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第五章 有机溶剂中的酶催化作用

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酶工程思考题(附答案)

酶工程思考题(附答案)

酶工程思考题汇总第一章P251．何谓酶工程?试述其主要内容和任务.酶的生产，改性与应用的技术过程称为酶工程。

主要内容：微生物细胞发酵产酶，动植物细胞培养产酶，酶的提取与分离纯化，酶分子修饰，酶、细胞、原生质体固定化，酶非水相催化，酶定向进化，酶反应器和酶的应用等。

主要任务：经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方法使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。

2．酶有哪些显著的催化特性？专一性强（绝对专一性——钥匙学说、相对专一性——诱导契合学说）、催化效率高、作用条件温和3．简述影响酶催化作用的主要因素.底物浓度、酶浓度、温度、pH、激活剂浓度、抑制剂浓度等诸多因素第二章P635．酶的生物合成有哪几种模式？生长偶联型（同步合成型、中期合成型）、部分生长偶联型（延续合成型）非生长偶联型（滞后合成型）7．提高酶产量的措施主要有哪些？a.添加诱导物（酶的作用底物、酶的催化反应物、作用底物的类似物）b.控制阻遏物的浓度c.添加表面活性剂d.添加产酶促进剂11．固定化微生物原生质体发酵产酶有何特点？1.提高产酶率2.可以反复使用或连续使用较长时间3.基因工程菌的质粒稳定，不易丢失4.发酵稳定性好5.缩短发酵周期，提高设备利用率6.产品容易分离纯化7.适用于胞外酶等细胞产物的生产第三章P843．植物细胞培养产酶有何特点？1.提高产率2.缩短周期3.易于管理，减轻劳动强度4.提高产品质量5.其他4．简述植物细胞培养产酶的工艺过程。

外植体细胞的获取细胞培养分离纯化产物6．动物细胞培养过程中要注意控制哪些工艺条件？1.培养基的组成成分2.培养基的配制3.温度的控制4.ph的控制5.渗透压的控制6.溶解氧的控制第四章P1351．细胞破碎的方法主要有哪些？各有何特点？机械破碎法：通过机械运动产生的剪切力，使组织、细胞破碎（捣碎法，研磨法，匀浆法）物理破碎法：通过物理因素的作用（温度差破碎法，压力差破碎法，超声波破碎法）化学破碎法：通过化学试剂对细胞膜的作用（添加有机溶剂，添加表面活性剂）酶促破碎法：通过细胞本身的酶系或外加酶制剂的催化作用，使细胞外层结构受到破坏（自溶法，外加酶制剂法）2．试述酶提取的主要方法。

【高中生物】必修一第五章第1节《降低化学反应活化能的酶-一酶的作用和本质》教案

【高中生物】必修一第五章第1节《降低化学反应活化能的酶-一酶的作用和本质》教案

第五章第1节降低化学反应活化能的酶一、酶的作用和本质一、教材分析新陈代谢是生物体进行一切生命活动的基础，而新陈代谢的进行又离不开酶的催化作用，因此，了解酶的作用和本质，为理解细胞中复杂的生命活动的顺利进行奠定了基础。

本节内容还与选修模块的相关内容有着内在联系。

例如，选修模块中有关酶的应用等，都是以“酶与代谢”部分的相关内容为基础的。

此外，学生通过有关酶的的探究性学习活动获得的技能，对进一步学习生物技术实践等知识起到保证作用。

二、教学目标1. 知识目标（1）、说明酶在细胞代谢中的作用、本质。

（2）、阐述细胞代谢的概念2. 能力目标（1）、通过自主学习，培养学生推理、比较、分析、归纳总结的能力。

（2）、通过有关的实验和探究，学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验。

（3）、在有关实验、资料分析、思考与讨论、探究等的问题讨论中，提高运用语言表达的能力以及分享信息的能力。

3. 情感态度与价值观目标（1）、通过阅读分析“关于酶本质的探索”的资料，认同科学是在不断的观察、实验、探索和争论中前进的，。

认同科学家不仅要继承前人的科研成果，而且要善于吸收不同意见中的合理成分，还要具有质疑、创新和勇于实践的科学精神和态度。

（2）、通过小组间的讨论、合作与交流，培养学生的合作互助精神。

（3）、通过让学生了解酶的发现过程，使学生体会实验在生物学研究中的作用和地位；通过讨论酶在生产、生活中的应用，使学生认识到生物科学技术与社会生产、生活的关系。

三、教学重点和难点1、教学重点：酶的作用、本质2、教学难点：酶降低化学反应活化能的原理四、学情分析学生通过初三、高一阶段化学的学习，对于纯化学反应已比较熟悉，但是对于细胞内部的化学反应及生物催化剂──酶的认识有限。

工业制氨的化学反应是在高温高压并且催化剂作用下进行的，细胞内部却是常温常压的温和状态，而细胞代谢包括一系列的化学反应，这些化学反应的进行应该有生物催化剂──酶的参与，才能使其高效有序的进行，由此从学生熟悉的知识引入对酶相关知识的学习。

