生物轉(zhuǎn)化類型與機(jī)制

1、生物轉(zhuǎn)化類型與機(jī)制生物轉(zhuǎn)化類型與機(jī)制第一節(jié)第一節(jié) 生物轉(zhuǎn)化的定義與研究?jī)?nèi)生物轉(zhuǎn)化的定義與研究?jī)?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： 用微生物或酶來(lái)進(jìn)行藥物合成（或其他有用微生物或酶來(lái)進(jìn)行藥物合成（或其他有機(jī)合成）過(guò)程中的某一步或幾步反應(yīng)，而機(jī)合成）過(guò)程中的某一步或幾步反應(yīng)，而那些直接來(lái)源于微生物的代謝產(chǎn)物是微生那些直接來(lái)源于微生物的代謝產(chǎn)物是微生物進(jìn)行物進(jìn)行“從頭到尾從頭到尾”的合成過(guò)程。的合成過(guò)程。 在許多國(guó)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; Biotransfor

2、mation 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)中的一個(gè)特殊的分支中的一個(gè)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）質(zhì)（底物）轉(zhuǎn)化成為另一種物質(zhì)（產(chǎn)物）的過(guò)程，這一過(guò)程是由某種微生物產(chǎn)生的的過(guò)程，這一過(guò)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)行的一種或幾種化學(xué)反應(yīng)，簡(jiǎn)言催化劑進(jìn)行的一種或幾種化學(xué)反應(yīng)，簡(jiǎn)言之，即為一種利用微生物酶或微生物本身之，即為一種利用

3、微生物酶或微生物本身的合成技術(shù)。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(gè)特殊的分支中的一個(gè)特殊的分支 這些具有生物催化劑作用的酶大多數(shù)對(duì)其這些具有生物催化劑作用的酶大多數(shù)對(duì)其微生物的生命過(guò)程也是必需的，但在微生微生物的生命過(guò)程也是必需的，但在微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程中，這些酶僅作為生物催化劑物轉(zhuǎn)化過(guò)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)的大多數(shù)生物催化劑不夠被用于化學(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其類似物，且有僅能夠利用自身的底物及其類似物，且有時(shí)對(duì)外源添加的底物也具有同樣

4、的催化作時(shí)對(duì)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)（用，即能催化非天然的反應(yīng)（unnatural reactions）。）。在研究一個(gè)微生物（或酶）在研究一個(gè)微生物（或酶）轉(zhuǎn)化過(guò)程時(shí)，需要考慮的問(wèn)題轉(zhuǎn)化過(guò)程時(shí)，需要考慮的問(wèn)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(duì)不同底物轉(zhuǎn)化能力的考察、所用微生物對(duì)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；轉(zhuǎn)化路線或轉(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(jì)轉(zhuǎn)化過(guò)其中最主要的是尋找適合于所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的微生物，以及如何來(lái)提高這種微生物程的微生物，以及如何來(lái)提高這種微生物的轉(zhuǎn)化能力，即提高這種酶活力；的轉(zhuǎn)化能力

5、，即提高這種酶活力； 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(jì)一個(gè)新的微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程提供一便為設(shè)計(jì)一個(gè)新的微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程提供一條線索。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?yàn)橹聊壳盀橹挂呀?jīng)發(fā)應(yīng)該盡可能地廣，因?yàn)橹聊壳盀橹挂呀?jīng)發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)了3000 余種能夠催化各種化學(xué)反應(yīng)的余種能夠催化各種化學(xué)反應(yīng)的酶，其中有些酶的催化效果比化學(xué)催化劑酶，其中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好；另外，微生物的多樣性和其生理生化

6、特性的多樣性（它們能夠修飾和降解許許特性的多樣性（它們能夠修飾和降解許許多多有機(jī)化合物），使我們有可能找到某多多有機(jī)化合物），使我們有可能找到某種微生物或酶來(lái)催化某種特定的和所期望種微生物或酶來(lái)催化某種特定的和所期望的化學(xué)反應(yīng)。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脫氫酶被廣泛地用于醛和酮羰基以及烯烴碳碳-碳雙鍵的還原，這種生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)可碳雙鍵的還原，這種生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)可使?jié)撌中缘孜镛D(zhuǎn)化為手性產(chǎn)物，如圖所示。使?jié)撌中缘孜镛D(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面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫

7、氫酶能催化酮不對(duì)稱還原，其還原產(chǎn)物仲醇的對(duì)映體酮不對(duì)稱還原，其還原產(chǎn)物仲醇的對(duì)映體過(guò)量率接近過(guò)量率接近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+布氏熱厭氧菌醇脫布氏熱厭氧菌醇脫氫酶氫酶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

8、脫氫酶醇脫氫酶Anti-PrelogNADPH+爪哇毛霉醇脫氫酶爪哇毛霉醇脫氫酶Anti-PrelogNADPH-甲單胞菌屬醇脫氫甲單胞菌屬醇脫氫酶酶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。基團(tuán)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：?jiǎn)紊锎呋难趸磻?yīng)主要由三大類酶：?jiǎn)渭友趺?、雙加氧酶和氧化酶，它們所催化加氧酶、雙加氧酶和氧化酶，它們所催化的反應(yīng)如圖所示。的反應(yīng)如圖所示。 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，單加氧酶和雙加氧酶直接在底物分子

9、中加氧，而氧化酶是催化底物脫氫，脫下的氫再與氧結(jié)而氧化酶是催化底物脫氫，脫下的氫再與氧結(jié)合生成水或過(guò)氧化氫。合生成水或過(guò)氧化氫。 脫氫酶與氧化酶相似，也是催化底物脫氫，但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)它催化脫下的氫與氧化態(tài)NAD(P)+結(jié)合，而不結(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)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氫，其本質(zhì)是電子的得失。表面上看是加氧或脫氫，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；失去電子，并將電子交給氧

