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脂肪酶催化反应水的影响


化学先生 / 2019-08-02

       水是酶催化反应的必需条件,干燥的酶加入到仅含有机溶剂的单相体系中是没有活性的。酶催化活性所必需的构象,是由水分子直接或间接地通过氢键等非共价键相互作用来维持的。例如,在猪胰脂肪酶催化甘油三丁酸酯和正庚醉的转备反应中发现,反应体系中水含量即使降低到0. 02%,酶仍具有催化活性。同时,在特定的水含量下,表现出最大酶活。这种反应体系中水含量与酶活之间的关系,研究Rhizomcor miehei脂肪酶在正已烷中催化十二烷基癸酸酯的酯合成反应时也可发现:虽然在不同的有机溶剂中酶活性不同,但在不同的有机溶剂中,最大酶活都出现在一一个给定的水活度aw下。研究固定在不同载体上的固定化Rhizomucor miehei和Candida rugosa脂肪酶活力,也发现同样的水活度依赖性。紧紧吸附在酶分子表面,维持酶催化活性所必需的最少量水,称必需水,亦称结合水或東缚水(bound water)。 酶的催化活性由必需水决定,而与溶剂中的水含量无关。只要这层必需水不丢失,其它大部分水即使都被有机溶剂取代,酶仍然可保持其催化活性。因此,可以把极低水有机介质中的酶催化反应,理解为宏观上是有机介质单相,而在微观上仍是水-有机溶剂两相的酶催化反应。正是由于这个原因,才使有机介质代替水溶液进行酶促反应成为可能。


       一个干燥酶的水合过程大致经过以下四个步骤:加入的水首先与酶分子表面带电基团,即蛋白质中的离子结合,然后与酶分子表面的极性基团结合形成水簇,再凝聚到表面与水相互作用较弱的非极性基团,最后酶分子表面完全水化,被一层水分子覆盖。在上述四个步骤中起关键作用的是第一步骤,即酶分子表面带电基团的水化,它决定了一个蛋白质具有活性构象时所必需的最少的水分子。随着酶分子的进一步水化,酶构象表现出的柔性进一步增加。一般认为在水溶液中蛋白质分子折叠的结果,是使暴露在溶剂(水溶液)中的疏水基团减小到最低限度,这样蛋白质分子表面就可有较多的亲水极性基团和带电基团。水就通过和这些亲水基团的相互作用,形成氢键吸附在蛋白质表面,对保持酶的天然构象起平衡和稳定作用。同时也屏蔽了蛋白质分子表面极性基团之间的相互作用,使蛋白质分子在水中具有一定的柔性构象,从而显示出较高的酶活。而在无水的疏水性有机溶剂中,酶构象表现出很高的刚性并且没有催化活性,但这种刚性结构随着体系中水量的增加而减弱,当酶表面紧密结合了一层必需的水时,就会使酶分子形成具有催化作用所必需的柔性构象。

        酶的必需水含量因酶和溶剂而异,不同的酶需水量不同。同一种酶在不同的有机溶剂中需水量也不同,溶剂疏水性越强,需水量越少。一般认为,酶要与有机溶剂互相竞争水分子,以维持必要的水合状态。虽然在不同有机溶剂中,保持一定酶活力所需要的溶剂含水量差别很大,但在各种体系中酶呈现最佳活力时,体系中的热力学活度却是相近的。因此为了精确研究溶剂对酶反应的影响,比较不同溶剂中酶的活力,就应保持酶分子本身水化度不变。Hlig提出用水活度(a)来控制酶分子的水化度,这里a定义为在一定的温度和压力下,反应系统中的水蒸气压与同样条件下纯水蒸气压之比。水活度参数(aw)易测且可直接反映酶分子水分的多少,与体系中水含量及所用溶剂无关。
 

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