生物催化与生物转化III.ppt

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1、转移和裂合反应,在六大类酶中，氧化还原酶和水解酶在生物催化的手性合成中应用最多，约占生物催化用酶的90。然而其他四大类酶转移酶、裂合酶、异构酶和连接酶在生物催化中也有着重要的应用，它们能催化CC、CN和CO以及CC、CO等化学键的生成或裂解反应。随着化学与生物学的发展和学科间交叉融合，这些酶的研究和应用将会逐年增加，并发挥越来越重要的作用。,第一节转移反应,转移酶是一类常见生物催化剂，它所催化的转移反应如式(9.1)所示：,这类酶催化的底物有氨基酸、酮酸、核苷酸和糖等化合物，其中糖基转移酶已被用于制备新型糖。一、氨基转移酶氨基转移酶以磷酸吡哆醛(PLP)为辅酶催化下列反应，见式(9.2)。反应

2、中氨基酸将分子中氨基转移给-酮酸，生成新的氨基酸和酮酸。,生物催化合成中常用的氨基转移酶有分支链氨基转移酶(BCAT)、天冬氨酸氨基转移酶(AAT)、酪氨酸氨基转移酶(TAT)等。,氨基转移酶种类多、分布广，它们能催化L-氨基酸的生物合成。目前研究较多的D-氨基酸转移酶(DAT)能催化D-氨基酸的合成。,采用基因工程法可在工程菌内转入乙酰乳酸合成酶(ALS)基因，由该基因表达产生的乙酰乳酸合成酶能催化两分子丙酮酸缩合为乙酰乳酸(3)，后者再经脱羧反应转变为代谢惰性的乙偶姻(4)。这种方法已被用于生产I氨基酸(5)和D-2-氨基丁酸(6)，见图91。,合成的前体。例如:L-叔亮氨酸(7)可用于合

3、成HIV蛋白酶抑制剂L-高苯丙氨酸(8)可用于合成ACE酶抑制剂，用于治疗高血压D-苯丙氨酸(10)用于制备凝血酶抑制剂，防止血栓形成，见图9-2。,二、糖基转移酶 寡糖具有重要的生物学功能，在生命活动中涉及细胞运动、细胞间相互作用、肿瘤发生与转移和病原体与细胞表面相互作用等,生物学过程。寡糖在生物体内含量甚微，分离纯化困难。化学法合成寡糖是一复杂的过程，合成时需要大量的保护和脱保护反应，而且产率低。由于酶具有区域选择性和立体选择性，采用生物催化法不需要过多的保护和脱保护步骤，生物催化法合成寡糖具有非常诱人的前景。,1糖基转移酶的催化特性 糖基转移酶负责体内寡糖合成，合成过程包括活化、转移和修

4、饰三个步骤。单糖在被转移之前必须先磷酸化，产生1-磷酸糖1-磷酸糖在核苷转移酶作用下与核苷三磷酸(一般是UTP)反应生成核苷二磷酸糖(NDE-糖)最后糖基转移酶将NDP-糖中的糖基转移到“受体”(单糖、寡糖、蛋白质和脂分子)上，NDP从糖基上释放游离出来，完成糖基转移过程,-半乳糖基转移酶是研究得最多的一种糖基转移酶，该酶催化半乳糖(Gal)从糖供体UDP-Gal中转移到糖受体中形成新的糖苷键。其他糖基转移酶虽然研究得相对较少，但它们同样能催化糖基转移到多种糖受体上。,2糖苷合成 糖苷酶水解的逆反应可用于糖苷合成，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，,糖苷酶与糖基转移酶相比

