酶工程_07-非水相酶催化反应-2012.ppt

酶 工 程Enzyme Engineering 第 七 课 非 水 相 酶 催 化 反 应 Enzymatic Catalytic Reaction in Non-Aqueous Phase 非 水 相 酶 催 化 反 应 人类认识的进步 长期以来，人们认为酶只能在水相中进行催化，而有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中催化反应建立起来的 传统的酶学理论认为，有机溶剂是酶的变性剂、失活剂，酶在非水相中不具有催化能力 20 世纪初，Bourquelot 等人将乙醇、丙酮等有机溶剂加入到酶的水溶液中，发现当含水量很高时，酶仍具有一定催化活力，但比水相中低很多 1936 年，波兰的 Sym 报道了酯酶在有机溶剂中的催化作用，但一直存在争议，未能引起科学界的重视 非 水 相 酶 催 化 反 应 人类认识的进步 Sym E. A., Biochemical Journal, 1936, 30: 609-617 非 水 相 酶 催 化 反 应 人类认识的进步 1966 年，Dostoli 和 Siegel 分别报道胰凝乳蛋白酶和辣根过氧化物酶在几种非极性有机溶剂中具有催化活力 1975～1983 年间，Buckland 和 Martinek 等对游离酶和固定化酶在有机溶剂中合成类固醇及甾醇转化中的应用进行了大量的探索 1977 年，Klibanov 等人报道了在水/氯仿两相体系中脂肪酶催化 N-乙酰-L-色氨酸与乙醇的酯化反应，在水中收率极低，而在两相体系中竟达到 100% Klibanov A. M., et al., Biotechnol. Bioeng., 1977, 19(9): 1351-1361 1984 年，Zaks 和 Klibanov 在 Science 杂志上发表了一篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的文章，他们指出，只要条件适合，酶可以在非水体系中表现出活性，并催化天然或非天然的底物发生转化，这一报道引起了全球科学界的关注 非 水 相 酶 催 化 反 应 引起全球关注的“非水相酶催化”的报道 Porcine pancreatic lipase catalyzes the trans-esterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent organic medium. Upon further dehydration, the enzyme becomes extremely thermo-stable. Not only can the dry lipase withstand heating at 100 degrees C for many hours, but it exhibits a high catalytic activity at that temperature. Reduction in water content also alters the substrate specificity of the lipase: in contrast to its wet counterpart, the dry enzyme does not react with bulky tertiary alcohols. Zaks A., and Klibanov A. M., Enzymatic catalysis in organic media at 100 degrees C, Science, 1984, 224: 1249-1251 (DOI: 10.1126/science.6729453) 非 水 相 酶 催 化 反 应 人类认识的进步 1984 年之后，非水相中的酶催化研究开始活跃起来 近年来，人们对非水介质中的酶结构与功能、酶作用机制、酶作用动力学等进行了大量研究，建立起非水酶学（non-aqueous enzymology） 同时人们还对酶催化的介质进行了大量研究，开发出各种非水介质和新的酶促反应体系，发展出了介质工程（medium engineering），拓宽了酶催化反应的应用范围，使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互补充的合成方法 非 水 相 酶 催 化 反 应 非水相酶催化概论 非水相酶催化的优势 增加某些底物的溶解度 采用有机相，可以增大某些有机底物的溶解度，从而加速反应 改变反应平衡 在有机介质中，由于水的含量极微，导致酶促水解反应逆向进行 例：蛋白酶在水相中催化肽链水解，在有机相中催化肽链合成 改变或提高酶的选择性 例如，无水吡啶中枯草杆菌蛋白酶选择性酰化 castanospermine 非 水 相 酶 催 化 反 应 非