7第七章---酶非水相催化课件

第七章酶非水相催化观念的改变观念的改变l有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化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。反应建立起来的。l近年来，进行了非水介质的酶结构与功能、酶近年来，进行了非水介质的酶结构与功能、酶作用机制、酶作用动力学的研究，建立起非水作用机制、酶作用动力学的研究，建立起非水酶学（酶学（non-aqueous non-aqueous enzymologyenzymology)。第一节第一节 酶非水相催化的研究概况酶非水相催化的研究概况受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同。受非水介质的影响，其催化特性与在水相中不同。酶的非水相催化主要包括酶的非水相催化主要包括:一、有机介质中的酶催化；一、有机介质中的酶催化；二、气相介质中的酶催化；二、气相介质中的酶催化；三、超临界流体介质中的酶催化；三、超临界流体介质中的酶催化；四、离子液介质中的酶催化四、离子液介质中的酶催化一、有机介质中的酶催化一、有机介质中的酶催化l指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。反应。l适用范围适用范围:底物、产物两者或其一为疏水性物底物、产物两者或其一为疏水性物质的酶催化作用。质的酶催化作用。l原因原因:酶在有机介质中基本能保持结构的完整。酶在有机介质中基本能保持结构的完整。l特性特性:酶的底物特异性、立体选择性、区域选酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性、热稳定性等有所改变。择性、键选择性、热稳定性等有所改变。l应用：多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合应用：多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合成、手性药物拆分的研究。成、手性药物拆分的研究。二、气相介质中的酶催化二、气相介质中的酶催化l指酶在气相介质中进行的催化反应。指酶在气相介质中进行的催化反应。l适用范围：底物是气体或能转化为气体适用范围：底物是气体或能转化为气体的物质的酶催化反应。的物质的酶催化反应。l特性：气体介质的密度低，扩散容易，特性：气体介质的密度低，扩散容易，与在水相中明显不同。与在水相中明显不同。三、超临界流体介质中的酶催化三、超临界流体介质中的酶催化酶在超临界流体中进行的催化反应。酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是超临界流体是指温度和压力超过某物质的超临界指温度和压力超过某物质的超临界点的流体。点的流体。要求：要求：超临界流体对酶结构无破坏；具良超临界流体对酶结构无破坏；具良好化学稳定性；温度不可太高太低；压好化学稳定性；温度不可太高太低；压力不可太高；易获得等。力不可太高；易获得等。常用的超临界流体有：常用的超临界流体有：COCO2 2,SO,SO2 2 C C2 2H H4 4,C,C2 2H H6 6 C C3 3H H8 8 C C4 4H H1010 等。等。四、离子液介质中的酶催化四、离子液介质中的酶催化l指酶在离子液中进行的催化作用。指酶在离子液中进行的催化作用。l离子液离子液(Ionic liquid)是由有机阳离子与有机（无机）是由有机阳离子与有机（无机）阴离子构成的、在室温下呈液态的低熔点盐类，阴离子构成的、在室温下呈液态的低熔点盐类，挥发性低，稳定性好。挥发性低，稳定性好。l特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择性、特性：酶在其中有良好的稳定性、区域选择性、立体选择性、键选择性。立体选择性、键选择性。第二节第二节有机介质中水和有机溶剂有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响对酶催化反应的影响1 1、微水介质体系；、微水介质体系；2 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系；、与水溶性有机溶剂组成的均一体系；3 3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系；、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系；4 4、（正）胶束体系；、（正）胶束体系；5 5、反胶束体系。、反胶束体系。一、有机介质反应体系一、有机介质反应体系1 1、微水介质体系、微水介质体系l是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系。是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系。l微量的水主要是酶分子的结合水微量的水主要是酶分子的结合水,对维持酶对维持酶分子空间构象和催化活性至关重要。分子空间构象和催化活性至关重要。l另一部分水分配在有机溶剂中。另一部分水分配在有机溶剂中。l酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质中，是常见的有机反应体系。介质中，是常见的有机反应体系。2 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、与水溶性有机溶剂组成的均一体系l由水与极性较大的有机溶剂互相混溶组由水与极性较大的有机溶剂互相混溶组成的反应体系。成的反应体系。l水与有机剂含量均较大。水与有机剂含量均较大。l适用的酶较少。适用的酶较少。3 3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系l由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相或多相反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；应体系；l游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，疏水性底游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相，疏水性底物或产物溶解于有机溶剂相。物或产物溶解于有机溶剂相。l固定化酶在界面；固定化酶在界面；l催化反应在两相界面进行；催化反应在两相界面进行；l适于底物或产物两者或其中一种属于疏水化合物的适于底物或产物两者或其中一种属于疏水化合物的催化反应。催化反应。4 4、正胶束体系、正胶束体系 大量水溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂，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的微小液滴。加入表面活性剂后形成的水包油的微小液滴。表面活性剂的极性端朝外表面活性剂的极性端朝外,非极性端朝内非极性端朝内,有机溶剂被有机溶剂被包在液滴内部。包在液滴内部。酶在胶束外面的水溶液中酶在胶束外面的水溶液中,疏水性的底物或产物在胶疏水性的底物或产物在胶束内部束内部,反应在胶束的两相界面中进行。反应在胶束的两相界面中进行。5、反胶束体系、反胶束体系l反胶束反胶束:在与水不互溶的大量有机溶剂中在与水不互溶的大量有机溶剂中,加入表面活性剂后形加入表面活性剂后形成的油包水的微小水滴；成的油包水的微小水滴；l19971997年首次报道酶在反相胶束中具有活性年首次报道酶在反相胶束中具有活性(已发现已发现4040多种酶多种酶)；l酶分子处在反胶束内，稳定性好；酶分子处在反胶束内，稳定性好；l反胶束与生物膜有相似之处，适用于处在生物膜表面或与膜结合反胶束与生物膜有相似之处，适用于处在生物膜表面或与膜结合的酶的结构、催化特性和动力学性质的研究。的酶的结构、催化特性和动力学性质的研究。二、水对有机介质中酶催化的影响二、水对有机介质中酶催化的影响l有有机机溶溶剂剂中中酶酶的的催催化化活活力力与与反反应应系系统统的的含含水水量量密切相关。密切相关。l系系统统含含水水量量:结结合合水水(酶酶粉粉水水合合、固固定定载载体体和和其其他杂质他杂质)、游离水、游离水(溶于有机溶剂溶于有机溶剂)l与与酶酶结结合合的的水水量量是是影影响响酶酶的的活活力力、稳稳定定性性以以及及专一性的决定因素专一性的决定因素1 1、水对酶分子空间构象的影响、水对酶分子空间构象的影响l无水下酶空间构象被破坏无水下酶空间构象被破坏,故需一层水化层故需一层水化层;l必需水必需水:维持酶分子完整空间构象所必需的最维持酶分子完整空间构象所必需的最低水量低水量;l不同的酶所需求的必需水的量差别较大不同的酶所需求的必需水的量差别较大;l每分子凝乳蛋白酶只需每分子凝乳蛋白酶只需5050分子的水，每分子多分子的水，每分子多酚氧化酶却需酚氧化酶却需3.53.5102个水分子个水分子l原因原因:必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等副键所必需的。等副键所必需的。2.2.水对酶催化反应速度的影响水对酶催化反应速度的影响 l典典型型的的非非水水酶酶体体系系中中水水含含量量通通常常只只占占0.01%0.01%，但但其其微小差距会导致酶催化活力的较大改变。微小差距会导致酶催化活力的较大改变。l水水影影响响蛋蛋白白质质结结构构的的完完整整性性、活活性性位位点点的的极极性性和和稳定性。稳定性。三、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响三、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响l直接或间接影响酶的活性和稳定性。直接或间接影响酶的活性和稳定性。l改变酶的特异性（底物特异性、立体选择性、改变酶的特异性（底物特异性、立体选择性、前手性选择性等）。前手性选择性等）。l通过与水、酶、底物和产物的相互作用来影通过与水、酶、底物和产物的相互作用来影响酶的特性。响酶的特性。1.1.有机溶剂对酶结构与功能的影响有机溶剂对酶结构与功能的影响在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，较好在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中，较好地保持其构象；地保持其构象；有机溶剂中酶分子不能直接溶解，因此根据酶分有机溶剂中酶分子不能直接溶解，因此根据酶分子特性与有机溶剂特性不同，其空间结构的保持子特性与有机溶剂特性不同，其空间结构的保持也有不同。