有机介质中的酶反应.pptx

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1、一、一、有机介质中的酶促反应概述有机介质中的酶促反应概述（一）有机相酶反应的优点（一）有机相酶反应的优点 1 1有利于疏水性底物的反应。有利于疏水性底物的反应。2 2可提高酶的热稳定性。可提高酶的热稳定性。3 3能催化在水中不能进行的反应。能催化在水中不能进行的反应。4 4可改变反应平衡移动方向。可改变反应平衡移动方向。5 5可控制底物专一性。可控制底物专一性。6 6可防止由水引起的副反应。可防止由水引起的副反应。7 7可扩大反应可扩大反应pHpH值的适应性。值的适应性。8 8酶易于实现固定化。酶易于实现固定化。9 9酶和产物易于回收。酶和产物易于回收。10 10可避免微生物污染。可避免微生物

2、污染。第1页/共23页（二）有机相酶反应具备条件（二）有机相酶反应具备条件 1 1保证必需水含量。保证必需水含量。2 2选择合适的酶及酶形式。选择合适的酶及酶形式。3 3选择合适的溶剂及反应体系。选择合适的溶剂及反应体系。4 4选择最佳选择最佳pHpH值。值。（三）有机相酶反应的研究进展（三）有机相酶反应的研究进展 1 1 超临界流体中的酶反应超临界流体中的酶反应 2 2 仿水溶剂和印迹技术仿水溶剂和印迹技术第2页/共23页二、有机介质中酶促反应的条件二、有机介质中酶促反应的条件 1 1必需水必需水 2 2酶的选择酶的选择 3 3溶剂及反应体系的选择溶剂及反应体系的选择 4 4pHpH选择和离

3、子强度的影响选择和离子强度的影响 第3页/共23页（一）必需水（一）必需水1 1、概念、概念 紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活性所必需的最少紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活性所必需的最少量水。量水。第4页/共23页（二）影响酶反应体系中需水含量的因素（二）影响酶反应体系中需水含量的因素a a不同酶需水量不同。不同酶需水量不同。b.b.同一种酶在不同有机溶剂中需水量不同，溶剂疏水性越强，需水量同一种酶在不同有机溶剂中需水量不同，溶剂疏水性越强，需水量越少。越少。第5页/共23页（二）酶的选择（二）酶的选择1 1、酶种类的选择：脂肪酶、蛋白酶、次黄嘌呤氧化酶、过氧化氢酶、酶种类的选择：脂肪酶、

4、蛋白酶、次黄嘌呤氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。除与酶有关，还与酶过氧化物酶等。除与酶有关，还与酶-底物、产物底物、产物-溶剂间关系有关。溶剂间关系有关。2 2、酶形式的选择、酶形式的选择 （1 1）酶粉）酶粉 例如：有人研究例如：有人研究a-a-胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，发胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，发现催化活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。现催化活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。（2 2）化学修饰酶）化学修饰酶 例如：例如：SODSOD酶经糖脂修饰后变成脂溶性，它对温度、酶经糖脂修饰后变成脂溶性，它对温度、pHpH、蛋白酶水解的稳定性均高于天然蛋白酶水解的稳定性均高于天然S

5、ODSOD。（3 3）固定化酶）固定化酶 把酶吸附在不溶性载体上（如硅胶、硅藻土、玻璃把酶吸附在不溶性载体上（如硅胶、硅藻土、玻璃珠等）制成固定化酶，其对抗有机介质变性的能力、反应速度、热稳珠等）制成固定化酶，其对抗有机介质变性的能力、反应速度、热稳定性等都可提高。定性等都可提高。第6页/共23页（三）溶剂及反应体系的选择（三）溶剂及反应体系的选择 水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、甘油、丙酮、乙晴水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、甘油、丙酮、乙晴等等 水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚、

