酶工程:酶非水相催化
86页1、酶非水相催化,酶 工 程,观念的改变,有关酶的催化理论是基于酶在水溶液中的催化反应建立起来的。 近年来,进行了非水介质的酶结构与功能、酶作用机制、酶作用动力学的研究,建立起非水酶学(non-aqueous enzymology)。,第一节 酶非水相催化的研究概况,受非水介质的影响,其催化特性与在水相中不同。,酶的非水相催化主要包括:,一、有机介质中的酶催化; 二、气相介质中的酶催化; 三、超临界流体介质中的酶催化; 四、离子液介质中的酶催化,一、有机介质中的酶催化,指酶在含有一定量水的有机溶剂中进行的催化反应。 适用范围:底物、产物两者或其一为疏水性物质的酶催化作用。 原因:酶在有机介质中基本能保持结构的完整。 特性:酶的底物特异性、立体选择性、区域选择性、键选择性、热稳定性等有所改变。 应用:多肽、酯类、甾体转化、功能高分子合成、手性药物拆分的研究。,二、气相介质中的酶催化,指酶在气相介质中进行的催化反应。 适用范围:底物是气体或能转化为气体的物质的酶催化反应。 特性:气体介质的密度低,扩散容易,与在水相中明显不同。,三、超临界流体介质中的酶催化,酶在超临界流体中进行的催化反应。 超
2、临界流体是指温度和压力超过某物质的超临界 点的流体。,要求:超临界流体对酶结构无破坏;具良好化学稳定性;温度不可太高太低;压力不可太高;易获得等。 常用的超临界流体有:CO2, SO2 C2H4, C2H6 C3H8 C4H10 等。,四、离子液介质中的酶催化,指酶在离子液中进行的催化作用。 离子液 (Ionic liquid )是由有机阳离子与有机(无机)阴离子构成的、在室温下呈液态的低熔点盐类,挥发性低,稳定性好。 特性:酶在其中有良好的稳定性、区域选择性、立体选择性、键选择性。,第二节 有机介质中水和有机溶剂 对酶催化反应的影响,1、微水介质体系; 2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系; 3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系; 4、(正)胶束体系; 5、反胶束体系。,一、有机介质反应体系,1、微水介质体系,是由有机溶剂和微量的水组成的反应体系。 微量的水主要是酶分子的结合水,对维持酶分子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。 酶以冻干粉或固定化酶的形式悬浮于有机介质中,是常见的有机反应体系。,2、与水溶性有机溶剂组成的均一体系,由水与极性较大的有机溶剂互相
3、混溶组成的反应体系。 水与有机剂含量均较大。 适用的酶较少。,3、与水不溶性有机溶剂组成的两相或多相体系,由水和疏水性较强的有机溶剂组成的两相或多相反应体系; 游离酶、亲水性底物或产物溶解于水相,疏水性底物或产物溶解于有机溶剂相。 固定化酶在界面; 催化反应在两相界面进行; 适于底物或产物两者或其中一种属于疏水化合物的催化反应。,4、正胶束体系,大量水溶液中含有少量与水不相混溶的有机溶剂,加入表面活性剂后形成的水包油的微小液滴。 表面活性剂的极性端朝外,非极性端朝内,有机溶剂被包在液滴内部。 酶在胶束外面的水溶液中,疏水性的底物或产物在胶束内部,反应在胶束的两相界面中进行。,5、反胶束体系,反胶束: 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; 1997年首次报道酶在反相胶束中具有活性(已发现40多种酶); 酶分子处在反胶束内,稳定性好; 反胶束与生物膜有相似之处,适用于处在生物膜表面或与膜结合的酶的结构、催化特性和动力学性质的研究。,二、水对有机介质中酶催化的影响,有机溶剂中酶的催化活力与反应系统的含水量密切相关。 系统含水量:结合水(酶粉水合、固定载体和其
4、他杂质)、游离水(溶于有机溶剂) 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,1、水对酶分子空间构象的影响,无水下酶空间构象被破坏,故需一层水化层; 必需水:维持酶分子完整空间构象所必需的最低水量; 不同的酶所需求的必需水的量差别较大; 每分子凝乳蛋白酶只需50分子的水,每分子多酚氧化酶却需3.5102个水分子 原因:必需水是维持酶分子结构中氢键、盐键等副键所必需的。,2.水对酶催化反应速度的影响,典型的非水酶体系中水含量通常只占0.01%,但其微小差距会导致酶催化活力的较大改变。 水影响蛋白质结构的完整性、活性位点的极性和稳定性。,三、有机溶剂对有机介质中酶催化的影响,直接或间接影响酶的活性和稳定性。 改变酶的特异性(底物特异性、立体选择性、前手性选择性等)。 通过与水、酶、底物和产物的相互作用来影响酶的特性。,1. 有机溶剂对酶结构与功能的影响,在水溶液中酶分子均一地溶解在水溶液中,较好地保持其构象; 有机溶剂中酶分子不能直接溶解,因此根据酶分子特性与有机溶剂特性不同,其空间结构的保持也有不同。 有些酶在有机溶剂作用下,其结构受到破坏; 有的酶分子则保持完整;,(1)
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