也有不同。有些酶在有机溶剂作用下，其结构受到破坏；有些酶在有机溶剂作用下，其结构受到破坏；有的酶分子则保持完整；有的酶分子则保持完整；（1 1）有机溶剂对结合水的影响）有机溶剂对结合水的影响）有机溶剂对结合水的影响）有机溶剂对结合水的影响l一些相对亲水性的有机溶剂能够夺取酶一些相对亲水性的有机溶剂能够夺取酶表面的必需水而导致酶失活。表面的必需水而导致酶失活。l由于酶与溶剂竞争水分子，体系的最适由于酶与溶剂竞争水分子，体系的最适含水量与酶的用量及底物浓度有关。含水量与酶的用量及底物浓度有关。l提高酶分子的亲水性，可以限制酶在有提高酶分子的亲水性，可以限制酶在有机溶剂中的脱水作用。机溶剂中的脱水作用。2.2.有机溶剂对酶活性的影响有机溶剂对酶活性的影响、溶剂对底物和产物分配的影响、溶剂对底物和产物分配的影响l溶剂能直接或间接地与底物和产物相互作用。溶剂能直接或间接地与底物和产物相互作用。l溶剂能改变酶分子必需水层中底物或产物的溶剂能改变酶分子必需水层中底物或产物的浓度。浓度。有机溶剂极性小，疏水性强，则疏水性底物有机溶剂极性小，疏水性强，则疏水性底物难于进入必需水层；难于进入必需水层；有机溶剂极性过强，亲水性强，则疏水性底有机溶剂极性过强，亲水性强，则疏水性底物在有机溶剂中的溶解度低。物在有机溶剂中的溶解度低。故选择故选择2 2lgp5的有机溶剂作为有机介质为的有机溶剂作为有机介质为宜。宜。第三节第三节 酶在有机介质中的催化特性酶在有机介质中的催化特性l有机溶剂的存在有机溶剂的存在,改变了疏水相互作用的精改变了疏水相互作用的精细平衡细平衡,从而影响到酶的结合部位。从而影响到酶的结合部位。l有机溶剂会改变底物存在状态。有机溶剂会改变底物存在状态。l结果影响酶的稳定性和酶的底物特异性结果影响酶的稳定性和酶的底物特异性,立立体选择性体选择性,区域选择性和化学键选择性。区域选择性和化学键选择性。2、底物特异性、底物特异性酶酶在在有有机机溶溶剂剂中中对对底底物物的的化化学学结结构构和和立体结构立体结构均有严格的均有严格的选择性选择性。例如：例如：青霉脂肪酶青霉脂肪酶在在正正己己烷烷中中催催化化2-辛辛醇醇与与不不同同链链长长的的脂脂肪肪酸酸进进行行酯酯化化反反应应时时，该该酶酶对对短短链链脂脂肪肪酸酸具有较强的特异性。具有较强的特异性。一、底物专一性一、底物专一性(1)(1)有机介质中酶活性中心结合部位与底物的结合状态有机介质中酶活性中心结合部位与底物的结合状态发生改变发生改变,致使酶的底物特异性发生改变致使酶的底物特异性发生改变:l水溶液中底物与酶活性中心结合靠疏水作用水溶液中底物与酶活性中心结合靠疏水作用;l有机介质中有机剂与底物的疏水作用更强有机介质中有机剂与底物的疏水作用更强;(2)(2)不同的有机介质，酶的底物专一性也不一样不同的有机介质，酶的底物专一性也不一样:l极性较强的有机溶剂中极性较强的有机溶剂中,疏水性较强的底物易反应疏水性较强的底物易反应;l极性较弱的有机溶剂中极性较弱的有机溶剂中,疏水性较弱的底物易反应疏水性较弱的底物易反应;3、对映体选择性、对映体选择性酶酶的的对对映映体体选选择择性性是是指指酶酶识识别别外外消消旋旋化合物化合物中某种构象对映体的能力。中某种构象对映体的能力。有有机机溶溶剂剂中中酶酶对对底底物物的的对对映映体体选选择择性性由由于于介介质质的的亲亲（疏疏）水水性性的的变变化化而而发发生生改改变变。疏水性强疏水性强的有机溶剂中酶的的有机溶剂中酶的立体选择性差立体选择性差。例例如如：某某些些蛋蛋白白水水解解酶酶在在有有机机溶溶剂剂中中可可以以合合成成D氨氨基基酸酸的的肽肽，而而在在水水溶溶液液中中酶酶只只选选择择L-氨基酸氨基酸。二、对映体选择性（二、对映体选择性（enantioselectivity)对映体选择性对映体选择性意义意义：例例如如：某某些些蛋蛋白白水水解解酶酶在在有有机机溶溶剂剂中中可可以以合合成成D氨氨基基酸酸的的肽肽，而而在在水水溶溶液液中中酶酶只只选择选择L-氨基酸氨基酸。三、区域选择性（三、区域选择性（regioselectivityregioselectivity）酶酶能够选择性地催化底物分子中某个区域的基团优先发能够选择性地催化底物分子中某个区域的基团优先发生反应；用区域选择系数的大小衡量。生反应；用区域选择系数的大小衡量。用用1 1、2 2代表底物分子的区域位置；代表底物分子的区域位置；区域选择系数：区域选择系数：K K1 1，2 2=（k kcatcat/K/Km m)1 1/（k kcatcat/K/Km m)2 2例：例：1,4-二丁酰基二丁酰基-2-辛基苯辛基苯丁醇丁醇脂肪酶脂肪酶转脂反应转脂反应+甲苯甲苯乙腈乙腈K4，120.5四、键选择性（四、键选择性（chemoselectivity)l即同一个底物分子中有即同一个底物分子中有2 2种以上化学键可与酶种以上化学键可与酶反应，酶对其一优先反应。反应，酶对其一优先反应。6-6-氨基氨基-1-1-已醇已醇黑曲霉脂肪酶黑曲霉脂肪酶毛霉脂肪酶毛霉脂肪酶羟基酰化羟基酰化氨基酰化氨基酰化占优占优五、热稳定性五、热稳定性 有有机机溶溶剂剂中中酶酶的的热热稳稳定定性性和和储储存存稳稳定定性性都都比比水溶液中水溶液中高高。