生物转化的类型和机制课件.ppt

1、2023年2月7日星期二生物转化的类型和机制生物转化的类型和机制第一节第一节 生物转化的定义与研究内容生物转化的定义与研究内容 生物转化的含义更强调的是：生物转化的含义更强调的是：用微生物或酶来进行药物合成（或其他有用微生物或酶来进行药物合成（或其他有机合成）过程中的某一步或几步反应，而机合成）过程中的某一步或几步反应，而那些直接来源于微生物的代谢产物是微生那些直接来源于微生物的代谢产物是微生物进行物进行“从头到尾从头到尾”的合成过程。的合成过程。在许多国外文献中经常能够看到的描述这种技术的名词有：microbial transformation;microbial conversion;Bi

2、otransformation Bioconversion Biocatalysis enzymation等。微生物微生物(酶酶)转化是有机化学反应转化是有机化学反应中的一个特殊的分支中的一个特殊的分支 微生物转化的本质是某种微生物将一种物微生物转化的本质是某种微生物将一种物质（底物）转化成为另一种物质（产物）质（底物）转化成为另一种物质（产物）的过程，这一过程是由某种微生物产生的的过程，这一过程是由某种微生物产生的一种或几种特殊的胞外或胞内酶作为生物一种或几种特殊的胞外或胞内酶作为生物催化剂进行的一种或几种化学反应，简言催化剂进行的一种或几种化学反应，简言之，即为一种利用微生物酶或微生物本身

3、之，即为一种利用微生物酶或微生物本身的合成技术。的合成技术。微生物微生物(酶酶)转化是有机化学反应转化是有机化学反应中的一个特殊的分支中的一个特殊的分支 这些具有生物催化剂作用的酶大多数对其这些具有生物催化剂作用的酶大多数对其微生物的生命过程也是必需的，但在微生微生物的生命过程也是必需的，但在微生物转化过程中，这些酶仅作为生物催化剂物转化过程中，这些酶仅作为生物催化剂用于化学反应。由于微生物产生的这些能用于化学反应。由于微生物产生的这些能够被用于化学反应的大多数生物催化剂不够被用于化学反应的大多数生物催化剂不仅能够利用自身的底物及其类似物，且有仅能够利用自身的底物及其类似物，且有时对外源添加的

4、底物也具有同样的催化作时对外源添加的底物也具有同样的催化作用，即能催化非天然的反应（用，即能催化非天然的反应（unnatural reactions）。）。在研究一个微生物（或酶）在研究一个微生物（或酶）转化过程时，需要考虑的问题转化过程时，需要考虑的问题 所用转化底物的选择；所用转化底物的选择；所用微生物对不同底物转化能力的考察、转所用微生物对不同底物转化能力的考察、转化路线或转化反应的选择等；化路线或转化反应的选择等；其中最主要的是寻找适合于所设计转化过程其中最主要的是寻找适合于所设计转化过程的微生物，以及如何来提高这种微生物的转的微生物，以及如何来提高这种微生物的转化能力，即提高这种酶活

5、力；化能力，即提高这种酶活力；再则是发现一种新的酶或一种新的反应以便再则是发现一种新的酶或一种新的反应以便为设计一个新的微生物转化过程提供一条线为设计一个新的微生物转化过程提供一条线索。索。用于转化的微生物或酶的多样性用于转化的微生物或酶的多样性 用于微生物转化的菌株或酶的筛选的范围用于微生物转化的菌株或酶的筛选的范围应该尽可能地广，因为至目前为止已经发应该尽可能地广，因为至目前为止已经发现了现了3000 余种余种能够催化各种化学反应的酶，能够催化各种化学反应的酶，其中有些酶的催化效果比化学催化剂好；其中有些酶的催化效果比化学催化剂好；另外，微生物的多样性和其生理生化特性另外，微生物的多样性和

6、其生理生化特性的多样性（它们能够修饰和降解许许多多的多样性（它们能够修饰和降解许许多多有机化合物），使我们有可能找到某种微有机化合物），使我们有可能找到某种微生物或酶来催化某种特定的和所期望的化生物或酶来催化某种特定的和所期望的化学反应。学反应。第二节第二节 生物转化的基本类型生物转化的基本类型一、还原反应一、还原反应 脱氢酶被广泛地用于醛和酮羰基以及烯烃脱氢酶被广泛地用于醛和酮羰基以及烯烃碳碳-碳双键的还原，这种生物转化反应可使碳双键的还原，这种生物转化反应可使潜手性底物转化为手性产物，如图所示。潜手性底物转化为手性产物，如图所示。面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化面包酵母醇脱氢酶和马肝醇

7、脱氢酶能催化酮不对称还原，其还原产物仲醇的对映体酮不对称还原，其还原产物仲醇的对映体过量率接近过量率接近100%。脱氢酶催化的还原反应脱氢酶催化的还原反应生物转化中常用的一些脱氢酶生物转化中常用的一些脱氢酶 脱氢酶名称脱氢酶名称特异性特异性反应所需的辅酶反应所需的辅酶商品化商品化酵母醇脱氢酶酵母醇脱氢酶PrelogNADH+马肝醇脱氢酶马肝醇脱氢酶PrelogNADH+布氏热厌氧菌醇脱氢布氏热厌氧菌醇脱氢酶酶PrelogNADPH+羟基甾体醇脱氢酶羟基甾体醇脱氢酶PrelogNADH+弯孢菌脱氢酶弯孢菌脱氢酶PrelogNADPH-乳杆菌属的乳杆菌属的Lactobacillus kefir 醇