10、，即氧是電子受體；脫氫酶催化底物失去電子，它將電子交給脫氫酶催化底物失去電子，它將電子交給NAD(P)+，然后還原型，然后還原型NAD(P)H再通過(guò)呼吸鏈再通過(guò)呼吸鏈或或NAD(P)H氧化酶將電子最終交給氧并生成水。氧化酶將電子最終交給氧并生成水。 Sub + NAD(P)H + H+ + O2SubO + NAD(P)+ + H2OSub + O2SubO2O2 + 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-oxygena

11、ses）可以使）可以使氧分子（氧分子（O2）中的一個(gè)氧原子加入到底）中的一個(gè)氧原子加入到底物分子中，另一個(gè)氧原子使還原型物分子中，另一個(gè)氧原子使還原型NADH或或NADPH氧化并產(chǎn)生水（氧化并產(chǎn)生水（H2O）。單加）。單加氧酶在生物催化的手性合成中有著重要的氧酶在生物催化的手性合成中有著重要的應(yīng)用，圖所示為該酶催化的一些反應(yīng)類型。應(yīng)用，圖所示為該酶催化的一些反應(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)CHCOHHOHOR1R2OR1OR2RORRnXRnXOX=N, S

12、, 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)合成方法幾乎不能進(jìn)行這樣直接的機(jī)化學(xué)合成方法幾乎不能進(jìn)行這樣直接的羥化反應(yīng)。但很多微生物能

13、夠直接進(jìn)行烷羥化反應(yīng)。但很多微生物能夠直接進(jìn)行烷烴和芳香烴的羥化反應(yīng)，其中工業(yè)化應(yīng)用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反應(yīng)。最為廣泛的是甾體的羥化反應(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)生重要的中體，可與多種親核試劑反應(yīng)產(chǎn)生重要的中間體。間體。 單加氧酶催化的烯烴環(huán)氧化反應(yīng)可用于制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)方法所不能制備的。統(tǒng)的化學(xué)方法所不能制備的。 另外，由單加氧酶催化的硫醚的氧化反應(yīng)另外，由單

14、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?；@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(gè)非常重要的反應(yīng)由單加氧酶催化的另一個(gè)非常重要的反應(yīng)就是拜爾就是拜爾-維利格反應(yīng)（維利格反應(yīng)（Baeyer-Villiger）。該反應(yīng)是指利用過(guò)氧羧酸氧）。該反應(yīng)是指利用過(guò)氧羧酸氧化酮生成酯或內(nèi)酯，這是一個(gè)具有很高應(yīng)化酮生成酯或內(nèi)酯，這是一個(gè)具有很高應(yīng)用價(jià)值的有機(jī)合成反應(yīng)。用價(jià)值的有機(jī)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（dio

15、xygenases），有稱雙氧），有稱雙氧酶，能催化氧分子中的兩個(gè)氧原子加入到酶，能催化氧分子中的兩個(gè)氧原子加入到一個(gè)底物分子中。這類酶一般含有緊密結(jié)一個(gè)底物分子中。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（如圖所示）。反應(yīng)有以下三種（如圖所示）。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 +O2Sub還原e.g.NaBH4SubOHSub +O2雙氧酶Sub（氫過(guò)氧化物）e.g.NaBH4還原Sub(內(nèi)過(guò)氧化物)OOHOHOO2雙氧酶OOOHOH+(dioxetane)還原酶2HOOH雙氧酶雙加氧酶催化的氧化反應(yīng)雙加

16、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(guò)氧化反雙加氧酶催化的反應(yīng)有烯烴的氫過(guò)氧化反應(yīng)。烯烴可被一種雙加氧酶應(yīng)。烯烴可被一種雙加氧酶-脂氧酶氧化脂氧酶氧化為脂質(zhì)氫過(guò)氧化物，其對(duì)細(xì)胞具有毒性，為脂質(zhì)氫過(guò)氧化物，其對(duì)細(xì)胞具有毒性，并能引起病變。脂質(zhì)氫過(guò)氧化物能被過(guò)氧并能引起病變。脂質(zhì)氫過(guò)氧化物能被過(guò)氧化物酶還原為醇。大豆脂氧酶能夠催化天化物酶還原為醇。大豆脂氧酶能夠催化天然的亞油酸的氧化并不有很高選擇性，同然的亞油酸的氧化并不有很高選擇性，同時(shí)對(duì)非天然的底物也能夠進(jìn)行同樣的催化時(shí)對(duì)非天然的底物也能夠進(jìn)行同樣的催化反應(yīng)。反應(yīng)。 過(guò)氧化物酶過(guò)氧化物酶 過(guò)氧化物酶能夠催化過(guò)氧化氫化許多芳香過(guò)氧化

17、物酶能夠催化過(guò)氧化氫化許多芳香族胺或酚類化合物，也有的過(guò)氧化物酶能族胺或酚類化合物，也有的過(guò)氧化物酶能夠用于特定構(gòu)型仲醇的制備。夠用于特定構(gòu)型仲醇的制備。 同樣，由于過(guò)氧化酶的立體選擇性，此酶同樣，由于過(guò)氧化酶的立體選擇性，此酶還可用于消旋體氫過(guò)氧化物的拆分。還可用于消旋體氫過(guò)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順式環(huán)狀連二醇，這些手性化合物具有很多的用途。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，以氧作氧化酶催化電子轉(zhuǎn)移到分子氧中，以氧作為電子受體，

18、最終生成水或過(guò)氧化氫。為電子受體，最終生成水或過(guò)氧化氫。 氧化酶有黃素蛋白氧化酶（氨基酸氧化酶、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葡萄糖氧化酶）、金屬黃素蛋白氧化酶（醛氧化酶）和血紅素蛋白氧化酶（過(guò)氧（醛氧化酶）和血紅素蛋白氧化酶（過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶）等。化氫酶、過(guò)氧化物酶）等。 其中有些具有重要的應(yīng)用價(jià)值。其中有些具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 脫氫酶脫氫酶 可以催化氧化和還原雙向可逆反應(yīng)，一般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(jì)反以催化還原反應(yīng)為主，但根據(jù)需要設(shè)計(jì)反應(yīng)條件可以使還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氧化反應(yīng)。應(yīng)條件可以使還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化