例例如如：猪猪胰胰脂脂肪肪酶酶（PPL）在在苯苯中中催催化化酯酯交交换换反反应时，应时，（1）酶活性随温度升高（）酶活性随温度升高（2070）而增加，）而增加，（2）在在70连连续续反反应应7次次（每每次次96 h）后后酶酶活活力力仍仍保持保持 60，（3）在在100时时的的半半衰衰期期可可达达数数十十小小时时，而而在在水水中中100几乎马上失活。几乎马上失活。PPL的稳定性取决于有机溶剂中水的浓度，的稳定性取决于有机溶剂中水的浓度，1的水，会使的水，会使PPL的稳定性降低到和水溶液中的稳定性降低到和水溶液中相同的水平。相同的水平。六、六、pHpH值特性值特性l在有机介质中酶所处的在有机介质中酶所处的pHpH环境与酶在冻干或吸环境与酶在冻干或吸附到载体上之前所使用的缓冲液附到载体上之前所使用的缓冲液pHpH值相同，称值相同，称为为pHpH印记印记或或pHpH记忆（记忆（pH-imprintingpH-imprinting）;l现象：脂肪酶催化三丁酸甘油与正庚醇的转酯现象：脂肪酶催化三丁酸甘油与正庚醇的转酯反应，酶的反应速度与其冷冻干燥前水溶液的反应，酶的反应速度与其冷冻干燥前水溶液的的的PHPH密切相关，反应的最适密切相关，反应的最适PHPH接近于水溶液中接近于水溶液中的最适的最适PHPHl原因：当酶分子从水溶液转移到有机介质时，原原因：当酶分子从水溶液转移到有机介质时，原有的解离状态不变，被保持在有机介质中；有的解离状态不变，被保持在有机介质中；l有机介质中酶催化反应的最适有机介质中酶催化反应的最适phph通常与在水溶液通常与在水溶液的的pHpH接近；接近；l但有些有机溶剂中酶的最但有些有机溶剂中酶的最PHPH与水溶液中相差较大，与水溶液中相差较大，还与缓冲液种类和离子强度有关还与缓冲液种类和离子强度有关;第四节第四节 有机介质中酶催化反应的有机介质中酶催化反应的条件及其控制条件及其控制l酶在有机介质中的催化反应受各种因素影响，酶在有机介质中的催化反应受各种因素影响，主要有酶、底物、有机溶剂种类、水含量、温主要有酶、底物、有机溶剂种类、水含量、温度、度、pHpH值和离子强度等。值和离子强度等。一、有机介质中酶催化反应的类型一、有机介质中酶催化反应的类型1 1、合成反应、合成反应2 2、转移反应、转移反应3 3、醇解反应、醇解反应4 4、氨解反应、氨解反应5 5、异构反应、异构反应6 6、氧化还原反应、氧化还原反应7 7、裂合反应、裂合反应1、合成反应、合成反应有机介质中水含量极微，可催化水解反应的逆反应；有机介质中水含量极微，可催化水解反应的逆反应；（1 1）脂肪酶或酯酶催化有机酸和醇进行酯的合成反应：）脂肪酶或酯酶催化有机酸和醇进行酯的合成反应：意义意义:酶催化酯合成可合成手性化合物酶催化酯合成可合成手性化合物,且酶的立体选择性主且酶的立体选择性主要是选择立体异构的醇。要是选择立体异构的醇。（2 2 2 2）蛋白酶可在有机介质中催化氨基酸进行合）蛋白酶可在有机介质中催化氨基酸进行合）蛋白酶可在有机介质中催化氨基酸进行合）蛋白酶可在有机介质中催化氨基酸进行合成反应，生成多肽成反应，生成多肽成反应，生成多肽成反应，生成多肽2、转移反应、转移反应l如脂肪酸催化酯与有机酸反应生成另一种酯与有机酸如脂肪酸催化酯与有机酸反应生成另一种酯与有机酸,即即转酯反应转酯反应：3、醇解反应、醇解反应l假单胞脂肪酶催化酸酐醇生成二酸单酯化合物假单胞脂肪酶催化酸酐醇生成二酸单酯化合物即酸酐水解反应即酸酐水解反应,例例:4、氨解反应、氨解反应如脂肪酶催化酯类进行不对称氨解反应：如脂肪酶催化酯类进行不对称氨解反应：R-R-苯丙氨酸甲酯苯丙氨酸甲酯酰胺酰胺叔丁醇叔丁醇5、异构反应、异构反应l如消旋酶催化一种异构体为另一种异构体如消旋酶催化一种异构体为另一种异构体例例6、氧化还原反应、氧化还原反应（1 1）单加氧）单加氧（2 2）双加氧）双加氧（3 3）催化醛类或酮类还原成醇类）催化醛类或酮类还原成醇类（1 1）单加氧）单加氧（2 2）双加氧）双加氧（3 3）催化醛类或酮类还原成醇类）催化醛类或酮类还原成醇类7 7、裂合反应、裂合反应l如醇腈酶催化醛与氢氰酸的反应如醇腈酶催化醛与氢氰酸的反应二、酶的选择二、酶的选择1 1、不同酶具不同结构和特性，同一种酶由于来源、不同酶具不同结构和特性，同一种酶由于来源、处理法不同特性亦有差别；处理法不同特性亦有差别；2 2、酶反应速度与酶浓度成正比；、酶反应速度与酶浓度成正比；3 3、另注意酶的稳定性、底物专一性、另注意酶的稳定性、底物专一性,对映体选择对映体选择性、区域选择性、键选择性等性、区域选择性、键选择性等三、底物的选择和浓度控制三、底物的选择和浓度控制1 1、有机剂与水中酶的底物专一性不同；、有机剂与水中酶的底物专一性不同；2 2、底物浓度对酶催化速度有明显的影响；、底物浓度对酶催化速度有明显的影响；3 3、有机介质中要考虑底物在有机溶剂和必、有机介质中要考虑底物在有机溶剂和必需水层中的分配情况；需水层中的分配情况；4 4、高浓度底物会对反应产生不利影响。、高浓度底物会对反应产生不利影响。四、有机溶剂的选择四、有机溶剂的选择l1 1、有机剂的极性要选择恰当：、有机剂的极性要选择恰当：l极性过强极性过强,夺取较多酶表面水分子夺取较多酶表面水分子,使疏水性使疏水性底物溶解度降低底物溶解度降低;l极性过弱极性过弱,底物难以进入必需水层底物难以进入必需水层;l故取中间故取中间:2 2lgP5lgP5l2 2、与水混溶的有机介质其含量对酶催化有影响。、与水混溶的有机介质其含量对酶催化有影响。