8、脱氢酶醇脱氢酶Anti-PrelogNADPH+爪哇毛霉醇脱氢酶爪哇毛霉醇脱氢酶Anti-PrelogNADPH-甲单胞菌属醇脱氢酶甲单胞菌属醇脱氢酶Anti-PrelogNADPH-二、氧化反应二、氧化反应 氧化反应是向有机化合物分子中引入功能氧化反应是向有机化合物分子中引入功能基团的重要反应之一。基团的重要反应之一。生物催化的氧化反应主要由三大类酶：生物催化的氧化反应主要由三大类酶：单单加氧酶、双加氧酶和氧化酶加氧酶、双加氧酶和氧化酶，它们所催化，它们所催化的反应如图所示。的反应如图所示。二、氧化反应二、氧化反应 单加氧酶和双加氧酶直接在底物分子中加氧，而氧化单加氧酶和双加氧酶直接在底物分

9、子中加氧，而氧化酶是催化底物脱氢，脱下的氢再与氧结合生成水或过酶是催化底物脱氢，脱下的氢再与氧结合生成水或过氧化氢。氧化氢。脱氢酶与氧化酶相似，也是催化底物脱氢，但它催化脱氢酶与氧化酶相似，也是催化底物脱氢，但它催化脱下的氢与氧化态脱下的氢与氧化态NAD(P)+结合，而不是与氧结合，结合，而不是与氧结合，这是两者的主要区别。氧化反应表面上看是加氧或脱这是两者的主要区别。氧化反应表面上看是加氧或脱氢，其本质是电子的得失。氢，其本质是电子的得失。单加氧酶、双加氧酶和氧化酶是催化底物氧化失去电单加氧酶、双加氧酶和氧化酶是催化底物氧化失去电子，并将电子交给氧，即氧是电子受体；脱氢酶催化子，并将电子交给

10、氧，即氧是电子受体；脱氢酶催化底物失去电子，它将电子交给底物失去电子，它将电子交给NAD(P)+，然后还原型，然后还原型NAD(P)H再通过呼吸链或再通过呼吸链或NAD(P)H氧化酶将电子最氧化酶将电子最终交给氧并生成水。终交给氧并生成水。生物催化的氧化反应类型生物催化的氧化反应类型 1、单加氧酶催化的氧化反应、单加氧酶催化的氧化反应 单加氧酶（单加氧酶（mono-oxygenases）可以使）可以使氧分子（氧分子（O2）中的一个氧原子加入到底物）中的一个氧原子加入到底物分子中，另一个氧原子使还原型分子中，另一个氧原子使还原型NADH或或NADPH氧化并产生水（氧化并产生水（H2O）。单加氧酶

11、）。单加氧酶在生物催化的手性合成中有着重要的应用，在生物催化的手性合成中有着重要的应用，图所示为该酶催化的一些反应类型图所示为该酶催化的一些反应类型。单加氧酶所催化的一些反应类型单加氧酶所催化的一些反应类型 底物底物产物产物反应类型反应类型辅酶类辅酶类型型烷烃烷烃醇醇羟化羟化金属金属芳香烃芳香烃酚酚羟化羟化金属金属烷基烃烷基烃环氧环氧化物化物环氧化环氧化金属金属含杂含杂原子原子化合物化合物杂原杂原子氧子氧化物化物杂原子氧化杂原子氧化黄素黄素酮酮酯或酯或内酯内酯Baeyer-Villiger黄素黄素羟化反应是一类重要的氧化反应羟化反应是一类重要的氧化反应 碳氢化合物中非活泼的碳氢化合物中非活泼的

12、CH键的羟化是一键的羟化是一种非常有用的生物转化反应，传统的有机种非常有用的生物转化反应，传统的有机化学合成方法几乎不能进行这样直接的羟化学合成方法几乎不能进行这样直接的羟化反应。但很多微生物能够直接进行烷烃化反应。但很多微生物能够直接进行烷烃和芳香烃的羟化反应，其中工业化应用最和芳香烃的羟化反应，其中工业化应用最为广泛的是甾体的羟化反应。为广泛的是甾体的羟化反应。环氧化反应环氧化反应 手性环氧化合物是一种重要的手性合成前体，手性环氧化合物是一种重要的手性合成前体，可与多种亲核试剂反应产生重要的中间体。可与多种亲核试剂反应产生重要的中间体。单加氧酶催化的烯烃环氧化反应可用于制备小单加氧酶催化的

13、烯烃环氧化反应可用于制备小分子环氧化合物，其中有些产物是传统的化学分子环氧化合物，其中有些产物是传统的化学方法所不能制备的。方法所不能制备的。另外，由单加氧酶催化的硫醚的氧化反应也是另外，由单加氧酶催化的硫醚的氧化反应也是非常重要的，已经发现了很多能够催化这类反非常重要的，已经发现了很多能够催化这类反应的微生物。应的微生物。拜尔拜尔-维利格反应（维利格反应（Baeyer-Villiger）由单加氧酶催化的另一个非常重要的反应由单加氧酶催化的另一个非常重要的反应就是拜尔就是拜尔-维利格反应（维利格反应（Baeyer-Villiger）。）。该反应是指利用过氧羧酸氧化酮生成酯或该反应是指利用过氧羧