6、戊醚等乙醚、戊醚等酶促反应有机介质体系：酶促反应有机介质体系：（1 1）单相共溶剂体系（水单相共溶剂体系（水/水溶性有机熔剂）水溶性有机熔剂）（2 2）两相体系（水两相体系（水/水不溶性有机溶剂）水不溶性有机溶剂）（3 3）低水有机溶剂体系（有机溶剂体系）低水有机溶剂体系（有机溶剂体系）（4 4）反胶束体系反胶束体系第7页/共23页反胶束体系概念反胶束体系概念 表面活性剂分散于连续有机相中自发形成的纳米表面活性剂分散于连续有机相中自发形成的纳米尺度的一种聚集体。反胶束溶液是透明的热力学稳定的系统。尺度的一种聚集体。反胶束溶液是透明的热力学稳定的系统。表面活性剂：表面活性剂是由亲水憎油的极性基团

7、和亲油憎水的非表面活性剂：表面活性剂是由亲水憎油的极性基团和亲油憎水的非极性基团两部分组成的两性分子。在有机相酶反应中用得最多的是极性基团两部分组成的两性分子。在有机相酶反应中用得最多的是阴离子表面活性剂：阴离子表面活性剂：AOT(AerosolOT)AOT(AerosolOT)，其化学名为丁二酸其化学名为丁二酸-2-2-乙基乙基酯磺酸钠酯磺酸钠。第8页/共23页有机溶剂影响酶催化的方式有机溶剂影响酶催化的方式（1 1）有机溶剂能通过直接与酶相互作用引起抑制或失活）有机溶剂能通过直接与酶相互作用引起抑制或失活 A A 增大酶反应的活化能来降低酶反应速度。增大酶反应的活化能来降低酶反应速度。B

8、B 降低中心内部极性并加强底物与酶之间形成的氢键，使酶活性下降低中心内部极性并加强底物与酶之间形成的氢键，使酶活性下降。降。C C 酶三级结构变化，间接改变酶活性中心结构影响失活。酶三级结构变化，间接改变酶活性中心结构影响失活。（2 2）有机溶剂与扩散的底物或产物相互作用而影响酶活）有机溶剂与扩散的底物或产物相互作用而影响酶活（3 3）有机溶剂直接与酶附近的必需水相互作用）有机溶剂直接与酶附近的必需水相互作用第9页/共23页（四）（四）pHpH选择和离子强度的影响选择和离子强度的影响（1 1）pHpH选择：在有机溶剂的环境中，不会发生质子化及脱质子化的选择：在有机溶剂的环境中，不会发生质子化及

9、脱质子化的现象。酶在水相的现象。酶在水相的pHpH值可在有机相中保持，同一种酶不同来源，对值可在有机相中保持，同一种酶不同来源，对pHpH值敏感程度大不相同。值敏感程度大不相同。（2 2）离子强度影响）离子强度影响 随冻干时用的缓冲溶液离子强度增大，酶活会随冻干时用的缓冲溶液离子强度增大，酶活会增大。增大。第10页/共23页三、有机介质对酶性质的影响三、有机介质对酶性质的影响 1 1、稳定性、稳定性 2 2、活性、活性 3 3、专一性、专一性 4 4、反应平衡方向、反应平衡方向第11页/共23页1 1、稳定性、稳定性（）热稳定性提高（）热稳定性提高（）储存稳定性提高（）储存稳定性提高 结论：在

10、低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密切相关；一般结论：在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密切相关；一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定；含水量超出临界含水量后酶稳定在低于临界含水量范围内，酶很稳定；含水量超出临界含水量后酶稳定性随含水量的增加而急剧下降。性随含水量的增加而急剧下降。第12页/共23页2 2、活性、活性刚刚-柔并存柔并存刚性：生物大分子结构的精确性刚性：生物大分子结构的精确性柔性：生物大分子局部区域具有一定的可运动性。柔性：生物大分子局部区域具有一定的可运动性。（1 1）单相共溶剂体系中，有机溶剂对酶活性影响）单相共溶剂体系中，有机溶剂对酶活性影响 1 1）有机溶剂直接

11、作用于酶。）有机溶剂直接作用于酶。2 2）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）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。（最适浓度）达到最大值；若浓度再升高，则活性下降。（2 2）低水有机溶剂体系中，大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活性）低水有机溶剂体系中，大部分酶活性得以保存，但也有某些酶活性亦变化。亦变化。例例 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活度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活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，下的酶活性研