19、為氧化反應(yīng)。脫氫酶能夠催化多元醇分子中的某一羥基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，而化學(xué)方法需要對(duì)多元區(qū)域選擇性氧化，而化學(xué)方法需要對(duì)多元醇中的其他羥基進(jìn)行保護(hù)和脫保護(hù)的反應(yīng)。醇中的其他羥基進(jìn)行保護(hù)和脫保護(hù)的反應(yīng)。另外，某些脫氫酶能夠催化消旋體醇對(duì)映另外，某些脫氫酶能夠催化消旋體醇對(duì)映體選擇性地氧化而用于拆分。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（hydrolases，）是最常用的生，）是最常用的生物催化劑，占生物催化反應(yīng)用酶的物催化劑，占生物催化反應(yīng)用酶的65%左左右。它們能夠水解酯、酰胺、蛋白質(zhì)、核右。它們能夠水解酯、酰胺、蛋白質(zhì)、核酸、多

20、糖、環(huán)氧化物和腈等化合物，這些酸、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。反應(yīng)的形式如圖所示。 其中酯酶、脂肪酶和蛋白酶是生物催化手其中酯酶、脂肪酶和蛋白酶是生物催化手性合成中最常用的水解酶。性合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 OOR1ROO-RORR1HORR1OHRCNORO-H2NHNOCO2-H2NCO2-H2NCO2-R2R1R1R2+H2OR1OHH2O+2H2ONH3H2O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+H2OGlc+(Glc- -1,4-Glc)n-11、酯水解、酯水解 用于酯水解

21、的酯酶有豬肝酯酶、微生物酯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)芽孢桿酶（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）、具有菌、豆醬比赤氏酵母和黑根霉等）、具有酯酶活性的蛋白酶（酯酶活性的蛋白酶（ -胰凝乳蛋白酶、苦胰凝乳蛋白酶、苦草桿菌蛋白酶、青霉素?；?、米曲霉蛋草桿菌蛋白酶、青霉素?；?、米曲霉蛋白酶和灰色鏈霉菌蛋白酶等），以及脂肪白酶和灰色鏈霉菌蛋白酶等），以及脂肪酶（豬胰腺脂肪酶、假絲酵母屬脂肪酶、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酶等）。假單胞菌屬脂肪酶毛霉屬脂肪酶等）。2、環(huán)氧化物水解、環(huán)氧化物水解 環(huán)氧化

22、物是一類重要的有機(jī)化合物，是許環(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。多生物活性物質(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)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(guò)生物拆分域或?qū)τ尺x擇性水解，從而通過(guò)生物拆分法制備所需構(gòu)型的環(huán)氧化物。法制備所需構(gòu)型的環(huán)氧化物。 生物催化的烯烴環(huán)氧化反應(yīng)也能夠直接制生物催化的烯烴環(huán)氧化反應(yīng)也能夠直接制備光學(xué)純的環(huán)氧化物。備光學(xué)純的環(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)氧化物水解體環(huán)氧化物水解酶和微生物環(huán)氧化物水解酶。酶。 3、腈水解、腈

23、水解 含有腈基的有機(jī)化合物是一類重要的原料。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、天然腈存在于植物、真菌、細(xì)菌、藻類、海綿、昆蟲(chóng)甚至哺乳動(dòng)物中。海綿、昆蟲(chóng)甚至哺乳動(dòng)物中。 腈水解可通過(guò)腈水解酶和腈水合酶兩種不腈水解可通過(guò)腈水解酶和腈水合酶兩種不同的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)。同的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)。 脂肪族腈一般先在腈水合酶催化下生成相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(guò)酰胺酶或蛋白酶水應(yīng)的酰胺，然后再經(jīng)過(guò)酰胺酶或蛋白酶水解為羧酸。解為羧酸。 芳香族、雜環(huán)和不飽和脂肪腈一般被腈水芳香族、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，而不形成中間體解酶直接水解產(chǎn)生

24、羧酸，而不形成中間體酰胺。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(guò)酰胺鍵（肽多肽和蛋白質(zhì)是由氨基酸通過(guò)酰胺鍵（肽鍵）相互連接形成的大分子。鍵）相互連接形成的大分子。L-氨基酸被氨基酸被廣泛用于醫(yī)藥、食品和手性合成中。廣泛用于醫(yī)藥、食品和手性合成中。 近年來(lái)，一些非天然近年來(lái)，一些非天然D-氨基酸被用作手氨基酸被用作手性化合物合成的前體，性化合物合成的前體，D苯苷氨酸、苯苷氨酸、D-對(duì)對(duì)羥基苯苷氨酸是羥基苯苷氨酸是 -內(nèi)酰胺類抗生素的常用內(nèi)酰胺類抗生素的常用側(cè)鏈。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。

25、成法和酶法三種。 其中用酶法合成對(duì)映體純氨基酸主要有如其中用酶法合成對(duì)映體純氨基酸主要有如圖所示的三種方法：圖所示的三種方法： 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(duì)稱氨加成；裂合酶催化不對(duì)稱氨加成； 脫氫酶催化不對(duì)稱還原胺化反應(yīng)。脫氫酶催化不對(duì)稱還原胺化反應(yīng)。 COOR1RNHR2H2NCOOHRCOOHORRCOOHDLL脫氫酶水解酶裂合酶R烷基、芳基；R1Me，Et，NH2，HR2?；阜ㄖ苽涿阜ㄖ苽銵- -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，其能催化）又稱氨基肽酶，其

