有机介质中酶催化的基本原理

第17卷第5期2005年9月

化　学　进　展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol.17No.5

　Sep.,2005

有机介质中酶催化的基本原理

杨　缜

3

(深圳大学生命科学学院　深圳518060)

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

酶催化的基本原理进行了讨论,包括酶的结构和催化机理,以及溶剂和水对酶的结构和催化功能的影响。同

25

时,本文归纳出提高酶活性的一系列方法,其中不少方法简便易行,能使酶活性提高10—10倍。

关键词　非水酶学　酶活性　有机介质　催化机理中图分类号:Q55;TQ426197　文献标识码:A　文章编号:10052281X(2005)0520924207

FundamentalsofBiocatalysisinOrganicSolvents

YangZhen

3

(CollegeofLifeScience,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China)

Abstract　Nonaqueousenzymologyhasattractedmoreandmoreinterestsfromresearchersandindustrybecauseoftheuniquepropertiesprovidedbyenzymesinnonaqueousenvironments.Supportedbyanexponentialgrowthoftheliterature,thisrapidlydevelopingresearchareahasmadetremendousprogressinrecentyearsingaininganimprovedfundamentalunderstandingofenzymefunctionandactivationinorganicmedia.Insuchanon2conventionalmilieu,theenzymemaintainsitsstructuralandmechanisticintegrity.Theroleofwaterandsolventsonenzymefunctionhasbeendiscussedindetail,suchastheeffectsofwateronenzymeactivityandproteinmobility,theeffectsofsolventonthewaterassociatedwiththeenzyme,onenzyme’sactivesiteandproteindynamicsandconformation,onsubstratesandproducts,andontheenzymaticactivationenergy.Aseriesofmethodsandtechniquesforactivatingenzymesinorganicsolventshavebeensummarized,suchastoovercomethelimitationsindiffusionandaccessibility,tooptimizethepHsituation,tominimizetheeffectofsolventsonactivationenergy,toenhancetheconformationalmobilityoftheenzyme,andtopreventenzymedenaturationduringdehydrationbylyophilizingenzymesinthepresenceofaselectionoforganicorinorganicexcipients(e.g.nonbuffersaltsormacrocycles).Thesetechniquesarequitesimpleandscalable,andcan

5

promoteawiderangeofenzymeactivation(upto102fold)throughdifferentmechanisms.Allthesewillundoubtedlyhelp

ustoeffectivelydesignhigh2activityenzymepreparationssuitableforuseinorganicsolventsandtobroadentheapplicationsofnonaqueousenzymologytoagreaterextent.

Keywords　nonaqueousenzymology;enzymeactivity;organicmedia;catalyticmechanism

一、引　言

酶不仅在水溶液里而且在有机溶剂中具有催化活性,这已经成为一个公认的事实。在有机介质中进行酶催化已经成为生物技术领域的一个主要研究方向,受到国内外学术界和工业界的广泛关注和重

　　收稿:2004年7月,收修改稿:2004年11月　3通讯联系人　e2mail:[email protected]

视。在有机溶剂中,酶能催化在水里不能进行的化

学反应,其稳定性显著提高,与在水里相比,酶的活性和各种专一性不仅会发生变化,而且还能通过改变反应介质(而不是通过改造酶本身)来进行调节和控制。同时,由于疏水性反应物溶解度的增加,产物和酶的分离提纯便利,由水引起的副反应受到抑制,

第5期杨　缜　有机介质中酶催化的基本原理・925・

以及微生物对反应器污染的减少,使酶作为催化剂

在工业应用上的价值大大提高。要充分利用这些优越性,就必须对非水酶学的基本理论进行深入研究,如酶的蛋白质结构,酶的催化机理,溶剂和水与酶的相互作用及其对酶催化的动力学和热力学方面的影响,以及酶结构与功能之间的相互关系。近年来,非

[1—4]

