非水相酶催化

非水相酶催化思维导图包括酶催化反应的介质、有机介质中酶催化的应用、酶在有机介质中的催化特性、非水酶学概述等内容。

非水相酶催化

• 酶在非水介质中的催化作用
• 酶催化反应的介质
  • 水介质
  • 非水介质
• 非水介质
  • 有机介质反应体系
    • 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。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。
  • 气相介质反应体系
    • 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。
  • 超临界流体反应体系
    • 超临界流体(supercritical fluid) :温度及压力均处于临界点以上的液体,如水 (t=374.3 ℃，p=22.05 MPa) 。
    • eg:CO2由于其性质稳定，无毒，不易燃易爆，价廉以及较低 的临界压力(7.3MPa)和较低的临界温度(31.05℃)而被广泛应 用。
      • 所谓物质的临界状态，是指物质的气态和液态平衡共存的一个边缘状态。在这种状态下，液体的体积质量与饱和蒸汽的体积质量相同，因而它们的界面消失。
    • 超临界流体
      • 超临界流体具有与液体相近的溶解能力和传热系数，具有与气体相近的黏度系数和扩散系数。同时也具有区别于气态和液态的明显特点：
        • （1）可以得到处于气态和液态之间的任一密度
        • （2）在临界点附近，压力的微小变化可导致密度的巨大变化
    • 选择超临界流体的基本原则
      • 1.对酶的结构没有破坏作用
      • 2.对设备没有腐蚀性
      • 3.超临界温度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。
  • 离子液介质反应体系
    • 离子液（ionic liquids）
      • 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
    • 与各种物质都有很好的溶解性，可通过调节阴阳离子获得不同的溶剂特性，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 。
  • 非水介质酶催化反应特点
    • 1.便于分离纯化
    • 2.抑制依赖于水的某些不利反应和副反应
    • 3.改变反应平衡，增加酶的应用范围
    • 4.热稳定性及储存稳定性增加
    • 5.降低微生物的污染
• 有机介质中酶催化的应用
  • 手性药物的制备
  • 生物表面活性剂的合成
  • 生物柴油的生产
  • 功能高分子材料合成
  • 短肽的合成
• 酶在有机介质中的催化特性
  • 酶催化反应的选择性
    • 底物专一性的变化
    • 对映体选择性的变化
    • 区域选择性
    • 化学键选择性的变化
    • 热稳定性
• 有机介质中酶促反应的影响因素
  • 水对酶促反应的影响
    • 1.必需水（essential water）：维持酶分子完整的空间构象所必需的最低水量。 2.酶的活性取决于吸附在酶分子上的水分子而与溶剂中的水含量无关。 3.水活度（water activity, aw）是指在一定的温度和压力下，反应体系中水的蒸汽压与相同条件下纯水的蒸汽压之比。
    • 1. 空间构象
      • 1. 酶结构和构象是酶发挥催化功能所必需的，必须保证其“紧密”而又有“柔性”的状态
    • 2. 反应速度
      • 影响因素：有机溶剂的类型、酶活性位点的极性、反应条件及酶修饰剂的类型等
    • 3. 稳定性
  • 有机溶剂对酶促反应的影响
    • 有机溶剂与酶直接作用
    • 有机溶剂与酶周围水作用
    • 底物与产物的分配与扩散
• 酶促反应的有机介质体系
  • 微量水－非极性有机溶剂（微水介质体系）
    • 用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使酶悬浮在有机相中
    • 酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固体载体表面上
  • 水－与水互溶有机溶剂（均一体系）
    • 有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系
    • 酶、底物和产物都能溶解在这种体系中
    • 适用对象：稳定性较高且有极少量水就能保持催化活性的酶。如 脂肪酶、枯草杆菌蛋白酶。
  • 水－非极性有机溶剂（两相体系）
    • 由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性)相所组成的两相体系。
  • PEG修饰酶单相体系
    • PEG结合酶分子的赖氨酸残基，增加酶分子表面疏水性及在有机介质中的溶解性。
  • 胶束与反胶束体系
    • 临界胶束浓度：
    • 胶束形成时所需表面活性剂的最低浓度，用CMC来表示
    • 正胶束
      • 表面活性剂的极性端朝外，非极性端朝内，反应时酶在胶束外面的水溶剂中，疏水性的底物或产物在胶束内部。反应在胶束的两相界面进行
    • 反胶束
      • 将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中，并使其浓度超过临界胶束浓度（CMC），便会在有机溶剂内形成聚集体，这种聚集体则为反胶束。
      • 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“小水池”中进行催化。
    • 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。
    • 反胶束体系的制备
      • 注入法（最常用）
        • 将含酶的水相注入到含表面活性剂的有机相中
    • 反胶束体系的优点
      • 1.组成灵活，热力学稳定
        • 漆酶在反胶束体系中的活性约为水中的60倍
        • 过氧化物酶约为水中的100倍
        • 酸性磷酸酶约为水中的200倍
      • 2.界面积大
      • 3.既能为反应物鹤底物提供有机相，也为酶分子维持其活性提供稳定的微环境
  • 有机相酶反应优点
    • 1.有利于疏水性底物的反应，增强反应物的溶解度
    • 2.能催化在水中不能进行的反应
    • 3.可改变反应平衡移动方向
    • 4.可防止由水引起的副反应
    • 5.酶和产物易于回收(低沸点溶剂）
    • 6.可避免微生物污染
  • 有机相酶反应具备条件
    • 1、保证必需水含量
    • 2、选择合适的酶及酶形式
    • 3、选择合适的溶剂及反应体系
    • 4、选择最佳pH值
• 非水酶学概述
  • • 非水介质酶催化发展情况：
      • 1.早在20世纪初，Ｅ.Ｂourquelot等曾经将乙醇、丙酮类的有机溶剂加到酶的水溶液中，进行非水介质中酶催化的尝试。 2.1966年，Price发现凝乳胰蛋白酶与黄嘌呤氧化酶在有机溶剂中保持一定的活性。 3.1984年美国Klibanov A．M．在《科学》 上发表了关于非水介质脂肪酶催化行为和热稳定性的研究报告。分享了在微量水的有机介质中成功地酶促合成了酯、肽、手性醇等有机化合物。