26、能催化消旋體氨基酸酰胺選擇性水解生成消旋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猓邕@類酶能夠催化消旋體?；被崴?，如這類酶能夠催化消旋體N-乙酰色氨酸和乙酰色氨酸和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-苯丙氨酸和苯丙氨酸和L-色氨酸；色氨酸； 乙內(nèi)酰脲酶俗稱海因酶，這類酶在體內(nèi)負(fù)責(zé)催乙內(nèi)酰脲酶俗稱海因酶，這類酶在體內(nèi)負(fù)責(zé)催化嘧啶堿基代謝中二氫嘧啶環(huán)的水解開(kāi)環(huán)反應(yīng)，化嘧啶堿基代謝中二氫嘧啶環(huán)的水解開(kāi)環(huán)反應(yīng)，故又稱二氫嘧啶酶，常用的海因酶與酰胺酶和故又稱二氫嘧啶酶，常

27、用的海因酶與酰胺酶和?；覆煌?，它優(yōu)先水解酰化酶不同，它優(yōu)先水解D-型對(duì)映體，屬型對(duì)映體，屬D-海海因酶；因酶； 內(nèi)酰胺酶，其可用于消旋體內(nèi)酰胺的水解拆分，內(nèi)酰胺酶，其可用于消旋體內(nèi)酰胺的水解拆分，這些單一對(duì)映體的產(chǎn)物是合成很多生理活性物這些單一對(duì)映體的產(chǎn)物是合成很多生理活性物質(zhì)的重要中間體。質(zhì)的重要中間體。 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)中約占和水解酶，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、轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、異構(gòu)酶和連接酶（合

28、成酶）在生物催化中異構(gòu)酶和連接酶（合成酶）在生物催化中也有著重要的應(yīng)用，它們能催化也有著重要的應(yīng)用，它們能催化CC、CN、CO以及以及C=C和和C=O等化學(xué)等化學(xué)鍵的生成或裂解反應(yīng)。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，）是一類常見(jiàn)的，）是一類常見(jiàn)的生物催化劑，它所催化的轉(zhuǎn)移反應(yīng)如下式生物催化劑，它所催化的轉(zhuǎn)移反應(yīng)如下式所示。所示。 這類酶催化的底物有氨基酸、酮酸、核苷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)移酶已被用酸和糖等化合物，其中糖基轉(zhuǎn)移酶已被用來(lái)制備新型的糖。來(lái)制備新型的糖。 XY + Z 轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶 X + Z

29、Y 糖苷化酶（糖苷化酶（glycosidses） 糖苷化酶能催化糖苷鍵的水解，故又稱糖糖苷化酶能催化糖苷鍵的水解，故又稱糖水解酶（水解酶（glycohydrolases）。該酶不需）。該酶不需要任何輔酶，是真正的水解酶。這種水解要任何輔酶，是真正的水解酶。這種水解酶有兩種類型：外糖苷化酶和內(nèi)糖苷化酶，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，后者可水解糖鏈前者僅水解末端糖苷鍵，后者可水解糖鏈中部的糖苷鍵。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

30、接糖基化，這是一個(gè)熱力合成反應(yīng)稱為直接糖基化，這是一個(gè)熱力學(xué)控制的反應(yīng)。由于反應(yīng)的平衡常數(shù)有利學(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)，因此必須采用高濃度的單糖于水解反應(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)物為和親核試劑，反應(yīng)產(chǎn)率一般很低，產(chǎn)物為粘稠糖漿。粘稠糖漿。2、裂合反應(yīng)、裂合反應(yīng) 裂合酶（裂合酶（lyases，）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)。 這類酶包括醛縮酶、水合酶和脫羧酶等。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，它裂合酶在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用，它們能催化們能催化

31、CC、CN和和CO等鍵的裂等鍵的裂合和生成，有時(shí)還伴隨雙鍵的形成。合和生成，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，裂合酶的逆反應(yīng)也有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，如工業(yè)上應(yīng)用苯丙氨酸氨裂解酶和天冬氨如工業(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(duì)稱）能催化不對(duì)稱CC鍵的形成，并能使分子延長(zhǎng)鍵的形成，并能使分子延長(zhǎng)23個(gè)碳單位，個(gè)碳單位，對(duì)有機(jī)合成極為有用。該酶常用于糖的合對(duì)有機(jī)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，如氨基糖、硫代糖

32、和二糖類似物的合成。醛縮酶的底物專一性不高，能催化多成。醛縮酶的底物專一性不高，能催化多種底物反應(yīng)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+和焦和焦磷酸硫胺素（磷酸硫胺素（TPP）為輔酶，催化羥甲基）為輔酶，催化羥甲基酮基從一個(gè)磷酸酮糖分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)磷酮基從一個(gè)磷酸酮糖分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)磷酸醛糖分子中，該酶催化醛糖鏈立體選擇酸醛糖分子中，該酶催化醛糖鏈立體選擇性地延伸兩個(gè)碳單位，她是很有前途的生性地延伸兩個(gè)碳單位，她是很有前途的生物催化劑。偶姻反應(yīng)（物催化劑。偶姻反應(yīng)（acyloin reactions）是指兩個(gè)分子醛縮合形成酮）是指兩個(gè)分子

33、醛縮合形成酮醇的反應(yīng)，如兩分子丁醛縮合形成丁偶姻醇的反應(yīng)，如兩分子丁醛縮合形成丁偶姻（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裂合酶還可以催化小分子化合物如水和氣惱不對(duì)稱加成到惱不對(duì)稱加成到C=C雙鍵，以及氫氰酸雙鍵，以及氫氰酸加成到加成到C=O鍵上。鍵上。 由醇腈酶（由醇腈酶（oxynitrilase）催化的氰醇反）催化的氰醇反應(yīng)所生成的手性氰醇，是合成除蟲(chóng)菊酯類應(yīng)所生成的手性氰醇，是合成除蟲(chóng)菊酯類沙蟲(chóng)劑的醇基部分。沙蟲(chóng)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：水和氨的加成反這類酶催化反應(yīng)還

