生物催化與生物轉(zhuǎn)化IIIppt課件

1、轉(zhuǎn)移和裂合反響 在六大類酶中，氧化復(fù)原酶和水解酶在生物催化的手性合成中運(yùn)用最多，約占生物催化用酶的90。然而其他四大類酶轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、異構(gòu)酶和銜接酶在生物催化中也有著重要的運(yùn)用，它們能催化CC、CN和CO以及CC、CO等化學(xué)鍵的生成或裂解反響。 隨著化學(xué)與生物學(xué)的開展和學(xué)科間交叉交融，這些酶的研討和運(yùn)用將會(huì)逐年添加，并發(fā)揚(yáng)越來越重要的作用。第一節(jié)轉(zhuǎn)移反響 轉(zhuǎn)移酶是一類常見生物催化劑，它所催化的轉(zhuǎn)移反響如式(9.1)所示： 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)為輔酶催化以下反響，見式(9.2)。

2、反響中氨基酸將分子中氨基轉(zhuǎn)移給-酮酸，生成新的氨基酸和酮酸。 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。 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。 目前研討較多的D-氨基酸轉(zhuǎn)移酶(DAT)能催化D-氨基酸的合成。 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)脫羧反響轉(zhuǎn)變?yōu)榇x惰性的乙偶姻(4)。這種方法已被用于消費(fèi)I氨基酸(5)和D-2-氨基丁酸(6)，見圖91。 合成的前體。例如:L-叔亮氨酸(7)可

3、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，防止血栓構(gòu)成，見圖9-2。 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)胞外表相互作用等 生物學(xué)過程。寡糖在生物體內(nèi)含量甚微，分別純化困難。化學(xué)法合成寡糖是一復(fù)雜的過程，合成時(shí)需求大量的維護(hù)和脫維護(hù)反響，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求過多的維護(hù)和脫維護(hù)步驟，生物催化法合成寡糖具有非常誘人的前景。1糖基轉(zhuǎn)移酶的催化特性 糖基轉(zhuǎn)移酶擔(dān)任體內(nèi)寡糖合成，合成過程包括活化、轉(zhuǎn)移

4、和修飾三個(gè)步驟。單糖在被轉(zhuǎn)移之前必需先磷酸化，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(普通是UTP)反響生成核苷二磷酸糖(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 -半乳糖基轉(zhuǎn)移酶是研討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)移到糖受體中構(gòu)成新的糖苷鍵。 其他糖基轉(zhuǎn)移酶雖然研討得相對較少，但它們同樣能催化糖基轉(zhuǎn)移到多種糖受體上。 2糖苷合成 糖苷酶水解的逆反響可用于糖苷合成，利用游離單糖作為底物直接進(jìn)展糖苷合成反響稱為直接糖基化， 糖苷酶與糖基轉(zhuǎn)移酶

5、相比，糖苷酶更容易獲取。 糖苷酶催化反響的缺陷是產(chǎn)率低、產(chǎn)物常為混合物。 糖苷酶催化轉(zhuǎn)糖基反響的立體選擇性和區(qū)域選擇性遭到許多要素的影響，如反響的溫度、有機(jī)溶劑、活化供體的反響活性、糖苷配基的性質(zhì)等。四、磷酸化酶 磷酸化反響是生物體內(nèi)的一類重要生化反響，體內(nèi)的一些代謝調(diào)控是經(jīng)過磷酸化反響而完成的。生物體內(nèi)的許多分子以磷酸化方式參與到生命過程中，例如醛縮酶催化反響中的磷酸二羥基丙酮，糖基轉(zhuǎn)移酶催化反響中的1-磷酸糖苷等。化學(xué)法催化多羥基化合物的磷酸化反響需求采用多步維護(hù)和脫維護(hù)反響，而酶法催化的磷酸化反響具有區(qū)域和立體選擇性，可以省去不用要的維護(hù)和脫維護(hù)反響。第二節(jié) 裂合反響 裂合酶(1yase

6、s，EC 4.x.x.x)能催化一種化合物分裂為兩種化合物或其逆反響。這類酶包括醛縮酶、水合酶和脫羧酶等。 裂合酶在工業(yè)消費(fèi)中有著重要的運(yùn)用，它們能催化CC、C-N、C-O等鍵的裂解和生成，有時(shí)還伴隨雙鍵的構(gòu)成。 裂合酶的逆反響也有很高的工業(yè)運(yùn)用價(jià)值，例如工業(yè)上利用苯丙氨酸氨裂解酶(PLA，EC 4.3.1.5)和天冬氨酸酶(aspartase，EC 4.3.1)催化合成L-苯丙氨酸和L-天冬氨酸。一、醛縮酶 醛縮酶(aldolases)能催化不對稱CC鍵的構(gòu)成，并能使醛分子延伸23個(gè)碳單位，對有機(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。醛縮酶的底物專注性不高，

7、能催化多種底物反響。 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-羥基醛作為受體時(shí)，反響中只需R-型對映體被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酮糖，而S-型對映體不被轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)消旋體-羥基醛的動(dòng)力學(xué)拆分。三、偶姻反響 偶姻反響是指兩分子醛縮合構(gòu)成酮醇的反響，如兩分子丁醛縮合構(gòu)成丁偶姻。 面包酵母中催化偶姻生物合成的酶允許底物醛分子構(gòu)造有一定的變化。如芳香醛可以是苯甲醛、2氯苯甲醛、茴香醛、鄰位及對位取代的苯甲醛。 面包酵母能催化，不飽和芳香醛和，-不飽和脂肪醛與酮酸進(jìn)展偶姻反響生成手性二醇，這些化

8、合物是天然產(chǎn)物合成的重要中間體。第三節(jié)第三節(jié) 加成和消去反響加成和消去反響 裂合酶還可催化小分子化合物如水或氨不對稱加成到CC雙鍵，以及氫氰酸加成到CO鍵上。 根據(jù)底物的構(gòu)造類型，反響過程中潛手性底物可以產(chǎn)生一個(gè)或兩個(gè)手性中心。催化這類反響的酶底物專注性很高，只接受天然底物或與天然底物構(gòu)造非常類似的化合物為底物。 一、氰醇反響 醇腈酶(oxynitrilase)催化氫氰酸不對稱加成到醛或酮分子的羰基上，構(gòu)成手性氰醇，這種反響早在1908年就被運(yùn)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

9、性底物生成(R)-或(S)-氰醇，見圖9-37、表9-6、表9-7。 (R)-或(S)-醇腈酶能從不同來源的植物中分別制備。二、水和氨的加成反響 富馬酸酶是一種脫水酶，其逆反響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。天冬氨酸酶那么催化氨的加成富馬酸生成L-天冬氨酸。 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響和醛基的復(fù)原反響。 碳碳雙鍵的不對稱加水具有很好的手性合成運(yùn)用前景，不同微生物細(xì)胞可對不同取代的碳碳雙鍵進(jìn)展加水反響。 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)-加水反響。 微生物完好細(xì)胞催化反響時(shí)，有水解、復(fù)原和碳鏈降解等副反響發(fā)生。 五、脫鹵素反響 由