生物轉(zhuǎn)化的類型和機(jī)制

1、第二十二章第二十二章 生物轉(zhuǎn)化的類型和機(jī)制生物轉(zhuǎn)化的類型和機(jī)制 第一節(jié)第一節(jié) 生物轉(zhuǎn)化的定義與研究內(nèi)容生物轉(zhuǎn)化的定義與研究內(nèi)容 第二節(jié)第二節(jié) 生物轉(zhuǎn)化的基本類型生物轉(zhuǎn)化的基本類型 一、還原反應(yīng)一、還原反應(yīng) 二、氧化反應(yīng)二、氧化反應(yīng) 三、水解反應(yīng)三、水解反應(yīng) 四、轉(zhuǎn)移和裂合反應(yīng)四、轉(zhuǎn)移和裂合反應(yīng) 第三節(jié)第三節(jié) 參與藥物制備過程重要反應(yīng)酶類的作用機(jī)制參與藥物制備過程重要反應(yīng)酶類的作用機(jī)制 一、脂肪酶一、脂肪酶 二、環(huán)氧化物水解酶二、環(huán)氧化物水解酶 三、糖苷化酶三、糖苷化酶 第一節(jié)第一節(jié) 生物轉(zhuǎn)化的定義與研究內(nèi)生物轉(zhuǎn)化的定義與研究內(nèi) 容容 生物轉(zhuǎn)化的含義更強(qiáng)調(diào)的是：生物轉(zhuǎn)化的含義更強(qiáng)調(diào)的是： 用微生

2、物或酶來進(jìn)行藥物合成（或其他有機(jī)合用微生物或酶來進(jìn)行藥物合成（或其他有機(jī)合 成）過程中的某一步或幾步反應(yīng)，而那些直接成）過程中的某一步或幾步反應(yīng)，而那些直接 來源于微生物的代謝產(chǎn)物是微生物進(jìn)行來源于微生物的代謝產(chǎn)物是微生物進(jìn)行“從頭從頭 到尾到尾”的合成過程。的合成過程。 在許多國外文獻(xiàn)中經(jīng)常能夠看到 的描述這種技術(shù)的名詞有： microbial transformation; microbial conversion; Biotransformation Bioconversion Biocatalysis enzymation等。 微生物微生物(酶酶)轉(zhuǎn)化是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)

3、中的一個特殊的分支中的一個特殊的分支 微生物轉(zhuǎn)化的本質(zhì)是某種微生物將一種物質(zhì)微生物轉(zhuǎn)化的本質(zhì)是某種微生物將一種物質(zhì) （底物）轉(zhuǎn)化成為另一種物質(zhì)（產(chǎn)物）的過程，（底物）轉(zhuǎn)化成為另一種物質(zhì)（產(chǎn)物）的過程， 這一過程是由某種微生物產(chǎn)生的一種或幾種特這一過程是由某種微生物產(chǎn)生的一種或幾種特 殊的胞外或胞內(nèi)酶作為生物催化劑進(jìn)行的一種殊的胞外或胞內(nèi)酶作為生物催化劑進(jìn)行的一種 或幾種化學(xué)反應(yīng)，簡言之，即為一種利用微生或幾種化學(xué)反應(yīng)，簡言之，即為一種利用微生 物酶或微生物本身的合成技術(shù)。物酶或微生物本身的合成技術(shù)。 微生物微生物(酶酶)轉(zhuǎn)化是有機(jī)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化是有機(jī)化學(xué)反應(yīng) 中的一個特殊的分支中的一個特殊的分支

4、 這些具有生物催化劑作用的酶大多數(shù)對其微生這些具有生物催化劑作用的酶大多數(shù)對其微生 物的生命過程也是必需的，但在微生物轉(zhuǎn)化過物的生命過程也是必需的，但在微生物轉(zhuǎn)化過 程中，這些酶僅作為生物催化劑用于化學(xué)反應(yīng)。程中，這些酶僅作為生物催化劑用于化學(xué)反應(yīng)。 由于微生物產(chǎn)生的這些能夠被用于化學(xué)反應(yīng)的由于微生物產(chǎn)生的這些能夠被用于化學(xué)反應(yīng)的 大多數(shù)生物催化劑不僅能夠利用自身的底物及大多數(shù)生物催化劑不僅能夠利用自身的底物及 其類似物，且有時對外源添加的底物也具有同其類似物，且有時對外源添加的底物也具有同 樣的催化作用，即能催化非天然的反應(yīng)樣的催化作用，即能催化非天然的反應(yīng) （unnatural react

5、ions）。）。 在研究一個微生物（或酶）在研究一個微生物（或酶） 轉(zhuǎn)化過程時，需要考慮的問題轉(zhuǎn)化過程時，需要考慮的問題 所用轉(zhuǎn)化底物的選擇；所用轉(zhuǎn)化底物的選擇； 所用微生物對不同底物轉(zhuǎn)化能力的考察、轉(zhuǎn)化路線所用微生物對不同底物轉(zhuǎn)化能力的考察、轉(zhuǎn)化路線 或轉(zhuǎn)化反應(yīng)的選擇等；或轉(zhuǎn)化反應(yīng)的選擇等； 其中最主要的是尋找適合于所設(shè)計轉(zhuǎn)化過程的微生其中最主要的是尋找適合于所設(shè)計轉(zhuǎn)化過程的微生 物，以及如何來提高這種微生物的轉(zhuǎn)化能力，即提物，以及如何來提高這種微生物的轉(zhuǎn)化能力，即提 高這種酶活力；高這種酶活力； 再則是發(fā)現(xiàn)一種新的酶或一種新的反應(yīng)以便為設(shè)計再則是發(fā)現(xiàn)一種新的酶或一種新的反應(yīng)以便為設(shè)計 一個

6、新的微生物轉(zhuǎn)化過程提供一條線索。一個新的微生物轉(zhuǎn)化過程提供一條線索。 用于轉(zhuǎn)化的微生物或酶的多樣性用于轉(zhuǎn)化的微生物或酶的多樣性 用于微生物轉(zhuǎn)化的菌株或酶的篩選的范圍應(yīng)該用于微生物轉(zhuǎn)化的菌株或酶的篩選的范圍應(yīng)該 盡可能地廣，因為至目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了盡可能地廣，因為至目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 3000 余種余種能夠催化各種化學(xué)反應(yīng)的酶，其中能夠催化各種化學(xué)反應(yīng)的酶，其中 有些酶的催化效果比化學(xué)催化劑好；另外，微有些酶的催化效果比化學(xué)催化劑好；另外，微 生物的多樣性和其生理生化特性的多樣性（它生物的多樣性和其生理生化特性的多樣性（它 們能夠修飾和降解許許多多有機(jī)化合物），使們能夠修飾和降解許許多多有機(jī)化合

7、物），使 我們有可能找到某種微生物或酶來催化某種特我們有可能找到某種微生物或酶來催化某種特 定的和所期望的化學(xué)反應(yīng)。定的和所期望的化學(xué)反應(yīng)。 第二節(jié)第二節(jié) 生物轉(zhuǎn)化的基本類型生物轉(zhuǎn)化的基本類型 一、還原反應(yīng)一、還原反應(yīng) 脫氫酶被廣泛地用于醛和酮羰基以及烯烴碳脫氫酶被廣泛地用于醛和酮羰基以及烯烴碳- 碳雙鍵的還原，這種生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)可使?jié)撌中蕴茧p鍵的還原，這種生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)可使?jié)撌中?底物轉(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物，如圖所示。底物轉(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物，如圖所示。 面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶能催化酮不面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶能催化酮不 對稱還原，其還原產(chǎn)物仲醇的對映體過量率接對稱還原，其還原產(chǎn)物仲醇的對映體過

