第六章 酶的非水相催化課件

第六章酶的非水相催化酶的非水相催化制作：鄭穗平第六章酶的非水相催化Contentsofchapter61、酶催化反應(yīng)的介質(zhì)2、有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系

3、酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性

4、有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的條件及其控制

GoGoGoGo5、酶非水相催化的應(yīng)用

Go第六章酶的非水相催化6.1酶催化反應(yīng)的介質(zhì)水是酶促反應(yīng)最常用的反應(yīng)介質(zhì)。但對(duì)于大多數(shù)有機(jī)化合物來(lái)說(shuō)，水并不是一種適宜的溶劑。因?yàn)樵S多有機(jī)化合物(底物)在水介質(zhì)中難溶或不溶。由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反應(yīng)的發(fā)生。是否存在非水介質(zhì)能保證酶催化？？1984年，克利巴諾夫（Klibanov）等人在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行了酶催化反應(yīng)的研究，他們成功地在利用酶有機(jī)介質(zhì)中的催化作用，獲得酯類(lèi)、肽類(lèi)、手性醇等多種有機(jī)化合物，明確指出酶可以在水與有機(jī)溶劑的互溶體系中進(jìn)行催化反應(yīng)。第六章酶的非水相催化酶非水相催化的幾種類(lèi)型有機(jī)介質(zhì)中的酶催化有機(jī)介質(zhì)中的酶催化是指酶在含有一定量水的有機(jī)溶劑中進(jìn)行的催化反應(yīng)。適用于底物、產(chǎn)物兩者或其中之一為疏水性物質(zhì)的酶催化作用。酶在有機(jī)介質(zhì)中由于能夠基本保持其完整的結(jié)構(gòu)和活性中心的空間構(gòu)象，所以能夠發(fā)揮其催化功能。氣相介質(zhì)中的酶催化酶在氣相介質(zhì)中進(jìn)行的催化反應(yīng)。適用于底物是氣體或者能夠轉(zhuǎn)化為氣體的物質(zhì)的酶催化反應(yīng)。由于氣體介質(zhì)的密度低，擴(kuò)散容易，因此酶在氣相中的催化作用與在水溶液中的催化作用有明顯的不同特點(diǎn)。超臨界介質(zhì)中的酶催化酶在超臨界流體中進(jìn)行的催化反應(yīng)。超臨界流體是指溫度和壓力超過(guò)某物質(zhì)超臨界點(diǎn)的流體。離子液介質(zhì)中的酶催化酶在離子液中進(jìn)行的催化作用。離子液（ionicliquids）是由有機(jī)陽(yáng)離子與有機(jī)（無(wú)機(jī)）陰離子構(gòu)成的在室溫條件下呈液態(tài)的低熔點(diǎn)鹽類(lèi)，揮發(fā)性低、穩(wěn)定性好。酶在離子液中的催化作用具有良好的穩(wěn)定性和區(qū)域選擇性、立體選擇性、鍵選擇性等顯著特點(diǎn)。本章目錄第六章酶的非水相催化6.2有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系非極性有機(jī)溶劑

酶懸浮體系(微水介質(zhì)體系)

用非極性有機(jī)溶劑取代所有的大量水，使固體酶懸浮在有機(jī)相中。但仍然含有必需的結(jié)合水以保持酶的催化活性(含水量一般小于2%)。 酶的狀態(tài)可以是結(jié)晶態(tài)、凍干狀態(tài)、沉淀狀態(tài)，或者吸附在固體載體表面上。與水互溶的有機(jī)溶劑

