第二十二章生物转化的类型和机制省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第二十二章第二十二章 生物转化类型和机制生物转化类型和机制第一节第一节 生物转化定义与研究内容生物转化定义与研究内容第二节第二节 生物转化基本类型生物转化基本类型一、还原反应一、还原反应二、氧化反应二、氧化反应三、水解反应三、水解反应四、转移和裂合反应四、转移和裂合反应第三节第三节 参加药品制备过程主要反应酶类作用机制参加药品制备过程主要反应酶类作用机制一、脂肪酶一、脂肪酶二、环氧化物水解酶二、环氧化物水解酶三、糖苷化酶三、糖苷化酶第1页第一节第一节 生物转化定义与研究内容生物转化定义与研究内容v生物转化含义更强调是：生物转化含义更强调是：v用微生物或酶来进行药品合成（或其它有机用微生物或酶来进行药品合成（或其它有机合成）过程中某一步或几步反应，而那些直合成）过程中某一步或几步反应，而那些直接起源于微生物代谢产物是微生物进行接起源于微生物代谢产物是微生物进行“从从头到尾头到尾”合成过程。合成过程。第2页在许多国外文件中经常能够看到描述这种技术名词有：vmicrobial transformation;vmicrobial conversion;vBiotransformationvBioconversionvBiocatalysisvenzymation等。第3页微生物微生物(酶酶)转化是有机化学反应转化是有机化学反应中一个特殊分支中一个特殊分支v微生物转化本质是某种微生物将一个物质微生物转化本质是某种微生物将一个物质（底物）转化成为另一个物质（产物）过程，（底物）转化成为另一个物质（产物）过程，这一过程是由某种微生物产生一个或几个特这一过程是由某种微生物产生一个或几个特殊胞外或胞内酶作为生物催化剂进行一个或殊胞外或胞内酶作为生物催化剂进行一个或几个化学反应，简言之，即为一个利用微生几个化学反应，简言之，即为一个利用微生物酶或微生物本身合成技术。物酶或微生物本身合成技术。第4页微生物微生物(酶酶)转化是有机化学反应转化是有机化学反应中一个特殊分支中一个特殊分支v这些含有生物催化剂作用酶大多数对其微生这些含有生物催化剂作用酶大多数对其微生物生命过程也是必需，但在微生物转化过程物生命过程也是必需，但在微生物转化过程中，这些酶仅作为生物催化剂用于化学反应。中，这些酶仅作为生物催化剂用于化学反应。因为微生物产生这些能够被用于化学反应大因为微生物产生这些能够被用于化学反应大多数生物催化剂不但能够利用本身底物及其多数生物催化剂不但能够利用本身底物及其类似物，且有时对外源添加底物也含有一样类似物，且有时对外源添加底物也含有一样催化作用，即能催化非天然反应（催化作用，即能催化非天然反应（unnatural reactions）。）。第5页在研究一个微生物（或酶）在研究一个微生物（或酶）转化过程时，需要考虑问题转化过程时，需要考虑问题v所用转化底物选择；所用转化底物选择；v所用微生物对不一样底物转化能力考查、转化所用微生物对不一样底物转化能力考查、转化路线或转化反应选择等；路线或转化反应选择等；v其中最主要是寻找适合于所设计转化过程微生其中最主要是寻找适合于所设计转化过程微生物，以及怎样来提升这种微生物转化能力，即物，以及怎样来提升这种微生物转化能力，即提升这种酶活力；提升这种酶活力；v再则是发觉一个新酶或一个新反应方便为设计再则是发觉一个新酶或一个新反应方便为设计一个新微生物转化过程提供一条线索。一个新微生物转化过程提供一条线索。第6页用于转化微生物或酶多样性用于转化微生物或酶多样性v用于微生物转化菌株或酶筛选范围应该尽可用于微生物转化菌株或酶筛选范围应该尽可能地广，因为至当前为止已经发觉了能地广，因为至当前为止已经发觉了3000 余余种种能够催化各种化学反应酶，其中有些酶催能够催化各种化学反应酶，其中有些酶催化效果比化学催化剂好；另外，微生物多样化效果比化学催化剂好；另外，微生物多样性和其生理生化特征多样性（它们能够修饰性和其生理生化特征多样性（它们能够修饰和降解许许多多有机化合物），使我们有可和降解许许多多有机化合物），使我们有可能找到某种微生物或酶来催化某种特定和所能找到某种微生物或酶来催化某种特定和所期望化学反应。期望化学反应。第7页第二节第二节 生物转化基本类型生物转化基本类型一、还原反应一、还原反应v脱氢酶被广泛地用于醛和酮羰基以及烯烃碳脱氢酶被广泛地用于醛和酮羰基以及烯烃碳-碳双键还原，这种生物转化反应可使潜手性碳双键还原，这种生物转化反应可使潜手性底物转化为手性产物，如图所表示。