34、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煌瑧?yīng)（如利用不同的微生物細(xì)胞能夠?qū)Σ煌〈奶继茧p鍵進(jìn)行加水反應(yīng)，具有很好取代的碳碳雙鍵進(jìn)行加水反應(yīng)，具有很好的手性合成應(yīng)用前景）、的手性合成應(yīng)用前景）、Michael加成反加成反應(yīng)、鹵化反應(yīng)和脫鹵素反應(yīng)等。應(yīng)、鹵化反應(yīng)和脫鹵素反應(yīng)等。第三節(jié)第三節(jié)參與藥物制備過(guò)程重要反應(yīng)的酶類及作用參與藥物制備過(guò)程重要反應(yīng)的酶類及作用機(jī)制機(jī)制已經(jīng)研究和應(yīng)用了各種各樣的微生物已經(jīng)研究和應(yīng)用了各種各樣的微生物來(lái)源酶于有關(guān)藥物制備和其他精細(xì)化來(lái)源酶于有關(guān)藥物制備和其他精細(xì)化學(xué)品的制備，特別是在消旋體的拆分、學(xué)品的制備，特別是在消旋體的拆分、不對(duì)稱合成，以及其他復(fù)

35、雜化學(xué)反應(yīng)不對(duì)稱合成，以及其他復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用。中的應(yīng)用。盡管經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)都能夠?qū)崿F(xiàn)這些盡管經(jīng)典的化學(xué)反應(yīng)都能夠?qū)崿F(xiàn)這些過(guò)程，但用于酶催化反應(yīng)的微生物資過(guò)程，但用于酶催化反應(yīng)的微生物資源的可再生性、反應(yīng)過(guò)程的環(huán)境友好源的可再生性、反應(yīng)過(guò)程的環(huán)境友好性，以及其他化學(xué)反應(yīng)無(wú)法比擬的優(yōu)性，以及其他化學(xué)反應(yīng)無(wú)法比擬的優(yōu)越性，愈來(lái)愈多化學(xué)反應(yīng)將被酶促反越性，愈來(lái)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)涉及應(yīng)所取代。這些酶類參與的反應(yīng)涉及到如下幾個(gè)方面。到如下幾個(gè)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），即為利用酶

36、對(duì)對(duì)映異構(gòu)），即為利用酶對(duì)對(duì)映異構(gòu)體中的一種手性分子具有特異性的催化作體中的一種手性分子具有特異性的催化作用，而對(duì)對(duì)映異構(gòu)體中的另一種手性分子用，而對(duì)對(duì)映異構(gòu)體中的另一種手性分子不起作用這樣的特性，將具有催化特異性不起作用這樣的特性，將具有催化特異性的一種對(duì)映異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為所希望的對(duì)映體的一種對(duì)映異構(gòu)體轉(zhuǎn)化為所希望的對(duì)映體純的產(chǎn)物純的產(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至今為止，在生物催化拆分中使用最多的是水解酶。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?yàn)閺睦碚撋现v，其最高得率不合算的

37、，因?yàn)閺睦碚撋现v，其最高得率僅為僅為50。這一不足從理論上講，通過(guò)。這一不足從理論上講，通過(guò)有效地結(jié)合外消旋化可以來(lái)彌補(bǔ)。這種通有效地結(jié)合外消旋化可以來(lái)彌補(bǔ)。這種通過(guò)外消旋化來(lái)得到單一對(duì)映體的方法，即過(guò)外消旋化來(lái)得到單一對(duì)映體的方法，即為動(dòng)態(tài)動(dòng)力學(xué)拆分（為動(dòng)態(tài)動(dòng)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；也外消旋化可以自發(fā)進(jìn)行，如乙內(nèi)酰脲；也可以通過(guò)改變反應(yīng)條件，如可以通過(guò)改變反應(yīng)條件，如pH和溫度；和溫度；或者通過(guò)使用外消旋酶來(lái)進(jìn)行?；蛘咄ㄟ^(guò)使用外消旋酶來(lái)進(jìn)行。 2、對(duì)映體會(huì)聚轉(zhuǎn)化、對(duì)映體會(huì)聚轉(zhuǎn)化 另外一條能夠得到另外一條能夠得到

38、100%對(duì)映體轉(zhuǎn)化收率對(duì)映體轉(zhuǎn)化收率的不同路線是對(duì)映體會(huì)聚轉(zhuǎn)化的不同路線是對(duì)映體會(huì)聚轉(zhuǎn)化（enantioconvergent transformations），即或是利用兩種對(duì)），即或是利用兩種對(duì)映體互補(bǔ)的酶進(jìn)行不同區(qū)域特異性的轉(zhuǎn)化，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)合使用酶催化和化學(xué)催化的方法，或是結(jié)合使用酶催化和化學(xué)催化的方法，使得到使得到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，后一種方法前一種方法的適用范圍不廣，后一種方法已經(jīng)在（已經(jīng)在（R）-Nifenalol（硝苯洛爾）的（硝苯洛爾）的制備過(guò)程中獲得了成功，其利用環(huán)氧化物制備過(guò)程中獲得了成功，其利用環(huán)氧化

39、物水解酶催化和硫酸催化相結(jié)合的方法（如水解酶催化和硫酸催化相結(jié)合的方法（如圖所示）。圖所示）。利用化學(xué)利用化學(xué)-酶水解對(duì)酶水解對(duì)-硝基苯乙烯氧化物對(duì)映體會(huì)硝基苯乙烯氧化物對(duì)映體會(huì)聚合成（聚合成（R）-Nifenalol的途徑的途徑 3、去對(duì)稱化反應(yīng)、去對(duì)稱化反應(yīng) 利用不同的水解酶或水合酶進(jìn)行去對(duì)稱化利用不同的水解酶或水合酶進(jìn)行去對(duì)稱化（desymmetrization），是一種非常有），是一種非常有效的特異性反應(yīng)。一個(gè)對(duì)稱的前手性分子，效的特異性反應(yīng)。一個(gè)對(duì)稱的前手性分子，利用某一種特定的酶促僅對(duì)分子中的一個(gè)利用某一種特定的酶促僅對(duì)分子中的一個(gè)功能基團(tuán)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，最終得到一個(gè)所功能基團(tuán)進(jìn)行生