水單相體系 有機(jī)溶劑與水形成均勻的單相溶液體系。酶、底物和產(chǎn)物都能溶解在這種體系中。非極性有機(jī)溶劑

水兩相/多相體系 由含有溶解酶的水相和一個(gè)非極性的有機(jī)溶劑(高脂溶性)相所組成的兩相體系。不管采用何種有機(jī)介質(zhì)反應(yīng)體系，酶催化反應(yīng)的介質(zhì)中都含有機(jī)溶劑和一定量的水。它們都對(duì)催化反應(yīng)有顯著的影響。第六章酶的非水相催化反應(yīng)體系對(duì)酶酯化反應(yīng)的影響反應(yīng)體系含1-三甲基硅-1-乙醇10mM，戊酸10mM，內(nèi)標(biāo)正十五烷，脂肪酶50mg，30℃，120rpm條件下振蕩反應(yīng)1：水飽和正已烷10ml，2∶pH7.2緩沖液5ml+正已烷10ml第六章酶的非水相催化反應(yīng)體系中水對(duì)酶催化反應(yīng)的影響酶都溶于水，只有在一定量的水存在的條件下，酶分子才能進(jìn)行催化反應(yīng)。所以酶在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng)時(shí)，水是不可缺少的成分之一。有機(jī)介質(zhì)中的水含量多少對(duì)酶的空間構(gòu)象、酶的催化活性、酶的穩(wěn)定性、酶的催化反應(yīng)速度等都有密切關(guān)系，水還與酶催化作用的底物和反應(yīng)產(chǎn)物的溶解度有關(guān)。酶分子只有在空間構(gòu)象完整的狀態(tài)下，才具有催化功能。在無(wú)水的條件下，酶的空間構(gòu)象被破壞，酶將變性失活。故此，酶分子需要一層水化層，以維持其完整的空間構(gòu)象。維持酶分子完整的空間構(gòu)象所必需的最低水量稱(chēng)為必需水（essentialwater）。有機(jī)介質(zhì)中水的含量對(duì)酶催化反應(yīng)速度有顯著影響。存在最適水含量。第六章酶的非水相催化反應(yīng)體系中有機(jī)溶劑對(duì)酶催化反應(yīng)的影響常用的有機(jī)溶劑有辛烷，正己烷，苯，吡啶，季丁醇，丙醇，乙腈，已酯，二氯甲烷等。在水溶液中，酶分子均一地溶解于水溶液中，可以較好地保持其完整的空間結(jié)構(gòu)。在有機(jī)溶劑中，酶分子不能直接溶解，而是懸浮在溶劑中進(jìn)行催化反應(yīng)。根據(jù)酶分子的特性和有機(jī)溶劑的特性的不同，保持其空間結(jié)構(gòu)完整性的情況也有所差別。極性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑，如甲醇，乙醇等，會(huì)奪取酶分子的結(jié)合水，影響酶分子微環(huán)境的水化層，從而降低酶的催化活性,甚至引起酶的變性失活。因此應(yīng)選擇好所使用的溶劑，控制好介質(zhì)中的含水量，或者經(jīng)過(guò)酶分子修飾提高酶分子的親水性，避免酶在有機(jī)介質(zhì)中因脫水作用而影響其催化活性。有機(jī)溶劑與水之間的極性不同，在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)影響底物和產(chǎn)物的分配，從而影響酶的催化反應(yīng)。本章目錄第六章酶的非水相催化6.3酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化特性