5、，糖苷酶更容易获取。糖苷酶催化反应的缺点是产率低、产物常为混合物。糖苷酶催化转糖基反应的立体选择性和区域选择性受到许多因素的影响，如反应的温度、有机溶剂、活化供体的反应活性、糖苷配基的性质等。,四、磷酸化酶 磷酸化反应是生物体内的一类重要生化反应，体内的一些代谢调控是通过磷酸化反应而完成的。生物体内的许多分子以磷酸化形式参与到生命过程中，例如醛缩酶催化反应中的磷酸二羟基丙酮，糖基转移酶催化反应中的1-磷酸糖苷等。化学法催化多羟基化合物的磷酸化反应需要采用多步保护和脱保护反应，而酶法催化的磷酸化反应具有区域和立体选择性，可以省去不必要的保护和脱保护反应。,第二节 裂合反应,裂合酶(1yases，

6、)能催化一种化合物分裂为两种化合物或其逆反应。这类酶包括醛缩酶、水合酶和脱羧酶等。裂合酶在工业生产中有着重要的应用，它们能催化CC、C-N、C-O等键的裂解和生成，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，例如工业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、醛缩酶 醛缩酶(aldolases)能催化不对称CC键的形成，并能使醛分子延长23个碳单位，对有机合成极为有用。醛缩酶常用于糖的合成，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，能催化多种底物反应。,转酮

7、醇酶可从酵母和菠菜中提取，但这些方法产生的量很有限，目前已有用大肠杆菌高表达酵母转酮醇酶的报道。转酮醇酶比醛缩酶更能识别醛基部分的手性，因此，当用消旋体-羟基醛作为受体时，反应中只有R-型对映体被转化为相应的酮糖，而S-型对映体不被转化，从而实现消旋体-羟基醛的动力学拆分。,三、偶姻反应 偶姻反应是指两分子醛缩合形成酮醇的反应，如两分子丁醛缩合形成丁偶姻。,面包酵母中催化偶姻生物合成的酶允许底物醛分子结构有一定的变化。如芳香醛可以是苯甲醛、2氯苯甲醛、茴香醛、邻位及对位取代的苯甲醛。面包酵母能催化，不饱和芳香醛和，-不饱和脂肪醛与酮酸进行偶姻反应生成手性二醇，这些化合物是天然产物合成的重要中间

8、体。,第三节 加成和消去反应,裂合酶还可催化小分子化合物如水或氨不对称加成到CC双键，以及氢氰酸加成到CO键上。根据底物的结构类型，反应过程中潜手性底物可以产生一个或两个手性中心。催化这类反应的酶底物专一性很高，只接受天然底物或与天然底物结构非常类似的化合物为底物。,一、氰醇反应醇腈酶(oxynitrilase)催化氢氰酸不对称加成到醛或酮分子的羰基上，形成手性氰醇，这种反应早在1908年就被使用。手性氰醇能转化为拟除虫菊酯杀虫剂的醇基部分，如溴氰菊酯、氯氟胺氰戊菊酯。醇腈酶具有很高的立体选择性，(R)-或(S)-醇腈酶能立体选择地催化潜手性底物生成(R)-或(S)-氰醇，见图9-37、表9-

9、6、表9-7。,(R)-或(S)-醇腈酶能从不同来源的植物中分离制备。,二、水和氨的加成反应 富马酸酶是一种脱水酶，其逆反应能催化水立体特异性地加成到富马酸碳碳双键中生成L-苹果酸。天冬氨酸酶则催化氨的加成富马酸生成L-天冬氨酸。,面包酵母能催化取代的巴豆醛衍生物(甲)中碳碳双键的加水反应和醛基的还原反应。,碳碳双键的不对称加水具有很好的手性合成应用前景，不同微生物细胞可对不同取代的碳碳双键进行加水反应。腐皮镰孢细胞能高选择性地催化萜烯醇分子中内式(E)-加水反应。微生物完整细胞催化反应时，有水解、还原和碳链降解等副反应发生。,五、脱卤素反应由于环境中的生物合成与生物降解处于一种动态平衡中，所以生态环境中卤化物的浓度是相当恒定的。近年来由于人类活动，大量的含卤素有机化合物被排放到环境中，给地球造成了污染。幸亏有微生物的脱卤素降解作用，否则后果将不堪设想。自然界中存在五种主要的卤化物降解途径，见表9-9。,1卤代醇环氧酶,