酶工程-5酶非水相催化

酶工程-5酶非水相催化

咪唑类
吡啶类 季铵盐类 IL中几种常见的阳离子类型
季磷酸பைடு நூலகம்类
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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。 2000 年 ， 嗜 热 菌 蛋 白 酶 在 离 子 液 体 [BMIm]PF6/H2O（95/5，V/V）介质中，可催化合 成Z-阿斯巴甜，产物收率高达95%。
优点：无毒、低粘度、产物易分离，但需要高压容 器，减压室酶易失活
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有机介质酶催化的优点
1． 有利于疏水性底物的反应
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． 可控制底物专一性 5． 可防止由水引起的副反应 6． 酶易于实现固定化 7． 酶和产物易于回收 8．可提高酶的热稳定性，可避免微生物污染
这种均一体系是由水和极性较大的有机溶剂（DMSO、 DMF、四氢呋喃、丙酮和低级醇等）互相混溶组成的 反应体系。
酶和底物都是以溶解状态存在于均一体系中。不存在 传质阻碍，但由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化 活性影响较大，所以能在该反应体系的进行催化反应 的酶较少。
5
有机溶剂对酶催化葛根素糖基化反应的影响
葛根素 溶剂比例 (%) C (mmol/L)
0 10 15 12.1 44.3 140.3 相对含量(%) 产率 (%) 98.8 96.6 96.5 P1 21.7 32.4 55.0 P2 29.4 51.4 40.5 P3 32.6 12.8 4.5 P4 16.3 3.4 0
溶剂 None DMSO
一般说来，在底物浓度较低的情况下，酶催化反应速 度随底物浓度的升高而增大。当底物达到一定浓度以 后，再增加底物浓度，反应速度的增大幅度逐渐减少， 最后趋于平衡，逐步接近最大反应速度。

有机溶剂中酶多功能性催化有机合成反应

有机溶剂中酶多功能性催化有机合成反应
醇的加成位置 ， 当反应介质 为 Ｎ， Ｎ一二 甲基 甲酰胺 时 ，
在 正己烷 中 Ｄ一氨基酰化 酶催化 １ ， ２， ４一三唑 与醋 酸
乙烯 酯的加成反应产率最高 ， 达９ ３ ％ 。
２ 有机溶剂 中氧化还原酶的催化有机反应
Ｋ ａ ｚ ｎｄ ａ ｊ ｉ ａ ｎ 等【 驯研究 了蘑菇多 酚氧化酶 （ ｍ ｕ ｓ ｈ ．
Ｎ＼ ＼ ／ 入
ｃＮ
Ｇ Ｎ Ｈ ＯＨ
图１ ． ２ 脂肪酶催化 Ｍｉ ｃ ｈ ａ ｅ ｌ 加成
Ｆ ｉ ｇ １ ． ２ Ｍｉ ｃ ｈ ａ ｅ ｌ ａ ｄ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ａ ｔ ｌｙ ａ ｚ ｅ ｄ ｂ ｙ ｌ ｉ ｐ ａ ｓ ｅ
１ 有机溶剂中水解 酶的催化有机反应
性， 也就是使用不同的反应介质来提高酶的活性， 应用
比较广泛 的反应介质包括 ： 有机溶剂 Ｌ ｏ Ｊ 、 离 子液体 和
Ｌ ｉ 等 首次报道 了脂肪 酶催化 不对称 Ａ ｌ ｄ ｏ ｌ 反应 （ 图１ ． １ ） 。他们选用 了 ７种 不同的脂 肪酶催化 醛与丙 酮的 Ａ ｌ ｄ ｏ ｌ缩 合 反 应 。研 究 结 果 表 明： Ｐ Ｐ Ｌ（ Ｐ ｏ ｒ ｃ ｉ ｎ ｅ
超临界流体 Ｊ 。
过去几 十年来 ， 非水 介质 中的酶催 化研 究得 到 了 长足的 发展 。虽然酶催化需要 一定量 的水 以保 持其 活 性， 但是在水相 中 ， 很多 反应底 物 不能够 溶解 ， 酶的稳
Ｐ ａ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ Ｌ ｉ ｐ ａ ｓ ｅ ） 的催 化效 果 最 好 ， 产率 可 以达 到 ９ ６ ．
Ｏ
反应介质 、 水含量 、 温度 、 反应 物摩尔 比等条件 的研究 。 发现 该 反 应 在 脂 肪 酶 Ｔ Ｌ Ｉ Ｍ （ ｉ ｍ ｍ ｏ ｂ ｉ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ Ｈ ｐ ａ ｓ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍ 达９ ｏ ％， 对映体选 择性 最高达 ８ ３ ％。

第五章有机溶剂中的酶催化作用

第五章有机溶剂中的酶催化作用
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下面是一个胰脂肪酶的反应速度---水含量的关系 图。
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一般认为，一个酶结合水的过程分4步： 1.首先与酶分子表面的带电基团结合一部
分水(0- 0.07g/g(水/酶))。 2.再与酶分子表面的极性基团结合一部分
水(0.07-0.25g/g(水/酶))。 3.再聚集到表面相互作用较弱的部位
(0.25-0.38g/g(水/酶))。 4.最后酶分子表面完全水合化，水分子覆
第五章 有机溶剂中的酶催化反应
1
第一节 非水介质中酶学基础
• 用于酶催化的非水介质包括：
– 含微量水的有机溶剂 – 与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系 – 水与有机溶剂形成的两相或多相体系 – 胶束与反胶束体系 – 超临界流体 – 气相
2
3
非水介质中酶的结构
4
有机介质中的酶促反应的优越性
原先的认识： 1）我们以前的酶学理论知道，酶溶解在水溶液中， 而且酶一定是在水溶液中才能反应，又知道水是 个极性分子，酶只能在极性溶剂中反应。 2）我们又知道有机溶剂是酶的变性剂，用了以后， 应该在尽可能短的时间内去除有机溶剂，再把酶 溶解于水中，以防止酶的变性和失活。
6
第二节 反应条件： 一句话，条件要适宜,在一个特定条件下进行，。
一、 保证必需水含量 水是保证酶催化反应的必需条件，活性构象
是水分子直接或间接由氢键等非共价键相互作用来 维持。
因此与酶分子紧密结合的一单层水分子对催 化作用非常重要。而其他的水则相对不那么重要 (即由有机介质替代的那部分水不那么重要了）。
可能理由：
被认为在水含量不变的情况下，酶少到一个合适的浓度，
可以使酶聚合体变小，反而增大了酶-底物接触的面，减
少了底物扩散的限制，酶反应速度反而加快。