14、酸氧化酮生成酯或内酯，这是一个具有很高应用价值的有机内酯，这是一个具有很高应用价值的有机合成反应。合成反应。2、双加氧酶催化的氧化反应、双加氧酶催化的氧化反应 双加氧酶（双加氧酶（dioxygenases），有称双氧酶，），有称双氧酶，能催化氧分子中的两个氧原子加入到一个能催化氧分子中的两个氧原子加入到一个底物分子中。这类酶一般含有紧密结合的底物分子中。这类酶一般含有紧密结合的铁原子，如血红素铁，其催化的典型反应铁原子，如血红素铁，其催化的典型反应有以下三种（如图所示）。有以下三种（如图所示）。双加氧酶催化的氧化反应双加氧酶催化的氧化反应 双加氧酶催化的氧化反应双加氧酶催化的氧化反应 双加氧酶

15、催化的反应有烯烃的氢过氧化反双加氧酶催化的反应有烯烃的氢过氧化反应。烯烃可被一种双加氧酶应。烯烃可被一种双加氧酶-脂氧酶氧化为脂氧酶氧化为脂质氢过氧化物，其对细胞具有毒性，并脂质氢过氧化物，其对细胞具有毒性，并能引起病变。脂质氢过氧化物能被过氧化能引起病变。脂质氢过氧化物能被过氧化物酶还原为醇。大豆脂氧酶能够催化天然物酶还原为醇。大豆脂氧酶能够催化天然的亚油酸的氧化并不有很高选择性，同时的亚油酸的氧化并不有很高选择性，同时对非天然的底物也能够进行同样的催化反对非天然的底物也能够进行同样的催化反应。应。过氧化物酶过氧化物酶 过氧化物酶能够催化过氧化氢化许多芳香过氧化物酶能够催化过氧化氢化许多芳香

16、族胺或酚类化合物，也有的过氧化物酶能族胺或酚类化合物，也有的过氧化物酶能够用于特定构型仲醇的制备。够用于特定构型仲醇的制备。同样，由于过氧化酶的立体选择性，此酶同样，由于过氧化酶的立体选择性，此酶还可用于消旋体氢过氧化物的拆分。还可用于消旋体氢过氧化物的拆分。双加氧酶在能够用于制备顺式环状二醇和双加氧酶在能够用于制备顺式环状二醇和顺式环状连二醇，这些手性化合物具有很顺式环状连二醇，这些手性化合物具有很多的用途。多的用途。3、氧化酶和脱氢酶的催化反应、氧化酶和脱氢酶的催化反应 氧化酶催化电子转移到分子氧中，以氧作为电氧化酶催化电子转移到分子氧中，以氧作为电子受体，最终生成水或过氧化氢。子受体，最

17、终生成水或过氧化氢。氧化酶有黄素蛋白氧化酶（氨基酸氧化酶、葡氧化酶有黄素蛋白氧化酶（氨基酸氧化酶、葡萄糖氧化酶）、金属黄素蛋白氧化酶（醛氧化萄糖氧化酶）、金属黄素蛋白氧化酶（醛氧化酶）和血红素蛋白氧化酶（过氧化氢酶、过氧酶）和血红素蛋白氧化酶（过氧化氢酶、过氧化物酶）等。化物酶）等。其中有些具有重要的应用价值。其中有些具有重要的应用价值。脱氢酶脱氢酶 可以催化氧化和还原双向可逆反应，一般可以催化氧化和还原双向可逆反应，一般以催化还原反应为主，但根据需要设计反以催化还原反应为主，但根据需要设计反应条件可以使还原反应转化为氧化反应。应条件可以使还原反应转化为氧化反应。脱氢酶能够催化多元醇分子中的某

18、一羟基脱氢酶能够催化多元醇分子中的某一羟基区域选择性氧化，而化学方法需要对多元区域选择性氧化，而化学方法需要对多元醇中的其他羟基进行保护和脱保护的反应。醇中的其他羟基进行保护和脱保护的反应。另外，某些脱氢酶能够催化消旋体醇对映另外，某些脱氢酶能够催化消旋体醇对映体选择性地氧化而用于拆分。体选择性地氧化而用于拆分。三、水解反应三、水解反应 水解酶（水解酶（hydrolases，EC 3.x.x.x）是最）是最常用的生物催化剂，占生物催化反应用酶常用的生物催化剂，占生物催化反应用酶的的65%左右。它们能够水解酯、酰胺、蛋左右。它们能够水解酯、酰胺、蛋白质、核酸、多糖、环氧化物和腈等化合白质、核酸、

19、多糖、环氧化物和腈等化合物，这些反应的形式如图所示。物，这些反应的形式如图所示。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。生物催化的水解反应的类型生物催化的水解反应的类型 1、酯水解、酯水解 用于酯水解的酯酶有猪肝酯酶、微生物酯用于酯水解的酯酶有猪肝酯酶、微生物酯酶（苦草杆菌、产氨短杆菌、凝结芽孢杆酶（苦草杆菌、产氨短杆菌、凝结芽孢杆菌、豆酱比赤氏酵母和黑根霉等）、具有菌、豆酱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、苦草杆菌蛋白酶、青霉素酰化酶、米曲霉蛋草杆菌蛋白

