非水相生物催化.ppt

非 水 相 生 物 催 化 Enzymatic catalysis in Non-aqueous system 第一节 非水酶学概述（比较重要） 第二节 非水介质中酶的结构与性质（比较重要） 第三节 水对有机介质中酶催化的影响 第一节 非水酶学概述 传统观念认为酶只能在水溶液中发挥作用，而一旦和有机溶剂接触则失去活性。有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化反应建立起来的。 但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。许多有机化合物底物在水介质中难溶或不溶。 是否可以在非水介质中能够保证酶催化？？ 一、非水相酶学的研究历史 水相和非水相酶的催化反应 二、非水相酶催化的特点和优势 三、非水相酶催化的主要类型 （一）有机介质的酶催化； （二）气相介质的酶催化； （三）超临界流体介质中的酶催化； （四）离子液介质中的酶催化 （一）有机介质的酶催化 指酶在含有一定水的有机溶剂中进行催化反应。 1、水不互溶有机溶剂单相体系（微水有机介质体系） 2、水互溶有机溶剂单相体系 3、水- 有机溶剂两相系统； 4、胶束和反相胶束体系 1、水不互溶有机溶剂单相体系 （微水有机介质体系） 是指用水不互溶有机溶剂（含量98%）取代几乎所有的水，微量水一部分为酶分子的结合水，才能保证其空间构象和催化活性。 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机溶剂中，在悬浮状态下进行反应。 水不互溶性有机溶剂通常是烷烃类、芳香族化合物、卤代烃、醚等。 2、水互溶有机溶剂单相体系 是指由水和与水互溶的有机助溶剂（10~20%）组成的反应体系，酶、底物、产物均能溶解于该体系中。 主要适用于在单一水溶液中溶解度很低、反应速度也很慢的亲脂性底物的生物转化。 常用的有机溶剂有二甲基亚砜（DMSO）、二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、二噁烷、丙酮和低级醇。 3、水- 有机溶剂两相系统 指由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相体系。疏水性底物和产物溶解于有机相中，酶溶解于水相中。 由于双相体系中的酶催化反应是在水相中进行，必须保证反应底物和产物在酶与两相之间又良好的质量传递条件，因此振荡和搅拌将是该生物催化反应体系中最重要的参数。 常使用的水不溶性溶剂有烃、醚、酯等。一般应用于强疏水性的底物，如甾体类、脂类和烯烃类生物转化。 通过选择适当的有机溶剂以及适度的水相调节（如pH、盐浓度）可以控制反应物在两相中的分配，进而缓解匀相系统中底物或产物的抑制。 4、胶束和反相胶束体系 反相胶束体系是含有表面活性剂与少量水的有机溶剂系统。 当体系中水浓度高于有机溶剂时，形成胶束的极性端朝向外侧，有机溶剂被包在胶束内部，称为正相胶束。当体系中水浓度低于有机溶剂时，形成胶束的极性端朝向胶束中部，而非极性端朝向胶束外侧，水被包在胶束的内部，称为反相胶束。 正胶束体系 反相胶束体系 反相胶束：在与水不互溶的大量有机溶剂中，加入表面活性剂后形成的油包水的微小水滴。 常用表面活性剂：AOT [丁二酸二（2-乙基）己酯磺酸钠]、Tween 酶被限制在含水的微环中，而底物和产物可以自由进出胶束。 小结 （二）气相介质的酶催化 指酶在气相介质中进行催化反应；适用范围：底物是气体或能转化为气体的物质； 优点：某些酶在液相中使用受到一定限制，如酶和辅酶的操作不稳定性，底物及产物的不溶性和酶的活性被产物抑制等，而气相中的反应可以克服这些缺点。 （三）超临界流体介质中的酶催化 如果达到特定的温度、压力，会出现液体与气体界面消失的现象该点被称为临界点。超临界流体指温度和压力超过临界点的流体。 常用的超临界流体有：CO2、氟利昂（CF3H）、 烷烃类（甲烷、乙烯、丙烷）或无机化合物（SO2、N2O）。酶在这些溶剂中就像在亲脂性有机溶剂中一样稳定。 由于CO2的临界温度比较低(304.1K),临界压力也不高(7.38MPa),且无毒,无臭,无公害，所以在实际操作中常使用CO2超临界流体。 四、非水相酶催化的主要研究内容 非水介质中酶学基本理论研究，包括酶学性质、影响非水介质中酶催化的主要因素以及酶作用动力学； 通过对酶在非水介质中结构与功能的研究，阐明非水介质中酶的催化机制，建立和完善非水酶学的基本理论 利用基本理论来指导非水介质中酶催化反应的研究和应用。 第二节 非水介质中酶的结构与性质 一、非水介质中酶的结构 （一）非水介质中酶的状态 固态酶（多）：包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶，它们以固定形式存在有机溶剂中。 可溶性酶：包括水溶性大分子共价修饰酶和非共价修饰的高分子-酶复合物、表面活性剂-酶复合物以及微乳液中的酶等。 一、非水介质中酶的结构 （二）活性位点和机制 在微水有机相中酶能够保持其整体结构的完整性，酶活性部位与水溶液中的结构是相同的。 有机溶剂中酶反应机制与水溶液中的酶反应