酶在有機(jī)介質(zhì)中起催化作用時(shí)，由于有機(jī)溶劑的極性與水有很大差別，對(duì)酶的表面結(jié)構(gòu)、活性中心的結(jié)合部位和底物性質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，從而顯示出與水相介質(zhì)中不同的催化特性底物特異性立體選擇性區(qū)域選擇性鍵選擇性熱穩(wěn)定性第六章酶的非水相催化酶在有機(jī)介質(zhì)中由于水分子的減少，相對(duì)來(lái)說(shuō)酶分子的構(gòu)象表現(xiàn)出比水溶液中更具有“剛性”特點(diǎn)。因而使通過(guò)選擇不同性質(zhì)的溶劑來(lái)調(diào)控酶的某些特性成為可能。例如在有機(jī)溶劑中，可以利用酶與配體的相互作用性質(zhì)，誘導(dǎo)改變酶分子的構(gòu)象，調(diào)控酶的底物專(zhuān)一性,、立體選擇性和手性選擇性等。由于引起酶變性的許多因素都與水的存在有關(guān),因此在有機(jī)介質(zhì)中酶的穩(wěn)定性得到顯著提高。由于有機(jī)溶劑的存在,水量減少，大大降低了許多需要水參與的副反應(yīng)，如酸酐的水解、氰醇的消旋化和?；D(zhuǎn)移等。在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行的酶促反應(yīng)，可以省略產(chǎn)物的萃取分離過(guò)程,提高收率。有機(jī)介質(zhì)酶催化反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)第六章酶的非水相催化某些酶在有機(jī)介質(zhì)與水溶液中的熱穩(wěn)定性

酶

介質(zhì)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，pH7.0T1/2=1.5hT1/2<2min脂蛋白脂肪酶甲苯，90℃，400h活力剩余40％胰凝乳蛋白酶正辛烷，100℃水，pH8.0,55℃T1/2=80minT1/2=15min枯草桿菌蛋白酶正辛烷，110℃T1/2=80min核糖核酸酶壬烷，110℃，6h水，pH8.0,90℃活力剩余95％T1/2<10min酸性磷酸酶正十六烷，80℃水，70℃T1/2=8minT1/2=1min腺苷三磷酸酶(F1-ATPase)甲苯，70℃水，60℃T1/2>24hT1/2<10min限制性核酸內(nèi)切酶（HindⅢ）正庚烷，55℃，30d活力不降低β-葡萄糖苷酶2-丙醇，50℃，30h活力剩余80％溶菌酶環(huán)己烷，110℃水T1/2=140minT1/2=10min本章目錄第六章酶的非水相催化6.4有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的條件及其控制酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化多種反應(yīng)，主要包括：合成反應(yīng)、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、醇解反應(yīng)、氨解反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、裂合反應(yīng)等。主要應(yīng)控制的條件有酶的種類(lèi)和濃度底物的種類(lèi)和濃度有機(jī)溶劑的種類(lèi)水含量溫度pH離子強(qiáng)度本章目錄第六章酶的非水相催化6.5酶非水相催化的應(yīng)用

酶催化反應(yīng)應(yīng)用

脂肪酶肽合成青霉素G前體肽合成酯合成醇與有機(jī)酸合成酯類(lèi)轉(zhuǎn)酯各種酯類(lèi)生產(chǎn)聚合二酯的選擇性聚合酰基化甘醇的酰基化蛋白酶肽合成合成多肽?；穷?lèi)?；u基化酶氧化甾體轉(zhuǎn)化過(guò)氧化物酶聚合酚類(lèi)、胺類(lèi)化合物的聚合多酚氧化酶氧化芳香化合物的羥基化膽固醇氧化酶氧化膽固醇測(cè)定醇脫氫酶酯化有機(jī)硅醇的酯化第六章酶的非水相催化手性藥物兩種對(duì)映體的藥理作用