40、物轉(zhuǎn)化，最終得到一個(gè)所期望的手性分子，這就是去對(duì)稱化。期望的手性分子，這就是去對(duì)稱化。 圖所示為美國(guó)圖所示為美國(guó)Schering-Plough公司利用公司利用脂肪酶，對(duì)脂肪酶，對(duì)2-取代取代-1,3-丙二醇進(jìn)行去對(duì)稱丙二醇進(jìn)行去對(duì)稱化轉(zhuǎn)化，最終得到合成抗真菌藥物化轉(zhuǎn)化，最終得到合成抗真菌藥物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(duì)利用脂肪酶對(duì)2-取代取代-1,3-丙二醇進(jìn)行丙二醇進(jìn)行去對(duì)稱化的轉(zhuǎn)化反應(yīng)去對(duì)稱化的轉(zhuǎn)化反應(yīng) 4、不對(duì)稱合成、不對(duì)稱合成 相對(duì)于生物催化拆分，用于生物催化不對(duì)相對(duì)于生物催化拆分，用于生物催化不對(duì)稱合成的底物是一種前手性前體，其通過(guò)稱合成的底物是一

41、種前手性前體，其通過(guò)對(duì)映體加成反應(yīng)，可以被轉(zhuǎn)化為所期望的對(duì)映體加成反應(yīng)，可以被轉(zhuǎn)化為所期望的光學(xué)活性化合物。與去對(duì)稱化反應(yīng)相似，光學(xué)活性化合物。與去對(duì)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。學(xué)活性化合物。 參與藥物制備過(guò)程重要反應(yīng)的酶的種參與藥物制備過(guò)程重要反應(yīng)的酶的種類很多，以下就脂肪酶、環(huán)氧化物水解酶類很多，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)容作一闡和糖苷化酶的作用機(jī)制及有關(guān)內(nèi)容作一闡述。述。一、脂肪酶一、脂肪酶 很多細(xì)菌能夠產(chǎn)生脂肪酶。脂肪酶既能夠很多細(xì)菌能夠產(chǎn)生脂肪酶。脂肪酶既能夠水解長(zhǎng)鏈?；视停材軌?/p>

42、合成長(zhǎng)鏈酰基水解長(zhǎng)鏈?；视停材軌蚝铣砷L(zhǎng)鏈?；视停ㄈ鐖D所示）。甘油（如圖所示）。 由于脂肪酶所催化的水解反應(yīng)和合成反應(yīng)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（都具有區(qū)域選擇性（regioselectivity）和對(duì)映體選擇性（和對(duì)映體選擇性（enantioselectivity），），因此，該酶已被作為重要的立體選擇性生因此，該酶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。物催化劑，用于有機(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(jiǎn)單定義為：催化長(zhǎng)鏈?；视退庵久傅暮?jiǎn)單定義為：催化長(zhǎng)鏈酰基甘油水解（或合成）的羧基酯酶（或合成）的羧基酯酶（car

43、boxylesterase）；）； 如果以三油酰甘油酯（如果以三油酰甘油酯（trioleoylglycerol）為）為標(biāo)準(zhǔn)底物時(shí)，水解含有?；滈L(zhǎng)大于標(biāo)準(zhǔn)底物時(shí)，水解含有?；滈L(zhǎng)大于10個(gè)碳原個(gè)碳原子的甘油酯時(shí)，往往被稱之為脂肪酶子的甘油酯時(shí)，往往被稱之為脂肪酶（lipase），如果當(dāng)以三丁酸甘油酯為標(biāo)準(zhǔn)底），如果當(dāng)以三丁酸甘油酯為標(biāo)準(zhǔn)底物時(shí)，水解含有小于物時(shí)，水解含有小于10個(gè)碳原子的甘油酯時(shí)，個(gè)碳原子的甘油酯時(shí)，往往被稱之為酯酶（往往被稱之為酯酶（esterase）。但應(yīng)該注意）。但應(yīng)該注意的是，這些脂肪酶往往具有優(yōu)先水解酯酶底物。的是，這些脂肪酶往往具有優(yōu)先水解酯酶底物。 另外一種更為容

44、易的理解的含義是：對(duì)于含大另外一種更為容易的理解的含義是：對(duì)于含大的手性羧酸和小的醇的酯，其水解或酯交換由的手性羧酸和小的醇的酯，其水解或酯交換由酯酶催化，而對(duì)由小的羧酸和大的手性醇構(gòu)成酯酶催化，而對(duì)由小的羧酸和大的手性醇構(gòu)成的酯，則由脂肪酶催化，如圖所示。的酯，則由脂肪酶催化，如圖所示。 ROR1OH2OROHOR1OH酶R *OR OROR *O1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(shí)現(xiàn)商業(yè)化的一些微生物來(lái)源的脂肪已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的一些微生物來(lái)源的脂肪酶酶 微生物名稱微生物名稱用途用途Candida rugosaCandida

45、 Antarctica A/BThermomyces lanuginosusRhizomucor 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 cepaciaPseudomonas alcaligenesPseudomonas mendocinaChromobacterium 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/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

