酶的非水相催化-ppt课件.ppt
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- 非水相 催化 ppt 课件
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1、Chapter 8 Enzymatic catalysis in Non-aqueous system酶的非水相催化1ppt课件非 水 相 酶 催 化 反 应人类认识的进步 长期以来,人们认为酶只能在水相中进行催化,而有关酶长期以来,人们认为酶只能在水相中进行催化,而有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中催化反应建立起来的传统的催化理论是基于酶在水溶液中催化反应建立起来的传统的酶学理论认为,有机溶剂是酶的变性剂、失活剂,酶在的酶学理论认为,有机溶剂是酶的变性剂、失活剂,酶在非水相中不具有催化能力非水相中不具有催化能力 20 世纪初,世纪初,Bourquelot 等人将乙醇、丙酮等有机溶剂加等人将乙
2、醇、丙酮等有机溶剂加入到酶的水溶液中,发现当含水量很高时,酶仍具有一定入到酶的水溶液中,发现当含水量很高时,酶仍具有一定催化活力,但比水相中低很多催化活力,但比水相中低很多 1936 年,年,Sym(波兰)报道了酯酶在有机溶剂中的催化作(波兰)报道了酯酶在有机溶剂中的催化作用,但一直存在争议,未能引起科学界的重视用,但一直存在争议,未能引起科学界的重视2ppt课件 人类认识的进步 Sym E. A., Sym E. A., Biochemical JournalBiochemical Journal, 1936, 30: 609-617, 1936, 30: 609-6173ppt课件 人类认
3、识的进步 1966 年,年,Dostoli 和和 Siegel 分别报道胰凝乳蛋白酶和辣根分别报道胰凝乳蛋白酶和辣根过氧化物酶在几种非极性有机溶剂中具有催化活力过氧化物酶在几种非极性有机溶剂中具有催化活力 19751983 年间,年间,Buckland 和和 Martinek 等对游离酶和固等对游离酶和固定化酶在有机溶剂中合成类固醇及甾醇转化中的应用进行定化酶在有机溶剂中合成类固醇及甾醇转化中的应用进行了大量的探索了大量的探索 1977 年,年,Klibanov 等人报道了在水等人报道了在水/氯仿两相体系中脂肪氯仿两相体系中脂肪酶催化酶催化 N-乙酰乙酰-L-色氨酸与乙醇的酯化反应,在水中收率
4、色氨酸与乙醇的酯化反应,在水中收率极低,而在两相体系中竟达到极低,而在两相体系中竟达到 100% 1984 年,年,Zaks 和和 Klibanov 在在 Science 杂志上发表了一篇杂志上发表了一篇关于酶在有机介质中催化条件和特点的文章,他们指出,关于酶在有机介质中催化条件和特点的文章,他们指出,只要条件适合,酶可以在非水体系中表现出活性,并催化只要条件适合,酶可以在非水体系中表现出活性,并催化天然或非天然的底物发生转化,这一报道引起了全球科学天然或非天然的底物发生转化,这一报道引起了全球科学界的关注界的关注4ppt课件 引起全球关注的“非水相酶催化”的报道 Porcine pancre
5、atic lipase catalyzes the trans-Porcine pancreatic lipase catalyzes the trans-esterification reaction between tributyrin and various esterification reaction between tributyrin and various primary and secondary alcohols in a 99 percent organic primary and secondary alcohols in a 99 percent organic me
6、dium. Upon further dehydration, the enzyme becomes medium. Upon further dehydration, the enzyme becomes extremely thermo-stable. Not only can the dry lipase extremely thermo-stable. Not only can the dry lipase withstand heating at 100 degrees C for many hours, but it withstand heating at 100 degrees