藥物名稱(chēng)有效對(duì)映體的作用另一種對(duì)映體的作用普萘洛爾（Propranolol）萘普生（Neproxen）青霉素胺（Penicillamine）羥基苯哌嗪(Dropropizine)反應(yīng)停（Thalidomide）酮基布洛芬（Ketoprofen）喘速寧（Trtoquinol）乙胺丁醇（Ethambutol）萘必洛爾（Kebivolol）S構(gòu)型，治療心臟病,β-受體阻斷劑S構(gòu)型，消炎、解熱、鎮(zhèn)痛S構(gòu)型，抗關(guān)節(jié)炎S構(gòu)型，鎮(zhèn)咳S構(gòu)型，鎮(zhèn)靜劑S構(gòu)型，消炎S構(gòu)型，擴(kuò)張支氣管S,S構(gòu)型，抗結(jié)核病右旋體，治療高血壓,β-受體阻斷劑R構(gòu)型，鈉通道阻滯劑R構(gòu)型，療效很弱R構(gòu)型，突變劑R構(gòu)型，有神經(jīng)毒性R構(gòu)型，致畸胎R構(gòu)型，防治牙周病R構(gòu)型，抑制血小板凝集R,R構(gòu)型，致失明左旋體，舒張血管1992年，美國(guó)FDA明確要求對(duì)于具有手性特性的化學(xué)藥物，都必需說(shuō)明其兩個(gè)對(duì)映體在體內(nèi)的不同生理活性、藥理作用以及藥物代謝動(dòng)力學(xué)情況。許多國(guó)家和地區(qū)也都制定了有關(guān)手性藥物的政策和法規(guī)。這大大推動(dòng)了手性藥物拆分的研究和生產(chǎn)應(yīng)用。目前提出注冊(cè)申請(qǐng)和正在開(kāi)發(fā)的手性藥物中，單一對(duì)映體藥物占絕大多數(shù)。第六章酶的非水相催化脂肪酶-位置選擇性酯化反應(yīng)葡萄糖苷-6-O-?；苌锸且环N可生物降解的非離子表面活性劑，它可以用脂肪酸和葡萄糖苷在脂肪酶催化下進(jìn)行選擇性酯化得到：第六章酶的非水相催化糖酯的合成第六章酶的非水相催化脂肪酶-消旋化合物選擇性酯化以2-取代-1,3-丙二醇和脂肪酸為原料，在有機(jī)溶劑介質(zhì)中用脂肪酶(CCL)或豬肝酯酶（PLE）催化酯化反應(yīng)，可得到較高光學(xué)純度的R-或S-酯。第六章酶的非水相催化脂肪酶-消旋化合物的拆分有機(jī)介質(zhì)中用脂肪酶(PSL)催化酯化用于γ-羥基-α,β-不飽和酯的拆分。可以避免副反應(yīng)的發(fā)生。第六章酶的非水相催化脂肪酶-內(nèi)酯合成反應(yīng)

-羥基酸或它的酯在脂肪酶催化下，發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化作用得到內(nèi)酯化合物。內(nèi)酯可繼續(xù)反應(yīng)形成開(kāi)鏈寡聚物.內(nèi)酯化產(chǎn)物形式主要取決于羥基酸的長(zhǎng)度外，也取決于脂肪酶的類(lèi)型、溶劑及溫度等。第六章酶的非水相催化第六章酶的非水相催化生物柴油生物柴油是利用生物油脂生產(chǎn)的有機(jī)燃料，是由動(dòng)物、植物或微生物油脂與小分子醇類(lèi)經(jīng)過(guò)酯交換反應(yīng)而得到的脂肪酸酯類(lèi)物質(zhì)?？梢源娌裼妥鳛椴裼桶l(fā)動(dòng)機(jī)的燃料使用。

生物油脂的來(lái)源：菜子油，豆油，椰子油，棕櫚油、蓖麻油、棉籽油，葵花籽油，廢食用油等優(yōu)點(diǎn)：（1）具有良好的環(huán)境屬性（2）具有較好的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能。（3）具有較好的潤(rùn)滑性能。（4）具有較好的安全性能。（5）具有良好的燃料性能。（6）具有可再生性能。第六章酶的非水相催化從生物質(zhì)到生物柴油生物柴油生產(chǎn)裝備第六章酶的非水相催化美國(guó)生物柴油發(fā)展趨勢(shì)第六章酶的非水相催化第六章酶的非水相催化生物柴油的生產(chǎn)方法目前生物柴油主要是用化學(xué)法生產(chǎn)，采用酸、堿催化油脂與甲醇之間的轉(zhuǎn)酯反應(yīng)，