12、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。酶活性随载体不同而变化。第13页/共23页（3 3）在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加）在反向微团体系中，微团效应使某些酶活性增加超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性超活性：凡是高于水溶液中所得酶活性值的活性称为超活性（Super-activitySuper-activity）。）。认为：超活性是由围绕在酶分子外面的表面活性剂这一外壳之较大认为：超活性是由围绕在酶分子外面的表面活性剂这一外壳之较大刚性所引起。刚性所引起。根据根据 ：1 1）微团水化程度（）微团水化程度（W W）（）（W=HW=H2

13、 2O/O/表面活性剂表面活性剂）的最佳值和酶）的最佳值和酶活性的最大值呈正相关活性的最大值呈正相关 2 2）W W值最佳时，微团内径总是相当于被包裹的酶分子直径。值最佳时，微团内径总是相当于被包裹的酶分子直径。3 3、专一性、专一性某些有机介质可能使某些酶的专一性发生变化，这是酶活性中心构某些有机介质可能使某些酶的专一性发生变化，这是酶活性中心构象刚性增强的结果。象刚性增强的结果。有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主导反应。有些在水中不能实现的反应途径，在有机介质中却成为主导反应。第14页/共23页酶活性丧失的可能原因酶活性丧失的可能原因第15页/共23页4 4、反应平衡方向、

14、反应平衡方向酶酶合成产物合成产物有机溶剂有机溶剂使用浓度使用浓度（%）合成收率合成收率（%）枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶核糖核酸酶核糖核酸酶甘油甘油90905050无色杆菌蛋白酶无色杆菌蛋白酶人胰岛素人胰岛素DMFDMF和乙醇和乙醇30308080羧肽酶羧肽酶牛胰核糖核酸牛胰核糖核酸酶酶甘油甘油90905050凝血酶凝血酶人生长激素人生长激素甘油甘油80802020嗜热杆菌蛋白酶嗜热杆菌蛋白酶天冬甜味素天冬甜味素乙酸乙酯乙酸乙酯胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶脑啡肽脑啡肽乙醇或乙醇或DMFDMF第16页/共23页 酶酶催化反应催化反应 应用应用 蛋白酶蛋白酶肽合成肽合成酰基化酰基化 合成多肽合成多肽

15、糖类酰基化糖类酰基化 羟基化酶羟基化酶氧化氧化 甾体转化甾体转化 过氧化物酶过氧化物酶聚合聚合 酚类、胺类化合物的聚合酚类、胺类化合物的聚合 胆固醇氧化酶胆固醇氧化酶氧化氧化 胆固醇测定胆固醇测定 醇脱氢酶醇脱氢酶酯化酯化 有机硅醇的酯化有机硅醇的酯化 脂肪酶脂肪酶肽合成肽合成酯合成酯合成转酯转酯聚合聚合酰基化酰基化 青霉素青霉素G G前体肽合成前体肽合成 醇与有机酸合成酯类醇与有机酸合成酯类 各类酯类生产各类酯类生产 二酯的选择性聚合二酯的选择性聚合 甘醇的酰基化甘醇的酰基化四、有机介质中酶催化的应用四、有机介质中酶催化的应用第17页/共23页1 1、手性药物的拆分、手性药物的拆分概念：概念

16、：手性化合物是指化学组成相同，而其立体结构互为对映体手性化合物是指化学组成相同，而其立体结构互为对映体的两种异构体化合物。的两种异构体化合物。手性药物两种对映体的药效差异手性药物两种对映体的药效差异 （1 1）一种有显著疗效，另一种有疗效弱或无效）一种有显著疗效，另一种有疗效弱或无效 （2 2）一种有显著疗效，另一种有毒副作用一种有显著疗效，另一种有毒副作用 （3 3）两种对映体的药效相反两种对映体的药效相反 （4 4）两种对映体具有各自不同的药效两种对映体具有各自不同的药效 （5 5）两种消旋体的作用具有互补性两种消旋体的作用具有互补性第18页/共23页手性药物的拆分方法手性药物的拆分方法