l与水混溶的二氧六环介质与水混溶的二氧六环介质,辣根过氧化酶辣根过氧化酶(HRP)(HRP)催化对催化对苯基苯酚的聚合反应苯基苯酚的聚合反应,随着二氧六环的含量增加随着二氧六环的含量增加,酶催酶催化得到的聚合物的分子量也增加化得到的聚合物的分子量也增加,80%,80%时最大。时最大。二氧六环含量二氧六环含量/%/%聚聚合合物物相相对对分分子子质质量量五、含水量的控制五、含水量的控制当其它因素不变时，系统含水量对酶活性有影响，当其它因素不变时，系统含水量对酶活性有影响，只有在最适含水量时酶才有最高活力；只有在最适含水量时酶才有最高活力；最适水含量通常随溶剂极性增大（最适水含量通常随溶剂极性增大（lgPlgP减小）而增大；减小）而增大；1水含量水含量反反应应速速度度21341-1-已烷已烷2-2-四氯甲烷四氯甲烷3-3-甲苯甲苯4-4-苯苯六、温度的控制六、温度的控制1 1、微水有机介质中含水量低，酶的热稳定性增强，、微水有机介质中含水量低，酶的热稳定性增强，其最适温度高于水溶液中催化的最适温度；其最适温度高于水溶液中催化的最适温度；2 2、温度低，酶的立体选择性高。、温度低，酶的立体选择性高。LamLam和和KeinanKeinan的实的实验结果支持此结论；验结果支持此结论；七、七、pHpH值的控制值的控制l酶在有机介质中的最适酶在有机介质中的最适PHPH值通常与在水溶液中催化的最值通常与在水溶液中催化的最适适pHpH相同或接近；相同或接近；l可通过调节缓冲液可通过调节缓冲液pHpH的方法调节有机介质中酶催化的的方法调节有机介质中酶催化的pHpH值；值；l酶在冷冻干燥过程中，酶在冷冻干燥过程中，pHpH状态有变化；状态有变化；l希令（希令（hilling)hilling)发现缓冲液对冷冻干燥过程中发现缓冲液对冷冻干燥过程中pHpH值和酶值和酶活力有影响，故加入一定量的蔗糖、甘露醇等冷冻干燥活力有影响，故加入一定量的蔗糖、甘露醇等冷冻干燥保护剂；保护剂；l在酶液冻干之前或催化过程采取保护措施；在酶液冻干之前或催化过程采取保护措施；l加有机相缓冲液可对有机介质中酶反应的加有机相缓冲液可对有机介质中酶反应的pHpH调节。调节。第五节第五节酶非水相催化的应用酶非水相催化的应用 酶酶 催化反应催化反应 应用应用脂肪酶脂肪酶 肽合成肽合成 青霉素青霉素G G前体肽前体肽合成合成 酯合成酯合成 醇与有机酸合醇与有机酸合成酯类成酯类 聚合聚合 二酯的选择性二酯的选择性聚合聚合蛋白酶蛋白酶 肽合成肽合成 合成多肽合成多肽 酰基化酰基化 糖类的酰基化糖类的酰基化羟基化酶羟基化酶 氧化氧化 甾体转化甾体转化过氧化物酶过氧化物酶 聚合聚合 酚类、胺类聚酚类、胺类聚合合多酚氧化酶多酚氧化酶 氧化氧化 芳香化合物羟芳香化合物羟基化基化胆固醇氧化酶胆固醇氧化酶 氧化氧化 胆固醇测定胆固醇测定醇脱氢酶醇脱氢酶 酯化酯化 有机硅醇的酯有机硅醇的酯化化酶非水相催化应用酶非水相催化应用一、手性药物的拆分一、手性药物的拆分l手性化合物指化学组成相同而立体结构互为对映体的两种异构化手性化合物指化学组成相同而立体结构互为对映体的两种异构化合物；合物；l手性药物指只含单一对映体的药物；手性药物指只含单一对映体的药物；l已经发现很多手性药物的对映体具有不同的药理作用。已经发现很多手性药物的对映体具有不同的药理作用。l过去手性药物多较是以消旋体形式出售。过去手性药物多较是以消旋体形式出售。l19611961年欧洲出现了孕妇服用多消旋体的年欧洲出现了孕妇服用多消旋体的“反应停反应停”后，产生多起后，产生多起畸形胎事件。畸形胎事件。l19921992年美国食品与药物管理局（年美国食品与药物管理局（FDAFDA）明确要求含手性因素的化）明确要求含手性因素的化学药物，必须说明其二个对映体在体内的不同生理活性，药理作学药物，必须说明其二个对映体在体内的不同生理活性，药理作用和药物代谢动力学情况。用和药物代谢动力学情况。l19941994年以来，手性药物世界销售额以年年以来，手性药物世界销售额以年2020以上的速度增长。以上的速度增长。l目前，世界上批准上市约目前，世界上批准上市约6161种。种。手性药物两种对映体的药理作用手性药物两种对映体的药理作用药物名称药物名称 有效对映体作用有效对映体作用 另一种对映体作用另一种对映体作用普萘洛尔普萘洛尔 S S构型，治疗心脏病，构型，治疗心脏病，-受体阻断剂受体阻断剂 R R构型，钠通道构型，钠通道阻滞剂阻滞剂青霉素胺青霉素胺 S S构型，消炎、解热、镇痛构型，消炎、解热、镇痛 R R构型，突变剂构型，突变剂反应停反应停 S S构型，镇静剂构型，镇静剂 R R构型，致畸胎构型，致畸胎1 1、手性药物两种对映体的药效差异、手性药物两种对映体的药效差异（1 1）一种有疗效，另一种很弱；）一种有疗效，另一种很弱；（2 2）一种有效，另一种有不良反应；）一种有效，另一种有不良反应；（3 3）两种相反；）两种相反；（4 4）两种各有不同药效；）两种各有不同药效；（5 5）两种消旋体作用具互补性）两种消旋体作用具互补性分分5 5种类型：种类型：2 2、酶在手性化合物拆分方面的应用、酶在手性化合物拆分方面的应用l酶催化在单一对映体手性药物的开发中潜力颇大。酶催化在单一对映体手性药物的开发中潜力颇大。1 1、阻断剂类手性药物阻断剂类手性药物 2 2、非甾体抗炎剂类手性药物、非甾体抗炎剂类手性药物 3 3、5 5羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类手性药物羟色胺拮抗物和摄取抑制剂类手性药物l脂肪酶在拆分中起重要作用。