高一生物必修一第五章知识点

高一生物必修一第五章知识点

高一生物必修一第五章知识点高一生物必修一第五章(一)第五章细胞的能量供给和利用第一节降低反响活化能的酶一、细胞代谢的概念：细胞内每时每刻进行着许多化学反响，统称为细胞代谢。

特点：1、一般都需要酶的催化 2、在水环境中进行3、反响条件温和4、一般伴随着能量的释放和储存二、实验：比拟过氧化氢酶在不同条件下的分解无机催化剂：三价铁离子(生锈的铁钉)有机催化剂：过氧化氢酶(肝脏研磨液、土豆浸出液)1号试管：2ml过氧化氢溶液2号试管：2ml过氧化氢溶液水浴加热到90摄氏度3号试管：2ml过氧化氢溶液+三价铁离子4号试管：2ml过氧化氢溶液+过氧化氢酶实验结论：1、加热促使过氧化氢分解，是因为加热使过氧化氢分子得到能量，从常态转化为容易分解的活泼状态。

2、Fe3+和过氧化氢酶促使过氧化氢分解，是降低了过氧化氢分解的活化能。

3酶具有催化作用，并且催化效率要比无机催化剂Fe3+高得多活化能：分①没有酶催化的反响曲线是b②有酶催化的反响曲线是a③AC段的含义是在无机催化剂的条件下，反响所需要的活化能④BC段的含义是酶降低的活化能⑤假设将酶催化改为无机催化剂催化该反响，那么B点在纵轴上将向上移动三、控制变量法：变量、自变量(人为改变的变量)、因变量(随着自变量的变化而变化的变量)、无关变量的定义。

对照实验：除一个因素外，其余因素都保持不变的实验。

原那么：对照原那么，单一变量的原那么。

四、酶的概念：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。

1、酶的特性：专一性(脲酶分解尿素成氨和二氧化碳、蛋白质分解蛋白质)高效性(酶的催化效率高于无机催化剂)作用条件较温和(最适温度，最适pH)2、影响酶活性的条件(要求用控制变量法，自己设计实验)建议用淀粉酶探究温度对酶活性的影响，用过氧化氢酶探究PH对酶活性的影响。

探究温度对唾液淀粉酶活性的影响子从常态转变为容易发生化学反响的活泼状态所需要的能量。

注意：①不能用过氧化氢酶探究温度对酶的影响，因为过氧化氢高温分解②探究温度对酶的影响不能用斐林试剂，斐林试剂检测复原糖需要加热③斐林试剂和碘液不可检测pH，斐林试剂和酸反响，碘液和碱反响五、影响酶促反响的因素1、温度：高温使酶失活。

生物必修一第五章知识点总结全

生物必修一第五章知识点总结全

第五章细胞的能量供应和利用第一节降低反应活化能的酶1、细胞代谢：细胞内每时每刻进行着许多化学反应，统称为细胞代谢.2、活化能：分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量。

3、酶的作用：催化作用4、使化学反应加快的方法：加热：通过提高分子的能量来加快反应速度；加催化剂：通过降低化学反应的活化能来加快反应速度；同无机催化相比，酶能更显著地降低化学反应的活化能，因而催化效率更高。

5、酶的概念：酶是活细胞产生的具有催化作用的有机物，绝大多数是蛋白质，少数是RNA。

6、酶的特性：高效性：酶的催化效率是无机催化剂的107－1013 倍专一性：每一种酶只能催化一种或一类化学反应酶的作用条件较温和：酶在最适宜的温度和PH条件下，活性最高。

7、影响酶促反应的因素（1）酶浓度对酶促反应的影响：酶促反应的速率与酶浓度成正比，如图1 所示。

图一图二图1 图2（2）底物浓度对酶促反应的影响：刚开始反应速度随底物浓度增加而加快,之后再增加底物浓度，反应速率也几乎不变，如图2所示。

（3）pH值对酶促反应影响：刚开始反应速度随着pH值升高而加快，达到最大值后反应速度随着pH值升高而下降。

反应速率最大时的pH值称为这种酶的最适pH 值。

如图3所示。

图三图四图3 图4（4）温度对酶促反应的影响：刚开始反应速率随温度的升高而加快；但当温度高到一定限度时，反应速率随着温度的升高而下降，最终，酶因高温使空间结构遭到破坏失去活性，失去了催化能力。

如图4所示。

8、实验：比较过氧化氢在不同条件下的分解比较过氧化氢酶在不同条件下的分解（1）实验分析：1号与2号比较自变量为水浴加热，1号与3号、4号比较自变量为3号加入三氯化铁、4号加入肝脏研磨液(即催化剂种类)（2）实验结论：酶具有催化作用，并且催化效率要比无机催化剂Fe3+高得多（3）控制变量：自变量（实验中人为控制改变的变量）因变量（随自变量而变化的变量）、无关变量（除自变量外，实验过程中还会存在一些可变因素，对实验结果造成影响）。

酶在有机溶剂中的生物催化性能及其固定化技术

酶在有机溶剂中的生物催化性能及其固定化技术

药　物　生　物　技　术Pharmaceutical Biotechnology　2002,9(6):374～377酶在有机溶剂中的生物催化性能及其固定化技术Ξ刘建国1,程克棣1,欧阳藩2(1.中国医学科学院、中国协和医科大学药物研究所,北京100050;2.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室,北京100080)摘　要　在有机相中,酶具有与其在水相中相同的晶体结构,能够正确折叠和恢复活性,其活性严重依赖于干燥前水相的pH值,并受有机溶剂中水含量的影响。

有机介质中水分子的存在对于保持天然蛋白质的活性构象和控制蛋白质表面基团的离子化状态具有重要作用。

盐种类及有机介质对有机相中酶催化反应的对映体选择性有重要的影响。

酶经固定化后,底物在酶分子间的传质阻力减少,酶活得以增大。

固定化酶介质对固定化酶活具有较大的有影响。

文章还介绍了有机相中固定化酶的新方法。

关键词　酶;有机溶剂;生物催化;固定化中图分类号:Q55 文献标识码:A 文章编号:1005-8915(2002)06-0374-04 最近几年,无水介质中生物催化剂的问题吸引了世界各地研究工作者的注意,使这一领域的研究获得了巨大的进展。