17、分为：非生物法、生物法分为：非生物法、生物法 非生物法（机械分离法、形成和分离对映体异构法、色谱分离法、非生物法（机械分离法、形成和分离对映体异构法、色谱分离法、动力学拆分）动力学拆分）生物拆分法原理生物拆分法原理 实质即两个对映体竞争酶的同一个活性中实质即两个对映体竞争酶的同一个活性中心位置，两者的反应速率不同，产生选择性，从而使反应产物具有心位置，两者的反应速率不同，产生选择性，从而使反应产物具有光学活性。光学活性。青霉素酰化酶及其催化作用：青霉素酰化酶及其催化作用：利用其底物专一性及对映体的选择性利用其底物专一性及对映体的选择性进行光学异构体的合成与拆分。进行光学异构体的合成与拆分。第1

18、9页/共23页2 2、手性高分子聚合物的制备、手性高分子聚合物的制备(1)(1)可生物降解的聚酯的合成可生物降解的聚酯的合成(2)(2)糖脂的合成糖脂的合成3 3、酚树脂的合成酚树脂的合成 如如辣根过氧化物酶在二氧六环与水混溶的均一介质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。体系中，可以催化苯酚等酚类物质聚合，生成酚类聚合物。4 4、导电有机聚合物的合成、导电有机聚合物的合成 如如辣根过氧化物酶可以在与水混溶的有机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。介质（如丙酮、乙醇、二氧六环等）中

19、，催化苯胺聚合生成聚苯胺。5 5、发光有机聚合物的合成、发光有机聚合物的合成 如如辣根过氧化物酶可以在有机介质中催化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。蓝光。6 6、食品添加剂的生产、食品添加剂的生产 如如利用芳香醛脱氢酶生成香兰素。利用芳香醛脱氢酶生成香兰素。第20页/共23页7 7、甾体转化、甾体转化 如可的松转化为氢化可的松的酶促反应，在水如可的松转化为氢化可的松的酶促反应，在水-乙酸乙酸丁酯或水丁酯或水-乙酸乙酯组成的系统中，转化率高达乙酸乙酯组成的系统中，转化率

20、高达100%100%和和90%90%。8 8、生物能源、生物能源 如生物柴油。如生物柴油。第21页/共23页1 1、非水相酶学的应用领域包括哪些方面？、非水相酶学的应用领域包括哪些方面？2 2、常见的非水相酶学反应体系有哪些？、常见的非水相酶学反应体系有哪些？3 3、名词：反相胶束体系、对映体特异性、潜手性特异性、位置、名词：反相胶束体系、对映体特异性、潜手性特异性、位置特异性、化学键特异性、特异性、化学键特异性、pHpH记忆、疏水参数记忆、疏水参数4 4、反相胶束体系作为反应介质的优点？为什么？、反相胶束体系作为反应介质的优点？为什么？5 5、非水相酶促反应的优点？、非水相酶促反应的优点？6

21、 6、酶在非水相环境中保持活性，原因是什么？如何解释？、酶在非水相环境中保持活性，原因是什么？如何解释？7 7、非水相环境对酶的热稳定性有什么影响？为什么？、非水相环境对酶的热稳定性有什么影响？为什么？8 8、如何理解水与酶柔性、有机溶剂与酶刚性之间的关系？、如何理解水与酶柔性、有机溶剂与酶刚性之间的关系？9 9、有机溶剂对酶催化反应的影响表现在哪些方面？、有机溶剂对酶催化反应的影响表现在哪些方面？1010、通常，疏水参数与酶活性之间有何关系？、通常，疏水参数与酶活性之间有何关系？1111、什么是溶剂工程？理论依据是什么？、什么是溶剂工程？理论依据是什么？1212、与水相比，有机溶剂对酶活性的调节有何表现？为什么？、与水相比，有机溶剂对酶活性的调节有何表现？为什么？1313、非水相中常用的酶和反应类型有哪些？、非水相中常用的酶和反应类型有哪些？第十章第十章 思考题思考题第22页/共23页感谢您的观看！第23页/共23页