水酶学的基本理论研究已经取得了重大突破。本文就这方面的进展作一综述。

四、水的作用

如上所述,酶在有机溶剂里的蛋白质结构和催化机理与在水里相同,这说明酶的内在催化性质并没有因为水作为反应介质被有机溶剂所取代而受到破坏。然而,酶在各种有机溶剂体系中表现出来的催化性质(包括酶的活性、稳定性及专一性)却是相差甚远,取决于反应体系中水的含量和所选用的溶剂。因此,有必要就水和溶剂对酶催化所起的作用进行深入的研究。

微量的水对酶在有机介质中的活性影响很大。酶在完全干燥的溶剂体系里基本上是不显催化能力的,但是其活力会随着体系里水含量的增加而明显加速。这是因为水的加入使酶活性中心的极性和结

[14,15]

构柔性大大提高。在无水的状态下,酶分子的带电基团和部分极性基团相互作用使酶分子形成一种非活性的刚性结构。水的作用就是充当润滑剂,

[16]

与这些功能团形成氢键,以降低蛋白质多肽链折叠结构里带电基团之间的静电作用和极性基团之间的偶极2偶极相互作用,从而提高蛋白质结构的柔韧

[17][18]

性和极化性。Partridge等证实,增加酶的水合作用比选用不同溶剂对酶的活性和结构柔韧性的改变影响更大。另一方面,过多的水分又会使酶活性

[19]

下降,因为酶的多种失活过程离不开水的参与,而且水分过多会促使酶分子聚集成团以影响底物和产物的扩散,或者使酶活性中心内部生成水簇,从而

[14,20]

改变酶的结构并最终导致酶活性的下降。因此,掌握最佳水量可以使酶在溶剂体系中达到最佳的活性表达。

加入反应体系里的水分是在酶和溶剂之间分配的,酶活性取决于吸附在酶分子上的水分而与溶剂

[16][21]

里的水含量无关。Halling认为前者可以用热力学水活度(aw)进行定量表征。目前,这一概念已经被广泛接受。其中比较明显的例子就是一种脂肪酶在极性相差甚远的几种溶剂(如己烷、22戊

[23]

酮)中显示最佳活性时所需的水活度均为0155。如果不控制水活度,酶的最佳水量是随着溶剂极性的增加而增加的。这充分说明了控制水活度的重要性。但是必须注意到,对一些极性溶剂如丙酮和四氢呋喃,水活度并不能很好地定量表达酶分子上的

[24]

水含量。这说明这些溶剂对酶有直接的作用。

有两种方法可以使在有机介质里进行的反应体系获得恒定的水活度:预平衡法和无机盐水合物[25]

法。其中第二种方法更简便,并能在反应过程中

[22]

二、酶在有机溶剂中的结构

首先要考虑的是酶在有机溶剂里能否保持其蛋白质的天然折叠结构。这个问题实际上已经通过X射线结晶学、核磁共振、电子顺磁共振和傅立叶变换红外光谱等技术得到了直接的证实。Klibanov研究[5,6]

组运用X射线结晶学对Carlsberg枯草溶菌蛋白酶晶体进行的结构分析表明,该酶的三维晶体结构无论是在水里还是在两种有机溶剂(乙腈和二氧杂环己烷)中都基本相同。对另外3种酶(在己烷里的

[7][8]

γ2胰凝乳蛋白酶,在乙腈里的弹性蛋白酶和鸡

[9]

蛋白溶菌酶)的晶体结构研究也得出相同的结论。对于在有机溶剂里经常用到的酶的冷冻干燥粉末,其结构分析则可以通过傅立叶变换红外光谱等其它技术手段获得。把枯草溶菌蛋白酶冷冻干燥后置于具有完全不同性质的10种溶剂中,其蛋白质的二级

[10]