20、酶、青霉素酰化酶、米曲霉蛋白酶和灰色链霉菌蛋白酶等），以及脂肪白酶和灰色链霉菌蛋白酶等），以及脂肪酶（猪胰腺脂肪酶、假丝酵母属脂肪酶、酶（猪胰腺脂肪酶、假丝酵母属脂肪酶、假单胞菌属脂肪酶毛霉属脂肪酶等）。假单胞菌属脂肪酶毛霉属脂肪酶等）。2、环氧化物水解、环氧化物水解 环氧化物是一类重要的有机化合物，是许多生环氧化物是一类重要的有机化合物，是许多生物活性物质合成的原料。物活性物质合成的原料。环氧化物水解酶能够催化环氧化物进行区域或环氧化物水解酶能够催化环氧化物进行区域或对映选择性水解，从而通过生物拆分法制备所对映选择性水解，从而通过生物拆分法制备所需构型的环氧化物。需构型的环氧化物。生物催化的

21、烯烃环氧化反应也能够直接制备光生物催化的烯烃环氧化反应也能够直接制备光学纯的环氧化物。学纯的环氧化物。用于生物转化的环氧化物水解酶有肝微粒体环用于生物转化的环氧化物水解酶有肝微粒体环氧化物水解酶和微生物环氧化物水解酶。氧化物水解酶和微生物环氧化物水解酶。3、腈水解、腈水解 含有腈基的有机化合物是一类重要的原料。含有腈基的有机化合物是一类重要的原料。天然腈存在于植物、真菌、细菌、藻类、海天然腈存在于植物、真菌、细菌、藻类、海绵、昆虫甚至哺乳动物中。绵、昆虫甚至哺乳动物中。腈水解可通过腈水解酶和腈水合酶两种不同腈水解可通过腈水解酶和腈水合酶两种不同的酶来实现。的酶来实现。脂肪族腈一般先在腈水合酶催

22、化下生成相应脂肪族腈一般先在腈水合酶催化下生成相应的酰胺，然后再经过酰胺酶或蛋白酶水解为的酰胺，然后再经过酰胺酶或蛋白酶水解为羧酸。羧酸。芳香族、杂环和不饱和脂肪腈一般被腈水解芳香族、杂环和不饱和脂肪腈一般被腈水解酶直接水解产生羧酸，而不形成中间体酰胺。酶直接水解产生羧酸，而不形成中间体酰胺。4、酰胺水解、酰胺水解 多肽和蛋白质是由氨基酸通过酰胺键（肽键）多肽和蛋白质是由氨基酸通过酰胺键（肽键）相互连接形成的大分子。相互连接形成的大分子。L-氨基酸被广泛用氨基酸被广泛用于医药、食品和手性合成中。于医药、食品和手性合成中。近年来，一些非天然近年来，一些非天然D-氨基酸被用作手性化氨基酸被用作手性

23、化合物合成的前体，合物合成的前体，D苯苷氨酸、苯苷氨酸、D-对羟基苯苷对羟基苯苷氨酸是氨酸是-内酰胺类抗生素的常用侧链。内酰胺类抗生素的常用侧链。4、酰胺水解、酰胺水解 氨基酸制备一般有微生物发酵法、化学合氨基酸制备一般有微生物发酵法、化学合成法和酶法三种。成法和酶法三种。其中用酶法合成对映体纯氨基酸主要有如其中用酶法合成对映体纯氨基酸主要有如图所示的图所示的三种方法：三种方法：水解酶催化消旋体拆分；水解酶催化消旋体拆分；裂合酶催化不对称氨加成；裂合酶催化不对称氨加成；脱氢酶催化不对称还原胺化反应。脱氢酶催化不对称还原胺化反应。酶法制备酶法制备L-氨基酸的三种方法氨基酸的三种方法 工业上常用的

24、酰胺水解酶有：工业上常用的酰胺水解酶有：酰胺酶（酰胺酶（amidase）又称氨基肽酶）又称氨基肽酶，其能催化消旋，其能催化消旋体氨基酸酰胺选择性水解生成体氨基酸酰胺选择性水解生成L-氨基酸；氨基酸；氨基酰化酶（氨基酰化酶（acylase），），其能选择性地催化其能选择性地催化L-N-酰酰基氨基酸水解，如这类酶能够催化消旋体基氨基酸水解，如这类酶能够催化消旋体N-乙酰色乙酰色氨酸和氨酸和N-乙酰苯丙氨酸水解拆分制备乙酰苯丙氨酸水解拆分制备L-苯丙氨酸和苯丙氨酸和L-色氨酸；色氨酸；乙内酰脲酶俗称海因酶乙内酰脲酶俗称海因酶，这类酶在体内负责催化嘧，这类酶在体内负责催化嘧啶碱基代谢中二氢嘧啶环的水解