脂肪酶在拆分中起重要作用。l其他种类酶（如酯酶、过氧化物酶、醇脱氢酶等）其他种类酶（如酯酶、过氧化物酶、醇脱氢酶等）也能进行拆分反应，但因这些酶不易获得，价格也能进行拆分反应，但因这些酶不易获得，价格昂贵或需要辅酶而较少研究。昂贵或需要辅酶而较少研究。1 1 1 1、阻断剂类手性药物拆分阻断剂类手性药物拆分阻断剂类手性药物拆分阻断剂类手性药物拆分l(1)(1)普萘洛尔的酶法拆分普萘洛尔的酶法拆分lBerinakattiBerinakatti在有机剂中用在有机剂中用PSL(PSL(假单胞菌脂肪酶对外假单胞菌脂肪酶对外消旋萘氧氯丙醇酯水解消旋萘氧氯丙醇酯水解,得到得到-酯的酯的eeee值大于值大于95%95%PSLPSL对外消旋萘氧氯丙醇酯水解反应路线图对外消旋萘氧氯丙醇酯水解反应路线图l(2)(2)环氧丙醇酶法拆分环氧丙醇酶法拆分l在在阻断剂类手性药物中阻断剂类手性药物中,环氧丙醇是很重要的环氧丙醇是很重要的3 3碳手性中间体碳手性中间体,还可合成治艾滋病的还可合成治艾滋病的HIVHIV蛋白酶抑制蛋白酶抑制剂剂,抗病毒药抗病毒药(S)-HMPA(S)-HMPA等手性甘油磷脂等手性甘油磷脂;lVantolVantol对对2,3-2,3-环氧丙醇的丁酸酯在有机剂中与两相环氧丙醇的丁酸酯在有机剂中与两相体系中用体系中用PPL(PPL(猪胰脂肪酶猪胰脂肪酶)进行酶促拆分进行酶促拆分.*脂肪酶水解反应拆分丁酸环氧丙酯脂肪酶水解反应拆分丁酸环氧丙酯，*手性碳位置手性碳位置2 2 2 2、非甾体抗炎剂类手性药物拆分、非甾体抗炎剂类手性药物拆分、非甾体抗炎剂类手性药物拆分、非甾体抗炎剂类手性药物拆分非甾体抗炎剂类手性药物广泛用于人联结组织疾病如关节非甾体抗炎剂类手性药物广泛用于人联结组织疾病如关节炎炎,活性成分是活性成分是2-2-芳基丙酸的衍生物芳基丙酸的衍生物(CH(CH3 3CHArCOOH),CHArCOOH),如萘如萘普生普生,布洛芬等。台湾的布洛芬等。台湾的TsaiTsai证实在证实在80%80%异辛烷与异辛烷与20%20%甲苯甲苯中酶反应获得较高中酶反应获得较高eeee值光学活性物。值光学活性物。布洛芬酶法拆分示意布洛芬酶法拆分示意3 3、羟色胺拮抗物和摄取抑制剂、羟色胺拮抗物和摄取抑制剂5-5-羟色胺羟色胺(5-HT)(5-HT)是涉及到精神病、神经系统紊乱的一种神经递质；是涉及到精神病、神经系统紊乱的一种神经递质；一些药物的毒性在于其不能选择性地与一些药物的毒性在于其不能选择性地与5-HT5-HT受体反应；受体反应；一种新的一种新的5-HT5-HT拮抗物（拮抗物（MDLMDL）则显示了极好的选择性，（）则显示了极好的选择性，（R R）型活）型活力是（力是（S S）型的）型的100100倍；手性拆分如下，倍；手性拆分如下，脂肪酶选择性催化生成脂肪酶选择性催化生成(R,R)(R,R)酯，残留为（酯，残留为（S S，S S）醇）醇二、手性高分子聚合物的制备二、手性高分子聚合物的制备l光学活性化合物：光学活性化合物：具有旋光性质的化合物，也称手性化合物。具有旋光性质的化合物，也称手性化合物。l意义：意义：构成生物体的基本物质，如氨基酸、蛋白质、核酸、糖类构成生物体的基本物质，如氨基酸、蛋白质、核酸、糖类等生物大分子都是手性化合物，手性对生物体的新陈代谢有重要等生物大分子都是手性化合物，手性对生物体的新陈代谢有重要意义。意义。l与此相关的药物、生理活性物质、农药合除草剂也都是光学活性与此相关的药物、生理活性物质、农药合除草剂也都是光学活性化合物，其药理和生理作用多与它们生物体内靶分子之间的手性化合物，其药理和生理作用多与它们生物体内靶分子之间的手性匹配合分子识别能力有关。匹配合分子识别能力有关。l光学活性化合物的制备是有机合成的难题。光学活性化合物的制备是有机合成的难题。l酶可用于光活性物质的合成拆分。酶可用于光活性物质的合成拆分。（一）光学活性化合物的制备（一）光学活性化合物的制备l随着具有光、电、磁性聚合物的发现，旋光性聚合物正受青睐。随着具有光、电、磁性聚合物的发现，旋光性聚合物正受青睐。l旋光性聚合物广泛存在于自然界中，多由蛋白质、核酸、多糖等旋光性聚合物广泛存在于自然界中，多由蛋白质、核酸、多糖等构成。构成。l聚合物的旋光性来源于单体单元中含有的手性元素或聚合物的手聚合物的旋光性来源于单体单元中含有的手性元素或聚合物的手性构象，或这两者的共同作用。性构象，或这两者的共同作用。l影响高分子材料物理性能及加工性能，不仅在于其一级结构，其影响高分子材料物理性能及加工性能，不仅在于其一级结构，其二三级高级结构也是重要因素，聚合物旋光性（手性）也是一个二三级高级结构也是重要因素，聚合物旋光性（手性）也是一个重要因素；重要因素；l利用酶催化获得高的立体选择性，化学催化提供高产率，特性合利用酶催化获得高的立体选择性，化学催化提供高产率，特性合成手性聚合物是一条很有应用潜力的新途径。成手性聚合物是一条很有应用潜力的新途径。旋光性高分子旋光性高分子l旋光性聚合物与具有相应结构的非旋光聚合物旋光性聚合物与具有相应结构的非旋光聚合物相比，在分子识别和组装上具明显区别，在熔相比，在分子识别和组装上具明显区别，在熔点、溶解性、结晶特性上有较大差异，在光、点、溶解性、结晶特性上有较大差异，在光、电、磁上也有差异。电、磁上也有差异。