结构不随溶剂的改变而改变。

三、酶在有机溶剂中的催化机理

酶的催化机理在有机介质中是否会改变,这是另一个必须要考虑的重要问题。这个问题最好通过对脂肪酶和丝氨酸蛋白酶的机理研究来回答。在水溶液里,这两种酶通过“酰基2酶”的机理来催化酯的

[11]

水解反应。在多种有机溶剂里,它们还能催化酯和醇之间的转酯化反应。大量的酶动力学研究已经间接证明了这些反应同样遵循“酰基2酶”的催化反

[12]

应机理(详细讨论请参见文献[4])。Kim等也用线性自由能关系证实了枯草溶菌蛋白酶催化转酯化反应的催化机理没有因为溶剂极性的变化而改变。

对有机环境里脂肪酶和丝氨酸蛋白酶是否同样遵循“酰基2酶”催化机理的直接证明来自对丝氨酸蛋白酶(Carlsberg枯草溶菌蛋白酶)的“酰基2酶”中

[13]

间体X射线晶体结构的测定。该中间体无论是整体结构还是活性中心的区域结构,在水和无水乙腈中均显示相同结构。因此基本上可以肯定,酶在有机介质中的催化反应机理与在水里的相同。

・926・

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[35]

第17卷

维持水活度不变。值得注意的是,直接加入反应体

系的无机盐水合物有可能对酶产生酸碱效应,从而影响到酶的反应活性

[26]

。

虽然水对有机溶剂中的酶催化至关重要,所需的水量却是因酶而异的。比如,酪氨酸酶在aw=1,即酶分子周围有单水层环绕时显示最高活性

[27]

致蛋白质变性,其天然折叠结构展开。某些醇溶剂(如甲醇)虽有一定的亲水性,却不是酰胺氢键的强大竞争者。它们倾向于破坏蛋白质的三级结构而

[36][37]

保留其二级结构。Ryu和Dordick研究了溶剂对过氧化物酶的结构和功能的影响。他们从酶内部色氨酸基团与自由色氨酸之间的荧光强度下降得出该酶在二氧杂环己烷中变性的结论。已经变性展开的鸡蛋白溶菌酶在甘油里可以重新折叠恢复其原始

[35]

结构。

值得指出的是,虽然毫无疑问酶在有机介质中需要保持一定的结构完整性以显示其催化活性,但这并不意味着要求酶的整体结构必须与其原始状态完全一致。近期的一项研究发现,Carlsberg枯草溶菌蛋白酶和辣根过氧化物酶经尿素处理后,其蛋白质结构已部分展开,但在有机溶剂里的酶活性反而提高了。

酶的分子柔性在有机介质中同样受到影响。在水溶液里,水充当润滑剂,使酶的蛋白质结构柔韧灵活以显示最佳活力。有机溶剂不像水能与蛋白质形成很强的氢键,它们的介电常数又比水低,这就造成酶在有机溶剂里蛋白质分子之间的相互静电作用增

[39]

强,蛋白质结构更趋于刚性。这一点已经由不少

[40,41][9]

实验得到证实。Wang等用X射线衍射分析鸡蛋白溶菌酶在乙腈2水混合溶剂中的晶体结构,同样发现水被乙腈取代后,酶的分子柔性下降。酶在有机介质中的刚性结构还可以通过酶在非水溶液里

[4]

表现出来的特殊性质得到间接的证实,比如pH记忆(pHmemory)和分子印迹(molecularimprinting),底物专一性的改变,酶热力学稳定性的提高。

有机溶剂还可以通过破坏酶的活性中心来影响酶活力。用活性中心滴定法测得,在干燥辛烷里胰

[32]

凝乳蛋白酶只有三分之二的分子显催化活性。后来的实验发现,酶活性中心数目的减少主要不是辛烷造成的,而是由于在引入溶剂前制备酶时冷冻干燥引起的。冷冻干燥破坏了胰凝乳蛋白酶42%的活性中心,但加入无水溶剂造成活性中心另外0—50%的损失,这个损失的多少取决于溶剂的疏水

