有機(jī)介質(zhì)中的酶促反應(yīng)

關(guān)于有機(jī)介質(zhì)中的酶促反應(yīng)第1頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三酶在有機(jī)介質(zhì)中反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)可進(jìn)行水不溶或水溶性差化合物的催化轉(zhuǎn)化改變了催化反應(yīng)的平衡點(diǎn)對(duì)底物的專一性提高熱穩(wěn)定性提高回收和重復(fù)利用變得容易有效減少或防止由水引起的副反應(yīng)的產(chǎn)生避免了雜水溶液中進(jìn)行長(zhǎng)期反應(yīng)時(shí)微生物引起的污染第2頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三酶促反應(yīng)的有機(jī)介質(zhì)體系(1)與水混溶的有機(jī)溶劑-水形成的單相體系(2)水-非極性有機(jī)溶劑形成的兩相或多相體系(3)膠束與反膠束體系(4)非極性有機(jī)溶劑-酶懸浮體系(5)非極性有機(jī)溶劑-PEG修飾酶單項(xiàng)體系(6)微水有機(jī)介質(zhì)體系第3頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三與水混溶的有機(jī)溶劑-水

形成的單相體系由水和極性較大的有機(jī)溶劑互相混溶組成的反應(yīng)體系，體系中水和有機(jī)溶劑的含量均較大酶和底物是以溶解狀態(tài)存在于體系之中，由于極性大的有機(jī)溶劑對(duì)一般酶的催化活性影響較大，所以能在這類反應(yīng)體系中進(jìn)行催化反應(yīng)的酶較少。第4頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三水-非極性有機(jī)溶劑形成的

兩相或多相體系由水和疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑組成的兩相或多相反應(yīng)體系。游離酶、親水性底物或產(chǎn)物溶解于水相，而疏水性底物或產(chǎn)物則溶解于有機(jī)溶劑相中。一般這種體系僅適用于底物和產(chǎn)物或其中的一種是疏水化合物的酶催化反應(yīng)。其中，最常用的是兩相體系。第5頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三膠束與反膠束體系當(dāng)水和有機(jī)溶劑同時(shí)存在于反應(yīng)體系時(shí)，加入表面活性劑后，兩性的表面活性劑會(huì)形成球狀或橢球狀的膠束，其大小與蛋白質(zhì)分子在同一數(shù)量級(jí)上。第6頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三當(dāng)體系中水濃度高于有機(jī)溶劑時(shí)，形成膠束的表面活性劑的極性端朝向膠束的外側(cè)，而非極性端則朝向膠束的中心，有機(jī)溶劑就被包在膠束的內(nèi)部，此時(shí)的膠束就稱為正相膠束或簡(jiǎn)稱為膠束；當(dāng)體系中水濃度低于有機(jī)溶劑時(shí)，形成膠束的表面活性劑的極性端朝向膠束的中，而非極性端則朝向膠束的外側(cè)，水就被包在膠束的內(nèi)部，此時(shí)的膠束就稱為反相膠束或簡(jiǎn)稱為反膠束。

第7頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三有機(jī)溶劑-酶懸浮體系用非極性有機(jī)溶劑取代所有的作為溶劑的大量水，使酶懸浮在有機(jī)水相中。整個(gè)體系雖然含水量很低，但是水在維持酶分子的催化活性上起著極為重要的作用。底物分子以擴(kuò)散的形式通過(guò)酶分子表面的水層進(jìn)入活性中心，完成催化后再擴(kuò)散進(jìn)入有機(jī)相。酶的狀態(tài)可以是結(jié)晶、凍干、沉淀，或者吸附在固體載體表面上。第8頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三非極性有機(jī)溶劑-PEG

