的密度低，扩散容易，所以酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。一、酶非水相催化的几种类型3、超临界流体介质中的酶催化定义：超临界介质中的酶催化是指酶在超临界流体中进行的催化反应。条件要求：1）用于酶催化反应的超临界流体应当对酶的结构没有破坏作用，对催化作用没有明显的不良影响；2）具有良好的化学稳定性，对设备没有腐蚀性；3）超临界温度不能太高或太低，最好在室温附近或在酶催化的最适温度附近；4）超临界压力不能太高，可节约压缩动力费用；5）超临界流体要容易获得，价格要便宜等。酶非水相催化的几种类型4、离子液介质中的酶催化：离子液介质中的酶催化是指酶在离子液中进行的催化作用。离子液（ionicliquids）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，挥发性低、稳定性好。酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。一、酶非水相催化的几种类型4、离子液介质中的酶催化：常见的阳离子有季铵盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子等（如下图所示），阴离子有卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子等.特点:不挥发、不可燃、导电性强、黏度低、热容大、蒸汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好的溶解性，在电化学、有机合成、催化、分离等领域被广泛的应用。二、酶非水相催化的几种体系（一）、有机介质反应体系有机介质反应体系微水介质水与有机溶剂的均一体系水与不溶有机溶剂的非均一体系正胶束体系反胶束体系二、酶非水相催化的几种体系（一）、有机介质反应体系(1)微水介质体系:◆微水介质体系是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系，是在有机介质酶催化中广泛应用的一种反应体系。◆微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的空间构象和催化活性至关重要。另外有一部分水分配在有机溶剂中。◆通常所说的有机介质反应体系主要是指微水介质体系。二、酶非水相催化的几种体系（一）、有机介质反应体系(2)与水溶性有机溶剂组成的均一体系：◆这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成的反应体系。◆酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活性影响较大，所以能在该反应体系的进行催化反应的酶较少。二、酶非水相催化的几种体系（一）、有机介质反应体系(3)与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系：◆这种体系是由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解于水相，疏水性底物或产物溶解于有机溶剂相。◆如果采用固定化酶，则以悬浮形式存在两相的界面。◆催化反应通常在两相的界面进行。一般适用于底物和产物两者或其中一种是属于疏水化合物的催化反应。二、酶非水相催化的几种体系（一）、有机介质反应体系(4)（正）胶束体系：◆胶束又称为正胶束或正胶团，是在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。◆表面活性剂的极性端朝外，非极性端朝内，有机溶剂包在液滴内部。◆反应时，酶在胶束外面的水溶液中，疏水性的底物或产物在胶束内部。反应在胶束的两相界面中进行。二、酶非水相催化的几种体系（一）、有机介质反应体系(5)反胶束体系：◆反胶束又称为反胶团，是指在大量与水不相混溶的有机溶剂中，含有少量的水溶液，加入表面活性剂后形成的油包水的微小液滴。◆表面活性剂的极性端朝内，非极性端朝外，水溶液包在胶束内部。◆反应时，酶分子在反胶束内部的水溶液中，疏水性底物或产物在反胶束外部，催化反应在两相的界面中进行。酶在有机介质中由于水分子的减少，相对来说酶分子的构象表现出比水溶液中更具有“刚性”特点。因而使通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些特性成为可能。例如在有机溶剂中，可以利用酶与配体的相互作用性质，诱导改变酶分子的构象，调控酶的底物专一性,、立体选择性和手性选择性等。由于引起酶变性的许多因素都与水的存在有关,因此在有机介质中酶的稳定性得到显著提高。由于有机溶剂的存在,水量减少，大大降低了许多需要水参与的副反应，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和酰基转移等。在有机介质中进行的酶促反应，可以省略产物的萃取分离过程,提高收率。