8、量率接 近近100%。 脫氫酶催化的還原反應(yīng)脫氫酶催化的還原反應(yīng) 生物轉(zhuǎn)化中常用的一些脫氫酶生物轉(zhuǎn)化中常用的一些脫氫酶 脫氫酶名稱脫氫酶名稱特異性特異性反應(yīng)所需的輔酶反應(yīng)所需的輔酶商品化商品化 酵母醇脫氫酶酵母醇脫氫酶PrelogNADH+ 馬肝醇脫氫酶馬肝醇脫氫酶PrelogNADH+ 布氏熱厭氧菌醇脫氫布氏熱厭氧菌醇脫氫 酶酶 PrelogNADPH+ 羥基甾體醇脫氫酶羥基甾體醇脫氫酶PrelogNADH+ 彎孢菌脫氫酶彎孢菌脫氫酶PrelogNADPH- 乳桿菌屬的乳桿菌屬的 Lactobacillus kefir 醇脫氫酶醇脫氫酶 Anti-PrelogNADPH+ 爪哇毛霉醇脫氫酶爪

9、哇毛霉醇脫氫酶Anti-PrelogNADPH- 甲單胞菌屬醇脫氫酶甲單胞菌屬醇脫氫酶Anti-PrelogNADPH- 二、氧化反應(yīng)二、氧化反應(yīng) 氧化反應(yīng)是向有機(jī)化合物分子中引入功能基團(tuán)氧化反應(yīng)是向有機(jī)化合物分子中引入功能基團(tuán) 的重要反應(yīng)之一。的重要反應(yīng)之一。 生物催化的氧化反應(yīng)主要由三大類酶：生物催化的氧化反應(yīng)主要由三大類酶：單加氧單加氧 酶、雙加氧酶和氧化酶酶、雙加氧酶和氧化酶，它們所催化的反應(yīng)如，它們所催化的反應(yīng)如 圖所示。圖所示。 二、氧化反應(yīng)二、氧化反應(yīng) 單加氧酶和雙加氧酶直接在底物分子中加氧，而氧化單加氧酶和雙加氧酶直接在底物分子中加氧，而氧化 酶是催化底物脫氫，脫下的氫再與氧結(jié)

10、合生成水或過酶是催化底物脫氫，脫下的氫再與氧結(jié)合生成水或過 氧化氫。氧化氫。 脫氫酶與氧化酶相似，也是催化底物脫氫，但它催化脫氫酶與氧化酶相似，也是催化底物脫氫，但它催化 脫下的氫與氧化態(tài)脫下的氫與氧化態(tài)NAD(P)+結(jié)合，而不是與氧結(jié)合，結(jié)合，而不是與氧結(jié)合， 這是兩者的主要區(qū)別。氧化反應(yīng)表面上看是加氧或脫這是兩者的主要區(qū)別。氧化反應(yīng)表面上看是加氧或脫 氫，其本質(zhì)是電子的得失。氫，其本質(zhì)是電子的得失。 單加氧酶、雙加氧酶和氧化酶是催化底物氧化失去電單加氧酶、雙加氧酶和氧化酶是催化底物氧化失去電 子，并將電子交給氧，即氧是電子受體；脫氫酶催化子，并將電子交給氧，即氧是電子受體；脫氫酶催化 底物

11、失去電子，它將電子交給底物失去電子，它將電子交給NAD(P)+，然后還原型，然后還原型 NAD(P)H再通過呼吸鏈或再通過呼吸鏈或NAD(P)H氧化酶將電子最氧化酶將電子最 終交給氧并生成水。終交給氧并生成水。 Sub + NAD(P)H + H+ + O2SubO + NAD(P)+ + H2O Sub + O2SubO2 O2 + 2e-O22-H2O2 +2H+ O2 + 4e- 2O2-2H2O +4H+ Sub = 底物 生物催化的氧化反應(yīng)類型生物催化的氧化反應(yīng)類型 1、單加氧酶催化的氧化反應(yīng)、單加氧酶催化的氧化反應(yīng) 單加氧酶（單加氧酶（mono-oxygenases）可以使氧分）可

12、以使氧分 子（子（O2）中的一個氧原子加入到底物分子中，）中的一個氧原子加入到底物分子中， 另一個氧原子使還原型另一個氧原子使還原型NADH或或NADPH氧化氧化 并產(chǎn)生水（并產(chǎn)生水（H2O）。單加氧酶在生物催化的手）。單加氧酶在生物催化的手 性合成中有著重要的應(yīng)用，圖所示為該酶催化性合成中有著重要的應(yīng)用，圖所示為該酶催化 的一些反應(yīng)類型。的一些反應(yīng)類型。 單加氧酶所催化的一些反應(yīng)類型單加氧酶所催化的一些反應(yīng)類型 Sub + NAD(P)H + H+ + O2SubO + NAD(P)+ + H2O 單加氧酶 輔酶循環(huán) CHCOH H OH O R1R2 O R1O R2 R O R RnX

13、RnXO X=N, S, Se, P 底物底物產(chǎn)物產(chǎn)物反應(yīng)類型反應(yīng)類型輔酶類輔酶類 型型 烷烴烷烴醇醇羥化羥化金屬金屬 芳香烴芳香烴酚酚羥化羥化金屬金屬 烷基烴烷基烴環(huán)氧環(huán)氧 化物化物 環(huán)氧化環(huán)氧化金屬金屬 含雜含雜 原子原子 化合物化合物 雜原雜原 子氧子氧 化物化物 雜原子氧化雜原子氧化黃素黃素 酮酮酯或酯或 內(nèi)酯內(nèi)酯 Baeyer- Villiger 黃素黃素 羥化反應(yīng)是一類重要的氧化反應(yīng)羥化反應(yīng)是一類重要的氧化反應(yīng) 碳?xì)浠衔镏蟹腔顫姷奶細(xì)浠衔镏蟹腔顫姷腃H鍵的羥化是一種非鍵的羥化是一種非 常有用的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)合成常有用的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)，傳統(tǒng)的有機(jī)化學(xué)合成 方法幾乎不能

14、進(jìn)行這樣直接的羥化反應(yīng)。但很方法幾乎不能進(jìn)行這樣直接的羥化反應(yīng)。但很 多微生物能夠直接進(jìn)行烷烴和芳香烴的羥化反多微生物能夠直接進(jìn)行烷烴和芳香烴的羥化反 應(yīng)，其中工業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的是甾體的羥化應(yīng)，其中工業(yè)化應(yīng)用最為廣泛的是甾體的羥化 反應(yīng)。反應(yīng)。 環(huán)氧化反應(yīng)環(huán)氧化反應(yīng) 手性環(huán)氧化合物是一種重要的手性合成前體，可與多手性環(huán)氧化合物是一種重要的手性合成前體，可與多 種親核試劑反應(yīng)產(chǎn)生重要的中間體。種親核試劑反應(yīng)產(chǎn)生重要的中間體。 單加氧酶催化的烯烴環(huán)氧化反應(yīng)可用于制備小分子環(huán)單加氧酶催化的烯烴環(huán)氧化反應(yīng)可用于制備小分子環(huán) 氧化合物，其中有些產(chǎn)物是傳統(tǒng)的化學(xué)方法所不能制氧化合物，其中有些產(chǎn)物是傳統(tǒng)的

15、化學(xué)方法所不能制 備的。備的。 另外，由單加氧酶催化的硫醚的氧化反應(yīng)也是非常重另外，由單加氧酶催化的硫醚的氧化反應(yīng)也是非常重 要的，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多能夠催化這類反應(yīng)的微生物。要的，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多能夠催化這類反應(yīng)的微生物。 拜爾拜爾-維利格反應(yīng)（維利格反應(yīng)（Baeyer-Villiger） 由單加氧酶催化的另一個非常重要的反應(yīng)就是由單加氧酶催化的另一個非常重要的反應(yīng)就是 拜爾拜爾-維利格反應(yīng)（維利格反應(yīng)（Baeyer-Villiger）。該反）。該反 應(yīng)是指利用過氧羧酸氧化酮生成酯或內(nèi)酯，這應(yīng)是指利用過氧羧酸氧化酮生成酯或內(nèi)酯，這 是一個具有很高應(yīng)用價值的有機(jī)合成反應(yīng)。是一個具有很高應(yīng)用價值的有機(jī)

