7.非水介质中酶反应-2013.ppt

第5章 酶工程进展 —非水介质中酶的催化作用;序 ;酶在非水介质中的催化反应新特征和优势：;①含微量水的有机溶剂； ②与水混溶的有机溶剂和水形成的均一体系； ③水与有机溶剂形成的两相或多相体系； ④胶束与反胶束体系； ⑤超临界流体； ⑥气相。;非水介质中的酶催化的研究主要集中在三个方面：;一、非水介质体系与非水相生物酶学特点; 水不互溶有机溶剂单相体系(微水有机介质系) 是指用水不互溶有机溶剂取代几乎所有的水，即有机溶剂含量98％，有机溶剂中含有微量水2％，微量水一部分为酶分子的结合水,另一部分分配在有机溶剂中. 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。 ;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)、二嗯烷(dioxane)、丙酮和低级醇等。 ;水—有机溶剂两相体系 指由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相体系。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有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极其重要的参数。 该体系在应用时，有机溶剂的选择至关重要。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。同时，震荡和搅拌是保证底物和产物在酶与两相间质量传递的重要参数; 胶束和反相胶束体系 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，有机溶剂背包在胶束的内部，此时的胶束被称为正相胶束。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。 反相胶束与生物膜有相似之处适用于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研究。（酶被限制在含水的为环境中，而底物和产物可以自由进出胶束） 常用的表面活性剂：AOT、 Tween;;两性化合物在反相胶团中的位置;组成的灵活性； 热力学稳定性和光学透明性； 反相胶束有非常高的界面积／体积比，远高于有机溶剂—水两相体系，使底物和产物的相转移变得极为有利； 反相胶束的相特性随温度而变化，这一特性可以简化产物和酶的分离纯化。;参数;;超临界流体体系 超临界气体(supercritical gases)，如二氧化碳、氟里昂CF3H，烷烃类(甲烷、乙烯、丙烷)或无机化合物(SF6、N2O)等都可以作为酶催化亲脂性底物的溶剂，酶在这些溶剂中就像在亲脂性有机溶剂中一样稳定。 超临界气体对多数酶都能适用，酶催化的酯固化、转酯、醇解、水解、羟化和脱氢等反应都可在此体系中进行。这种溶剂体系最大的优点是无毒、低黏度、产物易于分离。超临界气体的黏度介于气体与液体之间。;低共熔混合体系 是由两种或多种固体化合物混合而得到的具有一个最低共熔点的状态。 酶促反应的特点是靠反应底物形成低共熔点，由于反应体系的液固体积比(或重量比)远小于水溶液或有机溶剂，从而反应底物浓度高、反应速度快、产物浓度和收率也高，反应体积小，还可以大大降低产物分离提纯的成本。 主要应用集中在采用蛋白酶合成许多具有生物活性的寡肽和糖脂的应用上。例如，采用嗜热蛋白酶对Z—L-AspOH与L—PheOMe催化合成Aspartame（天冬氨酰苯丙酸甲酯，一种约比蔗糖甜200倍的甜味剂）时，2小时的收率可达95％。 ; 增加疏水性底物或产物的溶解度； 热力学平衡向合成方向移动，如酯合成、肽合成等； 可抑制有水参与的副反应，如酸酐的水解等； 酶不溶于有机介质，易于回收再利用； 容易从低沸点的溶剂中分离纯化产物； 酶的热稳定性提高，pH的适应性扩大； 无微生物污染； 能测定某些在水介质中不能测定的常数； 固定化酶方法简单，可以只沉积在载体表面。 ;有机溶剂和水溶液中酶蛋白的结构和酶活性进行比较研究后发现： 在不同介质中酶分子活性中心的改变不大，而酶分子结构的动态变化可能是引起酶活性变化的主要原因 三级结构—”紧密”、“柔性”的状态 ;Zaks认为酶在疏水(1％)的有机溶剂中与蛋白质分子形成分子间氢键的水分子极少，此时蛋白质分子内氢键起主要作用，蛋白质变得“刚硬”，活动的自由度的变小，限制了疏水环境下的蛋白质构象向热力学稳定状态转化，能够维持着和水溶液中同样的结构与构象