酶非水相催化 (2)PPT

1、關(guān)于酶非水相催化 (2)第一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月觀念的改變有關(guān)酶的催化理論是基于酶在水溶液中的催化反應(yīng)建立起來的。近年來，進行了非水介質(zhì)的酶結(jié)構(gòu)與功能、酶作用機制、酶作用動力學(xué)的研究，建立起非水酶學(xué)（non-aqueous enzymology)。第二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月有機介質(zhì)中的酶催化指酶在含有一定量水的有機溶劑中進行的催化反應(yīng)。適用范圍:底物、產(chǎn)物兩者或其中之一為疏水性物質(zhì)的酶催化作用。原因:酶在有機介質(zhì)中由于能夠基本保持其完整的結(jié)構(gòu)和活性中心的空間構(gòu)象，所以能夠發(fā)揮其催化功能。特性:酶的底物特異性、立體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性、熱穩(wěn)定性等

2、有所改變。應(yīng)用：多肽、酯類、甾體轉(zhuǎn)化、功能高分子合成、手性藥物拆分的研究。第一節(jié) 酶非水相催化的主要內(nèi)容受非水介質(zhì)的影響，其催化特性與在水相中不同。第三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié)有機介質(zhì)中水和有機溶劑對酶催化反應(yīng)的影響第四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、有機介質(zhì)反應(yīng)體系第五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月微水介質(zhì)體系是由有機溶劑和微量的水組成的反應(yīng)體系。微量的水主要是酶分子的結(jié)合水,對維持酶分子空間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重要。另一部分水分配在有機溶劑中。酶以凍干粉或固定化酶的形式懸浮于有機介質(zhì)中，是常見的有機反應(yīng)體系。第六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2

3、022年6月二、水對有機介質(zhì)中酶催化的影響有機溶劑中酶的催化活力與反應(yīng)系統(tǒng)的含水量密切相關(guān)。系統(tǒng)含水量:與酶分子緊密結(jié)合的結(jié)合水、溶解在有機溶劑中的游離水。與酶結(jié)合的水量是影響酶的活力、穩(wěn)定性以及專一性的決定因素第七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、水對酶分子空間構(gòu)象的影響無水下酶空間構(gòu)象被破壞,故需一層水化層;必需水:維持酶分子完整空間構(gòu)象所必需的最低水量;不同的酶所需求的必需水的量差別較大;每分子凝乳蛋白酶只需50分子的水，每分子多酚氧化酶卻需3.5102個水分子原因:必需水是維持酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵、鹽鍵等副鍵所必需的。第八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2.水對酶催化

4、反應(yīng)速度的影響 有機介質(zhì)中水的含量對酶催化反應(yīng)速度有顯著影響。在催化反應(yīng)速度達到最大時的水含量稱為最適水含量。 在實際應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況，通過實驗確定最適水含量。第九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 三、有機溶劑對有機介質(zhì)中酶催化的影響第十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 有機溶劑對酶結(jié)構(gòu)與功能的影響在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，較好地保持其構(gòu)象；有機溶劑中酶分子不能直接溶解，因此根據(jù)酶分子特性與有機溶劑特性不同，其空間結(jié)構(gòu)的保持也有不同。有些酶在有機溶劑作用下，其結(jié)構(gòu)受到破壞；有的酶分子則保持完整；第十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）有機

5、溶劑對結(jié)合水的影響一些相對親水性的有機溶劑能夠奪取酶表面的必需水而導(dǎo)致酶失活。由于酶與溶劑競爭水分子，體系的最適含水量與酶的用量及底物濃度有關(guān)。提高酶分子的親水性，可以限制酶在有機溶劑中的脫水作用。2. 有機溶劑對酶活性的影響第十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月、溶劑對底物和產(chǎn)物分配的影響溶劑能直接或間接地與底物和產(chǎn)物相互作用。溶劑能改變酶分子必需水層中底物或產(chǎn)物的濃度。有機溶劑極性小，疏水性強，則疏水性底物難于進入必需水層；有機溶劑極性過強，親水性強，則疏水性底物在有機溶劑中的溶解度低。故選擇2lgp5的有機溶劑作為有機介質(zhì)為宜。第十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第

