生物催化與生物轉(zhuǎn)化

生物催化與生物轉(zhuǎn)化第1頁/共45頁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)移酶已被用于制備新型糖。一、氨基轉(zhuǎn)移酶氨基轉(zhuǎn)移酶以磷酸吡哆醛(PLP)為輔酶催化下列反應(yīng)，見式(9.2)。反應(yīng)中氨基酸將分子中氨基轉(zhuǎn)移給α-酮酸，生成新的氨基酸和酮酸。第2頁/共45頁生物催化合成中常用的氨基轉(zhuǎn)移酶有分支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶(BCAT)、天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AAT)、酪氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(TAT)等。第3頁/共45頁氨基轉(zhuǎn)移酶種類多、分布廣，它們能催化L-氨基酸的生物合成。目前研究較多的D-氨基酸轉(zhuǎn)移酶(DAT)能催化D-氨基酸的合成。第4頁/共45頁采用基因工程法可在工程菌內(nèi)轉(zhuǎn)入乙酰乳酸合成酶(ALS)基因，由該基因表達(dá)產(chǎn)生的乙酰乳酸合成酶能催化兩分子丙酮酸縮合為乙酰乳酸(3)，后者再經(jīng)脫羧反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇x惰性的乙偶姻(4)。這種方法已被用于生產(chǎn)I—氨基酸(5)和D-2-氨基丁酸(6)，見圖9—1。第5頁/共45頁第6頁/共45頁

合成的前體。例如:L-叔亮氨酸(7)可用于合成HIV蛋白酶抑制劑L-高苯丙氨酸(8)可用于合成ACE酶抑制劑，用于治療高血壓D-苯丙氨酸(10)用于制備凝血酶抑制劑，防止血栓形成，見圖9-2。第7頁/共45頁第8頁/共45頁二、糖基轉(zhuǎn)移酶寡糖具有重要的生物學(xué)功能，在生命活動(dòng)中涉及細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞間相互作用、腫瘤發(fā)生與轉(zhuǎn)移和病原體與細(xì)胞表面相互作用等第9頁/共45頁

生物學(xué)過程。寡糖在生物體內(nèi)含量甚微，分離純化困難?；瘜W(xué)法合成寡糖是一復(fù)雜的過程，合成時(shí)需要大量的保護(hù)和脫保護(hù)反應(yīng)，而且產(chǎn)率低。由于酶具有區(qū)域選擇性和立體選擇性，采用生物催化法不需要過多的保護(hù)和脫保護(hù)步驟，生物催化法合成寡糖具有非常誘人的前景。第10頁/共45頁1．糖基轉(zhuǎn)移酶的催化特性糖基轉(zhuǎn)移酶負(fù)責(zé)體內(nèi)寡糖合成，合成過程包括活化、轉(zhuǎn)移和修飾三個(gè)步驟。單糖在被轉(zhuǎn)移之前必須先磷酸化，產(chǎn)生1-磷酸糖1-磷酸糖在核苷轉(zhuǎn)移酶作用下與核苷三磷酸(一般是UTP)反應(yīng)生成核苷二磷酸糖(NDE-糖)最后糖基轉(zhuǎn)移酶將NDP-糖中的糖基轉(zhuǎn)移到“受體”(單糖、寡糖、蛋白質(zhì)和脂分子)上，NDP從糖基上釋放游離出來，完成糖基轉(zhuǎn)移過程第11頁/共45頁第12頁/共45頁第13頁/共45頁Β-半乳糖基轉(zhuǎn)移酶是研究得最多的一種糖基轉(zhuǎn)移酶，該酶催化半乳糖(Gal)從糖供體UDP-Gal中轉(zhuǎn)移到糖受體中形成新的糖苷鍵。其他糖基轉(zhuǎn)移酶雖然研究得相對(duì)較少，但它們同樣能催化糖基轉(zhuǎn)移到多種糖受體上。第14頁/共45頁第15頁/共45頁2．糖苷合成糖苷酶水解的逆反應(yīng)可用于糖苷合成，利用游離單糖作為底物直接進(jìn)行糖苷合成反應(yīng)稱為直接糖基化，第16頁/共45頁第17頁/共45頁糖苷酶與糖基轉(zhuǎn)移酶相比，糖苷酶更容易獲取。糖苷酶催化反應(yīng)的缺點(diǎn)是產(chǎn)率低、產(chǎn)物常為混合物。糖苷酶催化轉(zhuǎn)糖基反應(yīng)的立體選擇性和區(qū)域選擇性受到許多因素的影響，如反應(yīng)的溫度、有機(jī)溶劑、活化供體的反應(yīng)活性、糖苷配基的性質(zhì)等。第18頁/共45頁第19頁/共45頁第20頁/共45頁第21頁/共45頁第22頁/共45頁四、磷酸化酶磷酸化反應(yīng)是生物體內(nèi)的一類重要生化反應(yīng)，體內(nèi)的一些代謝調(diào)控是通過磷酸化反應(yīng)而完成的。生物體內(nèi)的許多分子以磷酸化形式參與到生命過程中，例如醛縮酶催化反應(yīng)中的磷酸二羥基丙酮，糖基轉(zhuǎn)移酶催化反應(yīng)中的1-磷酸糖苷等?；瘜W(xué)法催化多羥基化合物的磷酸化反應(yīng)需要采用多步保護(hù)和脫保護(hù)反應(yīng)，而酶法催化的磷酸化反應(yīng)具有區(qū)域和立體選擇性，可以省去不必要的保護(hù)和脫保護(hù)反應(yīng)。

