1 绪论
酶作为生物催化剂，具有专一性、高效性、反应条件温和等优点，是一种具有特殊三维空间构象的蛋白质，它们在体内几乎参与了所有的转变过程, 催化生物分子的转化。同时, 它们也催化许多体内存在的物质发生变化, 使人体正常的新陈代谢得以运行。因此受到人们的普遍关注。近年来, 特别是随着生化技术的进展, 酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段应用于有机合成, 特别是催化不对称合成反应。光学活性化合物或天然产物的合成, 已应用于医药、农药、食品添加剂、香料、日用化学品等精细有机合成领域。酶催化不会污染环境, 经济可行, 符合绿化学的方向, 具有广阔的前景。 2 酶催化与有机合成反应
对于酶催化反应在有机合成中的应用, 有机合成工作者做了大量工作。随着科技进步的日新月异, 酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段用于有机合成特别是不对称合成反应, 进行光学活性化合物或天然产物的合成时, 能为天然或非天然产物的合成提供丰富的手性源, 其应用前景将是难以估量的。
2.1 不同反应体系中的酶促反应
2.1.1 有机介质中的酶促反应
酶在有机介质中不但能保持其活性，还表现出一些特殊性质，并具有如下优越性：有利于疏水性底物的反应；产物和酶易于回收；可改变反应平衡移动的方向；可控制底物专一性；可防止由水引起的副反应；可扩大反应pH值的适应性；可提高酶稳定性；可避免微生物污染等。在保证必需含水量；选择合适的酶及酶形式；选择合适的溶剂；选择最佳pH值；选择合适的反应体系的条件下，则在有机介质中酶可显示很高的催化活性。目前在有机介质中已成功用酶进行了氧化、、脱氢、脱氨、还原、羟基化、甲基化、环氧化、酯化、酰胺化、磷酸化、开环反应、异构化、侧链切除、缩合及卤化等反应。
过去人们认为酶在有机介质不稳定，但研究发现大多数酶在低水有机介质中比在水介质中更稳定。一是表现在热稳定性提高。在有机介质中，在不同温度下保温脉酶，发现热处理导致酶活性增加，而且酶在温度远超过其在水溶液中最适温度的情况下也不失活。例如猪胰脂肪酶在醇和醋中进行催化反应，在100℃高温下，其半衰期长达26h,其活性比在20℃ 时还高。又如胰凝乳蛋白酶在60℃水中，薄膜制备几分钟就产生不可逆失活；而在100℃辛烷中，其半衰期长达几小时。Gyunwald等报道，在低水有机溶剂体系中，酶的稳定性与含水量密
切相关，减压蒸馏一般在低于临界含水量范围内，酶很稳定；含水量超出临界含水量后，酶稳定性随含水量的增加而急剧降低。二是表现在储存稳定性提高。如胰凝乳蛋白酶，20℃时在水中半衰期只有几天，而在辛烷中，可放置6个月仍保留全部活性。在单相共溶体系有机溶剂对酶活性影响分两方面。一方面有机溶剂直接作用于酶，破坏维持酶活性构象的氢键和疏水作用力，或破坏酶周围水化层，使酶变性或失活。如不少酶活性随有机溶剂浓度升高而降低。另一方面有些酶活性会随有机溶剂浓度升高而增大，在某一浓度（最适浓度）达最大值；若浓度再升高，则活性下降。某些有机介质可使某些限制酶的专一性发生改变，使专一性降低，且发现其星号活力比原专一性活力弱。不同的有机介质对同一种限制酶专一性影响不同。同一种有机介质对不同的限制酶的专一性影响亦不同。酶既可催化一个化学反应的正向反应进行，亦可催化其逆向反应进行，反应平衡点的移动取决于反应条件。有机介质能改变某些酶的反应平衡方向。
目前有机介质中酶催化反应研究已取得了较大进展，但还存在许多基本问题有待解决，如有机介质中酶催化的动力学和作用机理等。有机介质中酶催化反应研究已冲破传统观念的束缚，正在飞速发展，并已开始由论研究逐步走向生产实践。
2.1.2 反胶束体系中的酶促反应