16、合成反應(yīng)。 2、雙加氧酶催化的氧化反應(yīng)、雙加氧酶催化的氧化反應(yīng) 雙加氧酶（雙加氧酶（dioxygenases），有稱雙氧酶，能），有稱雙氧酶，能 催化氧分子中的兩個氧原子加入到一個底物分催化氧分子中的兩個氧原子加入到一個底物分 子中。這類酶一般含有緊密結(jié)合的鐵原子，如子中。這類酶一般含有緊密結(jié)合的鐵原子，如 血紅素鐵，其催化的典型反應(yīng)有以下三種（如血紅素鐵，其催化的典型反應(yīng)有以下三種（如 圖所示）。圖所示）。 雙加氧酶催化的氧化反應(yīng)雙加氧酶催化的氧化反應(yīng) Sub +O2 Sub 還原 e.g.NaBH4 SubOH Sub +O2 雙氧酶 Sub （氫過氧化物） e.g.NaBH4 還原 Su

17、b (內(nèi)過氧化物) O OH OH O O2 雙氧酶 O O OH OH + (dioxetane) 還原酶 2H OOH 雙氧酶 雙加氧酶催化的氧化反應(yīng)雙加氧酶催化的氧化反應(yīng) 雙加氧酶催化的反應(yīng)有烯烴的氫過氧化反應(yīng)。雙加氧酶催化的反應(yīng)有烯烴的氫過氧化反應(yīng)。 烯烴可被一種雙加氧酶烯烴可被一種雙加氧酶-脂氧酶氧化為脂質(zhì)氫脂氧酶氧化為脂質(zhì)氫 過氧化物，其對細(xì)胞具有毒性，并能引起病變。過氧化物，其對細(xì)胞具有毒性，并能引起病變。 脂質(zhì)氫過氧化物能被過氧化物酶還原為醇。大脂質(zhì)氫過氧化物能被過氧化物酶還原為醇。大 豆脂氧酶能夠催化天然的亞油酸的氧化并不有豆脂氧酶能夠催化天然的亞油酸的氧化并不有 很高選擇性

18、，同時對非天然的底物也能夠進(jìn)行很高選擇性，同時對非天然的底物也能夠進(jìn)行 同樣的催化反應(yīng)。同樣的催化反應(yīng)。 過氧化物酶過氧化物酶 過氧化物酶能夠催化過氧化氫化許多芳香族胺過氧化物酶能夠催化過氧化氫化許多芳香族胺 或酚類化合物，也有的過氧化物酶能夠用于特或酚類化合物，也有的過氧化物酶能夠用于特 定構(gòu)型仲醇的制備。定構(gòu)型仲醇的制備。 同樣，由于過氧化酶的立體選擇性，此酶還可同樣，由于過氧化酶的立體選擇性，此酶還可 用于消旋體氫過氧化物的拆分。用于消旋體氫過氧化物的拆分。 雙加氧酶在能夠用于制備順式環(huán)狀二醇和順式雙加氧酶在能夠用于制備順式環(huán)狀二醇和順式 環(huán)狀連二醇，這些手性化合物具有很多的用途。環(huán)狀連

19、二醇，這些手性化合物具有很多的用途。 3、氧化酶和脫氫酶的催化反應(yīng)、氧化酶和脫氫酶的催化反應(yīng) 氧化酶催化電子轉(zhuǎn)移到分子氧中，以氧作為電子受體，氧化酶催化電子轉(zhuǎn)移到分子氧中，以氧作為電子受體， 最終生成水或過氧化氫。最終生成水或過氧化氫。 氧化酶有黃素蛋白氧化酶（氨基酸氧化酶、葡萄糖氧氧化酶有黃素蛋白氧化酶（氨基酸氧化酶、葡萄糖氧 化酶）、金屬黃素蛋白氧化酶（醛氧化酶）和血紅素化酶）、金屬黃素蛋白氧化酶（醛氧化酶）和血紅素 蛋白氧化酶（過氧化氫酶、過氧化物酶）等。蛋白氧化酶（過氧化氫酶、過氧化物酶）等。 其中有些具有重要的應(yīng)用價值。其中有些具有重要的應(yīng)用價值。 脫氫酶脫氫酶 可以催化氧化和還原雙

20、向可逆反應(yīng)，一般以催可以催化氧化和還原雙向可逆反應(yīng)，一般以催 化還原反應(yīng)為主，但根據(jù)需要設(shè)計反應(yīng)條件可化還原反應(yīng)為主，但根據(jù)需要設(shè)計反應(yīng)條件可 以使還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氧化反應(yīng)。脫氫酶能夠催以使還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氧化反應(yīng)。脫氫酶能夠催 化多元醇分子中的某一羥基區(qū)域選擇性氧化，化多元醇分子中的某一羥基區(qū)域選擇性氧化， 而化學(xué)方法需要對多元醇中的其他羥基進(jìn)行保而化學(xué)方法需要對多元醇中的其他羥基進(jìn)行保 護(hù)和脫保護(hù)的反應(yīng)。另外，某些脫氫酶能夠催護(hù)和脫保護(hù)的反應(yīng)。另外，某些脫氫酶能夠催 化消旋體醇對映體選擇性地氧化而用于拆分。化消旋體醇對映體選擇性地氧化而用于拆分。 三、水解反應(yīng)三、水解反應(yīng) 水解酶（水解酶（hy

21、drolases，EC 3.x.x.x）是最常）是最常 用的生物催化劑，占生物催化反應(yīng)用酶的用的生物催化劑，占生物催化反應(yīng)用酶的65% 左右。它們能夠水解酯、酰胺、蛋白質(zhì)、核酸、左右。它們能夠水解酯、酰胺、蛋白質(zhì)、核酸、 多糖、環(huán)氧化物和腈等化合物，這些反應(yīng)的形多糖、環(huán)氧化物和腈等化合物，這些反應(yīng)的形 式如圖所示。式如圖所示。 其中酯酶、脂肪酶和蛋白酶是生物催化手性合其中酯酶、脂肪酶和蛋白酶是生物催化手性合 成中最常用的水解酶。成中最常用的水解酶。 生物催化的水解反應(yīng)的類型生物催化的水解反應(yīng)的類型 O OR1R O O-R O RR1 HO RR1 OH RCN O RO- H2N H N O

22、 CO2- H2NCO2-H2NCO2- R2 R1 R1R2 + H2O R1OH H2O + + + + + 2H2O NH3 H2O 酯酶或脂肪酶 環(huán)氧化物水解酶 腈水解酶 蛋白酶 糖苷酶 (Glc- -1,4-Glc)n +H2O Glc+ (Glc- -1,4-Glc)n-1 1、酯水解、酯水解 用于酯水解的酯酶有豬肝酯酶、微生物酯酶用于酯水解的酯酶有豬肝酯酶、微生物酯酶 （苦草桿菌、產(chǎn)氨短桿菌、凝結(jié)芽孢桿菌、豆（苦草桿菌、產(chǎn)氨短桿菌、凝結(jié)芽孢桿菌、豆 醬比赤氏酵母和黑根霉等）、具有酯酶活性的醬比赤氏酵母和黑根霉等）、具有酯酶活性的 蛋白酶（蛋白酶（ -胰凝乳蛋白酶、苦草桿菌蛋白酶、