l利用水解酶可合成多种手性聚合物；利用水解酶可合成多种手性聚合物；l酶法可获得较高立体选择性，化学催化法有较酶法可获得较高立体选择性，化学催化法有较高产率，两者结合较有前景。高产率，两者结合较有前景。（二）酶催化合成可生物降解高分子（二）酶催化合成可生物降解高分子l可生物降解高分子是指在一定条件下能被生可生物降解高分子是指在一定条件下能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料，应用广泛：物体侵蚀或代谢而降解的材料，应用广泛：领域领域应用应用领域领域应用应用医疗医疗外科手术缝合线；外科手术缝合线；伤口涂料；伤口涂料；人造血管；人造血管；药物释放体系；药物释放体系；骨骼替代品骨骼替代品工业工业无污染可生物降解包装无污染可生物降解包装材料；除锈剂、抗真菌材料；除锈剂、抗真菌载体载体农业农业农用地膜；农用地膜；肥料、杀虫剂除草剂释肥料、杀虫剂除草剂释放体系放体系1.聚酯类可生物降解高分子的酶促合成聚酯类可生物降解高分子的酶促合成A A、B B各代表一种具有反应性的功能基因，如羟基和羧基、羧各代表一种具有反应性的功能基因，如羟基和羧基、羧基和酰氯等；基和酰氯等；GaonkarGaonkar等认为：极性太强的溶剂对聚合反应不利，因为随等认为：极性太强的溶剂对聚合反应不利，因为随着聚合反应的进行，聚合物的聚合程度逐渐增加，聚合物的着聚合反应的进行，聚合物的聚合程度逐渐增加，聚合物的极性逐渐降低，它在强极性溶剂中的溶解度液随之降低，不极性逐渐降低，它在强极性溶剂中的溶解度液随之降低，不利于聚合的进行。利于聚合的进行。(1)(1)利用线性单体的缩合反应合成聚酯利用线性单体的缩合反应合成聚酯l近两年发展的新方法近两年发展的新方法lMacDonaldMacDonald认为：水分子在链增长的过程中起认为：水分子在链增长的过程中起到了活化作用，聚合反应过程先是一个快速的到了活化作用，聚合反应过程先是一个快速的起始反应，然后是缓慢的链增长过程。起始反应，然后是缓慢的链增长过程。（2 2）利用内酯的开环聚合反应合成聚酯）利用内酯的开环聚合反应合成聚酯糖和类固醇的选择性酰化糖和类固醇的选择性酰化糖和类固醇的选择性酰化糖和类固醇的选择性酰化糖酯作为一种生物功能分子和化工原料具有重要价值。糖酯作为一种生物功能分子和化工原料具有重要价值。19911991年年PlanehonPlanehon发现一些糖酯衍生物具有抗肿瘤作用。发现一些糖酯衍生物具有抗肿瘤作用。对糖的多羟基位置选择性酯化是有机合成化学中的难题，对糖的多羟基位置选择性酯化是有机合成化学中的难题，利用生物催化剂的高度选择性易于解决。利用生物催化剂的高度选择性易于解决。19861986年年KlibanovKlibanov小组首先开展了有机相中酶结合成糖酯小组首先开展了有机相中酶结合成糖酯的研究。的研究。利用糖的特殊的分子结构合成糖基聚酯或高交联度的聚利用糖的特殊的分子结构合成糖基聚酯或高交联度的聚酯是研究热点之一酯是研究热点之一酰基对于糖酯的合成至关重要。酰基对于糖酯的合成至关重要。2 2、聚糖酯类可生物降解高分子的酶促合成、聚糖酯类可生物降解高分子的酶促合成l酶法合成该性天然多糖的主要途径大多是在聚酯链上引入酶法合成该性天然多糖的主要途径大多是在聚酯链上引入糖基，以增强聚合物的生物可降解性能。糖基，以增强聚合物的生物可降解性能。l如果用化学方法聚合，需要将有些羟基保护起来，避免副如果用化学方法聚合，需要将有些羟基保护起来，避免副反应，聚合后，再脱保护，反应过程复杂，还有异构体产反应，聚合后，再脱保护，反应过程复杂，还有异构体产生，酶法聚合则不必保护基团，反应条件温和。生，酶法聚合则不必保护基团，反应条件温和。三、三、酚树脂的合成酚树脂的合成l辣根过氧化物酶（辣根过氧化物酶（horseradish horseradish peroxidase,HRPperoxidase,HRP）能）能以以H H2 2O O2 2为电子受体，专一催化酚及苯胺类物质的过氧化为电子受体，专一催化酚及苯胺类物质的过氧化反应；反应；l起始阶段，酶催化酚类物氧化成酚氧自由基；起始阶段，酶催化酚类物氧化成酚氧自由基；l然后是自由基聚合阶段；然后是自由基聚合阶段；l然后是单体自由基与二体自由基发生传递，使聚合物然后是单体自由基与二体自由基发生传递，使聚合物链增长链增长辣根过氧化物酶催化酚类物质的合成辣根过氧化物酶催化酚类物质的合成l酚树脂通常是在甲醛存在下缩合酚类物质而获得的。酚树脂通常是在甲醛存在下缩合酚类物质而获得的。l辣根过氧化物酶（辣根过氧化物酶（HRPHRP）催化产生的酚类聚合物无甲醛）催化产生的酚类聚合物无甲醛污染。污染。lHRPHRP可可催化酚类物质与天然的树脂材料木质素混聚形成催化酚类物质与天然的树脂材料木质素混聚形成酚树脂。酚树脂。back四、导电有机聚合物的合成四、导电有机聚合物的合成l19771977美国，美国，MacdiarmidMacdiarmid打破聚合物系绝缘体观念，获打破聚合物系绝缘体观念，获得碘掺杂的聚乙炔；得碘掺杂的聚乙炔；l酶法合成的聚酚胺类物质具有酶法合成的聚酚胺类物质具有电子共轭结构，通过电子共轭结构，通过掺杂表现出一定的导电性。掺杂表现出一定的导电性。l有机酶合成用于研制有机导电聚合物，如聚苯胺，抗有机酶合成用于研制有机导电聚合物，如聚苯胺，抗雷电袭击、抗静电、抗磁干扰、雷达微波吸收。雷电袭击、抗静电、抗磁干扰、雷达微波吸收。