有机介质酶催化反应的优点三、酶非水相催化的影响因素（二）、水对有机介质中酶的影响(1)水对酶分子空间构象的影响：◆酶分子需要一层水化层，以维持其完整的空间构象。◆维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量称为必需水（essentialwater）。◆必需水与酶分子的结构和性质有密切关系。不同的酶，所要求的必需水的量差别很大。三、酶非水相催化的影响因素（二）、水对有机介质中酶的影响(2)水对酶催化反应速度的影响：◆有机介质中水的含量对酶催化反应速度有显著影响。◆在催化反应速度达到最大时的水含量称为最适水含量。◆在实际应用时应当根据实际情况，通过实验确定最适水含量。三、酶非水相催化的影响因素（二）、水对有机介质中酶的影响(3)水活度：◆在有机介质中含有的水，主要有两类，一类是与酶分子紧密结合的结合水，另一类是溶解在有机溶剂中的游离水。◆研究表明，在有机介质体系中，酶的催化活性随着结合水量的增加而提高。三、酶非水相催化的影响因素（二）、水对有机介质中酶的影响(3)水活度：◆水活度（wateractivity,Aw）是指体系中水的逸度与纯水逸度之比。通常可以用体系中水的蒸汽压与相同条件下纯水的蒸汽压之比表示。即：Aw=P/P0式中，P为在一定条件下体系中水的蒸汽压，Po为在相同条件下纯水的蒸汽压。研究表明，在一般情况下，最适水含量随着溶剂极性的增加而增加。采用水活度作为参数来研究有机介质中水对酶催化作用的影响更为确切。三、酶非水相催化的影响因素（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响◆常用的有机溶剂有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇，丙醇，乙腈，已酯，二氯甲烷等。(1)有机溶剂对酶结构与功能的影响：◆酶具有完整空间结构和活性中心才能发挥其催化功能。◆在有机溶剂中，酶分子（经过修饰后可溶于有机溶剂者除外）不能直接溶解，而是悬浮在溶剂中进行催化反应。◆有些酶在有机溶剂的作用下，其空间结构会受到某些破坏，从而使酶的催化活性受到影响甚至引起酶的变性失活。三、酶非水相催化的影响因素（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响(2)有机溶剂对酶分子表面结构的影响：◆酶在有机介质中与有机溶剂接触，酶分子的表面结构将有所变化。三、酶非水相催化的影响因素（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响(3)有机溶剂对酶活性中心结合位点的影响：◆当酶悬浮于有机溶剂中，有一部分溶剂能渗入到酶分子的活性中心，与底物竞争活性中心的结合位点，降低底物结合能力，从而影响酶的催化活性。三、酶非水相催化的影响因素（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响(4)有机溶剂对酶活性的影响：◆有些有机溶剂，特别是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,甚至引起酶的变性失活。◆研究表明，有机溶剂的极性越强，越容易夺取酶分子结合水，对酶活力的影响就越大。三、酶非水相催化的影响因素（二）、有机溶液对有机介质中酶的影响(5)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。◆有机容剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。四、酶非水相催化的催化特性（三）酶在有机介质中的催化特性1、底物专一性：◆在有机介质中，由于酶分子活性中心的结合部位与底物之间的结合状态发生某些变化，致使酶的底物特异性会发生改变。◇四、酶非水相催化的催化特性（三）酶在有机介质中的催化特性2、对映体选择性：◆酶的对映体选择性又称为立体选择性或立体异构专一性，是酶在对称的外消旋化合物中识别一种异构体的能力大小的指标。◆酶立体选择性的强弱可以用立体选择系数（KLD）的大小来衡量。立体选择系数越大，表明酶催化的对映体选择性越强。◆立体选择系数与酶对L-型和D-型两种异构体的酶转换数（Kcat）和米氏常数（Km）有关。即：式中，KLD：立体选择系数，L:L-型异构体，D:D-型异构体，Km:米氏常数。即酶催化反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。Kcat:酶的转换数。是酶催化效率的一个指标。指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数。四、酶非水相催化的催化特性（三）酶在有机介质中的催化特性3、区域选择性◆酶在有机介质中进行催化时，具有区域选择性,即酶能够选择底物分子中某一区域的基团优先进行反应。◆酶区域选择性的强弱可以用区域选择系数Krs的大小来衡量。区域选择系数与立体选择系数相似，只是以底物分子的区域位置1，2，代替异构体的构型L,D。即：四、酶非水相催化的催化特性（三）酶在有机介质中的催化特性4