第23頁/共45頁第二節(jié)裂合反應(yīng)

裂合酶(1yases，EC4.x.x.x．)能催化一種化合物分裂為兩種化合物或其逆反應(yīng)。這類酶包括醛縮酶、水合酶和脫羧酶等。裂合酶在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用，它們能催化C—C、C--N、C---O等鍵的裂解和生成，有時(shí)還伴隨雙鍵的形成。裂合酶的逆反應(yīng)也有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，例如工業(yè)上利用苯丙氨酸氨裂解酶(PLA，EC4.3.1.5)和天冬氨酸酶(aspartase，EC4.3.1)催化合成L-苯丙氨酸和L-天冬氨酸。

第24頁/共45頁一、醛縮酶醛縮酶(aldolases)能催化不對(duì)稱C—C鍵的形成，并能使醛分子延長2—3個(gè)碳單位，對(duì)有機(jī)合成極為有用。醛縮酶常用于糖的合成，如氨基糖、硫代糖和二糖類似物的合成。醛縮酶的底物專一性不高，能催化多種底物反應(yīng)。

第25頁/共45頁轉(zhuǎn)酮醇酶可從酵母和菠菜中提取，但這些方法產(chǎn)生的量很有限，目前已有用大腸桿菌高表達(dá)酵母轉(zhuǎn)酮醇酶的報(bào)道。轉(zhuǎn)酮醇酶比醛縮酶更能識(shí)別醛基部分的手性，因此，當(dāng)用消旋體α-羥基醛作為受體時(shí)，反應(yīng)中只有R-型對(duì)映體被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酮糖，而S-型對(duì)映體不被轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)消旋體α-羥基醛的動(dòng)力學(xué)拆分。第26頁/共45頁三、偶姻反應(yīng)偶姻反應(yīng)是指兩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。第27頁/共45頁第28頁/共45頁面包酵母中催化偶姻生物合成的酶允許底物醛分子結(jié)構(gòu)有一定的變化。如芳香醛可以是苯甲醛、2—氯苯甲醛、茴香醛、鄰位及對(duì)位取代的苯甲醛。面包酵母能催化α，β不飽和芳香醛和α，β-不飽和脂肪醛與α—酮酸進(jìn)行偶姻反應(yīng)生成手性二醇，這些化合物是天然產(chǎn)物合成的重要中間體。第29頁/共45頁第三節(jié)加成和消去反應(yīng)

裂合酶還可催化小分子化合物如水或氨不對(duì)稱加成到C＝C雙鍵，以及氫氰酸加成到C＝O鍵上。根據(jù)底物的結(jié)構(gòu)類型，反應(yīng)過程中潛手性底物可以產(chǎn)生一個(gè)或兩個(gè)手性中心。催化這類反應(yīng)的酶底物專一性很高，只接受天然底物或與天然底物結(jié)構(gòu)非常類似的化合物為底物。第30頁/共45頁

一、氰醇反應(yīng)醇腈酶(oxynitrilase)催化氫氰酸不對(duì)稱加成到醛或酮分子的羰基上，形成手性氰醇，這種反應(yīng)早在1908年就被使用。手性氰醇能轉(zhuǎn)化為擬除蟲菊酯殺蟲劑的醇基部分，如溴氰菊酯、氯氟胺氰戊菊酯。醇腈酶具有很高的立體選擇性，(R)-或(S)-醇腈酶能立體選擇地催化潛手性底物生成(R)-或(S)-氰醇，見圖9-37、表9-6、表9-7。第31頁/共45頁(R)-或(S)-醇腈酶能從不同來源的植物中分離制備。第32頁/共45頁第33頁/共45頁二、水和氨的加成反應(yīng)富馬酸酶是一種脫水酶，其逆反應(yīng)能催化水立體特異性地加成到富馬酸碳碳雙鍵中生成L-蘋果酸。天冬氨酸酶則催化氨的加成富馬酸生成L-天冬氨酸。第34頁/共45頁第35頁/共45頁第36頁/共45頁

面包酵母能催化取代的巴豆醛衍生物(甲)中碳碳雙鍵的加水反應(yīng)和醛基的還原反應(yīng)。第37頁/共45頁第38頁/共45頁碳碳雙鍵的不對(duì)稱加水具有很好的手性合成應(yīng)用前景，不同微生物細(xì)胞可對(duì)不同取代的碳碳雙鍵進(jìn)行加水反應(yīng)。腐皮鐮孢細(xì)胞能高選擇性地催化萜烯醇分子中內(nèi)式(E)-加水反應(yīng)。微生物完整細(xì)胞催化反應(yīng)時(shí)，有水解、還原和碳鏈降解等副反應(yīng)發(fā)生。第39頁/共45頁第40頁/共45頁五、脫鹵素反應(yīng)由于環(huán)境中的生物合成與生物降解處于一種動(dòng)態(tài)平衡中，所以生態(tài)環(huán)境中鹵化物的濃度是相當(dāng)恒定的。近年來由于人類活