25、开环反应，故又称啶碱基代谢中二氢嘧啶环的水解开环反应，故又称二氢嘧啶酶，常用的海因酶与酰胺酶和酰化酶不同，二氢嘧啶酶，常用的海因酶与酰胺酶和酰化酶不同，它优先水解它优先水解D-型对映体，属型对映体，属D-海因酶；海因酶；内酰胺酶，内酰胺酶，其可用于消旋体内酰胺的水解拆分，这其可用于消旋体内酰胺的水解拆分，这些单一对映体的产物是合成很多生理活性物质的重些单一对映体的产物是合成很多生理活性物质的重要中间体。要中间体。四、转移和裂合反应四、转移和裂合反应 在生物催化中最为常用的酶为氧化还原酶和在生物催化中最为常用的酶为氧化还原酶和水解酶，其在催化手性合成反应中约占水解酶，其在催化手性合成反应中约占9

26、0%左右。左右。然而，其他四大类酶然而，其他四大类酶转移酶、裂合酶、转移酶、裂合酶、异构酶和连接酶（合成酶）异构酶和连接酶（合成酶）在生物催化中也在生物催化中也有着重要的应用，它们能催化有着重要的应用，它们能催化CC、CN、CO以及以及C=C和和C=O等化学键的生成或等化学键的生成或裂解反应。裂解反应。1、转移反应、转移反应 转移酶（转移酶（transferases，EC 2.x.x.x）是一）是一类常见的生物催化剂，它所催化的转移反应类常见的生物催化剂，它所催化的转移反应如下式所示。如下式所示。这类酶催化的底物有氨基酸、酮酸、核苷酸这类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

27、转移酶已被用来制和糖等化合物，其中糖基转移酶已被用来制备新型的糖。备新型的糖。XY+Z 转移酶转移酶 X+ZY 糖苷化酶（糖苷化酶（glycosidses）糖苷化酶能催化糖苷键的水解，故又称糖水糖苷化酶能催化糖苷键的水解，故又称糖水解酶（解酶（glycohydrolases）。该酶不需要任）。该酶不需要任何辅酶，是真正的水解酶。这种水解酶有两何辅酶，是真正的水解酶。这种水解酶有两种类型：外糖苷化酶和内糖苷化酶，前者仅种类型：外糖苷化酶和内糖苷化酶，前者仅水解末端糖苷键，后者可水解糖链中部的糖水解末端糖苷键，后者可水解糖链中部的糖苷键。苷键。由糖苷化酶水解的逆反应可用于糖苷的合成，由糖苷化酶水解

28、的逆反应可用于糖苷的合成，利用游离单糖作为底物直接进行糖苷合成反利用游离单糖作为底物直接进行糖苷合成反应称为直接糖基化，这是一个热力学控制的应称为直接糖基化，这是一个热力学控制的反应。由于反应的平衡常数有利于水解反应，反应。由于反应的平衡常数有利于水解反应，因此必须采用高浓度的单糖和亲核试剂，反因此必须采用高浓度的单糖和亲核试剂，反应产率一般很低，产物为粘稠糖浆。应产率一般很低，产物为粘稠糖浆。2、裂合反应、裂合反应 裂合酶裂合酶（lyases，EC 4.x.x.x）能催化一种）能催化一种化合物裂为两种化合物或其逆反应。化合物裂为两种化合物或其逆反应。这类酶包括这类酶包括醛缩酶、水合酶和脱羧酶

29、醛缩酶、水合酶和脱羧酶等。裂等。裂合酶在工业生产中有着重要的应用，它们能合酶在工业生产中有着重要的应用，它们能催化催化CC、CN和和CO等键的裂合和生成，等键的裂合和生成，有时还伴随双键的形成。有时还伴随双键的形成。裂合酶的逆反应也有很高的工业应用价值，裂合酶的逆反应也有很高的工业应用价值，如工业上应用苯丙氨酸氨裂解酶和天冬氨酸如工业上应用苯丙氨酸氨裂解酶和天冬氨酸酶催化合成酶催化合成L-苯丙氨酸和苯丙氨酸和L-天冬氨酸。天冬氨酸。醛缩酶醛缩酶 醛缩酶（醛缩酶（aldolases）能催化不对称）能催化不对称CC键的形成，并能使分子延长键的形成，并能使分子延长23个碳单位，个碳单位，对有机合成极

30、为有用。该酶常用于糖的合对有机合成极为有用。该酶常用于糖的合成，如氨基糖、硫代糖和二糖类似物的合成，如氨基糖、硫代糖和二糖类似物的合成。醛缩酶的底物专一性不高，能催化多成。醛缩酶的底物专一性不高，能催化多种底物反应种底物反应。转酮醇酶转酮醇酶 转酮醇酶转酮醇酶（transketolase）以）以Mg2+和焦磷和焦磷酸硫胺素（酸硫胺素（TPP）为辅酶，催化羟甲基酮基）为辅酶，催化羟甲基酮基从一个磷酸酮糖分子转移到另一个磷酸醛糖从一个磷酸酮糖分子转移到另一个磷酸醛糖分子中，该酶催化醛糖链立体选择性地延伸分子中，该酶催化醛糖链立体选择性地延伸两个碳单位，她是很有前途的生物催化剂。两个碳单位，她是很有

31、前途的生物催化剂。偶姻反应偶姻反应（acyloin reactions）是指两个分）是指两个分子醛缩合形成酮醇的反应，如两分子丁醛缩子醛缩合形成酮醇的反应，如两分子丁醛缩合形成丁偶姻（合形成丁偶姻（C3H7-CHOHCOC3H7）。）。3、加成和消去反应、加成和消去反应 裂合酶还可以催化小分子化合物如水和气恼裂合酶还可以催化小分子化合物如水和气恼不对称加成到不对称加成到C=C双键，以及氢氰酸加成到双键，以及氢氰酸加成到C=O键上。键上。由醇腈由醇腈酶（酶（oxynitrilase）催化的氰醇反应所）催化的氰醇反应所生成的手性氰醇，是合成除虫菊酯类沙虫剂生成的手性氰醇，是合成除虫菊酯类沙虫剂的醇