23、胰凝乳蛋白酶、苦草桿菌蛋白酶、 青霉素?；浮⒚浊沟鞍酌负突疑溍咕扒嗝顾仵；浮⒚浊沟鞍酌负突疑溍咕?白酶等），以及脂肪酶（豬胰腺脂肪酶、假絲白酶等），以及脂肪酶（豬胰腺脂肪酶、假絲 酵母屬脂肪酶、假單胞菌屬脂肪酶毛霉屬脂肪酵母屬脂肪酶、假單胞菌屬脂肪酶毛霉屬脂肪 酶等）。酶等）。 2、環(huán)氧化物水解、環(huán)氧化物水解 環(huán)氧化物是一類重要的有機(jī)化合物，是許多生物活性環(huán)氧化物是一類重要的有機(jī)化合物，是許多生物活性 物質(zhì)合成的原料。物質(zhì)合成的原料。 環(huán)氧化物水解酶能夠催化環(huán)氧化物進(jìn)行區(qū)域或?qū)τ尺x環(huán)氧化物水解酶能夠催化環(huán)氧化物進(jìn)行區(qū)域或?qū)τ尺x 擇性水解，從而通過生物拆分法制備所需構(gòu)型的環(huán)氧擇性

24、水解，從而通過生物拆分法制備所需構(gòu)型的環(huán)氧 化物。化物。 生物催化的烯烴環(huán)氧化反應(yīng)也能夠直接制備光學(xué)純的生物催化的烯烴環(huán)氧化反應(yīng)也能夠直接制備光學(xué)純的 環(huán)氧化物。環(huán)氧化物。 用于生物轉(zhuǎn)化的環(huán)氧化物水解酶有肝微粒體環(huán)氧化物用于生物轉(zhuǎn)化的環(huán)氧化物水解酶有肝微粒體環(huán)氧化物 水解酶和微生物環(huán)氧化物水解酶。水解酶和微生物環(huán)氧化物水解酶。 3、腈水解、腈水解 含有腈基的有機(jī)化合物是一類重要的原料。天然腈含有腈基的有機(jī)化合物是一類重要的原料。天然腈 存在于植物、真菌、細(xì)菌、藻類、海綿、昆蟲甚至存在于植物、真菌、細(xì)菌、藻類、海綿、昆蟲甚至 哺乳動物中。哺乳動物中。 腈水解可通過腈水解酶和腈水合酶兩種不同的酶來

25、腈水解可通過腈水解酶和腈水合酶兩種不同的酶來 實現(xiàn)。實現(xiàn)。 脂肪族腈一般先在腈水合酶催化下生成相應(yīng)的酰胺，脂肪族腈一般先在腈水合酶催化下生成相應(yīng)的酰胺， 然后再經(jīng)過酰胺酶或蛋白酶水解為羧酸。然后再經(jīng)過酰胺酶或蛋白酶水解為羧酸。 芳香族、雜環(huán)和不飽和脂肪腈一般被腈水解酶直接芳香族、雜環(huán)和不飽和脂肪腈一般被腈水解酶直接 水解產(chǎn)生羧酸，而不形成中間體酰胺。水解產(chǎn)生羧酸，而不形成中間體酰胺。 4、酰胺水解、酰胺水解 多肽和蛋白質(zhì)是由氨基酸通過酰胺鍵（肽鍵）相互多肽和蛋白質(zhì)是由氨基酸通過酰胺鍵（肽鍵）相互 連接形成的大分子。連接形成的大分子。L-氨基酸被廣泛用于醫(yī)藥、食氨基酸被廣泛用于醫(yī)藥、食 品和手性

26、合成中。品和手性合成中。 近年來，一些非天然近年來，一些非天然D-氨基酸被用作手性化合物合氨基酸被用作手性化合物合 成的前體，成的前體，D苯苷氨酸、苯苷氨酸、D-對羥基苯苷氨酸是對羥基苯苷氨酸是 -內(nèi)內(nèi) 酰胺類抗生素的常用側(cè)鏈。酰胺類抗生素的常用側(cè)鏈。 4、酰胺水解、酰胺水解 氨基酸制備一般有微生物發(fā)酵法、化學(xué)合成法氨基酸制備一般有微生物發(fā)酵法、化學(xué)合成法 和酶法三種。和酶法三種。 其中用酶法合成對映體純氨基酸主要有如圖所其中用酶法合成對映體純氨基酸主要有如圖所 示的示的三種方法：三種方法： 水解酶催化消旋體拆分；水解酶催化消旋體拆分； 裂合酶催化不對稱氨加成；裂合酶催化不對稱氨加成； 脫氫酶

27、催化不對稱還原胺化反應(yīng)。脫氫酶催化不對稱還原胺化反應(yīng)。 COOR1 R NHR2 H2N COOH R COOH O R R COOH DL L 脫氫酶 水解酶 裂合酶 R烷基、芳基；R1Me，Et，NH2，H R2?；?酶法制備酶法制備L- -氨基酸的三種方法氨基酸的三種方法 工業(yè)上常用的酰胺水解酶有：工業(yè)上常用的酰胺水解酶有： 酰胺酶（酰胺酶（amidase）又稱氨基肽酶）又稱氨基肽酶，其能催化消旋，其能催化消旋 體氨基酸酰胺選擇性水解生成體氨基酸酰胺選擇性水解生成L-氨基酸；氨基酸； 氨基?；福ò被；福╝cylase），），其能選擇性地催化其能選擇性地催化L-N- ?；被崴?，

28、如這類酶能夠催化消旋體?；被崴?，如這類酶能夠催化消旋體N-乙酰乙酰 色氨酸和色氨酸和N-乙酰苯丙氨酸水解拆分制備乙酰苯丙氨酸水解拆分制備L-苯丙氨酸苯丙氨酸 和和L-色氨酸；色氨酸； 乙內(nèi)酰脲酶俗稱海因酶乙內(nèi)酰脲酶俗稱海因酶，這類酶在體內(nèi)負(fù)責(zé)催化嘧，這類酶在體內(nèi)負(fù)責(zé)催化嘧 啶堿基代謝中二氫嘧啶環(huán)的水解開環(huán)反應(yīng)，故又稱啶堿基代謝中二氫嘧啶環(huán)的水解開環(huán)反應(yīng)，故又稱 二氫嘧啶酶，常用的海因酶與酰胺酶和?；覆煌溧奏っ?，常用的海因酶與酰胺酶和?；覆煌?， 它優(yōu)先水解它優(yōu)先水解D-型對映體，屬型對映體，屬D-海因酶；海因酶； 內(nèi)酰胺酶，內(nèi)酰胺酶，其可用于消旋體內(nèi)酰胺的水解拆分，這其可用于消旋

29、體內(nèi)酰胺的水解拆分，這 些單一對映體的產(chǎn)物是合成很多生理活性物質(zhì)的重些單一對映體的產(chǎn)物是合成很多生理活性物質(zhì)的重 要中間體。要中間體。 四、轉(zhuǎn)移和裂合反應(yīng)四、轉(zhuǎn)移和裂合反應(yīng) 在生物催化中最為常用的酶為氧化還原酶和水解酶，在生物催化中最為常用的酶為氧化還原酶和水解酶， 其在催化手性合成反應(yīng)中約占其在催化手性合成反應(yīng)中約占90%左右。左右。 然而，其他四大類酶然而，其他四大類酶轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、異構(gòu)酶轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、異構(gòu)酶 和連接酶（合成酶）和連接酶（合成酶）在生物催化中也有著重要的應(yīng)在生物催化中也有著重要的應(yīng) 用，它們能催化用，它們能催化CC、CN、CO以及以及C=C和和 C=O等化學(xué)鍵的生成或裂

30、解反應(yīng)。等化學(xué)鍵的生成或裂解反應(yīng)。 1、轉(zhuǎn)移反應(yīng)、轉(zhuǎn)移反應(yīng) 轉(zhuǎn)移酶（轉(zhuǎn)移酶（transferases，EC 2.x.x.x）是一類常）是一類常 見的生物催化劑，它所催化的轉(zhuǎn)移反應(yīng)如下式所示。見的生物催化劑，它所催化的轉(zhuǎn)移反應(yīng)如下式所示。 這類酶催化的底物有氨基酸、酮酸、核苷酸和糖等這類酶催化的底物有氨基酸、酮酸、核苷酸和糖等 化合物，其中糖基轉(zhuǎn)移酶已被用來制備新型的糖。化合物，其中糖基轉(zhuǎn)移酶已被用來制備新型的糖。 XY + Z 轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶 X + ZY 糖苷化酶（糖苷化酶（glycosidses） 糖苷化酶能催化糖苷鍵的水解，故又稱糖水解酶糖苷化酶能催化糖苷鍵的水解，故又稱糖水解酶 （gly