在生物催化反应中以有机溶剂作为反应介质证明是一种非常有效的扩大生物催化实际的应用范围和效率的方法。

因为这样可以增加亲脂性底物的溶解性,使一些在水相中无法进行的反应在有机相中得以进行。

有机相中酶学研究的不断深入,大大推动了酶化学技术在药学、有机合成化学等学科中的应用和发展。

1　酶在有机溶剂中的催化性能及影响因素1.1　有机溶剂对酶结构的影响有机相中酶学的一个重要问题是酶接触的有机溶剂是如何影响酶分子的结构的。

S chm itke等[1]利用X2射线晶体图谱的方法研究了轻度交联的枯草杆菌素在无水介质中的晶体结构,结果发现,无水介质中的全酶结构及活性位点与在水、其它有机溶剂及无水乙腈中完全一致。

利用傅立叶转换红外光谱(FTIR)波谱图的研究结果与X衍射研究结果完全吻合[2]。

有机介质中酶催化的基本原理

有机介质中酶催化的基本原理
溶剂对与酶分子结合的水影响溶剂可以夺走吸附在酶分子表面上的必需水分造成酶活性下降水的能力越强水化修饰可以使酶分子与水结合的能力加强控制有机反应体系中的水活度可以有效地保证酶分子上吸附的水分一定下酶在不同溶剂中表现出来的活性也经常相差甚远这说明溶剂本身对酶催化确实存在着间接或直接的影响
第 17 卷 第 5 期 2005 年 9 月
化学进展
PROGRESS IN CHEMISTRY
VoI . 17 No . 5 Sep . ，2005
有机介质中酶催化的基本原理
杨 缜!
（深圳大学生命科学学院 深圳 518060）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘 要 酶在有机溶剂中催化作用的研究日益受到重视，其应用范围也越来越广。本文就有机介质中 酶催化的基本原理进行了讨论，包括酶的结构和催化机理，以及溶剂和水对酶的结构和催化功能的影响。同 时，本文归纳出提高酶活性的一系列方法，其中不少方法简便易行，能使酶活性提高 102 —105 倍。
关键词 非水酶学 酶活性 有机介质 催化机理 中图分类号：@55；T@426.97 文献标识码：A 文章编号：1005-281X（2005）05-0924-07
Fundamentals of Biocatalysis in Organic Solvents
Yang Zhen! （CoIIege of Life Science，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）
有两种方法可以使在有机介质里进行的反应体 系获得 恒 定 的 水 活 度：预 平 衡 法 和 无 机 盐 水 合 物 法［25］。其中第二种方法更简便，并能在反应过程中
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化学进展
第 17 卷

生物化学第五章 酶

生物化学第五章 酶

第五章酶第一节概述一、酶的概念酶是由活性细胞产生的、具有高效催化能力和催化专一性的蛋白质，又叫生物催化剂。

酶(enzyme) 是由生物细胞合成的,以蛋白质为主要成分的生物催化剂。

不同生物体所含的酶在种类和数量上各有不同，这种差异决定了生物的代谢类型。

二、酶催化作用的特点1、酶与非生物催化剂的共性：1) 用量少、催化效率高。

2) 都能降低反应的活化能。

3) 能加快反应的速度，但不改变反应的平衡点。

4) 反应前后不发生质与量的变化。

2、酶作为生物催化剂的特性1) 催化效率极高（immense catalytic power ）可用分子比（molecular ratio)来表示，即每摩尔的酶催化底物的摩尔数。

酶反应的速度比无催化剂高108－1020倍，比其他催化剂高107－1013倍酶作为催化剂比一般催化剂更显著地降低活化能，催化效率更高。

通常用酶的转换数(turnover number,TN，或催化常数K cat)来表示酶的催化效率。

它们是指在一定条件下，每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转换底物的微摩尔数。

Kcat:103～1062) 高度的专一性(highly specific ）∶所谓酶的专一性是酶对反应物(底物)的选择性绝对专一性：一种酶只能作用于特定的底物。

发生特定的反应，对其他任何物质都没有作用。

相对专一性：有些酶的专一性较低，对具有相同化学键或成键基团的底物都具有催化性能。

立体异构专一性（光学专一性）：几乎所有酶对立体异构物的作用都具有高度专一性。

内肽酶胃蛋白酶R1，R1：芳香族氨基酸及其他疏水氨基酸（NH2端及COOH端胰凝乳蛋白酶R1：芳香族氨基酸及其他疏水氨基酸（COOH端）弹性蛋白酶R2：丙氨酸，甘氨酸，丝氨酸等短脂肪链的氨基酸（COOH端胰蛋白酶R3：碱性氨基酸（COOH端)外肽酶羧肽酶A R m：芳香族氨基酸羧肽末端的肽键羧肽酶B Rm：碱性氨基酸羧肽末端的肽键氨肽酶氨肽末端的肽键二肽酶要求相邻两个氨基酸上的α-氨基和α-羧基同时存在3) 反应条件温和4) 酶的催化活性是受调节控制的5) 酶不稳定，容易失活2. 酶的分类(1) 氧化-还原酶Oxidoreductase氧化-还原酶催化氧化-还原反应。

有机溶剂影响

有机溶剂影响

有机溶剂极性的强弱可以用极性系数logP表示。 P是指溶剂在正辛醇与水两相中的分配系数。极性系数越
大，表明其极性越小；反之极性系数越小，则极性越强。

极性强的容易夺取酶分子的结合水，降低酶的活性， 甚至导致酶完全失活，一般而言lgP<2 极性溶剂不适宜 作有机介质酶催化的溶剂使用。
3、有机溶剂对底物和产物分配的影响