6、三節(jié) 酶在有機介質(zhì)中的催化特性 酶在有機介質(zhì)中起催化作用時，由于有機溶劑的極性與水有很大差別，對酶的表面結(jié)構(gòu)、活性中心的結(jié)合部位和底物性質(zhì)都會產(chǎn)生一定的影響，從而顯示出與水相介質(zhì)中不同的催化特性。第十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 酶在有機溶劑中對底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)均有嚴格的選擇性。例如：青霉脂肪酶 在正己烷中催化2-辛醇與不同鏈長的脂肪酸進行酯化反應(yīng)時，該酶對短鏈脂肪酸具有較強的特異性。一、底物專一性第十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月(1)有機介質(zhì)中酶活性中心結(jié)合部位與底物的結(jié)合狀態(tài)發(fā)生改變,致使酶的底物特異性發(fā)生改變:水溶液中底物與酶活性中心結(jié)合靠疏水作用

7、;有機介質(zhì)中有機溶劑與底物的疏水作用更強;第十六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月(2)不同的有機介質(zhì)，酶的底物專一性也不一樣:極性較強的有機溶劑中,疏水性較強的底物易反應(yīng);極性較弱的有機溶劑中,疏水性較弱的底物易反應(yīng);第十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 酶的對映體選擇性是指酶識別外消旋化合物中某種構(gòu)象對映體的能力。 有機溶劑中酶對底物的對映體選擇性由于介質(zhì)的親（疏）水性的變化而發(fā)生改變。 疏水性強的有機溶劑中酶的立體選擇性差。例如：某些蛋白水解酶在有機溶劑中可以合成由D氨基酸組成的多肽，而在水溶液中酶只選擇L-氨基酸。 二、對映體選擇性第十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于

8、2022年6月三、區(qū)域選擇性酶能夠選擇底物分子中某個區(qū)域的基團優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)；用區(qū)域選擇系數(shù)的大小衡量。用1、2代表底物分子的區(qū)域位置；區(qū)域選擇系數(shù)： K1，2=（kcat/Km)1/ （kcat/Km)2例：1,4-二丁?；?2-辛基苯丁醇脂肪酶轉(zhuǎn)脂反應(yīng)+甲苯乙腈K4，120.5第十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月四、鍵選擇性（chemoselectivity)即在同一個底物分子中有兩種以上的化學(xué)鍵都可以與酶反應(yīng)時，酶對其中一種化學(xué)鍵優(yōu)先進行反應(yīng)。6-氨基-1-已醇黑曲霉脂肪酶毛霉脂肪酶羥基?；被；純?yōu)勢第二十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月五、熱穩(wěn)定性 有機溶劑中酶

9、的熱穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性都比水溶液中高。例如： 豬胰脂肪酶（PPL）在苯中催化酯交換反應(yīng)時，（1）酶活性隨溫度升高（2070）而增加，（2）在70連續(xù)反應(yīng)7次（每次96 h）后酶活力仍保持 60，（3）在100時的半衰期可達數(shù)十小時，而在水中100幾乎馬上失活。 PPL的穩(wěn)定性取決于有機溶劑中水的濃度， 1的水，會使PPL的穩(wěn)定性降低到和水溶液中相同的水平。 第二十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月六、pH值特性在有機介質(zhì)中酶所處的pH環(huán)境與酶在凍干或吸附到載體上之前所使用的緩沖液pH值相同，稱為pH印記或pH記憶（pH-imprint