[38]

;而

[28]

Rhizomucormiehei脂肪酶却在aw

周围仅附着几个水分子时已具有相当高的活性不等

[29]

。

其它脂肪酶的最佳aw值则从0112—110变化

。

就水解酶来说,水还能控制酶的反应方向。比如脂肪酶在苯中催化丁酸乙烯酯和12辛醇之间的酯基转移反应,同时伴随有水解副反应发生。酶对正

副反应的活性之比在低水活度状态(aw

[30]

。

酶在非水介质中表现出来的一些特殊性质是由于其刚性结构所引起的,这些特殊性质也会因为水的加入使酶结构的刚性和极性受到影响而改变甚至消失。比如,酶在有机溶剂中的活性取决于其冷冻干燥前溶解的水溶液的pH值,原因是酶在水溶液里得到的电离状态因为刚性结构而在冷冻干燥和分散到溶剂中之后仍然得到保持。但在体系中加入少量水分会促使枯草溶菌蛋白酶的表观pKa值下降到原来的1Π10左右

[31]

。

五、溶剂的作用

11溶剂对与酶分子结合的水影响

溶剂可以夺走吸附在酶分子表面上的必需水分,造成酶活性下降水的能力越强

[33]

[32]

。亲水性越强的溶剂,夺取

[34]

。另一方面,对酶分子表面进行亲

。

水化修饰可以使酶分子与水结合的能力加强子上吸附的水分一定

[21]

控制有机反应体系中的水活度可以有效地保证酶分

。但即使在相同的水活度

下,酶在不同溶剂中表现出来的活性也经常相差甚远,这说明溶剂本身对酶催化确实存在着间接或直接的影响。

21溶剂对酶的影响

溶剂对酶的影响体现在其对酶的蛋白质结构、分子柔性以及活性中心的作用。

有些溶剂确实能破坏酶的蛋白质结构。比如某些极性溶剂(如二甲亚砜、甲酰胺)能轻易夺取酶分子表面的水并争夺蛋白质结构内部的氢键,从而导

性,如在辛烷里是0,而在二氧杂环己烷里则是

[42]

29%。

溶剂分子可以进入酶的活性中心,作为底物的竞争性抑制剂与底物分子竞争在酶活性中心的接合点。溶剂极性越弱,这一效应可能越强。对枯草溶菌蛋白酶的晶体结构测定表明,虽然在两种有机溶剂(乙腈和二氧杂环己烷)中酶的晶体结构均基

[13]

[43]

第5期杨　缜　有机介质中酶催化的基本原理

o

・927・

本相同,但附着在酶分子上的溶剂分子数目和位置

却不尽相同:分别有12个乙腈分子和7个二氧杂环己烷分子结合在酶分子上,其中在酶的活性中心部位结合的分别有4个乙腈分子和2个二氧杂环己烷

[6]

分子。很有可能这些与酶分子结合(特别是在活性中心)的溶剂分子数目的多少和接合位置的不同,能部分解释酶在不同溶剂中活性表达的差异。要使催化反应得以进行,底物分子需要不同的能量来置换掉结合在活性中心的不同溶剂分子。

另外,进入酶活性中心的溶剂分子会降低活性中心的局部极性,使酶和底物之间的静电排斥增强,从而削弱底物分子与酶分子之间的结合。这可以用于解释为什么酶在有机介质中催化时其底物的Km值会比在水里时显著增大。

31溶剂对底物和产物的影响

溶剂可以直接或间接地与底物或产物发生反应,从而影响酶活性。另外,酶催化反应通常是在围绕着酶分子周围的一圈薄水层内进行的,所以溶剂可以通过控制底物和产物在水层内的浓度来影响酶

[25]