当酶悬浮于有机溶剂中，有 一部分溶剂能渗入到酶分子 的活性中心，一方面与底物 竞争活性中心的结合位点， 另一方面可能降低了活性中 心的极性，降低底物结合能 力，从而影响酶的催化活性 。
2、有强，越容易夺取酶分子结合水，（正己
烷能夺取0.5 %的结合水，而甲醇能夺取60%的结合水） 对酶活力的影响越大。

（1）有机溶剂对酶分子表面 结构的影响：夺取或影响酶 分子表面的结合水。 枯草杆菌蛋白酶晶体悬浮于 乙腈，原有的结合的119个水 分子有20个水分子被脱去， 12个乙腈分子夺取了原来水 分子的结合位点，与酶分子 表面结合。其中4个乙腈分子 取代了原来水分子的位臵。

（2）有机溶剂对酶活性中心 结合位点的影响：

酶的作用底物必须穿过必需水层，才能进入酶的活性中心发生反应， 产物则相反 有机溶剂能改变酶分子必需水层中底物和产物的浓度。如果有机溶 剂的极性很小，疏水性太强，则疏水性底物虽然在有机溶剂中溶解 度大，浓度高，但难于从有机溶剂中进入必需水层
产物 底物 酶
影响有机介质中酶催化的因素
有机溶剂对有机介质中酶催化的影响
影响酶的结构和功能 影响酶表观活性 影响底物和产物分布
1、有机溶剂对酶结构与功能的影响
有些酶在有机溶剂的作用下，其空间结构会受到某些破坏，

有机介质中的酶促反应

有机介质中的酶促反应
O O C R O CI PSL 水解 O (R)-型 ee%>95% O O C R CI + O (S)-型 OH CI
②环氧丙醇的酶法拆分
• PPL（猪胰脂肪酶）在有机溶剂中与两相体 系中可对２,３－环氧丙醇的丁酸酯进行了 酶促拆分。
O O C R PPL
水解
O O H OH + O H O C R
区域选择性
• 区域选择性，即酶能够选择性地优先催化 底物分子中某一区域的基团进行反应 • 酶在非水介质中进行催化时，区域选择性 可能会发生一定变化
化学键选择性
• 化学键选择性是指当同一个底物分子中有2 个以上的化学键都可以与进行反应时，酶 对其中的一个别化学键可以优先进行催化 反应 • 在有机介质中进行酶催化反应时，化学键 选择性可能变化
• 当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的外侧，而非极性端 则朝向胶束的中心，有机溶剂就被包在胶束的内 部，此时的胶束就称为正相胶束或简称为胶束； • 当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的表 面活性剂的极性端朝向胶束的中，而非极性端则 朝向胶束的外侧，水就被包在胶束的内部，此时 的胶束就称为反相胶束或简称为反胶束。
• 由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相 或多相反应体系。 • 游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相， 而疏水性底物或产物则溶解于有机溶剂相 中。 • 一般这种体系仅适用于底物和产物或其中 的一种是疏水化合物的酶催化反应。其中 ，最常用的是两相体系。
胶束与反胶束体系
• 当水和有机溶剂同时存在于反应体系时， 加入表面活性剂后，两性的表面活性剂会 形成球状或椭球状的胶束，其大小与蛋白 质分子在同一数量级上。
有机介质中的酶促反应
酶在有机介质中反应的优点

有机溶剂中的酶催化作用

有机溶剂中的酶催化作用

这一观点无疑是对酶只能在 水溶液中起作用传统酶学思想的 挑战
酶在非水介质中的催化反应具有在许多常规水溶液中所没有的 新特征和优势：
①可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化，大大拓展了酶催化 作用的底物和生成产物的范围；
②改变了催化反应的平衡点，使在水溶液中不能或很难发生的反应 向期望的方向得以顺利进行，如在水溶液中催化水解反应的酶在 非水介质中可有效催化合成反应的进行；
爱情
• 三个特点： • 爱需要彼此的理解、关心、宽容、拥有共同的志
趣 • 爱情是催人上进的 • 爱情是需要不断追求和培养的，不是一旦拥有就
永远拥有的
爱情三原素理论
• 斯腾伯格：爱情关系由三种元素组成，亲情、恋 情、承诺
• 浪漫型组合（无承诺）、亲情型组合（喜欢）、 虚幻型组合（一见钟情、闪电式结婚）、热恋型 组合（只有性爱，一夜情）、伴侣型组合（性爱 缺乏）、承诺型组合（包办婚姻）、完满型组合
• 喜欢量表 • 1.我们在一起时的心情总是一样的。 • 2.我认为他（她）环境适应能力很强。 • 3.我强烈推荐他（她）做一项责任重大的工作。 • 4.以我看来，他（她）特别成熟。 • 5.我相信他（她）有良好的判断力。 • 6.即使同他（她）短暂相处，人们大多都会有很好的印象。 • 7.我觉得他（她）跟我很相似。 • 8.我愿意在班级或群体选举中投他（她）一票。 • 9.我觉得他（她）是一个能很快博得尊重的人。 • 10.我觉得他（她）绝顶聪明。 • 11.在我认识的人当中，他（她）是非常可爱的。 • 12.他（她）是我很想学习的那种人。 • 13.我觉得他（她）非常容易赢得人们的钦佩。
过分亲昵的动作 • 4、适当运用自慰行为。
Klibanov等的工作
——在仅含微量水的有机介质 (Microaqueous media)中成功地酶 促合成了酯、肽、手性醇等许多 有机化合物。

