《非水酶学》PPT课件

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1、第五章非水酶学第一节非水酶学中的反应介质酶反应在有机介质中进行，已经成为酶工程、酶化工研究的一个新的领域，开辟了一个新的研究方向。由于酶的组成、结构、构象多样化，所以不是所有的酶都可以在有机介质中反应。酶是否适于在有机介质中反应，除与酶性质有关外，还取决于酶-底物、产物-溶剂间的关系问题。这完全需要用实验来决定。用于酶催化的非水介质包括: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。它们不同于标准的水溶液体系。在这些体系中水含量受到

2、不同程度的严格控制，因此又称为非常规介质（nonconventionalmedia）第二节非水介质中酶的结构与性质一、非水介质中酶的结构在有机溶剂中，酶分子不能直接溶于其中，它的存在状态有多种形式。主要分为两大类。第一类为固态酶，它包括冷冻干燥的酶粉或固定化酶、结晶酶，它们以固体形式存在有机溶剂中。第二类为可溶解酶，它主要包括水溶性大分子共价修饰酶和非共价修饰的高分子-酶复合物、表面活性剂-酶复合物以及微乳液中的酶等。酶不溶于疏水性有机溶剂，它在含微量水的有机溶剂中以悬浮状态起催化作用。二、非水介质中酶的性质酶在有机溶剂中能

3、够保持其整体结构及活性中心结构的完整，因此它能发挥催化功能。但由于介质的改变，下列方面可能受到影响：1、热力学稳定性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）在苯中催化酯交换反应时，（1）酶活性随温度升高（20～70℃）而增加，（2）在70℃连续反应7次（每次96h）后酶活力仍保持60％，（3）PPL在有机溶剂中100℃时的半衰期可达数十小时在水中100℃几乎马上失活PPL的稳定性取决于有机溶剂中水的浓度，1％的水，会使PPL的稳定性降低到和水溶液中相同的水平。2、底物特异性酶在有机溶剂中对

4、底物的化学结构和立体结构均有严格的选择性。例如：青霉脂肪酶在正己烷中催化2-辛醇与不同链长的脂肪酸进行酯化反应时，该酶对短链脂肪酸具有较强的特异性，这与它催化甘油三酯水解是相同的。介质改变时，酶的底物专一性（kcat/Km）和催化效率会发生改变。底物在反应介质与酶活性中心之间分配的变化也是影响酶的底物专一性及其催化效率的因素之一。3、对映体选择性酶的对映体选择性是指酶识别外消旋化合物中某种构象对映体的能力。有机溶剂中酶对底物的对映体选择性由于介质的亲（疏）水性的变化而发生改变。疏水性强的有机溶剂中酶的立体选择性差。例如：某些

5、蛋白水解酶在有机溶剂中可以合成D－氨基酸的肽，而在水溶液中酶只选择L-氨基酸。4、位置选择性有机溶剂中的酶催化还具有位置选择性，即酶能够选择性地催化底物中某个区域的基团发生反应。5、化学键选择性化学键的选择性是非水介质中酶催化的一个显著特点。6、pH记忆有机溶剂中的酶有些能够“记忆”它冷冻干燥或丙酮沉淀前所在缓冲液中的pH，这种现象为“pH记忆”。实质内容是：（1）酶的反应速度与其冷冻干燥前水溶液的pH密切相关，（2）反应的最适pH接近于水溶液中的最适pH。二、水（一）水存在的方式在有机溶剂中酶的催化活力与反应系统的含水量密

6、切相关。系统中含水量包括：1、与酶粉水合的结合水，（必需水）2、溶于有机溶剂中的自由水，3、固定载体和其他杂质的结合水。与酶结合的水量是影响酶的活力、稳定性以及专一性的决定因素。控制酶结合的水量（必需水）和水在酶分子中的位置是关键。（二）保证必需水含量水是保证酶催化反应的必需条件，活性构象是水分子直接或间接由氢键等非共价键相互作用来维持。因此水与酶分子紧密结合的一单层水分子对催化作用非常重要。而其他的水则相对不那么重要(即由有机介质替代的那部分水不那么重要了）。必需水：是维系酶构象稳定和酶催化活性所必需的那部分最少量的水分子

7、,有时也叫结合水。只要那部分必需水不丢失,其他的大部分水可以由有机溶剂代替。如：有的酶反应即使水只占0.015%，酶仍然有活性，可以进行酶反应,而且反应速度非常快。胰脂肪酶的反应速度-水含量的关系图酶结合水的过程分4步：1.首先与酶分子表面的带电基团结合一部分水(0-0.07g/g(水/酶))。2.再与酶分子表面的极性基团结合一部分水(0.07-0.25g/g(水/酶))。3.再聚集到表面相互作用较弱的部位(0.25-0.38g/g(水/酶))。4.最后酶分子表面完全水合化，水分子覆盖酶分子表面。（三）必需水含量问题：因酶分

8、子本身、溶剂系统不同而有所不同。如：脂肪酶有几个水分子,胰凝乳蛋白酶几十个水分子,乙醇脱氢酶、多酚氧化酶有几百个水分子。同一个酶在不同溶剂系统中含水也不同。如：胰凝乳蛋白酶，在甲苯中，含水0.5%，酶活性最高，氯仿等系统中，含水1.0%，酶活性最高。三、有机溶剂有机溶剂不但直接或间接地影响