非水介質(zhì)中的酶催化作用

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1、第五章非水介質(zhì)中的酶催化作用——非水酶學(xué)2014/11/131水是最常用的溶劑，大多數(shù)無機化學(xué)反應(yīng)主要是在水溶液中進行的─這并不意味著水對一切化學(xué)反應(yīng)都是唯一最合適的溶劑非水溶劑可以作為反應(yīng)介質(zhì)嗎?在非水溶劑中反應(yīng)，會得到什么樣的反應(yīng)結(jié)果呢?在非水溶劑中的反應(yīng)產(chǎn)物形態(tài)(如粒徑、形貌)與在水中得到的有何不同?2014/11/132非水酶學(xué)的概念研究非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)特點、催化條件、酶學(xué)性質(zhì)和催化機理的酶學(xué)分支學(xué)科。2014/11/133非水酶學(xué)的研究內(nèi)容基本理論：非水介質(zhì)中影響酶催化的因素；非水介質(zhì)中的酶學(xué)性質(zhì)；非水介質(zhì)中的酶催化機制應(yīng)用2014/11

2、/134本章主要內(nèi)容第一節(jié)非水介質(zhì)中酶學(xué)基礎(chǔ)第二節(jié)酶在非水介質(zhì)中催化反應(yīng)及應(yīng)用2014/11/135第一節(jié)非水介質(zhì)中酶學(xué)基礎(chǔ)——觀念的突破傳統(tǒng)觀念：有機溶劑是酶的變性劑、失活劑1966：胰凝乳蛋白酶和辣根過氧化物酶在非極性有機溶劑中有活力；水解酶類：脂肪酶、酯酶、蛋白酶、1975－1983：在有機溶劑中酶催化合成酯和類固醇以纖維素酶、淀粉酶氧化還原酶類：過氧化物酶、過氧及甾醇轉(zhuǎn)化；化氫酶、醇脫氫酶、膽固醇氧化酶、1984：Klibanov報道在微水介質(zhì)多酚氧化酶、多細胞色素氧化酶中酶促合成酯、肽、轉(zhuǎn)移酶類：醛縮酶手性醇成功。已報道在有機介質(zhì)中具有催化

3、活性的酶大約有十幾種。2014/11/136非水溶劑的優(yōu)點★水不溶性底物在有機溶劑中溶解度大.★酶不溶于有機介質(zhì)，易于回收.★一些由水導(dǎo)致的副反應(yīng)將不會發(fā)生(如在酸酐對蛋白質(zhì)的修飾反應(yīng)中，若存在水，酸酐會發(fā)生水解反應(yīng)).★許多在水中熱力學(xué)平衡不利的反應(yīng)，在有機溶劑中可以進行，如酯的合成，肽的合成等.2014/11/137★從有機溶劑中分離純化產(chǎn)物比在水中容易極性產(chǎn)物不溶，離心或過濾即可；非極性產(chǎn)物可因揮發(fā)溫度不同通過蒸餾來分離★有機溶劑中酶的熱穩(wěn)定性與儲存穩(wěn)定性比水中高酶在有機溶劑中構(gòu)象比較穩(wěn)定2014/11/138用于酶催化的非水介質(zhì)水—有機溶劑單

4、相系統(tǒng)(與水混溶的極性有機溶劑和水形成的均一體系)水—有機溶劑兩相系統(tǒng)(兩相)反膠束體系；微水有機溶劑單相系統(tǒng)(一相)無溶劑或少溶劑反應(yīng)系統(tǒng)超臨界流體系統(tǒng)離子液體氣相反應(yīng)介質(zhì)2014/11/139一、非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)（一）非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)（二）非水介質(zhì)中的酶學(xué)性質(zhì)2014/11/1310(一)非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)非水介質(zhì)中酶的存在形式?1、固態(tài)：冷凍干燥酶粉固定化酶結(jié)晶酶(催化效率高)?2、可溶解酶：水溶性大分子(PEG等)共價修飾的酶非共價修飾的高分子－酶復(fù)合物表面活性劑－酶復(fù)合物(反膠束酶)2014/11/1311酶粉以懸浮狀態(tài)存在于有機

5、溶劑中酶不溶于疏水性有機溶劑，在含微量水的有機溶劑中以懸浮狀態(tài)起催化作用(右圖)。2014/11/1312為何酶在非水介質(zhì)中能表現(xiàn)出催化活力呢?在有機相中酶能保持其整體結(jié)構(gòu)的完整性，有機溶劑中酶的結(jié)構(gòu)(至少是活性部位的結(jié)構(gòu))與水溶液中的相同。?內(nèi)熒光譜學(xué)和圓二色性發(fā)現(xiàn)木瓜蛋白酶在乙醇和乙腈中整體三級結(jié)構(gòu)沒有明顯改變。?X射線衍射技術(shù)證實了在有機相中，酶活性中心的氫鍵結(jié)構(gòu)仍保持完整，也就是其蛋白質(zhì)分子骨架的構(gòu)象與水中相比沒有明顯的變化。?電子順磁共振技術(shù)(EPR)研究表明，固定化乙醇脫氫酶在有機溶劑中能保持其天然構(gòu)象。?傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)

6、發(fā)現(xiàn)凍干酶粉在有機溶劑中二級結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。2014/11/1313(二)非水介質(zhì)中的酶學(xué)性質(zhì)1.酶的(熱、貯藏)穩(wěn)定性：比在水中高2.底物特異性：不同底物在水中和非水介質(zhì)中的表現(xiàn)不一樣3.對映體選擇性4.位置選擇性5.化學(xué)鍵選擇性6.“pH記憶”與“pH忘記”2014/11/13141.酶在非水介質(zhì)中熱力學(xué)穩(wěn)定性提高酶條件熱穩(wěn)定性豬胰脂肪酶環(huán)己烷T1/2>26h(780倍)水，pH7.0T1/2<2minF1-ATP酶甲苯，70℃T1/2>24h(144倍)水，70℃T1/2<10minHindIII正庚烷，55℃，30d活力沒有降低水，55℃

7、，30d降低細胞色素氧化酶甲苯，0.3%水T1/24.0h(141倍)甲苯,1.3%水T1/21.7min2014/11/13152.非水介質(zhì)對底物特異性的影響與在水溶液里的酶催化一樣，酶在非水介質(zhì)中對底物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)均有嚴(yán)格的選擇性。酶底物介質(zhì)反應(yīng)效率蛋白水解酶苯丙氨酸酯(疏水)水50000(水解反應(yīng))絲氨酸酯(親水)1蛋白水解酶苯丙氨酸(體積大，極性小)辛烷1(aa和醇的轉(zhuǎn)酯反應(yīng))絲氨酸(體積小、極性稍大)32014/11/13163.介質(zhì)對對映體選擇性的影響酶的對映體選擇性是指酶識別外消旋化合物中某種構(gòu)象對映體的能力。由于溶劑的親(疏)

8、水性的變化而發(fā)生變化酶底物溶劑立體選擇性蛋白水解酶N-乙?；杷杂袡CL:D(水解反應(yīng))氨酸氯乙酯溶劑小于