7、 C for many hours, but it exhibits a high catalytic activity at that temperature. exhibits a high catalytic activity at that temperature. Reduction in water content also alters the substrate Reduction in water content also alters the substrate specificity of the lipase: in contrast to its wet specif
8、icity of the lipase: in contrast to its wet counterpart, the drycounterpart, the dryenzyme does not react with bulky tertiary alcohols.enzyme does not react with bulky tertiary alcohols. Zaks A., and Klibanov A. M., Enzymatic catalysis in organic media at 100 degrees C, Science, 1984, 224: 1249-1251
9、 (DOI: 10.1126/science.6729453)5ppt课件人类认识的进步 1984 1984 年之后,非水相中的酶催化研究开始活跃起来。年之后,非水相中的酶催化研究开始活跃起来。 近年来,人们对非水介质中的酶结构与功能、酶作用机制、近年来,人们对非水介质中的酶结构与功能、酶作用机制、酶作用动力学等进行了大量研究,建立起非水酶学(酶作用动力学等进行了大量研究,建立起非水酶学(non-non-aqueous enzymologyaqueous enzymology)。)。 同时人们还对酶催化的介质进行了大量研究,开发出各种同时人们还对酶催化的介质进行了大量研究,开发出各种非水介质和
10、新的酶促反应体系,发展出了介质工程非水介质和新的酶促反应体系,发展出了介质工程(medium engineeringmedium engineering),拓宽了酶催化反应的应用范围,),拓宽了酶催化反应的应用范围,使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互补充的合成方使酶法合成逐步发展成为与化学法合成相互补充的合成方法。法。6ppt课件第一节 酶的非水相催化概论 非水相酶催化的优势 增加某些底物的溶解度增加某些底物的溶解度 改变反应平衡改变反应平衡 改变或提高酶的选择性改变或提高酶的选择性7ppt课件酶非水相催化的几种类型有机介质中的酶催化有机介质中的酶催化 有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量
11、水的有机溶剂有机介质中的酶催化是指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。适用于底物、产物两者或其中之一为疏中进行的催化反应。适用于底物、产物两者或其中之一为疏水性物质的酶催化作用。酶在有机介质中由于能够基本保持水性物质的酶催化作用。酶在有机介质中由于能够基本保持其完整的结构和活性中心的空间构象,所以能够发挥其催化其完整的结构和活性中心的空间构象,所以能够发挥其催化功能。功能。气相介质中的酶催化气相介质中的酶催化 酶在气相介质中进行的催化反应。适用于底物是气体或酶在气相介质中进行的催化反应。适用于底物是气体或者能够转化为气体的物质的酶催化反应。者能够转化为气体的物质的酶催化反应。 由于气体
