第五章酶的非水相催化-课件.ppt

第五章.非水相生物催化 一.非水相催化简介 二.非水相介质中酶学基础及性质 三.水对非水相中酶催化的影响 四.有机溶剂中酶催化活性和选择性的调控 五.反胶束体系下的酶催化 非水相催化的提出 1.非水相催化的先驱者、麻省理工学院的Klibanov教授一直强调：通过改变溶剂，可以显著的改变酶的选择性。 2.美国加州理工学院专门从事蛋白质工程和定向进化研究的Arnold教授认为：酶的对映选择性是难以预测和基于结构进行设计的。酶的结构甚至反应条件的微小变化都可能影响酶的对映选择性。 非水相催化 酶在非水介质中，由于酶处于一种与水极不相容的环境，不可避免地导致酶存在状态与酶结构的改变，在水相中建立起来的酶反应动力学及反应机制都不能直接应用于非水相介质中。 酶的非水相催化体系 酶的非水催化体系包括： 有机介质中的酶催化：微水有机介质体系、与水溶性有机溶剂组成的均一体系、胶束和反胶束体系； 气相介质中的酶催化体系 超临界流体介质中的酶催化体系 离子液介质中的酶催化体系 有机介质中的酶催化 微水有机介质：由有机溶剂和微量的水组成的反应体系。微量的水主要是酶分子的结合水，它对维持酶分子的空间构象和催化活性至关重要。另外一部分水分布在有机溶剂中。 与水溶性有机溶剂组成的均一体系：由水和极性较大的有机溶剂互溶组成的反应体系，水和溶剂含量均较大，酶和底物以溶解状态存在于均一体系。 胶束和反胶束体系： 胶束又称正胶束或正胶团，是在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”型的微小液滴。反应时，酶在胶束外面的水溶液中，疏水性的底物或产物在胶束的内部。反应在胶束的两相界面中进行。 气相介质中的酶催化体系 气相介质中的酶催化反应是指酶在气体或者能够转化为气体物质的酶催化反应。气体介质密度低，扩散容易。 超临界流体介质中的酶催化体系 超临界流体指温度和压力均在本身的临界点以上的高密度流体，具有和液体同样的凝聚力、溶解力；然而其扩散系数又接近于气体，是通常液体的近百倍。 超临界流体的有关性质 （1）超临界流体的P-V-T性质 超临界流体的有关性质 （2）所谓超临界CO2是指纯净的CO2被加热或压缩到高于其临界点（临界温度31.1℃，临界压力7.28Mpa)时的状态。该流体具有无毒、无臭、不燃等优点。 超临界流体的有关性质 （3）提高溶剂选择性的基本原则是： 第一：操作温度和超临界流体的临界温度接近； 第二：超临界流体的化学选择和待分离溶质的化学性质接近。 流体对酶结构无破坏作用； 良好的化学稳定性； 对设备无腐蚀作用； 超临界温度最宜在室温或酶的适宜催化温度； 超临界压力不宜太高，节约压缩动力费用。 离子液介质中的酶催化体系 是指每在离子液中进行的催化反应。 离子液体：由体积相对较大、不对称的有机阳离子和体积相对较小的无机阴离子组合而成的物质，又称液体熔盐。“零”蒸汽压、非挥发性、低熔点（100C）、宽液程、高热稳定性、良好的透光性等优点。能提高酶的活性和选择性、提高酶的热稳定性。 室温离子液体的特性 1. 蒸汽压极小。 2. 液程很宽 。 3. 电导率高。 4. 电化学稳定性高,电化学窗口宽。 5. 热稳定性好，不易燃烧。 6. 粘度低，热容大。 非水相酶学研究的主要内容 1.非水相酶学基本理论的研究（酶催化的主要因素及非水相介质中酶学性质）。 2.酶在非水介质中结构与功能的研究（阐明催化机制，建立非水相酶学的基本理论）。 3.利用上述理论来指导非水介质中酶的催化反应的应用。 非水相介质中酶的结构检测方法 1.电子顺磁共振技术（electron paramagnetic resonance.EPR)观察固定化酶的构象 2.用固态核磁共振方法研究酶在冷冻干燥过程中酶活性中心结构变化。 3.用付立叶变换红光谱（FT-IR)测定非结晶固体酶分子二级结构。 4.用双亲分子增容测定非水介质中的酶结构。（酶分子在这种情况下所处的微环境最接近固态酶分子悬浮于有机溶剂的情形，这种酶-表面活性剂的复合物光谱分析具有真实性。 5.用圆二色谱测出胶束中酶的二级结构性质。 非水相介质(有机相)中的酶学性质 酶在有机溶剂中之所以能发挥催化功能是因为在有机溶剂体系中能够保持整体结构和活性中心的完整性。 但有机溶剂在很大程度上也会影响酶的稳定性和酶底物的特异性。 由于有机溶剂改变了疏水相互作用间的平衡，从而影响酶的结合部位，改变了底物的存在状态 ，使得自由能改变，影响酶的立体选择性和催化功能。 1.非水相介质中酶的热力学稳定性 试验证明：有机溶剂中酶的热稳定性和储存稳定性都比水溶液中高。例如：猪胰脂肪酶(PPL)在苯中催化脂交换反应。 除此之外，酵母脂肪酶、枯草杆菌蛋白酶、溶菌酶等在有机溶剂中热稳定性