修飾酶單項(xiàng)體系聚乙二醇（PEG）具有親水和疏水兩種特性，用PEG修飾的賴氨酸殘基，增加酶分子表面的疏水性，可使酶在有機(jī)介質(zhì)中溶解性增加，使酶反應(yīng)體系處于一種均相狀態(tài)，同時(shí)為酶分子表面創(chuàng)造了一個(gè)親水的微環(huán)境。PEG修飾的酶既能在宏觀的有機(jī)環(huán)境中與疏水性底物充分接觸，又能在少量水的微環(huán)境中發(fā)揮催化能力。被修飾的酶在有機(jī)介質(zhì)中的穩(wěn)定性大幅提高。第9頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三微水有機(jī)介質(zhì)體系微水有機(jī)介質(zhì)體系是由有機(jī)溶劑和微量的水組成的反應(yīng)體系，也是有機(jī)介質(zhì)酶催化中應(yīng)用最為廣泛的一種反應(yīng)體系。酶分子的結(jié)合水對(duì)維持酶分子的空間構(gòu)象和催化活性至關(guān)重要。一般酶都是以凍干粉或固定化酶的形式懸浮于有機(jī)介質(zhì)之中，在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行催化反應(yīng)。第10頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三不同反應(yīng)體系中

酶的一些催化行為比較參數(shù)微水有機(jī)介質(zhì)體系水-有機(jī)溶劑兩相體系反膠束體系酶活力酶負(fù)載量產(chǎn)率產(chǎn)物回收酶重復(fù)使用連續(xù)操作低高低容易可能可能低高低一般難可能高低高難難難第11頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三熱穩(wěn)定性

許多酶在非水介質(zhì)中的熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性比相同酶在水溶液中更好

這種熱穩(wěn)定性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性的提高難以用化學(xué)交聯(lián)、固定化甚至是蛋白質(zhì)工程的手段所能達(dá)到的

這種穩(wěn)定性還與介質(zhì)中的水含量有關(guān)第12頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三酶在非水介質(zhì)中的性質(zhì)熱穩(wěn)定性底物專一性對(duì)映體選擇性區(qū)域選擇性化學(xué)鍵選擇性pH記憶第13頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三底物專一性

酶在非水介質(zhì)中對(duì)底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)均有嚴(yán)格的選擇性不同的有機(jī)溶劑具有不同的極性，因此，在不同的有機(jī)溶劑中酶的底物專一性也是不同的在極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，疏水性較強(qiáng)的底物容易進(jìn)行反應(yīng)，而在極性較弱的有機(jī)溶劑中，疏水性較弱的底物容易進(jìn)行反應(yīng)。第14頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三酶條件熱穩(wěn)定性豬胰脂肪酶三丁酸甘油酯,水，pH7.0T1/2<26hT1/2<2min酵母脂肪酶三丁酸甘油酯/庚醇水，pH7.0T1/21.5hT1/2<2min胰凝乳蛋白酶正辛烷，100℃水，pH8.0,55℃T1/280minT1/215min枯草桿菌蛋白酶

正辛烷，110℃T1/280min溶菌酶環(huán)己烷110℃水T1/2140minT1/210min核糖核酸酶壬烷，110℃，6h水，pH8.0,90℃剩95%活性T1/2<10minF1-ATP酶甲苯，70℃水，70℃T1/2>24hT1/2<10min醇脫氫酶