底物转化为手性产物，如图所表示。v面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化酮面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化酮不对称还原，其还原产物仲醇对映体过量率不对称还原，其还原产物仲醇对映体过量率靠近靠近100%。第8页 脱氢酶催化还原反应脱氢酶催化还原反应第9页生物转化中惯用一些脱氢酶生物转化中惯用一些脱氢酶 脱脱氢氢酶酶名称名称特异性特异性v反应所需辅酶商品化商品化酵母醇脱酵母醇脱氢氢酶酶PrelogNADH+马马肝醇脱肝醇脱氢氢酶酶PrelogNADH+布氏布氏热厌热厌氧菌醇脱氧菌醇脱氢氢酶酶PrelogNADPH+羟羟基甾体醇脱基甾体醇脱氢氢酶酶PrelogNADH+弯弯孢孢菌脱菌脱氢氢酶酶PrelogNADPH-v乳杆菌属Lactobacillus kefir 醇脱氢酶Anti-PrelogNADPH+爪哇毛霉醇脱爪哇毛霉醇脱氢氢酶酶Anti-PrelogNADPH-甲甲单单胞菌属醇脱胞菌属醇脱氢氢酶酶Anti-PrelogNADPH-第10页二、氧化反应二、氧化反应v氧化反应是向有机化合物分子中引入功效基氧化反应是向有机化合物分子中引入功效基团主要反应之一。团主要反应之一。v生物催化氧化反应主要由三大类酶：生物催化氧化反应主要由三大类酶：单加氧单加氧酶、双加氧酶和氧化酶酶、双加氧酶和氧化酶，它们所催化反应如，它们所催化反应如图所表示。图所表示。第11页二、氧化反应二、氧化反应v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子中加氧，而氧化酶是催化底物脱氢，脱下氢再与氧结合生成水或过氧酶是催化底物脱氢，脱下氢再与氧结合生成水或过氧化氢。化氢。v脱氢酶与氧化酶相同，也是催化底物脱氢，但它催化脱氢酶与氧化酶相同，也是催化底物脱氢，但它催化脱下氢与氧化态脱下氢与氧化态NAD(P)+结合，而不是与氧结合，这结合，而不是与氧结合，这是二者主要区分。氧化反应表面上看是加氧或脱氢，是二者主要区分。氧化反应表面上看是加氧或脱氢，其本质是电子得失。其本质是电子得失。v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再经过呼吸链或再经过呼吸链或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。第12页生物催化氧化反应类型生物催化氧化反应类型 第13页1、单加氧酶催化氧化反应、单加氧酶催化氧化反应v单加氧酶（单加氧酶（mono-oxygenases）能够使氧）能够使氧分子（分子（O2）中一个氧原子加入到底物分子中，）中一个氧原子加入到底物分子中，另一个氧原子使还原型另一个氧原子使还原型NADH或或NADPH氧化氧化并产生水（并产生水（H2O）。单加氧酶在生物催化手）。单加氧酶在生物催化手性合成中有着主要应用，图所表示为该酶催性合成中有着主要应用，图所表示为该酶催化一些反应类型。化一些反应类型。第14页单加氧酶所催化一些反应类型单加氧酶所催化一些反应类型 底物底物产产物物反反应类应类型型辅辅酶酶类类型型烷烃烷烃醇醇羟羟化化金属金属芳香芳香烃烃酚酚羟羟化化金属金属烷烷基基烃烃环环氧氧化物化物环环氧化氧化金属金属含含杂杂原子原子化合物化合物杂杂原原子氧子氧化物化物杂杂原子氧化原子氧化黄素黄素酮酮酯酯或或内内酯酯Baeyer-Villiger黄素黄素第15页羟化反应是一类主要氧化反应羟化反应是一类主要氧化反应v碳氢化合物中非活泼碳氢化合物中非活泼CH键羟化是一个非常键羟化是一个非常有用生物转化反应，传统有机化学合成方法有用生物转化反应，传统有机化学合成方法几乎不能进行这么直接羟化反应。但很多微几乎不能进行这么直接羟化反应。但很多微生物能够直接进行烷烃和芳香烃羟化反应，生物能够直接进行烷烃和芳香烃羟化反应，其中工业化应用最为广泛是甾体羟化反应。其中工业化应用最为广泛是甾体羟化反应。第16页环氧化反应环氧化反应v手性环氧化合物是一个主要手性合成前体，可手性环氧化合物是一个主要手性合成前体，可与各种亲核试剂反应产生主要中间体。与各种亲核试剂反应产生主要中间体。v单加氧酶催化烯烃环氧化反应可用于制备小分单加氧酶催化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化学方法子环氧化合物，其中有些产物是传统化学方法所不能制备。