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第五章 非水酶学
非水相酶催化的优点：
1、增强难溶于水的反应物的溶解度。 2、在有机介质中改变反应平衡。 3、酶制剂易于回收再利用。
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4、在有机溶剂中可增强酶的稳定性。 5、在有机溶剂中可改变酶的选择性。 6、不会或很少发生微生物污染。
第一节 酶催化反应的介质
水是酶促反应最常用的反应介质。
但对于大多数有机化合物来说，水并不是一种适宜的溶剂。因为许多有机化合物(底物)在水介质中难溶或不溶。
由于水的存在，往往有利于如水解、消旋化、聚合和分解等副反应的发生。 是否存在非水介质能保证酶催化？？
1984年，克利巴诺夫等人在有机介质中进行了酶催化反应的研究，他们成功地在利用酶有机介质中的催化作用，获得酯类、肽类、手性醇等多种有机化合物，明确指出酶可以在水与有机溶剂的互溶体系中进行催化反应。 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水性物质的酶催化作用。 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者能够转化为气体的物质的酶催化反应。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中的催化作用有明显的不同特点。 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
酶在离子液中进行的催化作用。离子液（ionic liquids）是由有机阳离子与有
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机（无机）阴离子构成的在室温条件下呈液态的低熔点盐类，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、立体选择性、键选择性 等显著特点。
第二节 有机介质酶反应体系
一、有机介质反应体系
非极性有机溶剂?酶悬浮体系(微水介质体系)
用非极性有机溶剂取代所有的大量水，使固体酶悬浮在有机相中。但仍然含有 必需的结合水以保持酶的催化活性 (含水量一般小于2%)。
酶的状态可以是结晶态、冻干状态、沉淀状态，或者吸附在固体载体表面上。
与水互溶的有机溶剂?水单相体系
有机溶剂与水形成均匀的单相溶液体系。酶、底物和产物都能溶解在这种体系中。 非极性有机溶剂?水两相/多相体系
由含有溶解酶的水相和一个非极性的有机溶剂(高脂溶性)相所组成的两相体系。 正胶束体系
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进行。 反胶束体系
酶在反胶束内部的水溶液中，疏水性的底物或产物在反胶束外部，反应在胶束的两相界面进行。
不管采用何种有机介质反应体系，酶催化反应的介质中都含有机溶剂和一定量的水。它们都对催化反应有显著的影响。 表面活性剂
表面活性剂：表面活性剂是由亲水憎油的极性基团和亲油憎水的非极性基团两部分组成的两性分子。
在有机相酶反应中用得最多的是阴离子表面活性剂： AOT，其化学名为丁二酸-2-乙基酯磺酸钠。 临胶束浓度
临胶束浓度：是胶束形成时所需表面活性剂的最低浓度，用CMC来表示。 正向微团：极性头部向外，与水结合；疏水尾部向内，形成一个非极性的核心。 反向微团：疏水尾部向外，与非极性的有机溶剂接触；极性头部向内，形成一 个极性核。 反胶束体系的制备
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将表面活性剂溶于非极性的有机溶剂中，并使其浓度超过临界胶束浓度（CMC），便会在有机溶剂内形成聚集体，这种聚集体则为反胶束。
二、有机相酶反应应具备的条件 1． 保证必需水含量 2． 选择合适的酶及酶形式 3． 选择合适的溶剂及反应体系 4． 底物及其浓度 5. 温度
6. pH和离子强度
水是保证酶催化反应的必需条件，活性构象是水分子直接或间接由氢键等非共价键相互作用来维持。
因此与酶分子紧密结合的一单层水分子对催化作用非常重要。而其他的水则相 对不那么重要(即由有机介质替代的那部分水不那么重要了）。
1、必需水
紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活性所必需的最少量水。
必需水：是维系酶构象稳定和酶催化活性所必需的那部分最少量的水分子，有 时也叫结合水，或者束缚水。只要那部分必需水不丢失，其他的大部分水可以由有 机溶剂代替。
所以，有机介质中的酶促反应在微观上看是水的酶反应，但是在宏观上看是有机介质中的酶反应。如有的酶反应即使水只占0.015%， 酶仍然有活性，可以进行酶反应，而且反应速度非常快。 干燥的酶水合过程：
（1） 与酶分子表面带电基团结合达到0-0.07g/g（水/酶） （2） 与表面的极性基团结合(0.07-0.25g/g)
（3） 凝聚到表面相互作用较弱的部位（0.25~0.38g/g） （4） 酶分子表面完全水化，被一层水分子覆盖。 影响酶反应体系中需水量的因素 A．不同酶需水量不同
B．同一种酶在不同有机溶剂中需水量不同，溶剂疏水性越强，需水量越少 表征必需水作用的参数---热力学水活度
水活度（activity of water, αw）：指体系中水的逸度和纯水的逸度之比，通常可 以用体系中水的蒸汽压与相同条件下纯水的蒸汽压之比来表示。
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αw=p/p0
式中p为在一定条件下体系中水的蒸汽压，p0为同等条件下纯水的蒸汽压。 水活度的大小直接反映出酶分子结合水的多少，而与体系中的含水量及所用溶 剂无关，与所用溶剂的极性大小也没有关系。水活度大小可用测定反应物平衡的液 面上气体的相对湿度得到。 2. 酶的选择
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酶种类的选择：脂肪酶、蛋白酶、次黄嘌呤氧化酶、过氧化氢酶，过氧化物酶等。
除与酶有关，还与酶-底物、产物-溶剂间关系有关。 （1）酶粉：
例如：有人研究a-胰凝乳蛋白酶在酒精中转酯反应，发现催化活性随反应体系中酶量的减少而显著增加。 （2） 化学修饰酶：
例如：SOD酶经糖脂修饰后变成脂溶性，它对温度、pH、蛋白酶水解的稳定性均高于天然SOD。 （3） 固定化酶：
把酶吸附在不溶性载体上（如硅胶、硅藻土、玻璃珠等）制成固定化酶，其对抗有机介质变性的能力、反应速度、热稳定性等都可提高。 有机相中固定化后载体对酶的影响
A. 载体能通过分配效应剧烈地改变酶微环境中底物和产物的局部浓度。 B. 载体影响酶分子上的结合水
通过选择合适的载体可使体系中的水进行有利分配
C. 通过载体与酶之间形成的多点结合作用，可稳定酶的催化活性构象。
例：α-胰凝乳蛋白酶与聚丙烯酰胺凝胶共价结合后，在乙醇中的稳定性明显提高， 并且对有机溶剂的抗性随酶与载体间共价键数量的增加而增强。 D. 酶动力学影响一个酶同时催化的两个反应的相对速度。
例 在低水活度下把胰凝乳蛋白酶固定在聚酰胺载体上，水解反应被抑制却有利于醇 解反应。
3. 溶剂及反应体系的选择
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水溶性有机溶剂：甲醇、乙醇、丙醇、正丁醇、甘油、丙酮、乙晴等 水不溶性的有：石油醚、己烷、庚烷、苯、甲苯、四氯化碳、氯仿、乙醚等
酶促反应有机介质体系
（1）单相共溶剂体系（水/水溶性有机熔剂）
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