酶的非水相催化(2)-wenkub
2023-01-21 09:42:30 本頁面
【正文】 4年 ， 克立巴諾夫等人在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行了酶催化反應(yīng)的研究 ， 他們成功的利用酶在有機(jī)介質(zhì)中的催化作用 ， 獲得酯類 、 肽類 、 手性醇等多種有機(jī)化合物 ， 明確指出酶可以在水與有機(jī)溶劑的互溶體系中進(jìn)行催化反應(yīng)；也可以在水和有機(jī)溶劑組成的雙液相體系中進(jìn)行催化反應(yīng)；還可以在只含有微量水的有機(jī)溶劑 ， 又稱微水介質(zhì)中進(jìn)行催化反應(yīng) 。 但對于大多數(shù)有機(jī)化合物來說，水并不是一種適宜的溶劑。因為許多有機(jī)化合物 (底物 )在水介質(zhì)中難溶或不溶。 這些結(jié)果表明 ， 只要條件適合 ， 酶可以在有機(jī)介質(zhì)催化疏水性底物進(jìn)行反應(yīng)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物 。 近 20年來 ， 酶在非水相介質(zhì) ， 特別是有機(jī)介質(zhì)中的催化反應(yīng)受到重視 ， 發(fā)展很快 。 雖然宏觀地看在此體系中酶是干的狀態(tài) ， 但是其表面必須有能保證酶的催化活性的殘余的結(jié)合水 。 （ 3）水 有機(jī)溶劑兩相體系 水 有機(jī)溶劑兩相體系是指由水相和非極性有機(jī)溶劑相組成的宏觀上分相的反應(yīng)體系。表面活性劑分子式有疏水性尾部和親水性頭部兩部分組成，在含水的有機(jī)溶劑中，它們疏水性基團(tuán)與有機(jī)溶劑接觸，而親水性頭部形成極性內(nèi)核，從而組成一個反相膠束，水分子聚集在反相膠束內(nèi)核中形成小水池，里面容納了酶分子。 超臨界氣體對多數(shù)酶都能適用 ， 酶催化的酯化 、 轉(zhuǎn)脂 、 醇解 、 水解 、 羥化等反應(yīng)都可在此體系中進(jìn)行 。 非水相生物酶促反應(yīng)的特點 1. 可以將加水分解反應(yīng)轉(zhuǎn)為其逆反應(yīng) 2. 熱穩(wěn)定性比水中要高 3. 改變酶對底物的轉(zhuǎn)移性 4. 從低沸點的溶劑中可以容易地分離純化產(chǎn)物 5. 能抑制依賴于水的某些不利反應(yīng) 6. 沒有微生物的污染 7. 固定化酶方法簡單，在非水系統(tǒng)中酶不易脫離吸附的表面 非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 1．非水介質(zhì)中酶的結(jié)構(gòu) 采用 X線衍射技術(shù)比較枯草桿菌蛋白酶結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)變化很小 、 活性保持完整 ， 用固態(tài) N磁共振 （ solidNMR）對溶菌酶活性部位組氨酸 N標(biāo)記在丙酮和水中化學(xué)位移研究結(jié)果相同 ， 用電子順磁共振 （ EPR） 技術(shù)證明在有機(jī)溶劑中乙醇脫氫酶保持天然的構(gòu)象 。 緊密狀態(tài)主要取決于蛋白質(zhì)分子內(nèi)的氫鍵 ， 而溶液中水分子與蛋白質(zhì)的功能集團(tuán)之間所形成的氫鍵使蛋白質(zhì)分子內(nèi)氫鍵受到一定的破壞后 ， 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變得松散而呈一種 “ 開啟 ” （ unlocking） 狀態(tài) 。 在這兩種情況下 ， 水通過對 Asn/Gln殘基脫氨和肽鍵的水解對蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象變化運(yùn)動起關(guān)鍵作用 。 ? 認(rèn)為：超活性是由圍繞在酶分子外面的表面活性劑這一外殼之較大剛性所引起。 它取決于底物疏水性能的差異 。 ? 有些在水中不能實現(xiàn)的反應(yīng)途徑，在有機(jī)介質(zhì)中卻成為主導(dǎo)反應(yīng)。 酶可以選擇性地催化底物中某個區(qū)域的基團(tuán)反應(yīng) ， 稱為位置特異性 （ regioselectivity） 。 