酶工程10有機溶劑中的酶催化作用(編輯修改稿)
2025-06-22 22:00 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 互作用，影響酶的活力。有機溶劑能改變酶分子 “ 必需水 ” 層中底物或產(chǎn)物的濃度，而底物必須滲入 “ 必需水 ” 層，產(chǎn)物必須移出此水層，才能使反應進行下去。有機溶劑對底物和產(chǎn)物的影響主要體現(xiàn)在底物和產(chǎn)物的溶劑化上，這種溶劑化作用會直接影響到反應的動力學和熱力學平衡。 應該說，有機溶劑對酶催化反應的影響是一個綜合而復雜的過程，其中包括溶劑對水 酶相互作用的擾動和扭曲、與固定化酶微環(huán)境之間的匹配以及對底物和產(chǎn)物的溶劑與擴散等因素。 4 有機溶劑對酶選擇性的影響 應該說有機溶劑對酶選擇性的影響是非常大的，由于有機溶劑的存在是酶蛋白分子的剛性得以增強，使之具有水溶液中所不可比擬的優(yōu)越性：良好的對映體選擇性或區(qū)域選擇性。 目前的模型都是在針對特定的酶、底物和體系的研究過程中建立起來的，尚不足以總結(jié)出普遍適用的規(guī)律。 四、水對非水介質(zhì)中酶催化的影響 現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)證明，酶只有在一定量水的存在下，才能進行催化反應，無論是在水溶液或是在有機介質(zhì)中進行酶的催化反應，水都是不可缺少的條件之一。特別是在有機介質(zhì)中的酶催化反應，水含量的多少對酶的空間構(gòu)象、催化活性、穩(wěn)定性、催化反應的速度、底物和產(chǎn)物的溶解度等都有密切關(guān)系。 1 必需水 已經(jīng)知道，酶分子只有在空間構(gòu)象完整的狀態(tài)下才具有催化功能。在無水的條件下，酶的空間構(gòu)象被破壞，酶將變性失活。 在有機介質(zhì)中，酶分子需要一層水化層以維持其完整的空間構(gòu)象。 一般將維持酶分子完整空間構(gòu)象所必需的最低水含量稱為必需水。 必需水是酶在非水介質(zhì)中進行催化反應所必需的，它會直接影響酶的催化活性和選擇性，通過必需水的調(diào)控，可以調(diào)節(jié)有機介質(zhì)中酶催化反應中酶的催化活性和選擇性。 由于必需水是維持酶分子結(jié)構(gòu)中氫鍵、鹽鍵等所必需的，而氫鍵、鹽鍵等又是酶空間結(jié)構(gòu)的主要穩(wěn)定因素，酶分子一旦失去必需水，就必將使其空間構(gòu)象破壞而失去催化功能。 有機介質(zhì)反應體系中含有的水主要有兩類 : 一類是與酶分子緊密結(jié)合的 結(jié)合水 。 另一類是溶解于有機溶劑的 游離水 ， 可以認為，在有機介質(zhì)反應體系中，結(jié)合水是影響酶催化活性的關(guān)鍵因素。 可以通過 ①用一個飽和鹽水溶液分別預平衡底物溶 液和酶制劑； ②向反應體系中直接加一種水合鹽； ③向每一溶劑中加入不同量的水等三種方 式來獲得恒定的水活度 等方式來控制反應體系的水活度。 2 水對酶催化反應速度的影響 有機介質(zhì)中水的含量對酶催化反應速度有顯著影響。 多年來的研究使人們在非水介質(zhì)酶催化反應中存在了一個共識，即微量的水對酶有效發(fā)揮催化作用是必需的，因為水間接或直接地參與了酶天然構(gòu)象中包括氫鍵、靜電作用、疏水相互作用和范德華力在內(nèi)的所有非共價相互作用。 一般認為酶蛋白分子的水化過程可以分為四個步驟： ①酶蛋白分子的離子化基團水化過程，在此過 程中，水與酶蛋白分子表面的帶電基團結(jié)合； ②酶蛋白分子中的極性部分水簇的生長過程，即 水與酶蛋白分子表面極性基團結(jié)合； ③水吸附到酶蛋白分子表面相互作用較弱的部 位； ④酶蛋白分子表面完全水化，被單層水分子所覆 蓋。 大量研究表明，非水介質(zhì)中酶的活性比水溶液中要低好幾個數(shù)量級 酶在有機溶劑中活力低的原因 原 因 說 明 解 決 辦 法 擴散限制 有機溶劑中的擴散要比水中小，限制了底物的擴散 增加攪拌速度；降低酶的顆粒大小 封閉活性中心 導致酶活力降低幾倍 用結(jié)晶酶替代 構(gòu)象改變 凍干過程及其他脫水過程造成的 使用凍干保護劑；制備有機溶劑中可溶解的可與兩親性物質(zhì)絡合的酶 底物去溶劑化 疏水性底物嚴重，可導致酶活力降低至少 100倍 選擇溶劑以獲得有利的底物 溶劑相互作用 過渡態(tài)不穩(wěn)定化 當過渡態(tài)至少部分暴露于溶劑時才發(fā)生 選擇溶劑以期獲得與過渡態(tài)有利的相互作用 構(gòu)象柔性降低 無水的親水溶劑尤為顯著，會奪取酶分子上必需的結(jié)合水，從而導致酶活力降低至少 100倍 使水活度 (aw) 最適化；水合溶劑 。使用疏水溶劑；使用仿水和變性共溶添加劑 亞最適 pH值 導致至少 100倍的酶活力降低 從酶的最適 pH水溶液中脫水；使用有機相緩沖液 4 水對酶活性的影響 在低水含量的非水介質(zhì)酶催化反應體系中，水分的影響是至關(guān)重要的，要使酶能夠表現(xiàn)出最大的催化活力，確定適宜的體系水活度就顯得十分重要。不同種類的酶因為其分子結(jié)構(gòu)的不同，維持酶具有活性的構(gòu)象所必需的水量也就不同，即使是同一種類的酶，由于酶的源不同，所需的水量也會有顯著不同。 酶在非水介質(zhì)中的存在形式 在有機溶劑中，酶分子不能直接溶于其中，它的存在狀態(tài)有多種形式，主要分為兩大類： 一、固態(tài)酶， 二、可溶解酶。 固態(tài)酶它包括 凍干的酶粉或固定化酶、結(jié)晶酶 以固體形式存在有機溶劑中 可溶解酶主要包括： —— 水溶性大分子共價修飾酶 —— 非共價修飾的高分子 — 酶復合物 —— 表面活性劑 — 酶復合物 —— 微乳液中的酶等 五、非水介質(zhì)中的酶催化反應類型 酶用于有機合成的范圍在不斷擴大，在機相中酶催化可完成的反應有：氧化、還原、脫氧、脫氨、羥化、甲基化、酰胺化、磷酸化、異構(gòu)化、環(huán)氧化、開環(huán)、鹵化等。 1 CO鍵的形成 （ 1）酯類：酯酶和脂肪酶
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