正庚烷，55℃T1/2>50daysHindIII

正庚烷，55℃，30days

活性沒(méi)有降低脂蛋白脂肪酶甲苯，90℃，400h

剩余活性40%-葡萄糖苷酶2-丙醇，50℃，30h

剩余活性80%酪氨酸酶氯仿，50℃水，50℃T1/290minT1/210min酸性磷酸酯酶正十六烷，80℃水，70℃T1/28.0minT1/21.0min細(xì)胞色素氧化酶甲苯，0.3%水甲苯，1.3%水T1/24.0hT1/21.7min第15頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三對(duì)映體選擇性酶的對(duì)映體選擇性是指酶在對(duì)稱的外消旋化合物中識(shí)別一種異構(gòu)體的能力這種選擇性是由不同對(duì)映體與酶的活性中心的三維空間構(gòu)像的互補(bǔ)性或稱親和力決定的非水介質(zhì)中酶對(duì)底物的對(duì)映體選擇性由于介質(zhì)的親（疏）水性的變化而發(fā)生改變酶在水溶液中的對(duì)映體選擇性較強(qiáng)，而在疏水性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑中，酶的對(duì)映體選擇性較差第16頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三區(qū)域選擇性區(qū)域選擇性，即酶能夠選擇性地優(yōu)先催化底物分子中某一區(qū)域的基團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)酶在非水介質(zhì)中進(jìn)行催化時(shí)，區(qū)域選擇性可能會(huì)發(fā)生一定變化第17頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三化學(xué)鍵選擇性化學(xué)鍵選擇性是指當(dāng)同一個(gè)底物分子中有2個(gè)以上的化學(xué)鍵都可以與進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，酶對(duì)其中的一個(gè)別化學(xué)鍵可以優(yōu)先進(jìn)行催化反應(yīng)在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行酶催化反應(yīng)時(shí)，化學(xué)鍵選擇性可能變化第18頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三有機(jī)介質(zhì)中酶促反應(yīng)的影響因素有機(jī)溶劑對(duì)酶催化反應(yīng)的影響水對(duì)酶催化反應(yīng)的影響第19頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三pH記憶在有機(jī)介質(zhì)酶催化反應(yīng)中，酶所處的pH環(huán)境與酶在凍干或吸附到載體之前所使用的緩沖液pH值相同酶的催化反應(yīng)速度與其凍干或吸附到載體之前緩沖溶液的pH密切相關(guān)非水介質(zhì)中的酶能夠“記憶”凍干或吸附到載體之前所處緩沖液中的pH值，反應(yīng)的最適pH接近于水溶液中的最適pH第20頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三非水介質(zhì)酶催化的應(yīng)用近年來(lái)的大量研究已經(jīng)表明，在非水介質(zhì)中酶常常會(huì)有高度的選擇性，包括立體選擇性、對(duì)映體選擇性、區(qū)域選擇性和化學(xué)選擇性，這為非水介質(zhì)酶催化在有機(jī)合成領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)辟了極有意義的新天地已有以脂肪酶、蛋白酶為典型代表的多種酶被用于非水介質(zhì)中催化酯化、酯交換、肽合成和大環(huán)內(nèi)酯合成等多種反應(yīng)，其中特別在前手性化合物的不對(duì)稱合成、對(duì)映體的選擇性拆分等方面獲得了有重要意義的應(yīng)用第21頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三1、光學(xué)活性化合物的制備可以將有潛在手性的化合物和前體通過(guò)酶催化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為單一對(duì)映體的光學(xué)活性可以非水介質(zhì)中的酶催化反應(yīng)合成含磷、硫、氮及金屬的光學(xué)活性化合物可以利用非水介質(zhì)中的酶催化進(jìn)行外消旋化合物的拆分反應(yīng)。第22頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三①普萘洛爾的酶法拆分利用PSL（假單胞菌脂肪酶）在有機(jī)溶劑中可對(duì)外消旋的萘氧氯丙醇酯進(jìn)行水解，得到了(R)－酯的ee值大于95%；而利用PSL對(duì)消旋的萘氧氯丙醇進(jìn)行選擇性?；?，也得到了ee大于95%的光學(xué)活性的(Ｒ)－醇。第23頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三②環(huán)氧丙醇的酶法拆分PPL（豬胰脂肪酶）在有機(jī)溶劑中與兩相體系中可對(duì)２,３－環(huán)氧丙醇的丁酸酯進(jìn)行了酶促拆分。第24頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三③布洛芬的酶法拆分在有機(jī)溶劑中對(duì)布洛芬進(jìn)行酶促酯化反應(yīng)時(shí)加入少量的極性溶劑，可使酶的選擇性有明顯的提高，如加入了二甲基甲酰胺后，最后得到(S)-布洛芬的ee值從57.5%增加到了91%。第25頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三④５－羥色胺拮抗物和攝取抑制劑類手性藥物５－羥色胺（5-HT）是一種涉及到各種精神病、神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，如