10、ing）;現(xiàn)象：脂肪酶催化三丁酸甘油與正庚醇的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，酶的反應(yīng)速度與其冷凍干燥前水溶液的的PH密切相關(guān)，反應(yīng)的最適PH接近于水溶液中的最適PH第二十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月原因：當(dāng)酶分子從水溶液轉(zhuǎn)移到有機介質(zhì)時，原有的解離狀態(tài)不變，被保持在有機介質(zhì)中；有機介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的最適ph通常與在水溶液的pH接近；但有些有機溶劑中酶的最PH與水溶液中相差較大，還與緩沖液種類和離子強度有關(guān);第二十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 有機介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的條件及其控制酶在有機介質(zhì)中的催化反應(yīng)受各種因素影響，主要有酶、底物、有機溶劑種類、水含量、溫度、pH值和離子強度等

11、。第二十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、有機介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的類型1、合成反應(yīng)2、轉(zhuǎn)移反應(yīng)3、醇解反應(yīng)4、氨解反應(yīng)5、異構(gòu)反應(yīng)6、氧化還原反應(yīng)7、裂合反應(yīng)第二十六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、合成反應(yīng)有機介質(zhì)中水含量極微，可催化水解反應(yīng)的逆反應(yīng)；（1）脂肪酶或酯酶催化有機酸和醇進行酯的合成反應(yīng)：意義:酶催化酯合成可合成手性化合物,且酶的立體選擇性主要是選擇立體異構(gòu)的醇。第二十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）蛋白酶可在有機介質(zhì)中催化氨基酸進行合成反應(yīng)，生成多肽第二十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、轉(zhuǎn)移反應(yīng)如脂肪酸催化酯與有機酸反應(yīng)

12、生成另一種酯與有機酸,即轉(zhuǎn)酯反應(yīng)：第二十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3、醇解反應(yīng)假單胞脂肪酶催化酸酐醇生成二酸單酯化合物即酸酐水解反應(yīng),例:第三十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月4、氨解反應(yīng)如脂肪酶催化酯類進行不對稱氨解反應(yīng)：R-苯丙氨酸甲酯酰胺叔丁醇第三十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月5、異構(gòu)反應(yīng)如消旋酶催化一種異構(gòu)體為另一種異構(gòu)體例第三十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月6、氧化還原反應(yīng)（1）單加氧（2）雙加氧（3）催化醛類或酮類還原成醇類第三十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）單加氧第三十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于20

13、22年6月（2）雙加氧第三十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）催化醛類或酮類還原成醇類第三十六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月7、裂合反應(yīng)如醇腈酶催化醛與氫氰酸的反應(yīng)第三十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、酶的選擇1、不同酶具不同結(jié)構(gòu)和特性，同一種酶由于來源、處理法不同特性亦有差別；2、酶反應(yīng)速度與酶濃度成正比；3、另注意酶的穩(wěn)定性、底物專一性,對映體選擇性、區(qū)域選擇性、鍵選擇性等第三十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、底物的選擇和濃度控制1、有機劑與水中酶的底物專一性不同；2、底物濃度對酶催化速度有明顯的影響；3、有機介質(zhì)中要考慮底物在有

14、機溶劑和必需水層中的分配情況；4、高濃度底物會對反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。第三十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月四、有機溶劑的選擇1、有機溶劑的極性要選擇恰當(dāng)：極性過強,奪取較多酶表面水分子,使疏水性底物溶解度降低;極性過弱,底物難以進入必需水層;故取中間: 2lgP5第四十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、與水混溶的有機介質(zhì)其含量對酶催化有影響。與水混溶的二氧六環(huán)介質(zhì),辣根過氧化酶(HRP)催化對苯基苯酚的聚合反應(yīng),隨著二氧六環(huán)的含量增加,酶催化得到的聚合物的分子量也增加,80%時最大。二氧六環(huán)含量/%聚合物相對分子質(zhì)量第四十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月五、含