有机介质中的酶促反应PPT课件

有机介质中的酶促反应PPT课件

CH3 CH3
CH3
O OH
+R
OH
脂肪酶 酯合成
CH3
CH3
CH3 +
CH3
CH3
O OH
(S)-型
CH3
RCO O
O (R)-型
SUCCESS
THANK YOU
2019/8/6
T1/2 1.5 h T1/2 < 2 min
TT11//22
80 min 15 min
T1/2 80 min
TT11//22
140 min 10 min
剩95%活性 T1/2 < 10 min
TT11//22
>24 <10
h min
T1/2 >50 days 活性没有降低
剩余活性40% 剩余活性80%
系 (3) 胶束与反胶束体系 (4) 非极性有机溶剂-酶悬浮体系 (5) 非极性有机溶剂-PEG修饰酶单项体系 (6) 微水有机介质体系
与水混溶的有机溶剂-水 形成的单相体系
• 由水和极性较大的有机溶剂互相混溶组成 的反应体系，体系中水和有机溶剂的含量 均较大
• 酶和底物是以溶解状态存在于体系之中， 由于极性大的有机溶剂对一般酶的催化活 性影响较大，所以能在这类反应体系中进 行催化反应的酶较少。
酶在有机介质中反应的优点
可进行水不溶或水溶性差化合物的催化转化 改变了催化反应的平衡点 对底物的专一性提高 热稳定性提高 回收和重复利用变得容易
有效减少或防止由水引起的副反应的产生 避免了杂水溶液中进行长期反应时微生物引起的污染来自酶促反应的有机介质体系
(1)与水混溶的有机溶剂-水形成的单相体系 (2) 水-非极性有机溶剂形成的两相或多相体

第五章 酶催化反应的介质

第五章 酶催化反应的介质

第五章非水酶学非水相酶催化的优点：1、增强难溶于水的反应物的溶解度。

2、在有机介质中改变反应平衡。

3、酶制剂易于回收再利用。

4、在有机溶剂中可增强酶的稳定性。

5、在有机溶剂中可改变酶的选择性。

6、不会或很少发生微生物污染。

第一节酶催化反应的介质水是酶促反应最常用的反应介质。

但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。

因为许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。

由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。

是否存在非水介质能保证酶催化？？1984年，克利巴诺夫等人在有机介质中进行了酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应。

酶非水相催化的几种类型有机介质中的酶催化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。

气相介质中的酶催化酶在气相介质中进行的催化反应。

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。

由于气体介质的密度低，扩散容易，因此酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。

超临界介质中的酶催化酶在超临界流体中进行的催化反应。

超临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点的流体。

离子液介质中的酶催化酶在离子液中进行的催化作用。

离子液（ionic liquids）是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。

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。

第二节有机介质酶反应体系一、有机介质反应体系非极性有机溶剂−酶悬浮体系(微水介质体系)用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。