31、cohydrolases）。該酶不需要任何輔酶，是）。該酶不需要任何輔酶，是 真正的水解酶。這種水解酶有兩種類型：外糖苷化真正的水解酶。這種水解酶有兩種類型：外糖苷化 酶和內(nèi)糖苷化酶，前者僅水解末端糖苷鍵，后者可酶和內(nèi)糖苷化酶，前者僅水解末端糖苷鍵，后者可 水解糖鏈中部的糖苷鍵。水解糖鏈中部的糖苷鍵。 由糖苷化酶水解的逆反應(yīng)可用于糖苷的合成，利用由糖苷化酶水解的逆反應(yīng)可用于糖苷的合成，利用 游離單糖作為底物直接進(jìn)行糖苷合成反應(yīng)稱為直接游離單糖作為底物直接進(jìn)行糖苷合成反應(yīng)稱為直接 糖基化，這是一個熱力學(xué)控制的反應(yīng)。由于反應(yīng)的糖基化，這是一個熱力學(xué)控制的反應(yīng)。由于反應(yīng)的 平衡常數(shù)有利于水解反應(yīng)，因

32、此必須采用高濃度的平衡常數(shù)有利于水解反應(yīng)，因此必須采用高濃度的 單糖和親核試劑，反應(yīng)產(chǎn)率一般很低，產(chǎn)物為粘稠單糖和親核試劑，反應(yīng)產(chǎn)率一般很低，產(chǎn)物為粘稠 糖漿。糖漿。 2、裂合反應(yīng)、裂合反應(yīng) 裂合酶裂合酶（lyases，EC 4.x.x.x）能催化一種化合物）能催化一種化合物 裂為兩種化合物或其逆反應(yīng)。裂為兩種化合物或其逆反應(yīng)。 這類酶包括這類酶包括醛縮酶、水合酶和脫羧酶醛縮酶、水合酶和脫羧酶等。裂合酶在等。裂合酶在 工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用，它們能催化工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用，它們能催化CC、 CN和和CO等鍵的裂合和生成，有時還伴隨雙鍵等鍵的裂合和生成，有時還伴隨雙鍵 的形成。的形成。 裂

33、合酶的逆反應(yīng)也有很高的工業(yè)應(yīng)用價值，如工業(yè)裂合酶的逆反應(yīng)也有很高的工業(yè)應(yīng)用價值，如工業(yè) 上應(yīng)用苯丙氨酸氨裂解酶和天冬氨酸酶催化合成上應(yīng)用苯丙氨酸氨裂解酶和天冬氨酸酶催化合成L- 苯丙氨酸和苯丙氨酸和L-天冬氨酸。天冬氨酸。 醛縮酶醛縮酶 醛縮酶（醛縮酶（aldolases）能催化不對稱）能催化不對稱CC鍵的鍵的 形成，并能使分子延長形成，并能使分子延長23個碳單位，對有機(jī)個碳單位，對有機(jī) 合成極為有用。該酶常用于糖的合成，如氨基合成極為有用。該酶常用于糖的合成，如氨基 糖、硫代糖和二糖類似物的合成。醛縮酶的底糖、硫代糖和二糖類似物的合成。醛縮酶的底 物專一性不高，能催化多種底物反應(yīng)物專一性不高

34、，能催化多種底物反應(yīng)。 轉(zhuǎn)酮醇酶轉(zhuǎn)酮醇酶 轉(zhuǎn)酮醇酶轉(zhuǎn)酮醇酶（transketolase）以）以Mg2+和焦磷酸硫胺和焦磷酸硫胺 素（素（TPP）為輔酶，催化羥甲基酮基從一個磷酸酮）為輔酶，催化羥甲基酮基從一個磷酸酮 糖分子轉(zhuǎn)移到另一個磷酸醛糖分子中，該酶催化醛糖分子轉(zhuǎn)移到另一個磷酸醛糖分子中，該酶催化醛 糖鏈立體選擇性地延伸兩個碳單位，她是很有前途糖鏈立體選擇性地延伸兩個碳單位，她是很有前途 的生物催化劑。的生物催化劑。偶姻反應(yīng)偶姻反應(yīng)（acyloin reactions）是）是 指兩個分子醛縮合形成酮醇的反應(yīng)，如兩分子丁醛指兩個分子醛縮合形成酮醇的反應(yīng)，如兩分子丁醛 縮合形成丁偶姻（縮合形成

35、丁偶姻（C3H7-CHOHCOC3H7）。）。 3、加成和消去反應(yīng)、加成和消去反應(yīng) 裂合酶還可以催化小分子化合物如水和氣惱不對稱裂合酶還可以催化小分子化合物如水和氣惱不對稱 加成到加成到C=C雙鍵，以及氫氰酸加成到雙鍵，以及氫氰酸加成到C=O鍵上。鍵上。 由由醇腈酶醇腈酶（oxynitrilase）催化的氰醇反應(yīng)所生成的）催化的氰醇反應(yīng)所生成的 手性氰醇，是合成除蟲菊酯類沙蟲劑的醇基部分。手性氰醇，是合成除蟲菊酯類沙蟲劑的醇基部分。 3、加成和消去反應(yīng)、加成和消去反應(yīng) 這類酶催化反應(yīng)還包括：水和氨的加成反應(yīng)這類酶催化反應(yīng)還包括：水和氨的加成反應(yīng) （如利用不同的微生物細(xì)胞能夠?qū)Σ煌〈模ㄈ缋?/p>

36、不同的微生物細(xì)胞能夠?qū)Σ煌〈?碳碳雙鍵進(jìn)行加水反應(yīng)，具有很好的手性合成碳碳雙鍵進(jìn)行加水反應(yīng)，具有很好的手性合成 應(yīng)用前景）、應(yīng)用前景）、Michael加成反應(yīng)、鹵化反應(yīng)和加成反應(yīng)、鹵化反應(yīng)和 脫鹵素反應(yīng)等。脫鹵素反應(yīng)等。 第三節(jié)第三節(jié) 參與藥物制備過程重要反應(yīng)的酶類及作用機(jī)制參與藥物制備過程重要反應(yīng)的酶類及作用機(jī)制 已經(jīng)研究和應(yīng)用了各種各樣的微生物來源酶于已經(jīng)研究和應(yīng)用了各種各樣的微生物來源酶于 有關(guān)藥物制備和其他精細(xì)化學(xué)品的制備，特別有關(guān)藥物制備和其他精細(xì)化學(xué)品的制備，特別 是在消旋體的拆分、不對稱合成，以及其他復(fù)是在消旋體的拆分、不對稱合成，以及其他復(fù) 雜化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用。雜化學(xué)反應(yīng)中

37、的應(yīng)用。 盡管經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)都能夠?qū)崿F(xiàn)這些過程，但盡管經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)都能夠?qū)崿F(xiàn)這些過程，但 用于酶催化反應(yīng)的微生物資源的可再生性、反用于酶催化反應(yīng)的微生物資源的可再生性、反 應(yīng)過程的環(huán)境友好性，以及其他化學(xué)反應(yīng)無法應(yīng)過程的環(huán)境友好性，以及其他化學(xué)反應(yīng)無法 比擬的優(yōu)越性，愈來愈多化學(xué)反應(yīng)將被酶促反比擬的優(yōu)越性，愈來愈多化學(xué)反應(yīng)將被酶促反 應(yīng)所取代。這些酶類參與的反應(yīng)涉及到如下幾應(yīng)所取代。這些酶類參與的反應(yīng)涉及到如下幾 個方面。個方面。 1、生物催化拆分、生物催化拆分 生物催化拆分生物催化拆分（biocatalytic resolutions），即為），即為 利用酶對對映異構(gòu)體中的一種手性分子具有