的活性。Yang和Robb研究了酪氨酸酶在多种有机溶剂中催化3种邻苯二酚底物的氧化反应。酶在有机溶剂里的活性和底物在溶剂、水两相之间的分配系数(Ps=[S]solventΠ[S]H2O)成钟形关系,每个底物有一个最佳Ps值。Ps值小时,酶的水合层内底物浓度太高,可能发生底物抑制;Ps值大时,酶的水合层内底物浓度太低,反应速度达不到Vmax。这说明在有机介质中的酶活性与酶的水合层内的底物浓度有关,而与溶剂本身没有直接关系。如果要考虑长时间内的反应速度,选用PpΠPs值较高的溶剂也许更合适。Pp是产物在溶剂、水两相之间的分配系数(Pp=[P]solventΠ[P]H2O)。Pp值高的溶剂有利于产物生成后离开酶的水合层进入有机相,以避免产物对酶的抑制作用。

41溶剂对酶反应活化能的影响

[44]

变化之和。第一步的ΔG=RT(lnPs),第二步的ΔGo可以认为与溶剂无关。所以,溶剂通过影响底物的分配来控制酶的反应速度:Ps大的溶剂使底物的溶剂化程度提高,底物基态更趋于稳定;ΔG增大

[25][37]

造成反应速度减慢。确实,Ryu和Dordick的实验证实,辣根过氧化物酶在有机溶剂中的活性比在水里的活性低就是因为底物的基态稳定化,而不是由于酶2底物复合体的去稳定作用造成的。

另外,有机溶剂还会通过影响酶促反应的过渡态来影响其反应活化能。枯草溶菌蛋白酶和其它许多水解酶都遵循“酰基2酶”催化机理,其中涉及到的反应过渡态是一个四面体的带电荷高极性的“酰基2酶”中间体。这样一种反应过渡态无疑会在极性环境中得到稳定。在极性高的有机溶剂里,酶活性中心内的局部极性也相应较高,对带极性的反应过渡态起到稳定化的作用,从而使酶反应的活化能降低,

[12,15,45]

反应速度增加。这在文献中已经得到证实。

o

六、提高酶在有机溶剂中活性的策略

一般来说,酶在有机溶剂中的活性比在水溶液里要低得多。如α2胰凝乳蛋白酶和枯草溶菌蛋白

4

酶在无水辛烷中的活性只有在水里活性的1Π10—

5[32]

1Π10。这是一个普遍现象,而且一直是妨碍酶在工业界广泛应用的重要因素之一。

近年来,在这方面已有不少重大突破,从中归纳总结了造成酶在有机溶剂中活性显著下降的几个主要原因,并提出了使酶在有机介质中的活性激活的一系列有效办法,其中不少方法成本低,可按比例扩

25

大,能使酶反应速度提高10—10倍。

11克服质量传递的限制

用于有机溶剂的酶制剂通常是从水溶液里经冷冻干燥制备出来的粉末Π颗粒。由于酶一般不溶于有机溶剂,这些酶粉悬浮在有机相里,造成底物向酶的扩散受到限制;另外,酶分子互相叠合,也容易造成一些酶分子的活性中心被周围的酶分子封闭,使底物分子难以靠近。需要指出,这种质量传递引起的酶活性下降只能解释酶在有机介质中活性大幅度

[39]

下降的部分原因,并且可以通过增加搅拌力度和减小酶粉颗粒来得到缓解。

21优化pH状况

适当的pH处理可以使酶活性提高100倍。如前所述,酶在有机溶剂中的活性取决于其冷冻干燥前最后存在过的水溶液的pH值(pH记忆效应)。一般说来,如果冷冻干燥前溶解酶的缓冲溶液具有酶

在有机介质中进行的酶催化反应一般经历以下4个步骤:(1)溶解在有机相的底物进入酶的活性中心微水相;(2)进入酶活性中心的底物与酶形成酶2底物复合体;(3)酶2底物复合体分解,在酶周围微水相内生成产物;(4)产物离开酶进入有机相,促使反应继续进行。