但仍然含有必需的结合水以保持酶的催化活性(含水量一般小于2%)。

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。

酶的催化作用机制

酶的催化作用机制
• 1、作用：专一性水解嘧啶核苷酸的磷酸二酯键，生成嘧啶核苷酸或 以3-嘧啶核苷酸结尾的寡聚核苷酸。 • 2、结构 ： Moore和Stein 测定该酶一级结构，124氨基酸残基组成， 含4对二硫键，Richards 和Wyckoff对其三维结构进行分析。分子表 面有一裂缝，His12、His119、Lys41为其酶活性基团，RNA分子进 入后，能与活性中心结合部位基团间结合，嘌呤核苷酸结合后， His12和核糖C-2’-OH之间距离增加了0.15nm，无催化活性。 • 3、催化机理 ; ：定核酸分子进入活性部位后，通过与结合部位结合 和酶构象变化，使酶催化部位与底物部位靠近。 ① His12作为碱， 与核糖C -2’-OH的质子结合，促使C -2’-O2-与磷酸环化，HiC-5’-OH ② His12 作为酸， His119作为碱（先与H2O结合），使磷酸水解断开 ③ Lys41正电荷对磷酸环化和开环过程中过渡态五磷酸的瞬时形成有关。
2.酶催化反应机制类型
• （1）酸碱催化 • （2）共价催化 • （3）金属离子催化作用
（1）酸碱催化
酸碱催化可分为狭义的酸碱催化和广义的酸碱催化。 酶参与的酸碱催化反应一般都是广义的酸碱催化方 式。 广义酸碱催化（general-base catalysis）是指通过 Bronsted酸（质子酸）提供部分质子，或通过 Bronsted碱（质子碱）接受部分质子的作用，达到 降低反应活化能的过程。这种机制参与绝大多数酶的催
咪唑基作为广义酸催化酯水解机制
咪唑基作为广义碱催化酯水解机制
催化反应机制的实例
• • • （一）溶菌酶 1.溶菌酶的作用是水解多糖链，细菌细胞壁上的多糖链可被溶菌酶水解而破坏。溶菌酶 广泛存在于微生物及各种动植物组织及分泌液中。 2.作用：使细胞壁不溶性黏多糖分解成可溶性糖肽，导致细胞壁破裂内容物逸出而使细 菌溶解。溶菌酶还可与带负电荷的病毒蛋白直接结合，与DNA、RNA、脱辅基蛋白形 成复盐，使病毒失活。因此，该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用。一些人体细胞分 泌液中含有溶菌酶在，如唾液、眼泪、鼻涕；溶菌酶也存在于粒线体中的细胞质颗粒 体和蛋清中。 3.酶的催化活性 底物：N-乙酰氨基葡糖N-乙酰氨基葡糖乳酸的共聚物或几丁质 催化机理：底物长度要求六个糖残基以上，与酶活性部位相适应；酶活性中心的Glu和 Asp参与水解作用，将第四和第五残基间的糖苷键水解，水分子羟基结合C1，具体机 理为： ① 底物进入活性中心，酶活性中心空间效应和Asp的作用下，诱导并使第四 （D）残基由椅式变为半椅式，形成过渡态构象 ② Glu35的羧基提供一个H+，进行酸 催化，使得四五残基间1-4糖苷键簖裂D残基C1与氧原子分开，并形成正碳离子过渡态 ③ D残基正碳离子过渡态与溶剂中OH-结合。
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正由于以上原因，正确选择有机溶剂显得 十分重要。所以必须考虑以下几种因素： （ 1 ）溶剂与反应的相容性。例如，酶催化糖 修饰反应，必须在亲水性的有机溶剂（加二 甲基甲酰胺等）中进行。若使用疏水性有机 溶剂，底物不溶解，酶促反应不能发生。 （2）溶剂对主要的反应应该是惰性的。 （ 3 ）溶剂的密度、粘度、表面张力、毒性、 废物的处理和成本等。 但是普遍认为最佳溶剂因底物而异。 即一种溶剂在辛醇／水两相间分配系数 的常用对数值 (lgP)。 P大，酶活性大，所需 要的水量少。
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必需水：是维系酶构象稳定和酶催化活性所必需 的那部分最少量的水分子, 有时也叫结合水,或者束缚水。 只要那部分必需水不丢失, 其他的大部分水可 以由有机溶剂代替.
所以，有机介质中的酶促反应在微观上看是 水的酶反应，但是在宏观上看是有机介质中的酶反 应。如有的酶反应即使水只占0.015%， 酶仍然有 活性，可以进行酶反应, 而且反应速度非常快。
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五、 溶剂的选择
1.水溶性有机溶剂 甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、甘油、正丁醇等 2.水不溶性有机溶剂 石油醚、三氯乙烷、乙酸乙酯、苯、己烷等 在这些酶反应溶剂的选择中，介质的组成一般 可有四种：
1）单相共溶剂系统（水与能与水相溶的有机溶剂） 2）双相溶剂系统（水与跟水不相溶的有机溶剂） 3）低水有机系统 4）反向微团系统
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二、 活性
a)单相共溶剂系统中 对酶的影响作用主要是如下： 1) 有机溶剂直接作用于酶，破坏维持酶活性构象 的氢键、疏水键、水化层，酶变性失活。 一般有随着有机溶剂浓度上升,活性下降的一般规 律。 2)但有些酶，有机溶剂的浓度上升，酶活性反而上 升，到一定浓度， 酶活性达最高，如再提高浓度， 酶活性反而下降。 如胰蛋白酶在1,4-丁二醇中最适浓度80%猪心线 粒体ATPase，在乙醇中最适浓度10% EcoRI内切 酶在甘油中最适浓度为20% 37
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二、必需水含量问题：
一般因酶分子本身, 或溶剂系统不同而有所不同。 如脂肪酶有几个水分子, 胰凝乳蛋白酶几十个水分子, 乙醇脱氢酶、多酚氧化酶有几百个水分子。 另外同一个酶在不同溶剂系统中含水也不同。 如胰凝乳蛋白酶，在甲苯中，含水0.5%； 氯仿等系统中，含水1.0%，酶活性最高。
一般酶要发挥它的催化活性，必须与有机溶剂系统获 得水分以维持酶必要的水合状态。
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在上面四种系统中，1---3用的多 原因是： 1）因为这几个系统容易建立 2）产物和酶容易回收 其中又以低水有机系统为好，因为适合 疏水的有机溶剂和耐高温（增加稳定性）。 缺点：扩散差，所以反应速度慢等。 克服的方法： 选用反向微团系统。
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那么，有机溶剂最终是如何影响酶反应的？ 一般解释有如下几种： 1）通过底物、产物在水相和有机溶剂中分配， 必然影响到底物、产物在酶必需水在水层中的 浓度，这样，自然影响到酶的反应速度。 2） 必需水对特定的酶是一定的。如果有机溶 剂与酶的必需水作用，夺取酶的必需水，一定 影响酶的活性。 如果是极性强的有机溶剂，夺取酶的必需 水就多，酶就可能最终失活。 如果是一般的有机溶剂，夺取酶的必需水 不明显，就最适合酶在这类有机溶剂中反应。
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有一个例子十分明显。 胰凝乳蛋白酶，在辛烷中的反应速度比吡啶 中 快104倍。酶活性随着疏水性增加而增加。 3）有机溶剂本身的影响。 (1)有机溶剂使底物基态能级下降或使酶-底物复 合物能级升高，从而增大酶反应的活化能来降 低酶反应速度； (2)有机溶剂分子进入酶活性中心，降低活性中 心内部极性并加强底物与酶之间形成的氢键， 使酶活性下降； (3)有机溶剂侵人会造成酶的三级结构变化，间 接改变酶活性中心结构来影响酶活性。
第五章 有机溶剂中的酶催化反应
