有机介质中的酶促反应 浅谈酶促反应在非水介质中的研究

　　摘要：近年来随着酶类在非水介质中催化作用研究的日益频繁，非水相催化相关的酶工程、酶制剂应用成为酶催化发展的热门课题。本文就有关酶促反应在非水介质中的研究展开讨论，介绍了有关酶工程的一些理论知识和研究进展。
　　关键词：酶促反应；非水介质；酶工程；反胶束体系；合成应用
　　近年来随着酶类在非水介质中催化作用研究的日益频繁，非水相催化相关的酶工程、酶制剂应用成为酶催化发展的热门课题。本文就有关酶促反应在非水介质中的研究展开讨论，介绍了有关酶工程的一些理论知识和研究进展。
　　1.非水介质与酶的催化反应
　　酶类作为一种重要的生物催化剂，具有许多独特的特性，如专一性、高效性、反应条件温和等优点而备受关注。非水介质在酶工程中一般指有机溶剂。它在酶催化反应的宏观方面理解为是非水相的，而在微观上是微水相的反应，即低水系统。对于非水介质中酶类催化反应的研究和发展开始于上世纪八十年代，Klibanov等人在研究猪胰脂肪酶的催化作用的过程中发现了酶能在无水环境的有机溶剂中起催化作用，从而打破了传统的依靠水环境才能起到催化作用的观念，为非水相酶学奠定了理论基础。从过去的单一水相到两液相、多液相体系，再到目前研究较热的微水体系、超临界流体、反胶束体系等方面进展迅速。事实表明，在非水介质中酶依然保持活性且具有催化能力，由此衍生出了介质工程( medium engineering)和酶工程应用的另一次革命。
　　2.工作原理
　　有关非水介质的酶催化反应多为有机化合物。目前对其机理的研究还不是很清楚，但很早就已经有人开始关注和提出假设。如对脂肪酶的研究，国外学者提出来了转酯化动力学学说，而有人也提出了酶的空间构象假说。不管其机理如何复杂，非水介质影响酶催化能力的途径有以下几种：①非水介质与酶直接接触，以破坏和干扰氢键、疏水键等方式来诱导酶的构象改变，造成酶的失活和催化能力下降；②非水介质与底物或反应产物反应影响酶的正常结合催化；③非水介质与酶分子周围的水相互作用，提供一个疏水环境。当周围水环境被非极性溶剂所替代时，酶分子内部的输水基团发生改变而导致其分子结构的重排。研究表明，非水溶剂是最好的反应介质。非水介质通过对体系中水环境、酶的结构以及底物和反应产物的偏向选择不同进而间接或直接地影响着酶的活性和催化能力。
　　3.酶在非水介质催化反应中的催化特点
　　与传统的具有一定柔性的催化反应相比，在非水介质中的酶蛋白分子内起主导作用的大多是氢键，使得非水介质中的酶类更具有独特的刚性特质，其表现出来的优点很多。首先是对于高浓度有机底物来说，非水介质可以增加其溶解度；其次在非水介质中酶的热稳定性和储存稳定性要比在水中的提高许多；再次使许多热力学平衡反应由加水分解转化为其逆反应过程，还能抑制因水而产生的副反应；另外由于酶与介质的不相溶导致产物易分离纯化且易于回收；最后酶的固定化简单且只沉积在载体表面，无微生物污染。
　　4.在非水介质中进行酶促反应的几个重要问题和几个重要影响因素
　　4.1. 几个重要问题
　　由于酶促反应在非水介质中的研究日益受到愈来愈多的人们的重视，因此在选择非水介质时必须注意一下几个重要问题：首先是考虑非水介质与底物的相容性；其次是注意选择的非水介质对主反应的影响是惰性的；再次是在选择非水介质作为溶剂时必须要考虑到其他的影响因素如溶剂的表面张力、溶解度、密度等。
　　4.2. 几个重要影响因素
　　酶促反应在非水介质中的影响因素很多，其中主要的表现在以下几个方面：首先是反应溶剂与底物结构对酶活性的影响。我们所说的非水介质并不是指完全没有水，而是溶剂中有一层亲水的必需水层存在。而不同溶剂的选择会直接影响酶的立体选择性，如亲水性底物应选择疏水性强的溶剂；其次是酶促反应对反应时间、温度和酸碱度的要求很高，考虑到适当的反应时间、温度和酸碱度值对其的影响，如酶分子的活性中心只有在特定的酸碱度条件下才具有酶催化反应的最佳离子态；再次是不同反应试剂的影响；另外考虑到反应时的物理因素的影响，如反应温度的控制。过高的反应温度会使酶的催化活性丧失而较低的温度又降低了催化效率；最后盐类及其他极性添加物对酶活性的影响。如研究表明，在非水介质中加入盐能增加酶的催化活性。
　　5.酶促反应在非水介质中的应用
　　5.1. 酶促反应在酶合成及酶工程中的应用研究
　　酶类科学家近些年来在非水介质的酶促有机化学反应的理论及应用方面展开了许多有意义的研究工作。如根据酶与底物的相互识别作用而开发研究出了抗体酶、核酸酶、杂化酶等。而20世纪50年代发展起来固定化酶新技术更是被广泛应用，之后相关工程酶的改造应用研究，如酶蛋白的疏水性修饰、化学修饰酶、酶分子印迹等研究也取得了较好的成绩。对于非水相酶的典型应用最早的发现是20世纪90年代提出来的酶促氨解反应。此法为酶工程在有机介质中的催化研究开辟了一个前途广阔的新领域。而酶在合成中应用研究也一直受到科学家的普遍重视，如在非水溶液或微浮液中用脂肪酶来合成酯的相关研究等。
　　5.2.酶催化反应在医药、食品、化工等领域的应用
　　目前，许多非水介质中的酶催化反应已经成功地用于天然产物、药物等有机化合物的合成。如蛋白水解酶或脂肪水解酶催化的逆反应可用于肽或酯的合成；而蛋白水解酶还可以催化非蛋白氨基酸底物参与的合成反应等。反胶束体系酶反应也是一个很好的例子。反胶束体系酶反应是经过20多年对反胶束体系酶及低水体系的催化研究而逐渐从基础过渡到应用的一种新技术。该技术从构建辅酶到多肽及氨基酸合成；再经过脂肪酶催化最后合成所需的高分子材料。目前该技术被广泛的应用于膜模拟化学以及蛋白质的溶液萃取体系中。在未来的时间内该技术的应用研究也将更进一步深入到药学、食品添加剂、降解有毒物等方面。
　　参考文献：
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