38、特異性利用酶對對映異構(gòu)體中的一種手性分子具有特異性 的催化作用，而對對映異構(gòu)體中的另一種手性分子的催化作用，而對對映異構(gòu)體中的另一種手性分子 不起作用這樣的特性，將具有催化特異性的一種對不起作用這樣的特性，將具有催化特異性的一種對 映異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為所希望的對映體純的產(chǎn)物映異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為所希望的對映體純的產(chǎn)物/中間體。中間體。 至今為止，在生物催化拆分中使用最多的是水解酶。至今為止，在生物催化拆分中使用最多的是水解酶。 1、生物催化拆分、生物催化拆分 從經(jīng)濟(jì)的角度看，利用水解酶進(jìn)行拆分是不合從經(jīng)濟(jì)的角度看，利用水解酶進(jìn)行拆分是不合 算的，因為從理論上講，其最高得率僅為算的，因為從理論上講，其最高得率

39、僅為50。 這一不足從理論上講，通過有效地結(jié)合外消旋這一不足從理論上講，通過有效地結(jié)合外消旋 化可以來彌補(bǔ)。這種通過外消旋化來得到單一化可以來彌補(bǔ)。這種通過外消旋化來得到單一 對映體的方法，即為對映體的方法，即為動態(tài)動力學(xué)拆分動態(tài)動力學(xué)拆分 （dynamic kinetic resolution）。）。 外消旋化可以自發(fā)進(jìn)行，如乙內(nèi)酰脲；也可以外消旋化可以自發(fā)進(jìn)行，如乙內(nèi)酰脲；也可以 通過改變反應(yīng)條件，如通過改變反應(yīng)條件，如pH和溫度；或者通過和溫度；或者通過 使用外消旋酶來進(jìn)行。使用外消旋酶來進(jìn)行。 2、對映體會聚轉(zhuǎn)化、對映體會聚轉(zhuǎn)化 另外一條能夠得到另外一條能夠得到100%對映體轉(zhuǎn)化收率的

40、不同路線對映體轉(zhuǎn)化收率的不同路線 是是對映體會聚轉(zhuǎn)化對映體會聚轉(zhuǎn)化（enantioconvergent transformations），即或是利用兩種對映體互補(bǔ)的），即或是利用兩種對映體互補(bǔ)的 酶進(jìn)行不同區(qū)域特異性的轉(zhuǎn)化，或是結(jié)合使用酶催化酶進(jìn)行不同區(qū)域特異性的轉(zhuǎn)化，或是結(jié)合使用酶催化 和化學(xué)催化的方法，使得到和化學(xué)催化的方法，使得到100%的轉(zhuǎn)化收率。的轉(zhuǎn)化收率。 前一種方法的適用范圍不廣，后一種方法已經(jīng)在（前一種方法的適用范圍不廣，后一種方法已經(jīng)在（R） -Nifenalol（硝苯洛爾）的制備過程中獲得了成功，（硝苯洛爾）的制備過程中獲得了成功， 其利用環(huán)氧化物水解酶催化和硫酸催化相結(jié)合

41、的方法其利用環(huán)氧化物水解酶催化和硫酸催化相結(jié)合的方法 （如圖所示）。（如圖所示）。 利用化學(xué)利用化學(xué)-酶水解對酶水解對-硝基苯乙烯氧化物對映體會聚合硝基苯乙烯氧化物對映體會聚合 成（成（R）-Nifenalol的途徑的途徑 3、去對稱化反應(yīng)、去對稱化反應(yīng) 利用不同的水解酶或水合酶進(jìn)行利用不同的水解酶或水合酶進(jìn)行去對稱化去對稱化 （desymmetrization），），是一種非常有效的特異性是一種非常有效的特異性 反應(yīng)。一個對稱的前手性分子，利用某一種特定的反應(yīng)。一個對稱的前手性分子，利用某一種特定的 酶促僅對分子中的一個功能基團(tuán)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，最酶促僅對分子中的一個功能基團(tuán)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，最 終

42、得到一個所期望的手性分子，這就是去對稱化。終得到一個所期望的手性分子，這就是去對稱化。 圖所示為美國圖所示為美國Schering-Plough公司利用脂肪酶，對公司利用脂肪酶，對 2-取代取代-1,3-丙二醇進(jìn)行去對稱化轉(zhuǎn)化，最終得到丙二醇進(jìn)行去對稱化轉(zhuǎn)化，最終得到 合成抗真菌藥物合成抗真菌藥物SCH1048的關(guān)鍵手性中間體。的關(guān)鍵手性中間體。 利用脂肪酶對利用脂肪酶對2-取代取代-1,3-丙二醇進(jìn)行丙二醇進(jìn)行 去對稱化的轉(zhuǎn)化反應(yīng)去對稱化的轉(zhuǎn)化反應(yīng) 4、不對稱合成、不對稱合成 相對于生物催化拆分，用于生物催化不對稱合相對于生物催化拆分，用于生物催化不對稱合 成的底物是一種成的底物是一種前手性前

43、體前手性前體，其通過對映體加，其通過對映體加 成反應(yīng)，可以被轉(zhuǎn)化為所期望的光學(xué)活性化合成反應(yīng)，可以被轉(zhuǎn)化為所期望的光學(xué)活性化合 物。與去對稱化反應(yīng)相似，這些反應(yīng)具有產(chǎn)生物。與去對稱化反應(yīng)相似，這些反應(yīng)具有產(chǎn)生 定量收率的所期望的光學(xué)活性化合物。定量收率的所期望的光學(xué)活性化合物。 參與藥物制備過程重要反應(yīng)的酶的種類很參與藥物制備過程重要反應(yīng)的酶的種類很 多，以下就脂肪酶、環(huán)氧化物水解酶和糖苷化多，以下就脂肪酶、環(huán)氧化物水解酶和糖苷化 酶的作用機(jī)制及有關(guān)內(nèi)容作一闡述。酶的作用機(jī)制及有關(guān)內(nèi)容作一闡述。 一、脂肪酶一、脂肪酶 很多細(xì)菌能夠產(chǎn)生脂肪酶。很多細(xì)菌能夠產(chǎn)生脂肪酶。脂肪酶既能夠水解脂肪酶既能夠

44、水解 長鏈酰基甘油，也能夠合成長鏈酰基甘油（如長鏈?；视?，也能夠合成長鏈?；视停ㄈ?圖所示）圖所示）。 由于脂肪酶所催化的水解反應(yīng)和合成反應(yīng)都具由于脂肪酶所催化的水解反應(yīng)和合成反應(yīng)都具 有區(qū)域選擇性（有區(qū)域選擇性（regioselectivity）和對映體）和對映體 選擇性（選擇性（enantioselectivity），因此，該酶），因此，該酶 已被作為重要的立體選擇性生物催化劑，用于已被作為重要的立體選擇性生物催化劑，用于 有機(jī)化學(xué)合成。有機(jī)化學(xué)合成。 （一）（一） 脂肪酶的定義脂肪酶的定義 脂肪酶的簡單定義為：催化長鏈?；视退庵久傅暮唵味x為：催化長鏈?；视退?（或合成）的