12、介质的由于气体介质的密度低,扩散容易,因此酶在气相中的催化作用与在水溶液密度低,扩散容易,因此酶在气相中的催化作用与在水溶液中的催化作用有明显的不同特点。中的催化作用有明显的不同特点。8ppt课件超临界介质中的酶催化超临界介质中的酶催化 酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指酶在超临界流体中进行的催化反应。超临界流体是指温度和压力超过某物质超临界点的流体。温度和压力超过某物质超临界点的流体。 离子液介质中的酶催化离子液介质中的酶催化 酶在离子液中进行的催化作用。酶在离子液中进行的催化作用。离子液(离子液(ionic ionic liquidsliquids)是由有机阳离子与有机(无机)
13、阴离子构成的在)是由有机阳离子与有机(无机)阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类室温条件下呈液态的低熔点盐类,挥发性低、稳定性好。,挥发性低、稳定性好。酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、酶在离子液中的催化作用具有良好的稳定性和区域选择性、立体选择性、键选择性等显著特点。立体选择性、键选择性等显著特点。 9ppt课件第二节 有机介质中水和有机溶剂对酶催化反应的影响 有机溶剂中酶分子存在形式有机溶剂中酶分子存在形式 固态酶:以固体形式存在于有机相中固态酶:以固体形式存在于有机相中 冷冻干燥的酶粉冷冻干燥的酶粉 固定化酶固定化酶 结晶酶结晶酶 今后的热点今后的热点 可溶解酶可
14、溶解酶 水溶性大分子共价修饰酶水溶性大分子共价修饰酶 非共价修饰的高分子非共价修饰的高分子/酶复合物酶复合物 表面活性剂表面活性剂/酶复合物酶复合物 微乳液中的酶微乳液中的酶10ppt课件 微水介质体系(微水介质体系(micro-aqueous media systemmicro-aqueous media system) 由有机溶剂和微量水组成的反应体系,即通常所说的有机介质由有机溶剂和微量水组成的反应体系,即通常所说的有机介质体系体系 大部分的微量水以酶分子的结合水形式存在,对维持酶分子的大部分的微量水以酶分子的结合水形式存在,对维持酶分子的空间构象和催化活性至关重要;另一部分水分配在有机
15、溶剂中空间构象和催化活性至关重要;另一部分水分配在有机溶剂中 酶以固态的形式悬浮于有机介质中酶以固态的形式悬浮于有机介质中 与水溶性有机溶剂组成的均一体系与水溶性有机溶剂组成的均一体系 水水 / 极性有机溶剂混溶体系,水和有机相的比例都很大,酶和极性有机溶剂混溶体系,水和有机相的比例都很大,酶和底物以溶解的状态存在于此体系中底物以溶解的状态存在于此体系中 强极性有机溶剂对酶的结构和活力影响较大,适用的酶较少强极性有机溶剂对酶的结构和活力影响较大,适用的酶较少 例:辣根过氧化物酶(例:辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)在此)在此类介质中能催化酚类或芳香胺的聚合
16、类介质中能催化酚类或芳香胺的聚合常见有机介质反应体系 11ppt课件 与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系 由水和疏水有机溶剂组成两相或多相体系由水和疏水有机溶剂组成两相或多相体系 游离酶、亲水性底物溶于水相,疏水性底物或产物溶于有机相,游离酶、亲水性底物溶于水相,疏水性底物或产物溶于有机相,固定化酶则悬浮于两相的界面;催化反应在两相界面进行固定化酶则悬浮于两相的界面;催化反应在两相界面进行 胶束体系胶束体系 正胶束体系(正胶束体系(normal micelles system) 水为主体,表面活性剂的极性端朝外,非极性端朝内,酶在液水为主体,表面活性剂
17、的极性端朝外,非极性端朝内,酶在液相主体中,反应在胶束两相界面进行相主体中,反应在胶束两相界面进行 反胶束体系(反胶束体系(reverse micelles system) 有机溶剂为主体,表面活性剂的极性端朝内,非极性端朝外,有机溶剂为主体,表面活性剂的极性端朝内,非极性端朝外,酶在反胶束内部的水相中,反应在胶束两相界面进行酶在反胶束内部的水相中,反应在胶束两相界面进行12ppt课件常见的有机介质体系 胶束体系示意图13ppt课件有机介质中水对酶催化反应的影响 微水有机介质中水的分布和形态 结合水结合水 与酶粉水合的结合水、固定载体和其他杂质的结合水与酶粉水合的结合水、固定载体和其他杂质的结
