脂肪酶催化反應(yīng)有機(jī)溶劑和載體的影響
化學(xué)先生 / 2019-08-02
1：有機(jī)溶劑的影響
體系水活度并不是影響有機(jī)相中酶活力的唯一因素。在相同的水活度或相同的水化度下，雖然酶活力隨水活度變化的趨勢(shì)非常相似，但酶活力在不同的有機(jī)溶劑體系中并不相同。如Ducret等用Candida antarctica (B) 脂肪酶在相同水活度的不同有機(jī)溶劑中催化(士)-布洛芬酯化反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，即使在相同的水活度下，疏水溶劑中的催化活性也明顯高于親水溶劑。由此說明親水溶劑中酶活性的降低，并不單單是有機(jī)溶劑奪取酶分子中結(jié)合水的結(jié)果，溶劑的影響也很重要。有機(jī)溶劑可通過三種方式影響酶的催化行為。
①有機(jī)溶劑本身的性質(zhì)對(duì)酶的主要水分子層有很大影響，非極性親油型有機(jī)溶劑，如脂肪烴類溶劑不易奪取酶分子周圍的必需水，對(duì)酶活性影響小，適于酶催化反應(yīng);強(qiáng)極性有機(jī)溶劑可溶解大量水，有奪走必需水的趨勢(shì)，導(dǎo)致酶失活。
②有機(jī)溶劑也可通過底物、產(chǎn)物在水相和有機(jī)相中的分配，使其在酶必需水層的濃度發(fā)生變化，來影響酶催化反應(yīng)。
③有機(jī)溶劑對(duì)酶的直接影響。關(guān)于有機(jī)溶劑對(duì)酶的直接影響，Simon等指出44]:有機(jī)溶劑可使底物基態(tài)能級(jí)下降或使酶底物復(fù)合物能級(jí)升高，從而增大酶反應(yīng)的活化能，來降低酶反應(yīng)速率;有機(jī)溶劑分子還可進(jìn)人酶活性中心，降低中心內(nèi)部極性并促進(jìn)底物與酶之間氫鍵的形成，使酶活性下降;同時(shí)，有機(jī)溶劑的侵入會(huì)引起酶的三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，通過間接改變酶的活性中心結(jié)構(gòu)，來影響酶的催化活性。
2：載體的影響
M. Arroyo等采用載體(Al2O3、 SiO2、瓊脂糖)疏水性不同的固定化Candida cylindrance脂肪酶，在異辛烷中催化布洛芬的酯化反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，疏水性載體中酶的活性明顯高于親水性載體。J.M.Moreno等采用疏水性不同的載體，以共價(jià)結(jié)合方法使脂肪酶固定化，在水相中催化2-苯基丙酸酯的水解反應(yīng)也發(fā)現(xiàn)，疏水性載體更有利于展現(xiàn)酶的活性。一般來講，載體對(duì)酶的影響有以下幾個(gè)方面。
①載體能通過分配效應(yīng)劇烈地改變酶的微環(huán)境中底物和產(chǎn)物的局部濃度。由于載體上疏水基團(tuán)的存在，使疏水性底物在疏水作用下，分配到載體周圍的濃度，高于反應(yīng)介質(zhì)中的濃度，使酶反應(yīng)速率提高。
②載體影響酶分子上的結(jié)合水。有的研究者認(rèn)為，親水性高的載體會(huì)從溶劑和酶中奪取大量的水，造成酶部分失水而降低酶活性。他們認(rèn)為，載體的親水性是選用固定化酶用于有機(jī)相反應(yīng)時(shí)，首先要考慮的問題。Tanaka等用適當(dāng)配比的具有不同親水能力的樹脂包埋固定化酶，很好地控制了脂肪酶在有機(jī)相反應(yīng)中所需要的微水環(huán)境。也有的研究者研究了固定化載體的親水性對(duì)固定化酶在有機(jī)相中催化活性的影響。他們首次用分配到載體上的水量與溶劑中水量之比(IgAq)代表載體親水性，研究了13 種載體的lgAq值與這些載體的固定化酶在有機(jī)相中催化活力的相互關(guān)系，并指出:低lgAq值的載體有利于固定化酶在有機(jī)相中催化活性的表現(xiàn)。此外載體的比表面積、孔徑大小及分布與酶之間的作用也是要考慮的問題。
③載體對(duì)動(dòng)力學(xué)的影響。以前通常認(rèn)為載體是惰性的，不會(huì)對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生影響，但Adlercreutz等 的研究發(fā)現(xiàn):即使在相等的水活度下，固定化酶的反應(yīng)速率也會(huì)因載體的不同而有很大差別，最高可達(dá)一一個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著載體對(duì)固定化酶的活性有直接影響。
在使用固定化酶時(shí)，載體會(huì)改變酶的微環(huán)境，并可能影響到酶的主要水分子層以及酶的活性。通過改變載體的性質(zhì)如親水性、帶電性等，可以很容易地達(dá)到改變酶的微環(huán)境的目的，這種方法可能是使酶在強(qiáng)極性有機(jī)溶劑中不失活的一種簡(jiǎn)單而有效的方法。目前雖然文獻(xiàn)中有大量的有關(guān)固定化酶的報(bào)道，但大部分工作都熱衷于探討新的固定化酶載體，而對(duì)載體的性質(zhì)、微環(huán)境的改變，如何影響酶的活性這一基礎(chǔ)問題注意不夠。由于對(duì)它的認(rèn)識(shí)很粗淺，目前還無法預(yù)測(cè)一個(gè)給定的載體對(duì)酶的活性究竟有何影響。對(duì)固定化酶在有機(jī)溶劑中的催化反應(yīng)研究，還停留在一個(gè)相當(dāng)原始的水平上。
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