反胶束(团) ( 10~ 100nm )是表面活性剂溶解在非极性溶剂中形成的、围绕一个极性核的纳米级聚集体，是一种低水含量的油包水(W /O )微乳液。反胶束溶液是透明的、热力学稳定的体系。反胶束极性内核中的水与常态水物理性质不同，它的黏度较高，而酸度与极性比常态水低。所以“水池”中的水可溶解某些原本不溶的物质，如脂肪酶等生物活性物质。反胶束体系作为酶反应介质，具有组成灵活、热力学稳定、界面积大、可通过相调节来实现产物回收等优点。近年来，研究最多的是酶的催化反应。
用脂肪酶催化酯水解具有反应条件温和、高效、专一、节约能源和不污染环境等优点，但脂肪酶催化反应的底物油脂与水及酶互不溶解，使反应很难发生。而在含微量水的反胶束中, 则可解决油水两相反应的困难。许琼明等采用通过实验优化出的卵磷脂/胆固醇/环己烷反胶束体系，研究了胆甾醇酯酶对维生素E醋酸酯具有催化活性及胆甾醇酯酶发挥水解活性的最佳反应条件。李光吉等考察了脂肪酶Novozym 435作生物催化剂时,丁二酸二辛基磺酸钠( AOT) /异辛烷反相胶束体系有利于它催化葡甘聚糖( KGM )与乙酸乙烯酯的酯交换反应。Pastoriza- Ca llegoM J等报道了在十二烷基硫酸钠( SDS) /丁醇/水反胶团体系中，可发生邻甲基重氮苯四氟硼酸盐的脱重氮基反应。该反应主要发生在反胶团体系的界面区域，而在丁醇/水二元混合体系中不发生反应。体系中SDS浓度增加，反胶团聚集数也随之
增加。
反胶团酶催化技术总的来说还比较年轻线性排水沟施工图，其理论及应用都存在某些不足。工业化应用的最大障碍仍然是酶活性和稳定性不能令人满意。此外，缺乏适宜的反应器型式以实现酶的重复利用和产物的同步分离也是一个重要限制因素。寻新的更为优良的表面活性剂将是一个非常有吸引力的研究方向。反胶束的优良特性决定了随着研究的深入，反胶团酶催化技术将在食品、药物、农业、环保、材料等各个领域发挥其独特的作用。
2.1.3 超临界流体中的酶促反应
超临界流体(SCF)是一种温度和压力都处于临界点以上，性质介于液体和气体之间的流体。SCF有近似于气体的流动行为，粘度小、传质系数大，有与液相相近的溶解能力和传热系数。同时，它们又具有区别于气态和液态的明显特征： 可以得到处于气态和液态之间的任一密度；在临界点附近，压力的微小变化可导致密度的巨大变化。由于粘度、介电常数、扩散系数、溶解度都与密度相关，因此可方便地通过调节压力来控制SCF的物化物质。
Hammond等首先提出了酶催化反应在超临界流体中进行的可行性，作为一种非水溶剂, 超临界流体应用于酶催化反应具有以下优越性。一是非水相催化为非均相反应，常被内外扩散所限制，超临界流体固有的高扩散系数、低粘度和低表面张力能加速传质控制反应；二是压力对超临界流体溶解性能的影响十分显著，可凭借压力的变化来改变底物和产物的溶解度，简化产物分离和回收过程；三是超临界流体可与其他气体混溶，得到任意浓度，使得氧化和氢化反应易于控制；四是很多超临界流体的临界温度均小于100℃，不会使产物热分解，温和的温度适合酶反应，甚至可用于含热敏型酶的反应之中；五是因为超临界流体在常压下是气体，所以不存在反应产物中溶剂残留的问题。
超临界流体溶剂对酶活性的影响大多是规律性的。一般来说，酶在疏水性溶剂中的活性较在亲水性溶剂中的活性要高。这是因为亲水性溶剂使得分配到酶中的水减少，因此导致酶附近的微环境被破坏。相反，疏水性溶剂更能保持酶附近的微环境。少量水的存在，能保持酶在SCF中的活性路灯节电，但过多的水会使酶催化反应速率下降。温度和压力能影响物质在超临界流体中的溶解度，影响水在流体和固定化载体之间的分配，但最重要的是影响酶的活性。一般来讲，温度越高，物质在超临界流体中的溶解度越小，酶的活性越大，但温度过高会引起蛋白质变性，使酶失活。在超临界流体中加人少量共溶剂，能增加溶剂的极性而
提高底物的溶解度，从而可能提高反应速率。共溶剂的添加对超临界流体中的酶催化反应固然有利，但如果共溶剂与水竞争酶的微环境，则可能对酶的结构稳定性不利或在其活性区产生位阻。因此共溶剂的添加仍需谨慎。相信随着对基础理论研究的不断深人，超临界流体中的酶催化技术将在应用化学、有机合成、食品工程、生物工程等众多领域中得到广泛的应用。
2.1.4 非水介质中酶促反应