18、合水 自由水自由水 溶于有机溶剂中溶于有机溶剂中 与酶结合的水量,以及水在酶分子中的位置是影响酶的活力、稳定性以及专一性的决定因素 水对于酶催化活性构象的获得与保持是必须的,但水也与许多酶的失活过程有关,即水对酶催化反应具有双重作用14ppt课件 水分子直接或间接地通过氢键、疏水键、范德华力等非共价相互作用来维持酶的催化水分子直接或间接地通过氢键、疏水键、范德华力等非共价相互作用来维持酶的催化活性所必需的构象活性所必需的构象 酶分子周围水的存在(水化层),能降低酶分子中极性氨基酸酶分子周围水的存在(水化层),能降低酶分子中极性氨基酸残基之间的相互作用,防止产生不正确的构象残基之间的相互作用,防
19、止产生不正确的构象 必需水(必需水(essential water) 定义:维持酶分子完整的空间构象所必须的最低水量,通常是与定义:维持酶分子完整的空间构象所必须的最低水量,通常是与酶分子紧密结合的一层左右的水分子,即水化层酶分子紧密结合的一层左右的水分子,即水化层 不同酶与必需水结合的紧密程度,以及所结合的必需水数量是不不同酶与必需水结合的紧密程度,以及所结合的必需水数量是不同的同的 必需水是维持酶分子间次级键所必需的,是维持酶构象的必需水是维持酶分子间次级键所必需的,是维持酶构象的“润滑润滑剂剂”15ppt课件 水对酶催化反应速率的影响水对酶催化反应速率的影响 典型的非水酶体系中水含量通常
20、只占典型的非水酶体系中水含量通常只占 0.01%,但其微小差距,但其微小差距会导致酶催化活力的较大改变会导致酶催化活力的较大改变 最适含水量:在酶催化反应速率达到最大时的水含量最适含水量:在酶催化反应速率达到最大时的水含量 酶含水量酶含水量 最适含水量,酶构象过于最适含水量,酶构象过于“柔性柔性”,因变构而失活,因变构而失活 同一种酶,反应系统的最适含水量与有机溶剂的种类、酶的纯同一种酶,反应系统的最适含水量与有机溶剂的种类、酶的纯度、固定化酶的载体性质和修饰性质等因素有关度、固定化酶的载体性质和修饰性质等因素有关16ppt课件 水活度(水活度(water activitywater acti
21、vity) 为了排除溶剂对最适含水量的影响,为了排除溶剂对最适含水量的影响,Halling 建议用建议用“水活度水活度”描述有机介质中酶催化活力与水的关系描述有机介质中酶催化活力与水的关系 水活度(水活度(Aw) 体系中水的逸度(体系中水的逸度(fugacity)与纯水逸度之比,近似等于体系中)与纯水逸度之比,近似等于体系中水的蒸气压与相同条件下纯水的蒸气压之比水的蒸气压与相同条件下纯水的蒸气压之比 最适含水量与溶剂极性成正比,而最佳水活度与溶剂极性大小最适含水量与溶剂极性成正比,而最佳水活度与溶剂极性大小无关,故采用水活度作参数更确切无关,故采用水活度作参数更确切 Aw 值较小值较小 有机溶
22、剂中键合到酶上的水量与在空气中键合到酶上的水量非常有机溶剂中键合到酶上的水量与在空气中键合到酶上的水量非常相似,表明有机溶剂没有直接影响水与酶紧密结合相似,表明有机溶剂没有直接影响水与酶紧密结合 Aw 值较大值较大 有机溶剂使酶结合的水量减少(溶剂与键合位点的水分子发生直有机溶剂使酶结合的水量减少(溶剂与键合位点的水分子发生直接竞争)接竞争)17ppt课件有机溶剂对酶催化反应的影响 有机溶剂通过与水、酶、底物和产物的相互作用,直接或有机溶剂通过与水、酶、底物和产物的相互作用,直接或间接影响酶的活性和稳定性间接影响酶的活性和稳定性 有机溶剂主要通过以下三种途径发生作用有机溶剂主要通过以下三种途径
23、发生作用 (1) 有机溶剂与酶直接发生作用,通过干扰氢键和疏水键等改有机溶剂与酶直接发生作用,通过干扰氢键和疏水键等改变酶的构象,从而导致酶的活性被抑制或酶的失活变酶的构象,从而导致酶的活性被抑制或酶的失活 (2) 有机溶剂和能扩散的底物有机溶剂和能扩散的底物 / 反应产物相互作用,影响正常反应产物相互作用,影响正常反应的进行反应的进行 (3) 有机溶剂直接和酶分子周围的水相互作用有机溶剂直接和酶分子周围的水相互作用18ppt课件 对酶分子表面结构的影响对酶分子表面结构的影响 酶分子与溶剂的直接接触,其表面结构发生不可忽视的变化酶分子与溶剂的直接接触,其表面结构发生不可忽视的变化 例:枯草杆菌
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