32、基部分。的醇基部分。3、加成和消去反应、加成和消去反应 这类酶催化反应还包括：水和氨的加成反这类酶催化反应还包括：水和氨的加成反应（如利用不同的微生物细胞能够对不同应（如利用不同的微生物细胞能够对不同取代的碳碳双键进行加水反应，具有很好取代的碳碳双键进行加水反应，具有很好的手性合成应用前景）、的手性合成应用前景）、Michael加成反应、加成反应、卤化反应和脱卤素反应等。卤化反应和脱卤素反应等。第三节第三节参与药物制备过程重要反应的酶类及作用机制参与药物制备过程重要反应的酶类及作用机制已经研究和应用了各种各样的微生物来源已经研究和应用了各种各样的微生物来源酶于有关药物制备和其他精细化学品的制酶

33、于有关药物制备和其他精细化学品的制备，特别是在消旋体的拆分、不对称合成，备，特别是在消旋体的拆分、不对称合成，以及其他复杂化学反应中的应用。以及其他复杂化学反应中的应用。尽管经典的化学反应都能够实现这些过程，尽管经典的化学反应都能够实现这些过程，但用于酶催化反应的微生物资源的可再生但用于酶催化反应的微生物资源的可再生性、反应过程的环境友好性，以及其他化性、反应过程的环境友好性，以及其他化学反应无法比拟的优越性，愈来愈多化学学反应无法比拟的优越性，愈来愈多化学反应将被酶促反应所取代。这些酶类参与反应将被酶促反应所取代。这些酶类参与的反应涉及到如下几个方面。的反应涉及到如下几个方面。1、生物催化拆

34、分、生物催化拆分 生物催化拆分生物催化拆分（biocatalytic resolutions），），即为利用酶对对映异构体中的一种手性分子即为利用酶对对映异构体中的一种手性分子具有特异性的催化作用，而对对映异构体中具有特异性的催化作用，而对对映异构体中的另一种手性分子不起作用这样的特性，将的另一种手性分子不起作用这样的特性，将具有催化特异性的一种对映异构体转化为所具有催化特异性的一种对映异构体转化为所希望的对映体纯的产物希望的对映体纯的产物/中间体。中间体。至今为止，在生物催化拆分中使用最多的是至今为止，在生物催化拆分中使用最多的是水解酶。水解酶。1、生物催化拆分、生物催化拆分 从经济的角度看

35、，利用水解酶进行拆分是从经济的角度看，利用水解酶进行拆分是不合算的，因为从理论上讲，其最高得率不合算的，因为从理论上讲，其最高得率仅为仅为50。这一不足从理论上讲，通过有。这一不足从理论上讲，通过有效地结合外消旋化可以来弥补。这种通过效地结合外消旋化可以来弥补。这种通过外消旋化来得到单一对映体的方法，即为外消旋化来得到单一对映体的方法，即为动态动力学拆分动态动力学拆分（dynamic kinetic resolution）。）。外消旋化可以自发进行，如乙内酰脲；也外消旋化可以自发进行，如乙内酰脲；也可以通过改变反应条件，如可以通过改变反应条件，如pH和温度；或和温度；或者通过使用外消旋酶来进行

36、。者通过使用外消旋酶来进行。2、对映体会聚转化、对映体会聚转化 另外一条能够得到另外一条能够得到100%对映体转化收率的不对映体转化收率的不同路线是同路线是对映体会聚转化对映体会聚转化（enantioconvergent transformations），），即或是利用两种对映体互补的酶进行不同区域即或是利用两种对映体互补的酶进行不同区域特异性的转化，或是结合使用酶催化和化学催特异性的转化，或是结合使用酶催化和化学催化的方法，使得到化的方法，使得到100%的转化收率。的转化收率。前一种方法的适用范围不广，后一种方法已经前一种方法的适用范围不广，后一种方法已经在（在（R）-Nifenalol（硝

37、苯洛尔）的制备过程中（硝苯洛尔）的制备过程中获得了成功，其利用环氧化物水解酶催化和硫获得了成功，其利用环氧化物水解酶催化和硫酸催化相结合的方法（如图所示）。酸催化相结合的方法（如图所示）。利用化学利用化学-酶水解对酶水解对-硝基苯乙烯氧化物对映体会聚合硝基苯乙烯氧化物对映体会聚合成（成（R）-Nifenalol的途径的途径 3、去对称化反应、去对称化反应 利用不同的水解酶或水合酶进行利用不同的水解酶或水合酶进行去对称化去对称化（desymmetrization），），是一种非常有效的是一种非常有效的特异性反应。一个对称的前手性分子，利用特异性反应。一个对称的前手性分子，利用某一种特定的酶促仅对