lHRPHRP在催化合成聚合物方面是一种应用较多，潜力较在催化合成聚合物方面是一种应用较多，潜力较大的酶，大的酶，HRPHRP能够以过氧化氢为电子受体，专一地催能够以过氧化氢为电子受体，专一地催化酚及苯胺类物质的过氧化反应。化酚及苯胺类物质的过氧化反应。辣根过氧化物酶催化酚及芳香胺类物质的聚合辣根过氧化物酶催化酚及芳香胺类物质的聚合（1 1）在混合溶液中聚合：）在混合溶液中聚合：HRPHRP可以在含水量不同的与可以在含水量不同的与水混溶的有机介质中进行催化反应，可以获得高质量水混溶的有机介质中进行催化反应，可以获得高质量的聚合物。的聚合物。（2 2）在胶束中进行催化反应，酶能够保持极高的反）在胶束中进行催化反应，酶能够保持极高的反应活力。应活力。合成方法合成方法合成方法合成方法五、发光有机聚合物的合成五、发光有机聚合物的合成l非线性光学材料是激光技术的重要物质基础，在激光倍频、非线性光学材料是激光技术的重要物质基础，在激光倍频、混频、参量放大与振荡、集成光学、光信息处理与光信号控混频、参量放大与振荡、集成光学、光信息处理与光信号控制、光电子计算机等方面有重要应用；制、光电子计算机等方面有重要应用；l有机非线性光学材料其倍频效应较无机材料高几百上千倍；有机非线性光学材料其倍频效应较无机材料高几百上千倍；前者光学效应缘于非定域电子体系，激发响应时间较无机材前者光学效应缘于非定域电子体系，激发响应时间较无机材料快料快10001000倍；倍；l非线性光学材料：酶法合成的聚酚类物具有较高的三阶非线非线性光学材料：酶法合成的聚酚类物具有较高的三阶非线性光学系数性光学系数X X（3 3）l非定域电子共轭聚合物：非定域电子共轭聚合物：HRPHRP催化聚合的产物可以产生一些催化聚合的产物可以产生一些发光较好的聚全物，有可能在发光二极管方面有所应用。发光较好的聚全物，有可能在发光二极管方面有所应用。辣根过氧化物酶催化酚及芳香胺类物质的聚合辣根过氧化物酶催化酚及芳香胺类物质的聚合3六、食品添加剂的生产六、食品添加剂的生产1 1、利用脂肪酶或酯酶催化生成酯类；、利用脂肪酶或酯酶催化生成酯类；2 2、利用嗜热菌蛋白酶生产天苯肽；、利用嗜热菌蛋白酶生产天苯肽；3 3、利用芳香醛脱氢酶生产香兰素；、利用芳香醛脱氢酶生产香兰素；生成酯类生成酯类l利用脂肪酶将甘油三酯水解成单酯，是食品乳化剂。利用脂肪酶将甘油三酯水解成单酯，是食品乳化剂。天苯肽天苯肽l天苯肽是二肽甲酯，是食品甜味剂，甜度是蔗糖的天苯肽是二肽甲酯，是食品甜味剂，甜度是蔗糖的150150 200200倍；通过嗜热菌蛋白酶在有机介质中合成倍；通过嗜热菌蛋白酶在有机介质中合成香兰素香兰素通过微生物发酵得到香兰酸，再经脱氢酶还原得之。通过微生物发酵得到香兰酸，再经脱氢酶还原得之。它它的年产量仅有的年产量仅有20 t，而世界每年需求量为而世界每年需求量为12000t。七、生物柴油的生产七、生物柴油的生产l石油短缺；石油短缺；l传统能源的日益枯竭需要开发可再生能源传统能源的日益枯竭需要开发可再生能源 ；l环境保护与汽车工业的发展需要清洁油料；环境保护与汽车工业的发展需要清洁油料；l液体燃料的不足已严重威胁到我国的能源与经济安全；液体燃料的不足已严重威胁到我国的能源与经济安全；l生物柴油是动物、植物或微生物油脂与小分子醇类经酯生物柴油是动物、植物或微生物油脂与小分子醇类经酯交换反应而得的脂肪酸酯类物可代替柴油；交换反应而得的脂肪酸酯类物可代替柴油；l生物柴油可生物降解，无毒性，对环境无害，并可以从生物柴油可生物降解，无毒性，对环境无害，并可以从可再生资源中提取。可再生资源中提取。意义意义生物柴油生物柴油制造方法制造方法用动物和植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在酸碱用动物和植物油脂和甲醇或乙醇等低碳醇在酸碱下下高温（高温（230230250250）催化转酯反应催化转酯反应,生成相应的生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯脂肪酸甲酯或乙酯，在经洗涤干燥即得生物柴油在经洗涤干燥即得生物柴油,生产设备与一般制油设备相同生产设备与一般制油设备相同,后处理复杂，废酸后处理复杂，废酸碱二次污染；碱二次污染；化学法化学法有机介质中脂肪酶催化有机介质中脂肪酶催化油脂油脂与与小分子醇类小分子醇类进行进行酯酯交换交换反应生成小分子酯类混合物；反应生成小分子酯类混合物；酶法酶法八、多肽的合成八、多肽的合成（1 1）-胰蛋白酶胰蛋白酶催化催化N-N-乙酰色氨酸与亮氨酸合成肽的反应，在水溶液中乙酰色氨酸与亮氨酸合成肽的反应，在水溶液中合成率在合成率在0.1%0.1%以下，而在乙酸乙酯和微水组成的两相系以下，而在乙酸乙酯和微水组成的两相系统中，合成率可达统中，合成率可达100%100%。（2 2）嗜热菌蛋白酶）嗜热菌蛋白酶有机介质中催化有机介质中催化L-L-天冬氨酸与天冬氨酸与D-D-丙氨酸缩合成天丙二肽丙氨酸缩合成天丙二肽（3 3）脂肪酶）脂肪酶催化青霉素前体等多肽的合成催化青霉素前体等多肽的合成九、甾体转化九、甾体转化甾体在水中溶解度低，反应受限制；甾体在水中溶解度低，反应受限制；在有机相与水两相中大提高转化率；在有机相与水两相中大提高转化率；如：可的松转化为氢化可的松的酶促反应，在水如：可的松转化为氢化可的松的酶促反应，在水-乙酸丁酯或水乙酸丁酯或水-乙酸乙酯组成的系统中，转化率乙酸乙酯组成的系统中，转化率达达100%100%和和90%90%。