45、羧基酯酶（或合成）的羧基酯酶（carboxylesterase）；）； 如果以三油酰甘油酯（如果以三油酰甘油酯（trioleoylglycerol）為標(biāo)準(zhǔn)）為標(biāo)準(zhǔn) 底物時，底物時，水解含有?；滈L大于水解含有?；滈L大于10個碳原子的甘個碳原子的甘 油酯時，往往被稱之為脂肪酶（油酯時，往往被稱之為脂肪酶（lipase），如果當(dāng)），如果當(dāng) 以三丁酸甘油酯為標(biāo)準(zhǔn)底物時，水解含有小于以三丁酸甘油酯為標(biāo)準(zhǔn)底物時，水解含有小于10 個碳原子的甘油酯時，往往被稱之為酯酶個碳原子的甘油酯時，往往被稱之為酯酶 （esterase）。）。但應(yīng)該注意的是，這些脂肪酶往但應(yīng)該注意的是，這些脂肪酶往 往具有優(yōu)先水解酯

46、酶底物。往具有優(yōu)先水解酯酶底物。 另外一種更為容易的理解的含義是：對于另外一種更為容易的理解的含義是：對于含大的含大的 手性羧酸和小的醇的酯，其水解或酯交換由酯酶手性羧酸和小的醇的酯，其水解或酯交換由酯酶 催化，而對由小的羧酸和大的手性醇構(gòu)成的酯，催化，而對由小的羧酸和大的手性醇構(gòu)成的酯， 則由脂肪酶催化則由脂肪酶催化，如圖所示。，如圖所示。 ROR1 O H2O ROH O R1OH 酶 R *OR O ROR * O 1型 2型 大（手性）小 小 大（手性） 酯酶 脂肪酶 脂肪酶和酯酶催化的酯水解反應(yīng)脂肪酶和酯酶催化的酯水解反應(yīng) 已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的一些微生物來源的脂肪已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化的一些微生

47、物來源的脂肪 酶酶 微生物名稱微生物名稱用途用途 Candida rugosa Candida Antarctica A/B Thermomyces lanuginosus Rhizomucor miehei 有機(jī)合成有機(jī)合成 有機(jī)合成有機(jī)合成 洗滌劑洗滌劑 食品加工食品加工 Burkholderia cepacia Pseudomonas alcaligenes Pseudomonas mendocina Chromobacterium viscosum 有機(jī)合成有機(jī)合成 洗滌劑洗滌劑 洗滌劑洗滌劑 有機(jī)合成有機(jī)合成 細(xì)菌脂肪酶的三維結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制細(xì)菌脂肪酶的三維結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制 典型的典型的

48、/水解酶折疊水解酶折疊 銅綠假單胞菌脂肪酶的結(jié)構(gòu)銅綠假單胞菌脂肪酶的結(jié)構(gòu) 脂肪酶的催化機(jī)制脂肪酶的催化機(jī)制 1、親核絲氨酸殘基的活化，其活化過程一方面來自于被親核絲氨酸殘基的活化，其活化過程一方面來自于被 鄰近的組氨酸，另一方面來自于受絲氨酸中鄰近的組氨酸，另一方面來自于受絲氨酸中O-作用的底物作用的底物 羧基碳原子的親核進(jìn)攻；羧基碳原子的親核進(jìn)攻； 2、被活化的絲氨酸與底物中的羧基碳結(jié)合，形成一個過被活化的絲氨酸與底物中的羧基碳結(jié)合，形成一個過 度態(tài)的四元中間體，這個中間體由于兩個肽中的度態(tài)的四元中間體，這個中間體由于兩個肽中的NH基團(tuán)基團(tuán) 與與O- 的作用而使其穩(wěn)定，組氨酸在這一過程中提供

49、一個的作用而使其穩(wěn)定，組氨酸在這一過程中提供一個 質(zhì)子給底物中要離去的醇基上；質(zhì)子給底物中要離去的醇基上； 3、共價中間體（共價中間體（“?；铬；浮保┑男纬?，底物中的酸部分）的形成，底物中的酸部分 與酶中絲氨酸殘基形成酯鍵，周圍的水分子被鄰近的組氨與酶中絲氨酸殘基形成酯鍵，周圍的水分子被鄰近的組氨 酸活化，結(jié)果是酸活化，結(jié)果是OH-對共價中間體中的羧基碳原子進(jìn)行親對共價中間體中的羧基碳原子進(jìn)行親 核進(jìn)攻；核進(jìn)攻； 4、組氨酸殘基提供一個質(zhì)子給活化的絲氨酸殘基中的氧組氨酸殘基提供一個質(zhì)子給活化的絲氨酸殘基中的氧 原子，使絲氨酸與酰基化部分的酯鍵斷裂，釋放?；a(chǎn)原子，使絲氨酸與?；糠值孽?/p>

50、鍵斷裂，釋放?；a(chǎn) 物。物。 N O H N O H O O Ser O H N N His HO Asp O N O H N O H O O O Ser H N N HO Asp O His 2 1 N O H N O H O O Ser N N HO Asp O His H O H H O 3 N O H N O H H O O Ser O H N N His HO Asp O 4 脂肪酶的催化機(jī)制脂肪酶的催化機(jī)制 親核試劑捕捉酶分子活性部位形成?；H核試劑捕捉酶分子活性部位形成?；?酶復(fù)合物的過程酶復(fù)合物的過程 脂肪酶進(jìn)行酯水解和酯合成的過程脂肪酶進(jìn)行酯水解和酯合成的過程 （a）：不溶

51、性酯的水解）：不溶性酯的水解 （b）：涉及到不溶性生物催化劑、溶于有機(jī)溶媒的?；偷孜锏霓D(zhuǎn)酯反應(yīng)）：涉及到不溶性生物催化劑、溶于有機(jī)溶媒的?；偷孜锏霓D(zhuǎn)酯反應(yīng) 圖顯示了該酶的活性部位：底物基團(tuán)與酶結(jié)合的圖顯示了該酶的活性部位：底物基團(tuán)與酶結(jié)合的 三個結(jié)合袋，三個結(jié)合袋，以及位于結(jié)合袋周圍的氨基酸殘基。以及位于結(jié)合袋周圍的氨基酸殘基。 如圖所示：飛鏢形的活性部位被分為一個大大的如圖所示：飛鏢形的活性部位被分為一個大大的 疏水溝，其可以恰如其分地容納疏水溝，其可以恰如其分地容納sn-3?；?；一?；?；一 個可以嵌入抑制劑的醇部分，其可以再被分為一個可以嵌入抑制劑的醇部分，其可以再被分為一 個

52、可以容納個可以容納sn-2部分的疏水部分的疏水/親水袋，（由于親水袋，（由于sn-2 結(jié)合袋對底物結(jié)合的交互作用最密切，因此，這結(jié)合袋對底物結(jié)合的交互作用最密切，因此，這 可能是決定酶立體選擇性的優(yōu)先因素），和一個可能是決定酶立體選擇性的優(yōu)先因素），和一個 較小的可以容納較小的可以容納sn-1鏈的結(jié)合袋。范德華力是維鏈的結(jié)合袋。范德華力是維 持以上底物中這些基團(tuán)與酶結(jié)合的主要作用。另持以上底物中這些基團(tuán)與酶結(jié)合的主要作用。另 外，外，sn-2鏈中的酯氧原子與活性部位組氨酸的鏈中的酯氧原子與活性部位組氨酸的 NE2原子之間的氫鍵，對固定抑制劑的位置具有原子之間的氫鍵，對固定抑制劑的位置具有 重要

53、的作用。重要的作用。 一些由微生物來源的脂肪酶催化潛手性化合物成為單一異構(gòu)體的反應(yīng)種類一些由微生物來源的脂肪酶催化潛手性化合物成為單一異構(gòu)體的反應(yīng)種類 脂肪酶應(yīng)用受到限制的因素脂肪酶應(yīng)用受到限制的因素 1）對映體選擇性還不夠高；對映體選擇性還不夠高； 2）酶的活性受到限制；酶的活性受到限制； 3）酶難以循環(huán)使用；酶難以循環(huán)使用； 4）利用脂肪酶進(jìn)行動力學(xué)拆分制備單一異構(gòu)利用脂肪酶進(jìn)行動力學(xué)拆分制備單一異構(gòu) 體的最高得率為體的最高得率為50%。 限制因素的突破方法限制因素的突破方法 1）利用體外進(jìn)化技術(shù)改造酶提高對映體選擇利用體外進(jìn)化技術(shù)改造酶提高對映體選擇 性；性； 2）研究固定化技術(shù)提高酶在