15、水量的控制當(dāng)其它因素不變時，系統(tǒng)含水量對酶活性有影響，只有在最適含水量時酶才有最高活力；最適水含量通常隨溶劑極性增大（lgP減小）而增大；1水含量反應(yīng)速度21341-已烷2-四氯甲烷3-甲苯4-苯第四十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月六、溫度的控制1、微水有機介質(zhì)中含水量低，酶的熱穩(wěn)定性增強，其最適溫度高于水溶液中催化的最適溫度；2、溫度低，酶的立體選擇性高。Lam和Keinan的實驗結(jié)果支持此結(jié)論；第四十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月七、pH值的控制酶在有機介質(zhì)中的最適PH值通常與在水溶液中催化的最適pH相同或接近；可通過調(diào)節(jié)緩沖液pH的方法調(diào)節(jié)有機介質(zhì)中酶催化的p

16、H值；酶在冷凍干燥過程中，pH狀態(tài)有變化；希令（hilling)發(fā)現(xiàn)緩沖液對冷凍干燥過程中pH值和酶活力有影響，故加入一定量的蔗糖、甘露醇等冷凍干燥保護劑；在酶液凍干之前或催化過程采取保護措施；加有機相緩沖液可對有機介質(zhì)中酶反應(yīng)的pH調(diào)節(jié)。第四十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月第五節(jié)酶非水相催化的應(yīng)用第四十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月 酶 催化反應(yīng) 應(yīng)用脂肪酶 肽合成 青霉素G前體肽合成 酯合成 醇與有機酸合成酯類 聚合 二酯的選擇性聚合蛋白酶 肽合成 合成多肽 ?；?糖類的酰基化羥基化酶 氧化 甾體轉(zhuǎn)化過氧化物酶 聚合 酚類、胺類聚合多酚氧化酶 氧化 芳香化合物

17、羥基化膽固醇氧化酶 氧化 膽固醇測定醇脫氫酶 酯化 有機硅醇的酯化酶非水相催化應(yīng)用第四十六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月一、手性藥物的拆分手性化合物指化學(xué)組成相同而立體結(jié)構(gòu)互為對映體的兩種異構(gòu)化合物；手性藥物指只含單一對映體的藥物；已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多手性藥物的對映體具有不同的藥理作用。過去手性藥物多較是以消旋體形式出售。1961年歐洲出現(xiàn)了孕婦服用多消旋體的“反應(yīng)?！焙螅a(chǎn)生多起畸形胎事件。1992年美國食品與藥物管理局（FDA）明確要求含手性因素的化學(xué)藥物，必須說明其二個對映體在體內(nèi)的不同生理活性，藥理作用和藥物代謝動力學(xué)情況。1994年以來，手性藥物世界銷售額以年20以上的速度增長。

18、目前，世界上批準上市約61種。第四十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月手性藥物兩種對映體的藥理作用藥物名稱 有效對映體作用 另一種對映體作用普萘洛爾 S構(gòu)型，治療心臟病，-受體阻斷劑 R構(gòu)型，鈉通道阻滯劑青霉素胺 S構(gòu)型，消炎、解熱、鎮(zhèn)痛 R構(gòu)型，突變劑反應(yīng)停 S構(gòu)型，鎮(zhèn)靜劑 R構(gòu)型，致畸胎第四十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、手性藥物兩種對映體的藥效差異（1）一種有療效，另一種很弱；（2）一種有效，另一種有毒副作用；（3）兩種相反；（4）兩種各有不同藥效；（5）兩種消旋體作用具互補性分5種類型：第四十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、酶在手性化合物拆分

19、方面的應(yīng)用第五十張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月(1)普萘洛爾的酶法拆分 Berinakatti在有機溶劑中用PSL(假單胞菌脂肪 酶）對外消旋萘氧氯丙醇酯水解,得到-酯的ee值（對映體過量值）大于95%PSL對外消旋萘氧氯丙醇酯水解反應(yīng)路線圖第五十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) 2,3-環(huán)氧丙醇衍生物的拆分 2,3-環(huán)氧丙醇單一對映體的衍生物是很重要的手性中間體,可以用于合成受體阻斷劑、HIV蛋白酶抑制劑、抗病毒藥物等。Vantol對2,3-環(huán)氧丙醇丁酸酯在有機介質(zhì)體系中用PPL(豬胰脂肪酶)進行酶促拆分，得到單一的對映體。*脂肪酶水解反應(yīng)拆分2,3-環(huán)氧丙醇丁