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第一节 非水介质中酶学基础
• 用于酶催化的非水介质包括：
– 含微量水的有机溶剂 – 与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系 – 水与有机溶剂形成的两相或多相体系 – 胶束与反ห้องสมุดไป่ตู้束体系 – 超临界流体 – 气相
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非水介质中酶的结构
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有机介质中的酶促反应的优越性
原先的认识： 1）我们以前的酶学理论知道，酶溶解在水溶液中， 而且酶一定是在水溶液中才能反应，又知道水是 个极性分子，酶只能在极性溶剂中反应。 2）我们又知道有机溶剂是酶的变性剂，用了以后， 应该在尽可能短的时间内去除有机溶剂，再把酶 溶解于水中，以防止酶的变性和失活。
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酶是否适于在有机介质中反应，除 与酶性质有关外，还取决于酶-底物、产 物-溶剂间的关系问题。 这完全需要用实验来决定。
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四、 酶形式的差别
酶在有机介质中的溶解特性、稳定性、活性等，对酶 的选择很重要。
1）酶00000000粉
将酶做成冻干粉，然后在有机介质中充分搅拌，超声波 处理，使得颗粒变小，悬浮于介质中。
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第二节 反应条件： 一句话，条件要适宜,在一个特定条件下进行，。 一、 保证必需水含量 水是保证酶催化反应的必需条件，活性构象 是水分子直接或间接由氢键等非共价键相互作用来 维持。 因此与酶分子紧密结合的一单层水分子对催 化作用非常重要。而其他的水则相对不那么重要 (即由有机介质替代的那部分水不那么重要了）。
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一、 酶的稳定性问题
1）一般被认为酶更加稳定，因为对热的稳定性提高。 如猪胰脂肪酶在醇和酯中进行反应，100℃温度下反 应,半衰期12小时以上, 活性比25℃时高好几倍。 胰凝乳蛋白酶在60℃水中，几分钟就会有失活。 而在辛烷中，半衰期有几个小时。 2）存储酶的存储稳定性提高 胰凝乳蛋白酶20℃的水中，半衰期只有几天。 而在辛烷中，半衰期有6个月，活性全部不损失。
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六、 pH的选择问题：
因为在有机介质中的最适pH与水溶液中 的最适pH的酶反应是一样的，所以在进行酶 的冻干时，可以在最适pH的缓冲液中冻干出 来，再进行有机系统的反应。 这样，可以使酶在有机溶剂中反应的微环境 具有溶液酶的最适pH环境。
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第三节 有机介质对酶反应的影响
总起来讲基本上遵循米氏方程的动力学。 但也有一些影响。
现在酶工程技术的发展，已经告诉我们，酶 反应可在有机介质中进行，已经成为酶工程、酶 化工研究的一个新的领域，开辟了一个新的研究 方向。
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有机介质中酶促反应优越性被认为至少有以下优点：
1）有利于疏水性底物反应 2）提高酶反应T，加速反应V，提高酶反应稳定性。 3）可以催化一些在水相中不能进行的反应。 4）可以改变反应的平衡方向。 5）控制底物的专一性。 6）防止由水引起的付反应。 7）扩大反应的pH范围. 8）有利于酶的固定化。 9）酶、产物容易回收。 10）消除底物、产物的抑制作用。 11）防止微生物的污染。
2）控制酶量的问题
需要适量。如α-凝乳蛋白酶在乙醇中的转脂反应，随着加 酶量的下降，活性反而上升，速度快。 可能理由： 被认为在水含量不变的情况下，酶少到一个合适的浓度， 可以使酶聚合体变小，反而增大了酶-底物接触的面，减 少了底物扩散的限制，酶反应速度反而加快。 14
3）酶化学修饰的问题
化学修饰可以改变酶的一些理化性质， 有利于酶在有机溶剂中的稳定性，原先不稳 定的酶经过修饰变得稳定，主要是因为改变 了酶的一些理化性质。
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下面是一个胰脂肪酶的反应速度---水含量的关系 图。
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一般认为，一个酶结合水的过程分4步： 1.首先与酶分子表面的带电基团结合一部 分水(0- 0.07g/g(水/酶))。 2.再与酶分子表面的极性基团结合一部分 水(0.07-0.25g/g(水/酶))。 3.再聚集到表面相互作用较弱的部位 (0.25-0.38g/g(水/酶))。 4.最后酶分子表面完全水合化，水分子覆 盖酶分子表面。
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另外载体问题还会影响酶的动力学。 如影响一个酶同时催化两个反应的相对速度。 在低水活度下把胰凝乳蛋白酶固定在聚酰胺载 体AccureI PA6上，水解反应被抑制，却有利于醇解 反应进行。这是固定化后发生的另外一种情况。 一般来说，载体要选择疏水性基质，目的是为 了有利于在有机溶剂中反应。 如用具有高氧渗透性的硅聚合物比较好。 用固定化材料，还应考虑载体的酶负载量、颗 粒大小、表面积、内部孔径大小、酶与载体间的相 互作用等。 这与前面固定化时讲的要求，出发点不一样。
一般认为大多数酶可以在有机介质中 反应。但是，操作稳定性差。化学修饰 的目的就是要提高酶的稳定性。
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化学修饰方法很多，聚乙二醇（PEG）修 饰较常见。 如PEG修饰过氧化氢酶，然后在有机介质 中活性显著提高。 还研制了磁性脂肪酶（磁性颗粒外包 PEG修饰的脂肪酶），它在有机介质中较稳定， 活力也较高，且可在磁场中回收。 还有用谷氨酸、十二醇、葡萄糖酸内酯 合成了糖脂后修饰超氧化物歧化酶（SOD）。 所得的这种SOD糖脂复合物变成脂溶性的酶， 而不是水不溶性的。SOD糖脂复合物在有机介 质中活性高大大高于在水中的活性，并且它对 温度、 pH、蛋白酶水解等的稳定性均高于天 16 然SOD。
其次，载体影响酶分子上的结合水。 亲水性高的载体会从溶剂和酶分子中夺取大 量的水，造成酶部分失水而降低酶的活性； 亲水性低的载体不足以夺取酶的必需水，能 保持它的高酶活性。 还有通过载体与酶之间形成的多点的 结合作用，可稳定酶的催化活性构象。例如， α-胰凝乳蛋白酶与聚丙烯酰胺凝胶共价结合 后，在乙醇中的稳定性明显提高，并且对有 机溶剂的抗性随酶与载体间共价键数量的增 加而增强。
还有用聚磷酸酯、脂肪酸等修饰SOD， 同样得到了适合于有机介质中进行催化反应的 化学修饰酶--SOD。 在进行了不同化学修饰酶在有机介质中 的反应的研究以后，发现化学修饰（采用脱糖 基化、 PEG 修饰等）能够增加酶的表面疏水 性，而疏水性的增加正是提高酶在有机介质中 的溶解性和活力的重要原因。 PEG 修饰酶在甲苯中的活性比未修饰酶 高 16 倍。通过酶蛋白甲基化作用或疏水分子 对酶蛋白的修饰，均可提高酶在有机介质中的 溶解性、稳定性和活性。