有機(jī)相生物印跡酶 酶的水解活力與溶解酶的緩沖液 pH值有很大關(guān)系 ? pH記憶：有機(jī)溶劑中的酶能夠保持它冷凍干燥前或沉淀前所在緩沖液中的 pH時的狀態(tài) ? 應(yīng)用：控制有機(jī)相中酶催化的最適 pH 反應(yīng)體系中水對酶催化反應(yīng)的影響 ? 一．必需水 ? 二．酶的選擇 ? 三．溶劑及反應(yīng)體系的選擇 ? 四． pH選擇和離子強(qiáng)度的影響 反應(yīng)體系中水對酶催化反應(yīng)的影響 ? 酶都溶于水，只有在一定量的水存在的條件下，酶分子才能進(jìn)行催化反應(yīng)。在無水的條件下，酶的空間構(gòu)象被破壞，酶將變性失活。存在 最適水含量 。該參數(shù)直接反應(yīng)酶分子上水分的多少，與體系中水含量及所用溶劑無關(guān)。 根據(jù)酶分子的特性和有機(jī)溶劑的特性的不同，保持其空間結(jié)構(gòu)完整性的情況也有所差別 。 1. 有機(jī)溶劑對酶必需水的影響 ? 有機(jī)溶劑可以通過作用于酶分子水合的水分子而 直接影響酶的結(jié)構(gòu)與功能 。 2. 有機(jī)溶劑對底物和產(chǎn)物的影響 從微觀上看，酶催化反應(yīng)過程中，底物分子必須首先從有機(jī)溶劑中進(jìn)入酶蛋白的必需水層中，與酶形成底物酶復(fù)合物后進(jìn)行酶促反應(yīng)，反應(yīng)后產(chǎn)物從水層中移出再進(jìn)入有機(jī)相。 LogP越大 ， 溶劑的疏水性越強(qiáng) ， LogP越小 ， 溶劑的親水性越強(qiáng) 。 （ 3）有機(jī)溶劑對酶活性和選擇性的調(diào)節(jié) 1）有機(jī)溶劑對酶活性的調(diào)節(jié) ? 酶在有機(jī)溶劑中所表現(xiàn)出的催化活力要比在水相中低。 非水相體系對酶反應(yīng)速度的影響 （ 1）底物、產(chǎn)物和其他效應(yīng)物在載體之間的遷移擴(kuò)散速度受到限制 （ 2）由于載體的疏水親水及電荷性質(zhì)使固定化酶的微環(huán)境與宏觀反應(yīng)體系不同 （ 3）若使用固定化酶，酶分子在固定化過程中的扭曲影響三維構(gòu)象 2. 有機(jī)溶劑如何影響表觀米氏常數(shù) 首先 ， 酶活性位點與底物結(jié)合 ， 包括底物脫溶劑過程 。 非水介質(zhì)中酶催化的主要影響因素 有機(jī)介質(zhì)中酶催化反應(yīng)的條件及其控制 ? 酶在有機(jī)介質(zhì)中可以催化多種反應(yīng)，主要包括：合成反應(yīng)、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、醇解反應(yīng)、氨解反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、裂合反應(yīng)等。目前提出注冊申請和正在開發(fā)的手性藥物中，單一對映體藥物占絕大多數(shù)。 脂肪酶 內(nèi)酯合成反應(yīng) ?羥基酸或它的酯在 脂肪 酶催化下，發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化作用得到內(nèi)酯化合物。 生物油脂的來源：菜子油，豆油，椰子油，棕櫚油、蓖麻油、棉籽油，葵花籽 油，廢食用油等 優(yōu)點： （ 1） 具有良好的環(huán)境屬性 （ 2） 具有較好的低溫發(fā)動機(jī)啟動性能。 （ 6） 具有可再生性能。 能耗高；色澤深，在高溫下容易變質(zhì)；酯化產(chǎn)物難于回收；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。副產(chǎn)物甘油和水難于回收，不但對產(chǎn)物形成抑制，而且甘油對固定化酶有毒性，使固定化酶使用壽命短。 條件溫和，醇用量小、無污染排放。 反應(yīng)時間短，成本低。 （ 4） 具有較好的安全性能。 R = H 或烷基寡聚物二聚物 內(nèi)酯有機(jī)溶劑脂肪酶 有機(jī)溶劑 有機(jī)溶劑 脂肪酶 脂肪酶mH O (
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