非水介质中的酶催化作用

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1、第五章非水介质中的酶催化作用——非水酶学2014/11/131水是最常用的溶剂，大多数无机化学反应主要是在水溶液中进行的─这并不意味着水对一切化学反应都是唯一最合适的溶剂非水溶剂可以作为反应介质吗?在非水溶剂中反应，会得到什么样的反应结果呢?在非水溶剂中的反应产物形态(如粒径、形貌)与在水中得到的有何不同?2014/11/132非水酶学的概念研究非水介质中酶的结构特点、催化条件、酶学性质和催化机理的酶学分支学科。2014/11/133非水酶学的研究内容基本理论：非水介质中影响酶催化的因素；非水介质中的酶学性质；非水介质中的酶催化机制应用2014/11

2、/134本章主要内容第一节非水介质中酶学基础第二节酶在非水介质中催化反应及应用2014/11/135第一节非水介质中酶学基础——观念的突破传统观念：有机溶剂是酶的变性剂、失活剂1966：胰凝乳蛋白酶和辣根过氧化物酶在非极性有机溶剂中有活力；水解酶类：脂肪酶、酯酶、蛋白酶、1975－1983：在有机溶剂中酶催化合成酯和类固醇以纤维素酶、淀粉酶氧化还原酶类：过氧化物酶、过氧及甾醇转化；化氢酶、醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、1984：Klibanov报道在微水介质多酚氧化酶、多细胞色素氧化酶中酶促合成酯、肽、转移酶类：醛缩酶手性醇成功。已报道在有机介质中具有催化

3、活性的酶大约有十几种。2014/11/136非水溶剂的优点★水不溶性底物在有机溶剂中溶解度大.★酶不溶于有机介质，易于回收.★一些由水导致的副反应将不会发生(如在酸酐对蛋白质的修饰反应中，若存在水，酸酐会发生水解反应).★许多在水中热力学平衡不利的反应，在有机溶剂中可以进行，如酯的合成，肽的合成等.2014/11/137★从有机溶剂中分离纯化产物比在水中容易极性产物不溶，离心或过滤即可；非极性产物可因挥发温度不同通过蒸馏来分离★有机溶剂中酶的热稳定性与储存稳定性比水中高酶在有机溶剂中构象比较稳定2014/11/138用于酶催化的非水介质水—有机溶剂单

4、相系统(与水混溶的极性有机溶剂和水形成的均一体系)水—有机溶剂两相系统(两相)反胶束体系；微水有机溶剂单相系统(一相)无溶剂或少溶剂反应系统超临界流体系统离子液体气相反应介质2014/11/139一、非水介质中酶的结构与性质（一）非水介质中酶的结构（二）非水介质中的酶学性质2014/11/1310(一)非水介质中酶的结构非水介质中酶的存在形式1、固态：冷冻干燥酶粉固定化酶结晶酶(催化效率高)2、可溶解酶：水溶性大分子(PEG等)共价修饰的酶非共价修饰的高分子－酶复合物表面活性剂－酶复合物(反胶束酶)2014/11/1311酶粉以悬浮状态存在于有机

5、溶剂中酶不溶于疏水性有机溶剂，在含微量水的有机溶剂中以悬浮状态起催化作用(右图)。2014/11/1312为何酶在非水介质中能表现出催化活力呢?在有机相中酶能保持其整体结构的完整性，有机溶剂中酶的结构(至少是活性部位的结构)与水溶液中的相同。内荧光谱学和圆二色性发现木瓜蛋白酶在乙醇和乙腈中整体三级结构没有明显改变。X射线衍射技术证实了在有机相中，酶活性中心的氢键结构仍保持完整，也就是其蛋白质分子骨架的构象与水中相比没有明显的变化。电子顺磁共振技术(EPR)研究表明，固定化乙醇脱氢酶在有机溶剂中能保持其天然构象。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)

6、发现冻干酶粉在有机溶剂中二级结构未发生明显变化。2014/11/1313(二)非水介质中的酶学性质1.酶的(热、贮藏)稳定性：比在水中高2.底物特异性：不同底物在水中和非水介质中的表现不一样3.对映体选择性4.位置选择性5.化学键选择性6.“pH记忆”与“pH忘记”2014/11/13141.酶在非水介质中热力学稳定性提高酶条件热稳定性猪胰脂肪酶环己烷T1/2>26h(780倍)水，pH7.0T1/2<2minF1-ATP酶甲苯，70℃T1/2>24h(144倍)水，70℃T1/2<10minHindIII正庚烷，55℃，30d活力没有降低水，55℃

7、，30d降低细胞色素氧化酶甲苯，0.3%水T1/24.0h(141倍)甲苯,1.3%水T1/21.7min2014/11/13152.非水介质对底物特异性的影响与在水溶液里的酶催化一样，酶在非水介质中对底物的化学结构和立体结构均有严格的选择性。酶底物介质反应效率蛋白水解酶苯丙氨酸酯(疏水)水50000(水解反应)丝氨酸酯(亲水)1蛋白水解酶苯丙氨酸(体积大，极性小)辛烷1(aa和醇的转酯反应)丝氨酸(体积小、极性稍大)32014/11/13163.介质对对映体选择性的影响酶的对映体选择性是指酶识别外消旋化合物中某种构象对映体的能力。由于溶剂的亲(疏)

8、水性的变化而发生变化酶底物溶剂立体选择性蛋白水解酶N-乙酰基丙疏水性有机L:D(水解反应)氨酸氯乙酯溶剂小于