38、分子中的一个功能基某一种特定的酶促仅对分子中的一个功能基团进行生物转化，最终得到一个所期望的手团进行生物转化，最终得到一个所期望的手性分子，这就是去对称化。性分子，这就是去对称化。图所示为美国图所示为美国Schering-Plough公司利用脂公司利用脂肪酶，对肪酶，对2-取代取代-1,3-丙二醇进行去对称化转丙二醇进行去对称化转化，最终得到合成抗真菌药物化，最终得到合成抗真菌药物SCH1048的关的关键手性中间体。键手性中间体。利用脂肪酶对利用脂肪酶对2-取代取代-1,3-丙二醇进行丙二醇进行去对称化的转化反应去对称化的转化反应 4、不对称合成、不对称合成 相对于生物催化拆分，用于生物催化不

39、对相对于生物催化拆分，用于生物催化不对称合成的底物是一种称合成的底物是一种前手性前体前手性前体，其通过，其通过对映体加成反应，可以被转化为所期望的对映体加成反应，可以被转化为所期望的光学活性化合物。与去对称化反应相似，光学活性化合物。与去对称化反应相似，这些反应具有产生定量收率的所期望的光这些反应具有产生定量收率的所期望的光学活性化合物。学活性化合物。参与药物制备过程重要反应的酶的种类参与药物制备过程重要反应的酶的种类很多，以下就脂肪酶、环氧化物水解酶和很多，以下就脂肪酶、环氧化物水解酶和糖苷化酶的作用机制及有关内容作一阐述。糖苷化酶的作用机制及有关内容作一阐述。一、脂肪酶一、脂肪酶 很多细菌

40、能够产生脂肪酶。很多细菌能够产生脂肪酶。脂肪酶既能够脂肪酶既能够水解长链酰基甘油，也能够合成长链酰基水解长链酰基甘油，也能够合成长链酰基甘油（如图所示）甘油（如图所示）。由于脂肪酶所催化的水解反应和合成反应由于脂肪酶所催化的水解反应和合成反应都具有区域选择性（都具有区域选择性（regioselectivity）和）和对映体选择性（对映体选择性（enantioselectivity），因），因此，该酶已被作为重要的立体选择性生物此，该酶已被作为重要的立体选择性生物催化剂，用于有机化学合成。催化剂，用于有机化学合成。（一）（一）脂肪酶的定义脂肪酶的定义 脂肪酶的简单定义为：催化长链酰基甘油水解脂肪

41、酶的简单定义为：催化长链酰基甘油水解（或合成）的羧基酯酶（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）为标准）为标准底物时，底物时，水解含有酰基链长大于水解含有酰基链长大于10个碳原子的甘个碳原子的甘油酯时，往往被称之为脂肪酶（油酯时，往往被称之为脂肪酶（lipase），如果当），如果当以三丁酸甘油酯为标准底物时，水解含有小于以三丁酸甘油酯为标准底物时，水解含有小于10个碳原子的甘油酯时，往往被称之为酯酶个碳原子的甘油酯时，往往被称之为酯酶（esterase）。）。但应该注意的是，这些脂肪酶往但应该注意

42、的是，这些脂肪酶往往具有优先水解酯酶底物。往具有优先水解酯酶底物。另外一种更为容易的理解的含义是：对于另外一种更为容易的理解的含义是：对于含大的含大的手性羧酸和小的醇的酯，其水解或酯交换由酯酶手性羧酸和小的醇的酯，其水解或酯交换由酯酶催化，而对由小的羧酸和大的手性醇构成的酯，催化，而对由小的羧酸和大的手性醇构成的酯，则由脂肪酶催化则由脂肪酶催化，如图所示。，如图所示。脂肪酶和酯酶催化的酯水解反应脂肪酶和酯酶催化的酯水解反应 已经实现商业化的一些微生物来源的脂肪酶已经实现商业化的一些微生物来源的脂肪酶 微生物名称微生物名称用途用途Candida rugosaCandida Antarctica

43、A/BThermomyces lanuginosusRhizomucor miehei有机合成有机合成有机合成有机合成洗涤剂洗涤剂食品加工食品加工Burkholderia cepaciaPseudomonas alcaligenesPseudomonas mendocinaChromobacterium viscosum有机合成有机合成洗涤剂洗涤剂洗涤剂洗涤剂有机合成有机合成细菌脂肪酶的三维结构和催化机制细菌脂肪酶的三维结构和催化机制 典型的典型的/水解酶折叠水解酶折叠 铜绿假单胞菌脂肪酶的结构铜绿假单胞菌脂肪酶的结构 脂肪酶的催化机制脂肪酶的催化机制1、亲核丝氨酸残基的活化，其活化过程一方面

44、来自于被亲核丝氨酸残基的活化，其活化过程一方面来自于被邻近的组氨酸，另一方面来自于受丝氨酸中邻近的组氨酸，另一方面来自于受丝氨酸中O-作用的底物作用的底物羧基碳原子的亲核进攻；羧基碳原子的亲核进攻；2、被活化的丝氨酸与底物中的羧基碳结合，形成一个过被活化的丝氨酸与底物中的羧基碳结合，形成一个过度态的四元中间体，这个中间体由于两个肽中的度态的四元中间体，这个中间体由于两个肽中的NH基团与基团与O-的作用而使其稳定，组氨酸在这一过程中提供一个质子的作用而使其稳定，组氨酸在这一过程中提供一个质子给底物中要离去的醇基上；给底物中要离去的醇基上；3、共价中间体（共价中间体（“酰化酶酰化酶”）的形成，底物