这可以用来从热力学角度上解释上面提到的关于酶活性随底物、水两相之间的分配系数Ps增大而下降的现象。总反应速度取决于头两步的自由能

・928・

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第17卷

在水溶液的最适pH值,那么酶在有机介质中表现

[31]

出来的活性也最大。另一方面,如果选用挥发性

[46]

的(如甲酸铵)或能溶于有机相的(如三异辛胺及

[47]

其盐酸化物、三苯基乙酸及其钠盐)弱酸Π弱碱缓冲溶液,酶在有机溶剂中表现出来的pH记忆效应就会消失。前者在冷冻干燥时挥发掉,后者在加入有机溶剂后被萃取进有机相,由此引起蛋白质的质子化状态发生改变,从而导致酶活性产生变化。

31削弱溶剂对反应活化能的影响

上面提到过,溶剂可以通过降低底物基态能级或升高反应过渡态的能级来增加反应活化能,从而导致酶活性的下降。为此,可以选用不利于底物溶剂化的溶剂,或者有利于与反应过渡态相互作用使其稳定化的溶剂,以增强酶的反应活性。

41提高酶的分子柔性有机溶剂取代水作为反应介质,使酶分子因缺少水的润滑作用而变得结构更为刚性。这是造成酶活性下降的主要原因之一。向反应体系加入一定量的水分或把体系的热力学水活度(aw)调节到最佳值,可以使酶的反应速度提高100倍以上。在某种程度上,水的这种润滑剂作用可以被其它一些能形成氢键的溶剂(如甘油、甘醇)所取代。如向辛醇(含1%水)加入3%甲酰胺,可使酪氨酸酶的活性提高35倍。另外,用蛋白质变性剂对酶进行适当的前处理也可能使酶的蛋白质结构因部分展开而变得更加柔韧灵活,从而达到提高酶活力的效果。Carlsberg枯草溶菌蛋白酶和辣根过氧化物酶在含有

[16]

[31]

因此,关键是要避免或减少酶在脱水过程引起的变性作用。近年来发现有许多简易可行的技术能帮助达到这一目的,使酶活力显著增加。以上提到的把冷冻干燥后的酶先溶解在少量水里然后再引入无水溶剂中只是其中一个办法,还可以在冷冻干燥时往酶的水溶液中加入某些无机或有机物质使其与酶一同冻干。

(1)无机盐　与高浓度的氯化钾一同冷冻干燥后的枯草溶菌蛋白酶,其在己烷中催化酯基转移反应的速度比没有经过KCl处理的酶可提高20000倍以上。这样显著的酶激活作用并不是由于大量无机盐的存在使底物向酶颗粒的扩散限制得到缓解,部分原因可能是由于酶的天然结构得到稳定化所造成的。另外,无机盐的存在也会使蛋白酶的活性中心极性增大,从而导致酶活性的提高。

(2)冠醚　α2胰凝乳蛋白酶与182冠醚26共同冷冻干燥后在乙腈中催化肽合成的反应速度比未经

[51]

182冠醚26处理的酶提高450倍。可能的机理有

[2]

两种:一种猜测是冠醚与酶分子上赖氨酸的氨基作用形成非共价的复合物,避免了或大大减少了蛋白质分子之间和分子内部形成盐桥的可能,从而保护了酶分子的结构;另一种可能则是冠醚的存在使酶活性中心的局部结构得以保存下来。有趣的是,冠醚对酶的激活作用适用于极性溶剂,这一点与无机盐引起的酶激活作用相反,说明两者的机理是不一样的。

(3)环糊精　和冠醚一样,环糊精也是大环有机化合物,由6—8个葡萄糖组成的低聚体。Montanez2

[52]

