- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
非水相酶催化的研究大大拓展了酶的可能用途。 尤其是能合成化学方法难以合成的手性化合物（如光学活性药 物、农药液晶 )等,被广泛应用于酯合成、手性化合物的拆分和 合成、化工合成中间体的选择性基团保护、高聚物的合成、肽 合成等方面，应用前景非常广阔。
Overcoming Limitations
解决方案 – 有机溶剂
酶 (RS)-环氧 (S)-环氧 + (R)-二醇
4、胶束和反胶束体系：
胶束又称正胶束或正胶团，是在大量水溶液中含有少量 与水不相混溶的有机溶剂，加入表面活性剂后形成的” 水包油”型的微小液滴。反应时，酶在胶束外面的水溶 液中，疏水性的底物或产物在胶束的内部。反应在胶束 的两相界面中进行。
反胶束
极性强 黏度高 与水或有机溶剂不相溶 丰富、复杂的溶剂作用
重要的离子液体举例
潜在的优势：
溶剂性质可调 增强酶的活性 改善酶的特异性 更有利的反应平衡
成本高 溶剂作用复杂，结构与功能的关系尚处于有限 的理解阶段
第二节、非水介质中酶的结构与性质
酶不溶于疏水性的有机溶剂，在非水有机相中以悬浮状态其 催化作用
25
25
Mechanism of Transesterification
O R'O R Organic Solvent
Asp 102 His 195 O O H N Ser 195
Concerns Addressed
Chymotrypsin +
O H H N H N R'O O R
N
Gly 193
水相酶学的限制
非极性底物和产物的溶解性 Polymerization of phenols
R
OH R = alkyl
horseradish peroxidase H2 O2 Aqueous
R
HO
OH
R
Dimers/Trimers
3
Bruno, F.; Ayyagari, S.; Akkara, J. Trends in Biotechnology. 1999, 17, 67-73. Reihmann, M.; Ritter, H. Syn. Of Pol. Using Peroxidases. Adv. Poly. Sci. Springer-Verlag. 2006, 194, 1-49.
R'O R
O R'OH
R''OH R''O R
O
R'O R
O R'OH H2O
HO R
O
E
ES'
ES
ES''
E
E
ES`
ES
ES``
E
Ping Pong Mechanism
Conclusion: Mechanism is the same
(1) Chaterjee, S.; Russell, A. Enzyme Microb. Technol. 1993, 15, 1022-1029. (2) Klibanov, A. Trends Biochem. Sci. 1989, 14, 141-144.
生物催化反应中常用的非水介质体系：
有机介质 1、微水有机介质体系、 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、 3、与非极性有机溶剂组成的非均相体系 4、反胶束体系； 超临界流体介质 离子液体介质 气相介质 无溶剂系统
一、有机介质中的酶催化
1、微水有机介质： 由有机溶剂和微量的水组成的反应体系。微量的水主 要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的空间构象和催 化活性至关重要。另外一部分水分布在有机溶剂中。 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系： 由水和极性较大的有机溶剂互溶组成的反应体系，水 和溶剂含量均较大，酶和底物以溶解状态存在于均一体 系。
23
Concerns Addressed
Structure of Subtilisin in Water and Acetonitrile
Cα Backbone Trace Active Site (Asp-32,His-64,Ser-221)
Heavy lines = MeCN Light lines = water
0.228
0.232
0.227
0.236
0.460
0.525
0.326
0.203
如：纯净的CO2被加热或压缩到高于其临界点（临界温度31.1℃，临界压 力7.28Mpa)时的状态。该流体具有无毒、无臭、不燃等优点。
四、新型环保催化介质：离子液体
有机盐 低熔点 (<100°C) 独一无二的性质 非挥发，几乎没有蒸气压 液态温度范围宽 ：-90℃～300℃ 化学和热力学稳定，不燃烧 数量庞大，理论上1018种 与传统溶剂的比较
Alpha-Helix Content (%)
30 25 20 15 10 5 0 60 % MeCN + 40 % Water (v/v) Water Neat MeCN
Solvent
Klibanov, A.; Griebenow, K. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11965-119700. 23
O R' OR''
Enzymes Aqueous, RSH
X
O R' SR
5
5
非水相生物催化的诞生
1984年，美国的Klibanov等用胰酯酶粉或其固定 化酶在几乎无水的有机溶剂中成功地合成了肽， 手性醇以及酯酰胺，这些研究改变了酶促反应只 能在水相中进行的传统观念，更重要的是使原来 认为难以进行的反应成为可能。同时发现同一种 酶在不同的溶剂中可以表现出不同的立体选择 性，促进了生物催化反应溶剂工程的研究。
8
8
Overcoming Limitations
在有机溶剂中增强酶的热稳定性
% Activity of Lipase at 100 °C
100
Enzyme in Heptanol Enzyme in Water
% Activity
80 60 40 20 0 0 20 40 60
O O R O O R
Asp 102
His 195 O O H N N H R'' O
Ser 195 N O H O HN R Gly 193
Asp 102 O O
His 195
Ser 195 N H Gly H O N `RO O H N 193 R
26
H N
R'OH
26
Chaterjee, S.; Russell, A. Enzyme Microb. Technol. 1993, 15, 1022-1029.
Mechanism of Transesterification
超临界流体的有关性质（P-V-T）
流体名称
乙烷
丙烷
丁烷
戊烷
乙烯
氨
CO2
二氧化硫
水
临界温度 （℃）
32.3
96.9
150.0
296.7
9.9
132.4
31.1
157.6
374.3
临界压力 （Mpa）
4.26
3.8
3.38
5.12
11.28
7.38
7.88
22.11
4.88
临界密度 (g/cm3)
0.220
反胶束又称反胶团，在大量与水不相混溶的有机溶剂 中，含有少量的水溶液，加入表面活性剂后形成的”油 包水”型的微小液滴。催化反应在两相的界面中进行。 在反胶束体系中，由于酶分子处于反胶束内部的水溶液 中，稳定性较好。
二、气相介质中的酶催化体系
气相介质中的酶催化反应是指酶在气体或者能够转化 为气体物质的酶催化反应。气体介质密度低，扩散容 易。目前研究很少(氢化酶、固氮酶, 甲烷加氧酶)。
Klibanov, A. et al. Proc. Nat. Acad. Sciences. 1993, 90, 8653-8657.
24
24
2.催化机制相同
Transesterification in Organic Solvents
Concerns Addressed
Ester Hydrolysis in Water
增强难溶于水的反应物的溶解性
R horseradish peroxidase H2 O2 Aqueous R HO
OH R = alkyl
OH
R
n
二氧六环 聚合物分子量比水相提高50倍
High molecular weight polymers
Bruno, F.; Ayyagari, S.; Akkara, J. Trends in Biotechnology. 1999, 17, 67-73. Reihmann, M.; Ritter, H. Syn. Of Pol. Using Peroxidases. Adv. Poly. Sci. Springer-Verlag. 2006, 194, 1-49.
O R' OR''
Enzymes Organic Sol. NHR2
Enzymes OR'' Organic Sol. RSH R'
O R' NR2
O R'
O SR
10
10
酶非水相中催化的优点
增强难溶于水的反应物的溶解性，能催化在水中不能进行的 反应 可提高酶的热稳定性. 可改变反应平衡 可改变酶的选择性（底物专一性、对映体选择性、位置选择 性和化学选择性） 酶和产物易于回收。 可避免微生物污染。