45、中的酸部分与）的形成，底物中的酸部分与酶中丝氨酸残基形成酯键，周围的水分子被邻近的组氨酸酶中丝氨酸残基形成酯键，周围的水分子被邻近的组氨酸活化，结果是活化，结果是OH-对共价中间体中的羧基碳原子进行亲核对共价中间体中的羧基碳原子进行亲核进攻；进攻；4、组氨酸残基提供一个质子给活化的丝氨酸残基中的氧组氨酸残基提供一个质子给活化的丝氨酸残基中的氧原子，使丝氨酸与酰基化部分的酯键断裂，释放酰基化产原子，使丝氨酸与酰基化部分的酯键断裂，释放酰基化产物。物。脂肪酶的催化机制脂肪酶的催化机制亲核试剂捕捉酶分子活性部位形成酰基亲核试剂捕捉酶分子活性部位形成酰基/酶复合物的过程酶复合物的过程 脂肪酶进行酯水解

46、和酯合成的过程脂肪酶进行酯水解和酯合成的过程 （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剂、溶于有机溶媒的酰化基和底物的转酯反应）：涉及到不溶性生物催化剂、溶于有机溶媒的酰化基和底物的转酯反应图显示了该酶的活性部位：底物基团与酶结合的图显示了该酶的活性部位：底物基团与酶结合的三个结合袋，三个结合袋，以及位于结合袋周围的以及位于结合袋周围的氨基酸残基。如图所示：飞镖形的活性部位被分为一个大大的疏水沟，其可以恰如其分氨基酸残基。如图所示：飞镖形的活性部位被分为一个大大的疏水沟，其可以恰如其分地容纳地容纳sn-3酰基链；一个可以嵌入抑制剂的醇部分，其可以再被分为一个可以容纳

47、酰基链；一个可以嵌入抑制剂的醇部分，其可以再被分为一个可以容纳sn-2部分的疏水部分的疏水/亲水袋，（由于亲水袋，（由于sn-2结合袋对底物结合的交互作用最密切，因此，这可能结合袋对底物结合的交互作用最密切，因此，这可能是决定酶立体选择性的优先因素），和一个较小的可以容纳是决定酶立体选择性的优先因素），和一个较小的可以容纳sn-1链的结合袋。范德华力链的结合袋。范德华力是维持以上底物中这些基团与酶结合的主要作用。另外，是维持以上底物中这些基团与酶结合的主要作用。另外，sn-2链中的酯氧原子与活性部链中的酯氧原子与活性部位组氨酸的位组氨酸的NE2原子之间的氢键，对固定抑制剂的位置具有重要的作用。

48、原子之间的氢键，对固定抑制剂的位置具有重要的作用。一些由微生物来源的脂肪酶催化潜手性化合物成为单一异构体的反应种类一些由微生物来源的脂肪酶催化潜手性化合物成为单一异构体的反应种类 脂肪酶应用受到限制的因素脂肪酶应用受到限制的因素 1）对映体选择性还不够高；对映体选择性还不够高；2）酶的活性受到限制；酶的活性受到限制；3）酶难以循环使用；酶难以循环使用；4）利用脂肪酶进行动力学拆分制备单一异利用脂肪酶进行动力学拆分制备单一异构体的最高得率为构体的最高得率为50%。限制因素的突破方法限制因素的突破方法 1）利用体外进化技术改造酶提高对映体选利用体外进化技术改造酶提高对映体选择性；择性；2）研究固定

49、化技术提高酶在有机溶剂中的研究固定化技术提高酶在有机溶剂中的活性和稳定性；活性和稳定性；3）研究循环技术使酶能够反复使用；研究循环技术使酶能够反复使用；4）研究动力学拆分使酶能够进行对映体转研究动力学拆分使酶能够进行对映体转换的催化反应。换的催化反应。以钯碳为第二种催化剂，使以钯碳为第二种催化剂，使S-构型化合物外消旋化；用来源于构型化合物外消旋化；用来源于C.antarctica的脂肪酶对外消旋体苯乙胺进行立体选择性酰化反的脂肪酶对外消旋体苯乙胺进行立体选择性酰化反应的动力学拆分过程应的动力学拆分过程 一些利用脂肪酶制备药物关键中间体的实例一些利用脂肪酶制备药物关键中间体的实例关键中间体关键

50、中间体药物药物抗抑郁药帕罗西汀，抗抑郁药帕罗西汀，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压药卡托普利抗高血压药卡托普利拆分得到拆分得到(2R,3S)-4-甲氧苯基缩水甘油甲氧苯基缩水甘油酸甲酯酸甲酯抗心绞痛和高血压药地尔硫卓抗心绞痛和高血压药地尔硫卓拆分得到手性侧链拆分得到手性侧链-氨基氨基-N-苯甲酰基苯甲酰基-(2R,3S)-3-苯基异丝氨酸苯基异丝氨酸抗肿瘤药紫杉醇抗肿瘤药紫杉醇拆分消旋体拆分消旋体非甾体消炎药（非甾体消炎药（S）-奈普生奈普生S-(-)-乙酸酯乙酸酯免疫抑制剂脱氧精胍菌素免疫抑制剂脱氧精胍菌素拆分得到拆分得到D-泛酸内酯泛酸内酯辅助药辅助药D-