第七章 酶的非水相催化ppt课件.ppt

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1、第七章酶的非水相催化酶在非水介质中进行的催化作用EnzymaticcatalysisinNon-aqueoussystem7.1非水介质中酶学基础1984年美国KlibanovA．M．在《科学》上发表了一篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的综述。仅含微量水的有机介质中成功地酶促合成了酯、肽、手性醇等有机化合物。1、酶催化反应的介质2、有机介质反应体系3、酶在有机介质中的催化特性4、有机介质中酶催化反应的条件及其控制GoGoGoGo5、酶非水相催化的应用Go酶在非水介质中，酶存在状态与酶结构发生改变。用于酶催化的非水介质包括有机溶剂体系①含微量水的有机溶剂单相体

2、系；②与水混溶的有机溶剂和水形成的单相体系；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；超临界流体气相低共熔混合体系又称为非常规介质。非水酶学的研究主要内容第一，非水酶学基本理论的研究，影响酶催化的主要因素以及非水介质中酶学性质；第二，阐明非水介质中酶的催化机制，建立和完善非水酶学的基本理论；第三：应用一、非水介质中酶的结构与性质(一)非水介质中酶的状态存在状态有多种形．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，它们以固体形式存在有机溶剂中。还有利用结晶酶进行非水介质中催化反应和酶结构的研究，结晶酶的结构更接近于水溶液中酶的结构

3、，它的催化效率也远高于其他类型的固态酶。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。酶结构和构象是酶发挥催化功能所必需的“紧密’，而又有“柔性”的状态。紧密状态:取决于蛋白质分子内的氢键溶液中水分子与蛋白质分子之间所形成的氢键使蛋白质分子内氢键受到一定程度的破坏，蛋白质结构变得松散．呈一种“开启”状态。“钢性”与”柔性”的动态衡反相胶束中的酶反相胶束是在与水不互溶的大量有机溶剂中，加入表面活性剂后形成的油包水的微小水滴，也称为微乳液。它是热力学稳定、光学透明的溶液体系。(二)非水介质

4、中的酶学性质有机溶剂的存在，改变了疏水相互作用的精细平衡，从而影响到酶的结合部位，有机溶剂也会改变底物存在状态。因此酶和底物相结合的自由能就会受到影响，而这些至少会部分地影响到有机溶剂中酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性和化学键选择性等酶学性质。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。原因：有机溶剂中缺少使酶热失活的水分子，因此由水而引起的酶分子中天冬酰胺、谷氨酰胺的脱氨基作用，天冬氨酸肽键的水解，二硫键的破坏，半胱氨酸的氧化及脯氨酸和甘氨酸的异构化等蛋白质热失活的全过程难以进行。2．底物特异性p183水溶液:酶底物(疏水作用

5、)有机溶剂:底物与酶之间的疏水作用已不重要。酶能够利用它与底物结合的自由能来加速反应，总的结合能的变化是酶与底物之间的结合能和酶与水分子之间的结合能的差值。因此介质改变时，酶的底物专一性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,底物和介质的疏水性直接影响底物在两者之间的分配。如胰凝乳蛋白酶等蛋白水解酶在水溶液中催化疏水的苯丙氨酸和亲水的丝氨酶的N-乙酰氨基酸酯的水解反应速度，前者比后者快5x104倍，而在辛烷中反应的结果相反。3．对映体选择性p183酶的对映体选择性是指酶识别外消旋化合物中某种构

6、象对映体的能力例如胰凝乳蛋白酶在不同有机溶剂中，对映体的特异性提高了20倍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。例猪胰脂肪酶在无水吡咯中催化各种脂肪酸(如c2脂肪酸，c4脂肪酸．C8脂肪酸，c12脂肪酸)的三氯乙酯与单糖的酯交换反应，实现了葡萄糖1位羟基的选择性酰化。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。脂肪酶催化5-氨基-1-己醇的酰化反应时，羟基的酰化占绝对优势，这种选择性与传统的化学催化完全相反，这样就可以在不需基团保护的情况下合成氨基醇的酯。6．pH记忆与pH忘记有

7、机溶剂中的酶能够“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”。利用酶的pH记忆特性可以控制有机相中酶催化的最适pH。pH忘记二、水对非水相介质中酶催化的影响酶在完全非水环境中没有催化活性。一定量的水对维持酶催化活性是必需的。起决定作用的是结合水的含量。1水的组成水：结合水溶剂水水分子直接或间接地通过氢键、疏水键、范德华力等维持着酶分子催化活性所必需的构象。研究结果表明，水溶液只有与酶蛋白分子紧密结合的一层水分子对酶的催化活性才是重要的,称为“必需水”，因而只要有这层微观的“必需水”的存在，酶即使在宏观的非水相中也具有催化活性。2水分

8、活度Aw可反应体系中水分情况不受固定化