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。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。另外，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。
在有机溶剂中引起酶催化效率降低的原因有：酶与底物的扩散限制；酶在冷冻干燥过程中引起的部分失活；由于酶不溶于有机溶剂，酶颗粒的一些活性中心被相邻的酶分子遮住，不能与底物接触，妨碍了酶分子参加催化；在有机溶剂中酶的活性中心构象难以发生变化，不易与底物结合等。为解决这些问题，人们提出了一系列措施，如在制备酶的过程中加入冷冻干燥保护剂(lyoprotectant)，用高聚物修饰酶，用表面活性剂与酶形成离子对复合
物等。经研究发现，在冷冻干燥时加入酚或芳香胺等酶的天然底物，对酶有活化作用(HRP 是一种研究得比较透彻的过氧化物酶，它能够催化许多酚和芳香胺的氧化反应)。这说明酚或芳香胺所含有的疏水基团可能与酶的活性中心作用，进入酶的疏水袋，从而在冷冻干燥过程中阻止酶的活性中心构象发生变化，以保持酶的催化活性。由此可以设想即使不加入酶的天然底物，只加入一般的含疏水性基团的小分子(苄醇、苯甲酸等) 也可以起到类似作用。反相胶束是由两亲分子在非极性溶剂中形成的一种有序组合体。在有机溶剂中，反相胶束的疏水基团与溶剂接触，而亲水性头部形成极性内核。水分子聚集在内核形成“小水池”，里面容纳酶分子，可以阻断溶剂分子对酶的作用，增加酶的稳定性。分散在有机相中的含酶水滴可以看作是一种微型反应器。酶被限制在含水的微环境中，有利于维持酶的天然构象，提高其催化活性。
非水介质中酶催化反应是目前酶工程的重要课题之一，已成功地用于许多有机合成反应及动力学拆分等领域。如何调节和控制酶的活性和稳定性是非水介质中酶催化反应的研究热点。固定化酶能显著提高酶的活性和稳定性，而添加剂的多样性也为酶的性质改造提供了广阔的发展空间。
2.2 模拟酶的研究
由于生物体内进行的生命活动恰是个完整绿化的过程，其中酶和激素扮演着极其重要的角，这就为人们实现绿化学提供了开展工作的切入点— —模拟酶研究与开发。生物无机化学中，有关生物活性配合物的模拟大致分为三个层次 ：(1)模拟物只含有与生物活性酶相同的金属离子— — 第一级近似。如超氧化物歧化酶(SOD)是以铜为辅基的蛋白质配合物，而铜的某些氨基酸或羟基配合物，可用作模拟物，它们具有定程度的SOD活性。尽管模拟物的作用机理、选择性及反应效率不同于原来的酶，但因可大量合成，仍有实用价值；(2)模拟活性中心结构。人们用三亚乙基四胺合成铁配合物来模拟过氧化氢酶。用该化合物来进行如催化机理的研究显得很方便。(3)整体模拟。活性中性必须处在一个特定的微环境和整体结构之中，所以高级模拟是包括微环境在内的整个活性部分。
随着酶模拟化学的发展，对酶结构及作用机理的进一步了解，在化学家及生物学家共同协作下，不断改进合成手段和采用新技术，必将有更多更好的酶模型和模拟酶问世。随着生命科学与化学的相互交叉和渗透，模拟酶的研究成果已在生化分析中得到广泛应用。本文对具有模拟酶功能的几种主要体系做一综述，以期推动它们在生化分析、有机合成及酶学工程等领域的进一步深入研究与应用。
2.3 酶的化学修饰和固定化酶
熏洗仪
目前已经发现和鉴定了约3700 多种酶, 但能大规模生产和应用的只有十多种。主要因为大多数自然酶脱离生理环境后不稳定, 而生产和应用的条件与生理环境差别很大。因此, 采用化学方法对酶进行修饰和改造是非常必要的。酶的化学修饰主要是修饰酶的功能基团, 如酶分子表面的氨基、羧基、羟基等可以和某些化学试剂反应, 使酶分子结构改变铝塑型材, 从而改善酶的性质。另外, 交联某些双功能化合物作为交联剂, 使酶发生分子内或分子间的交联反应, 维持和加固酶的活性结构, 改善酶的性能。固定化酶是被束缚在特定支持物上并能发挥催化作用的酶。固定化酶稳定性好，能反复使用，成本低，有利于实现生产连续化和自动化。