46、的活化，其活化過(guò)程一方面來(lái)自、親核絲氨酸殘基的活化，其活化過(guò)程一方面來(lái)自于被鄰近的組氨酸，另一方面來(lái)自于受絲氨酸中于被鄰近的組氨酸，另一方面來(lái)自于受絲氨酸中O-作作用的底物羧基碳原子的親核進(jìn)攻；用的底物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、被活化的絲氨酸與底物中的羧基碳結(jié)合，形成一個(gè)過(guò)度態(tài)的四元中間體，這個(gè)中間體由于兩個(gè)肽中的個(gè)過(guò)度態(tài)的四元中間體，這個(gè)中間體由于兩個(gè)肽中的NH基團(tuán)與基團(tuán)與O- 的作用而使其穩(wěn)定，組氨酸在這一過(guò)程的作用而使其穩(wěn)定，組氨酸在這一過(guò)程中提供一個(gè)質(zhì)子給底物中要離去的醇基上；中提供一個(gè)質(zhì)子給底物中要離去的醇基上；3、共價(jià)中間體（、共價(jià)中間體

47、（“?；铬；浮保┑男纬?，底物中的酸）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酸活化，結(jié)果是近的組氨酸活化，結(jié)果是OH-對(duì)共價(jià)中間體中的羧基對(duì)共價(jià)中間體中的羧基碳原子進(jìn)行親核進(jìn)攻；碳原子進(jìn)行親核進(jìn)攻；4、組氨酸殘基提供一個(gè)質(zhì)子給活化的絲氨酸殘基中、組氨酸殘基提供一個(gè)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，釋放的氧原子，使絲氨酸與?；糠值孽ユI斷裂，釋放?；a(chǎn)物。?；a(chǎn)物。NOHNOHOOSerO HNNHisHOAspONOHNOHOOOSerHNNHOAspOHis21NOHNOH

48、OOSerNNHOAspOHisHOHHO3NOHNOHHOOSerO HNNHisHOAspO4 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酰基親核試劑捕捉酶分子活性部位形成?；?酶復(fù)合物的過(guò)程酶復(fù)合物的過(guò)程 脂肪酶進(jìn)行酯水解和酯合成的過(guò)程脂肪酶進(jìn)行酯水解和酯合成的過(guò)程 （a）：不溶性酯的水解）：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)合的三個(gè)結(jié)合袋，以及位于結(jié)合袋周圍的氨圖顯示了該酶的活性部位：底物基團(tuán)與酶結(jié)合的三個(gè)結(jié)合袋，以及

49、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(gè)大大的疏水溝，其可以恰如其分地基酸殘基。如圖所示：飛鏢形的活性部位被分為一個(gè)大大的疏水溝，其可以恰如其分地容納容納sn-3?；?；一個(gè)可以嵌入抑制劑的醇部分，其可以再被分為一個(gè)可以容納?；?；一個(gè)可以嵌入抑制劑的醇部分，其可以再被分為一個(gè)可以容納sn-2部部分的疏水分的疏水/親水袋，（由于親水袋，（由于sn-2結(jié)合袋對(duì)底物結(jié)合的交互作用最密切，因此，這可能是結(jié)合袋對(duì)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(gè)較小的可以容納決定酶立體選擇性的優(yōu)先因素），和一個(gè)較小的可以容納sn-1鏈的結(jié)合袋。范德華力

50、是鏈的結(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。另外，維持以上底物中這些基團(tuán)與酶結(jié)合的主要作用。另外，sn-2鏈中的酯氧原子與活性部位鏈中的酯氧原子與活性部位組氨酸的組氨酸的NE2原子之間的氫鍵，對(duì)固定抑制劑的位置具有重要的作用。原子之間的氫鍵，對(duì)固定抑制劑的位置具有重要的作用。 一些由微生物來(lái)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(lái)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(duì)映體選擇性還不夠高；）對(duì)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

51、難以循環(huán)使用； 4）利用脂肪酶進(jìn)行動(dòng)力學(xué)拆分制備單一）利用脂肪酶進(jìn)行動(dòng)力學(xué)拆分制備單一異構(gòu)體的最高得率為異構(gòu)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(duì)映體）利用體外進(jìn)化技術(shù)改造酶提高對(duì)映體選擇性；選擇性； 2）研究固定化技術(shù)提高酶在有機(jī)溶劑中）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；的活性和穩(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(dòng)力學(xué)拆分使酶能夠進(jìn)行對(duì)映體）研究動(dòng)力學(xué)拆分使酶能夠進(jìn)行對(duì)映體轉(zhuǎn)換的催化反應(yīng)。轉(zhuǎn)換的催化反應(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

52、旋化；用來(lái)源于的構(gòu)型化合物外消旋化；用來(lái)源于的脂肪酶對(duì)外消旋體苯乙胺進(jìn)行立體選擇性酰化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)拆分脂肪酶對(duì)外消旋體苯乙胺進(jìn)行立體選擇性?；磻?yīng)的動(dòng)力學(xué)拆分過(guò)程過(guò)程 一些利用脂肪酶制備藥物關(guān)鍵中間體的實(shí)例一些利用脂肪酶制備藥物關(guān)鍵中間體的實(shí)例關(guān)鍵中間體關(guān)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-甲氧苯基縮水甘甲氧苯基縮水甘油酸甲酯油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-苯甲酰

53、苯甲?；?(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-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1-2二醇。二醇。這種酶廣泛地存在于自然界中，如植物、昆蟲(chóng)、這種酶廣泛地

54、存在于自然界中，如植物、昆蟲(chóng)、細(xì)菌、真菌和哺乳動(dòng)物等。細(xì)菌、真菌和哺乳動(dòng)物等。 除了這種酶在不同的生物體內(nèi)具有獨(dú)特的功能除了這種酶在不同的生物體內(nèi)具有獨(dú)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)代表了這一類酶具有重要的生物化學(xué)作用，因?yàn)椋涸诤芏嗑哂猩镏匾纳锘瘜W(xué)作用，因?yàn)椋涸诤芏嗑哂猩锘钚宰饔玫姆巧锖铣苫衔锏慕到膺^(guò)程中，活性作用的非生物合成化合物的降解過(guò)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