20、酸酯，*手性碳位置第五十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）2-芳基丙酸(CH3CHArCOOH)的衍生物的拆分 2-芳基丙酸(CH3CHArCOOH)是手性化合物，其單一對映體的衍生物是治療關(guān)節(jié)炎、風(fēng)濕病等的消炎鎮(zhèn)痛藥物，如萘普生、布洛芬等。臺灣的Tsai證實在80%異辛烷與20%甲苯中酶反應(yīng)獲得較高ee值光學(xué)活性物。2-芳基丙酸的酶法拆分示意圖第五十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月二、手性高分子聚合物的制備第五十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月酶催化合成可生物降解高分子可生物降解高分子是指在一定條件下能被生物體侵蝕或代謝而降解的材料，應(yīng)用廣泛：領(lǐng)域應(yīng)用

21、領(lǐng)域應(yīng)用醫(yī)療外科手術(shù)縫合線；傷口涂料；人造血管；藥物釋放體系；骨骼替代品工業(yè)無污染可生物降解包裝材料；除銹劑、抗真菌載體農(nóng)業(yè)農(nóng)用地膜；肥料、殺蟲劑除草劑釋放體系第五十五張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 可生物降解的聚酯的酶促合成第五十六張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月糖酯作為一種生物功能分子和化工原料具有重要價值。2、可生物降解的聚糖酯的酶促合成第五十七張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月三、酚樹脂的合成酚樹脂是一種廣泛應(yīng)用的酚類聚合物，可以用作黏合劑、化學(xué)定影劑等。辣根過氧化物酶在二氧六環(huán)與水混溶的均一介質(zhì)體系中，可以催化苯酚等酚類物質(zhì)聚合，生成酚類聚合物。第五

22、十八張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月四、導(dǎo)電有機聚合物的合成辣根過氧化物酶可以在與水混溶的有機介質(zhì)（如丙酮、乙醇、二氧六環(huán)等）中，催化苯胺聚合生成聚苯胺。聚苯胺具有導(dǎo)電性能，可以用于飛行器的防雷裝置，以免受到雷電的襲擊；用于衣物的表面，起到抗靜電的作用；用作雷達、屏幕等的微波吸收劑等。第五十九張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月五、發(fā)光有機聚合物的合成新型光學(xué)材料在激光技術(shù)、全色顯示系統(tǒng)、光電計算機等方面都有重要應(yīng)用，是當(dāng)今材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點之一。辣根過氧化物酶可以在有機介質(zhì)中催化對苯基苯酚合成聚對苯基苯酚，將這種聚合物制成二極管，可以發(fā)出藍光。第六十張，PPT共七十

23、二頁，創(chuàng)作于2022年6月六、食品添加劑的生產(chǎn)第六十一張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月1、利用脂肪酶或酯酶催化生成酯類利用脂肪酶將甘油三酯水解成單酯，是食品乳化劑。第六十二張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月2、利用嗜熱菌蛋白酶生產(chǎn)天苯肽天苯肽是二肽甲酯，是食品甜味劑，甜度是蔗糖的150200倍；通過嗜熱菌蛋白酶在有機介質(zhì)中合成第六十三張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月3、利用芳香醛脫氫酶生產(chǎn)香蘭素通過微生物發(fā)酵得到香蘭酸，再通過脫氫酶在有機介質(zhì)中，將香蘭酸還原為香蘭素得之。它的年產(chǎn)量僅有20 t，而世界每年需求量為12000t。 第六十四張，PPT共七十二頁，創(chuàng)作于2022年6月七、生物柴油的生產(chǎn)石油短缺；傳統(tǒng)能源的日益枯竭需