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有机溶剂中酶催化活性研究进展

有机溶剂中酶催化活性研究进展

摘要：酶在有机溶剂中催化作用的研究日益受到重视，其应用范围也越来越广。本文就有机介质中酶催化的影响因素进行了探讨，并归纳出提高酶活性的一系列方法，最后简要介绍了有机溶剂中酶的应用。

关键词：有机溶剂；酶催化

一直以来，人们认为“生物催化必须在水溶液中进行”、“有机溶剂是酶的变性剂、失活剂”，而1984年，KlibanovADDINNE.Ref.1C9F-45CE-BDFA-7F9DA0F7E600}[1]提出:“只要条件合适，酶在非生物体系的有机溶剂中同样具有催化功能”的理论使酶学概念发生了革命性的改变，并由此开创了非水相生物催化（非水酶学）的新时代。

1有机溶剂中酶催化反应的优势

研究表明，有机溶剂中的酶和水溶液中的酶一样具有高度的底物选择性。此外，还有以下一些特点ADDINNE.Ref.{15B5FB73-2BC8-4648-B157-9996A9FF5FEB}[2,3]:（1）绝大多数有机化合物在非水系统内溶解度很高；（2）根据热力学原理，一些在水中不可能进行的反应，有可能在非水系统内进行；（3）有机溶剂可促使热力学平衡向合成方向（如酯合成、肽合成等）移动，如脂肪酶在水中催化脂肪水解，而在有机溶剂中则催化酯合成；（4）在有机溶剂中，所有有水参与的副反应（如酸酐水解）将受到抑制；（5）在有机溶剂中酶的热稳定性显著提高，可通过提高温度加速催化反应进行；（6）从非水系统内回收反应产物比水中容易；（7）在非水系统内酶很容易回收和反复使用，不需要进行固定化；（8）在有机溶剂中不易发生微生物污染；（9）更为重要的是，低水环境可用于稳定具有未知催化性质的构象异构体，以及在水中寿命极短的酶反应中间体。

目前，有机溶剂中酶催化的上述优势使得非水酶学研究成为生物化学、有机化学、生物工程等多种学科交叉的研究热点。迄今发现能在有机溶剂中发挥催化功能的酶有十几种，主要集中于脂肪酶研究，催化的反应类型包括氧化、还原、酯合成和酯交换、脱氧、酞胺化、甲基化、羟化、磷酸化、脱氨、异构化、环氧化、开环聚合、侧链切除、缩合及卤代等。

2影响酶催化活性的因素

一直以来有机相酶催化的研究非常活跃，但到目前为止仍处于实验研究阶段，离工业化应用还有一定的距离，最大的原因就是酶在有机溶剂中活性较低。一般而言，有机溶剂中的酶活性要比水溶液中低2-6个数量级。因此，确定影响有机溶剂中酶活性的因素，设法提高有机溶剂中酶活性表达是当今酶学研究的重点。

2.1必需水

有机溶剂中酶的催化必需在其分子周围有一单层水分子直接或间接地通过氢键、疏水键、静电作用、范德华力等以维持酶的活性结构，这部分水叫必需水ADDINNE.Ref.{D1FF41DE-9280-4C39-AB48-E96C391B4085}[3]，所需水量因酶而异，表示方法也经历了多个阶段。非水酶学发展初期，普遍采用百分水含量来表示含水量，后来HallingADDINNE.Ref.{58E1CB02-A586-4319-9B88-F9D9FB399922}[4]提出了热力学水活度aw这一表示方法，因为水解平衡时，各相的aw值相等；体系的改变伴随着水活度的变化，故通过aw值可以推断酶的活性。可通过液上气体与一干燥柱循环来调节反应介质液上水活度ADDINNE.Ref.{4905053B-D8B0-413D-9403-B91496BF09B1}[5]；还可采用水活盐对来控制水活度，这种被普遍采用并行之有效。一些对水比较敏感的有机相酶促反应（如:肽的合成），可用水模拟物代替水，目前常用的水模拟物有甲醇、二甲基甲酰胺、四氢呋喃等，它们对水敏性酶促反应意义特别大。

2.2有机溶剂

一般认为，有机溶剂主要从三个方面来影响酶催化活性：（1）有机溶剂影响酶反应过程中底物和产物扩散，从而间接地影响酶活性；（2）有机溶剂“剥夺”酶分子表面必需水导致酶活力下降；（3）有机溶剂直接与酶接触作用，通过破坏维持酶蛋白活性构型的氢键、疏水键等作用，抑制酶活性或使酶失活。由于溶剂的极性能直接导致酶脱水失活，因此ColjaLaaneADDINNE.Ref.{F4E83436-CF84-477B-972A-2C889A07ACCC}[6]采用溶剂疏水性参数LogP值来评价有机溶剂对酶的影响程度，这一参数广泛使用。何平ADDINNE.Ref.{50E58EEE-8D4B-4B20-8C5A-BC95BA244F84}[7]等探寻疏水性参数（logP）不同的有机溶剂对木瓜蛋白酶及其固定化酶活性的影响时发现低logP(logP≤-0.24)有机溶剂在低体积分数(ψ≤10%)时可激活或稳定木瓜蛋白酶及其固定化酶活性，而在高体积分数(ψ≥30%