54、有機(jī)溶劑中的活研究固定化技術(shù)提高酶在有機(jī)溶劑中的活 性和穩(wěn)定性；性和穩(wěn)定性； 3）研究循環(huán)技術(shù)使酶能夠反復(fù)使用；研究循環(huán)技術(shù)使酶能夠反復(fù)使用； 4）研究動力學(xué)拆分使酶能夠進(jìn)行對映體轉(zhuǎn)換研究動力學(xué)拆分使酶能夠進(jìn)行對映體轉(zhuǎn)換 的催化反應(yīng)。的催化反應(yīng)。 以鈀碳為第二種催化劑，使以鈀碳為第二種催化劑，使S-構(gòu)型化合物外消旋化；用來源于構(gòu)型化合物外消旋化；用來源于 C.antarctica的脂肪酶對外消旋體苯乙胺進(jìn)行立體選擇性?；吹闹久笇ν庀w苯乙胺進(jìn)行立體選擇性?；?應(yīng)的動力學(xué)拆分過程應(yīng)的動力學(xué)拆分過程 一些利用脂肪酶制備藥物關(guān)鍵中間體的實例一些利用脂肪酶制備藥物關(guān)鍵中間體的實例 關(guān)鍵中間體關(guān)

55、鍵中間體藥物藥物 抗抑郁藥帕羅西汀，抗抑郁藥帕羅西汀， 拆分得到拆分得到(S)- -甲基甲基- -乙酰硫代丙酸乙酰硫代丙酸抗高血壓藥卡托普利抗高血壓藥卡托普利 拆分得到拆分得到(2R,3S)-4-甲氧苯基縮水甘油甲氧苯基縮水甘油 酸甲酯酸甲酯 抗心絞痛和高血壓藥地爾硫卓抗心絞痛和高血壓藥地爾硫卓 拆分得到手性側(cè)鏈拆分得到手性側(cè)鏈 -氨基氨基-N-苯甲?；郊柞；? (2R,3S)-3-苯基異絲氨酸苯基異絲氨酸 抗腫瘤藥紫杉醇抗腫瘤藥紫杉醇 拆分消旋體拆分消旋體非甾體消炎藥（非甾體消炎藥（S）-奈普生奈普生 S-(-)-乙酸酯乙酸酯免疫抑制劑脫氧精胍菌素免疫抑制劑脫氧精胍菌素 拆分得到拆分得到D

56、-泛酸內(nèi)酯泛酸內(nèi)酯輔助藥輔助藥D-泛酸泛酸 二、環(huán)氧化物水解酶二、環(huán)氧化物水解酶 （一）環(huán)氧化物水解酶的定義和作用（一）環(huán)氧化物水解酶的定義和作用 環(huán)氧化物水解酶催化一份水分子加入到環(huán)氧化環(huán)氧化物水解酶催化一份水分子加入到環(huán)氧化 物分子中的環(huán)氧乙烷部分，形成相應(yīng)的物分子中的環(huán)氧乙烷部分，形成相應(yīng)的1-2二二 醇。這種酶廣泛地存在于自然界中，如植物、醇。這種酶廣泛地存在于自然界中，如植物、 昆蟲、細(xì)菌、真菌和哺乳動物等。昆蟲、細(xì)菌、真菌和哺乳動物等。 除了這種酶在不同的生物體內(nèi)具有獨特的功能除了這種酶在不同的生物體內(nèi)具有獨特的功能 外，環(huán)氧化物的酶觸反應(yīng)代表了這一類酶具有外，環(huán)氧化物的酶觸反應(yīng)代

57、表了這一類酶具有 重要的生物化學(xué)作用，因為：在很多具有生物重要的生物化學(xué)作用，因為：在很多具有生物 活性作用的非生物合成化合物的降解過程中，活性作用的非生物合成化合物的降解過程中， 發(fā)現(xiàn)很多中間產(chǎn)物為環(huán)氧化物；另外，環(huán)氧化發(fā)現(xiàn)很多中間產(chǎn)物為環(huán)氧化物；另外，環(huán)氧化 物結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧乙烷部分由于其具有親電子作物結(jié)構(gòu)中的環(huán)氧乙烷部分由于其具有親電子作 用，而具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性，它有可能與很用，而具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)性，它有可能與很 多生物親核物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。多生物親核物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)。 環(huán)氧化物水解酶的種類環(huán)氧化物水解酶的種類 目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5種這樣的酶：可溶性（也稱種這樣的酶：可溶性（也稱

58、為胞質(zhì)）環(huán)氧化物水解酶（為胞質(zhì)）環(huán)氧化物水解酶（soluble epoxide hydrolases，sEH）、微粒體環(huán)氧化物水解酶）、微粒體環(huán)氧化物水解酶 (microsomal epoxide hydrolases，mEH)、 白三烯白三烯A4環(huán)氧化物水解酶環(huán)氧化物水解酶(leukotriene A4 hydrolases，LT A4 H)、膽固醇環(huán)氧化物水、膽固醇環(huán)氧化物水 解酶以及解酶以及hepoxilin水解酶。水解酶。 一些微生物環(huán)氧化物水解酶對映體選擇性地水解外消旋體環(huán)氧化物的實例一些微生物環(huán)氧化物水解酶對映體選擇性地水解外消旋體環(huán)氧化物的實例 （二）（二） 環(huán)氧化物水解酶的作用

59、機(jī)理和結(jié)構(gòu)特征環(huán)氧化物水解酶的作用機(jī)理和結(jié)構(gòu)特征 除了對哺乳類的微粒體環(huán)氧化物水解酶（除了對哺乳類的微粒體環(huán)氧化物水解酶（mEH）的）的 作用機(jī)理有所深入研究外，對其他有關(guān)的這類酶的作用機(jī)理有所深入研究外，對其他有關(guān)的這類酶的 作用機(jī)理幾乎沒有什么研究，但可以認(rèn)為，這類酶作用機(jī)理幾乎沒有什么研究，但可以認(rèn)為，這類酶 的作用機(jī)理應(yīng)該是相近的。的作用機(jī)理應(yīng)該是相近的。 一般認(rèn)為，一般認(rèn)為，mEH通過反式（通過反式（trans）進(jìn)攻環(huán)氧乙烷）進(jìn)攻環(huán)氧乙烷 來水解環(huán)氧化物，這一親核進(jìn)攻主要在立體位置上來水解環(huán)氧化物，這一親核進(jìn)攻主要在立體位置上 位于紙平面后的碳原子上進(jìn)行。利用取代基不同對位于紙平面后

60、的碳原子上進(jìn)行。利用取代基不同對 水解速率變化的效應(yīng)研究，以及動力學(xué)溶劑同位素水解速率變化的效應(yīng)研究，以及動力學(xué)溶劑同位素 研究，結(jié)果支持這一假設(shè)。研究，結(jié)果支持這一假設(shè)。 還有一種普遍可以接受的反應(yīng)機(jī)理是：先通過酶分還有一種普遍可以接受的反應(yīng)機(jī)理是：先通過酶分 子中的專一的組氨酸殘基來活化水分子，然后由被子中的專一的組氨酸殘基來活化水分子，然后由被 活化了的水分子直接進(jìn)攻環(huán)氧化物中的環(huán)結(jié)構(gòu)部分?；罨说乃肿又苯舆M(jìn)攻環(huán)氧化物中的環(huán)結(jié)構(gòu)部分。 環(huán)氧化物水解酶催化環(huán)氧化物水解的一般過程環(huán)氧化物水解酶催化環(huán)氧化物水解的一般過程 Agrobacterium radiobater AD1環(huán)氧化物水解酶