55、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：可溶性種這樣的酶：可溶性（也稱為胞質(zhì)）環(huán)氧化物水解酶（也稱為胞質(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、膽固醇環(huán)氧化物水解酶以及物水解酶

56、以及hepoxilin水解酶。水解酶。 一些微生物環(huán)氧化物水解酶對(duì)映體選擇性地水解外消旋體環(huán)氧化物的實(shí)例一些微生物環(huán)氧化物水解酶對(duì)映體選擇性地水解外消旋體環(huán)氧化物的實(shí)例 （二）（二） 環(huán)氧化物水解酶的作用機(jī)理和結(jié)構(gòu)環(huán)氧化物水解酶的作用機(jī)理和結(jié)構(gòu)特征特征 除了對(duì)哺乳類的微粒體環(huán)氧化物水解酶（除了對(duì)哺乳類的微粒體環(huán)氧化物水解酶（mEH）的作用機(jī)理有所深入研究外，對(duì)其他有關(guān)的這的作用機(jī)理有所深入研究外，對(duì)其他有關(guān)的這類酶的作用機(jī)理幾乎沒(méi)有什么研究，但可以認(rèn)類酶的作用機(jī)理幾乎沒(méi)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。為，這類酶的作用機(jī)理應(yīng)該是相近的。 一般認(rèn)為，一般認(rèn)為，mEH通過(guò)反式（

57、通過(guò)反式（trans）進(jìn)攻環(huán)氧）進(jìn)攻環(huán)氧乙烷來(lái)水解環(huán)氧化物，這一親核進(jìn)攻主要在立乙烷來(lái)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(duì)水解速率變化的效應(yīng)研究，以及取代基不同對(duì)水解速率變化的效應(yīng)研究，以及動(dòng)力學(xué)溶劑同位素研究，結(jié)果支持這一假設(shè)。動(dòng)力學(xué)溶劑同位素研究，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(guò)還有一種普遍可以接受的反應(yīng)機(jī)理是：先通過(guò)酶分子中的專一的組氨酸殘基來(lái)活化水分子，酶分子中的專一的組氨酸殘基來(lái)活化水分子，然后由被活化了的水分子直接進(jìn)攻環(huán)氧化物中然后由被活化了的水分子直接進(jìn)攻環(huán)氧化物

58、中的環(huán)結(jié)構(gòu)部分。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(guò)程環(huán)氧化物水解酶催化環(huán)氧化物水解的一般過(guò)程 Agrobacterium radiobater AD1環(huán)氧化物水解酶的催化機(jī)理環(huán)氧化物水解酶的催化機(jī)理在大多數(shù)情況下，較為暴露的碳原子被優(yōu)先受到攻在大多數(shù)情況下，較為暴露的碳原子被優(yōu)先受到攻擊，因此，擊，因此，k1k2 、k4 k3。 環(huán)氧化物水解酶生物轉(zhuǎn)化的四種途徑環(huán)氧化物水解酶生物轉(zhuǎn)化的四種途徑 （三）（三） 環(huán)氧化物水解酶的底物特異性環(huán)氧化物水解酶的底物特異性 1、單取代環(huán)氧化物；、單取代環(huán)氧化物； 2、苯乙烯氧化物型的環(huán)氧化物；、苯乙烯氧化物型的環(huán)氧化物； 3、雙取代環(huán)氧

59、化物。、雙取代環(huán)氧化物。帶有各種不同取代基的環(huán)氧化物帶有各種不同取代基的環(huán)氧化物三、糖苷化酶與糖基轉(zhuǎn)移酶三、糖苷化酶與糖基轉(zhuǎn)移酶 寡糖、糖脂、糖肽、糖蛋白、蛋白聚糖以寡糖、糖脂、糖肽、糖蛋白、蛋白聚糖以及其他一些含糖化合物在生物體內(nèi)具有廣及其他一些含糖化合物在生物體內(nèi)具有廣泛的生理作用，特別是不少含糖化合物具泛的生理作用，特別是不少含糖化合物具有特殊的藥理活性，從而激發(fā)了藥物研究有特殊的藥理活性，從而激發(fā)了藥物研究工作者的研究熱情，使之成為當(dāng)今藥物開(kāi)工作者的研究熱情，使之成為當(dāng)今藥物開(kāi)發(fā)研究的一個(gè)重要分支。發(fā)研究的一個(gè)重要分支。 三、糖苷化酶與糖基轉(zhuǎn)移酶三、糖苷化酶與糖基轉(zhuǎn)移酶 目前很多已經(jīng)應(yīng)

60、用的微生物藥物都是糖苷目前很多已經(jīng)應(yīng)用的微生物藥物都是糖苷化合物，如具有抗菌、抗蟲(chóng)、免疫調(diào)節(jié)、化合物，如具有抗菌、抗蟲(chóng)、免疫調(diào)節(jié)、除草和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)等生物活性的大環(huán)內(nèi)酯類除草和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)等生物活性的大環(huán)內(nèi)酯類糖苷化合物，以及蒽環(huán)類抗腫瘤抗生素等。糖苷化合物，以及蒽環(huán)類抗腫瘤抗生素等。盡管通過(guò)化學(xué)合成的方法可以形成特異性盡管通過(guò)化學(xué)合成的方法可以形成特異性的糖苷鍵，但其區(qū)域?qū)Ｒ恍曰蛄Ⅲw專一性的糖苷鍵，但其區(qū)域?qū)Ｒ恍曰蛄Ⅲw專一性合成的效率往往是低下的，而利用酶或微合成的效率往往是低下的，而利用酶或微生物進(jìn)行轉(zhuǎn)化的方法來(lái)合成各種糖苷鍵，生物進(jìn)行轉(zhuǎn)化的方法來(lái)合成各種糖苷鍵，是近年來(lái)一個(gè)新的研究領(lǐng)域。是近年來(lái)