βClemente等人报告,枯草溶菌蛋白酶与甲基22环

糊精共同冷冻干燥后在多种有机溶剂中的活性和对映体选择性均显著提高,原因是酶的活性中心三级结构得到保持。

(4)底物类似物　在冷冻干燥时加入与底物结构相类似的化合物,可以使酶的活性中心产生一种使酶激活的结构变化,这种变化在除去该化合物后由于酶在有机溶剂里的刚性结构而得到保持(molecularmemory)。大豆过氧化物酶在含o2羟基苄醇的缓冲溶液中冷冻干燥后,其在丙酮里的活性比

[49]

未经o2羟基苄醇处理的酶要高400倍。

(5)冷冻防护剂　与冷冻防护剂(如糖、聚乙二醇)一起冷冻干燥,可以使酶的天然结构在脱水过程中得到保持。大豆过氧化物酶在含聚乙二醇的缓冲溶液中冷冻干燥后,其在丙酮里的活性比未经聚乙

[49]

二醇处理的酶要高35倍。

[50]

高至8molΠL浓度的尿素水溶液中冷冻干燥后,其催化活性比未经尿素处理过的酶要高50—350倍,取

[38]

决于反应所用的溶剂。

51防止酶的变性长期以来认为导致酶在有机溶剂中活性下降的主要原因是酶的蛋白质构型发生变化。事实上,这种蛋白质变性作用并不是由于酶和溶剂的接触所引起的,而是引入溶剂之前酶的脱水过程(如冷冻干燥)造成的,而且由此产生的变性作用是可逆性[48][49]

的。Dai和Klibanov发现,同样是辣根过氧化物酶加入97%的丙酮里,两种制备方法却导致酶活性相差140倍:一种方法是把冷冻干燥后的酶直接引入加了3%水的丙酮中;另一种方法是先把酶溶解在少量水里,然后再引入无水丙酮中。两种体系最后的水含量都是相同的,但后者的酶活性却比前者高。原因是脱水后的酶重新溶解在少量水里,使已变性的蛋白质构型重新恢复。

第5期杨　缜　有机介质中酶催化的基本原理

[5][6][7][8][9][10][11][12][13]

・929・

有趣的是,以上所列的添加剂技术有时候可协

同作用。如用于冷冻干燥的缓冲溶液中含有聚乙二醇或反式21,22环己二醇,大豆过氧化物酶在丙酮里的活性会分别提高35倍和110倍;但如果该缓冲溶液中同时加入两种添加剂,则酶活性提

[49]

高800倍。

另一方面,要避免酶蛋白的变性作用还可以通过酶与表面活性剂、脂类化合物或变性剂的结合形成复合物,这样有助于保持酶的稳定性,并使酶溶于

[53]

有机溶剂。比如,Noda等人用经表面活性剂处理过的脂肪酶溶解在环己烷里催化疏水性内酯的开环聚合反应,反应速度比未经表面活性剂处理过的酶要高100倍,产物高分子的分子量更高,分散度更窄,底物的转化率也更大。

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七、结　语

以上阐述了有机介质中进行酶催化的一些基本

原理以及如何提高酶活性的策略。目前,非水酶学这一领域的研究方兴未艾,为酶在精细化工、材料科学、医药等方面的应用展示了广阔的前景。国内在

[54—57]

这方面也取得了不少可喜的成果。但是围绕着如何提高酶活性还有一些基本问题有待解决。例如:需要继续寻找酶在有机溶剂中的活性比在水里低得多的原因以及如何避免这类活性损失;上面提到的各类冷冻干燥添加剂使酶活性显著提高的真正机理是什么,它们对酶的结构和功能有什么影响;还有必要详细了解酶的结构(流动性、构型、活性中心结构)和催化功能(酶的活性、稳定性、专一性)之间的必然联系;另外,溶剂和水与酶之间的相互作用也还需要进一步的认识。这些问题的解决无疑会帮助我们有效地设计和制备出适用于有机溶剂的具有高活性的酶制剂,从而使非水酶学的应用得到更大程度的推广。

致谢　作者非常感谢倪嘉缵院士对本文认真审阅并提出宝贵的修改意见。

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