所不能制备。v另外，由单加氧酶催化硫醚氧化反应也是非常另外，由单加氧酶催化硫醚氧化反应也是非常主要，已经发觉了很多能够催化这类反应微生主要，已经发觉了很多能够催化这类反应微生物。物。第17页拜尔拜尔-维利格反应（维利格反应（Baeyer-Villiger）v由单加氧酶催化另一个非常主要反应就是拜由单加氧酶催化另一个非常主要反应就是拜尔尔-维利格反应（维利格反应（Baeyer-Villiger）。该反应）。该反应是指利用过氧羧酸氧化酮生成酯或内酯，这是指利用过氧羧酸氧化酮生成酯或内酯，这是一个含有很高应用价值有机合成反应。是一个含有很高应用价值有机合成反应。第18页2、双加氧酶催化氧化反应、双加氧酶催化氧化反应v双加氧酶（双加氧酶（dioxygenases），有称双氧酶，），有称双氧酶，能催化氧分子中两个氧原子加入到一个底物能催化氧分子中两个氧原子加入到一个底物分子中。这类酶普通含有紧密结合铁原子，分子中。这类酶普通含有紧密结合铁原子，如血红素铁，其催化经典反应有以下三种如血红素铁，其催化经典反应有以下三种（如图所表示）。（如图所表示）。第19页双加氧酶催化氧化反应双加氧酶催化氧化反应 第20页双加氧酶催化氧化反应双加氧酶催化氧化反应v双加氧酶催化反应有烯烃氢过氧化反应。烯双加氧酶催化反应有烯烃氢过氧化反应。烯烃可被一个双加氧酶烃可被一个双加氧酶-脂氧酶氧化为脂质氢过脂氧酶氧化为脂质氢过氧化物，其对细胞含有毒性，并能引发病变。氧化物，其对细胞含有毒性，并能引发病变。脂质氢过氧化物能被过氧化物酶还原为醇。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亚油酸氧化并不有大豆脂氧酶能够催化天然亚油酸氧化并不有很高选择性，同时对非天然底物也能够进行很高选择性，同时对非天然底物也能够进行一样催化反应。一样催化反应。第21页过氧化物酶过氧化物酶v过氧化物酶能够催化过氧化氢化许多芳香族过氧化物酶能够催化过氧化氢化许多芳香族胺或酚类化合物，也有过氧化物酶能够用于胺或酚类化合物，也有过氧化物酶能够用于特定构型仲醇制备。特定构型仲醇制备。v一样，因为过氧化酶立体选择性，此酶还可一样，因为过氧化酶立体选择性，此酶还可用于消旋体氢过氧化物拆分。用于消旋体氢过氧化物拆分。v双加氧酶在能够用于制备顺式环状二醇和顺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，这些手性化合物含有很多用式环状连二醇，这些手性化合物含有很多用途。途。第22页3、氧化酶和脱氢酶催化反应、氧化酶和脱氢酶催化反应v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，最终生成水或过氧化氢。v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。v其中有些含有主要应用价值。其中有些含有主要应用价值。第23页脱氢酶脱氢酶v能够催化氧化和还原双向可逆反应，普通以能够催化氧化和还原双向可逆反应，普通以催化还原反应为主，但依据需要设计反应条催化还原反应为主，但依据需要设计反应条件能够使还原反应转化为氧化反应。脱氢酶件能够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某一羟基区域选择性能够催化多元醇分子中某一羟基区域选择性氧化，而化学方法需要对多元醇中其它羟基氧化，而化学方法需要对多元醇中其它羟基进行保护和脱保护反应。另外，一些脱氢酶进行保护和脱保护反应。另外，一些脱氢酶能够催化消旋体醇对映体选择性地氧化而用能够催化消旋体醇对映体选择性地氧化而用于拆分。于拆分。第24页三、水解反应三、水解反应v水解酶（水解酶（hydrolases，EC 3.x.x.x）是最惯）是最惯用生物催化剂，占生物催化反应用酶用生物催化剂，占生物催化反应用酶65%左左右。它们能够水解酯、酰胺、蛋白质、核酸、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物，这些反应形多糖、环氧化物和腈等化合物，这些反应形式如图所表示。式如图所表示。v其中酯酶、脂肪酶和蛋白酶是生物催化手性其中酯酶、脂肪酶和蛋白酶是生物催化手性合成中最惯用水解酶。合成中最惯用水解酶。第25页生物催化水解反应类型生物催化水解反应类型 第26页1、酯水解、酯水解v用于酯水解酯酶有猪肝酯酶、微生物酯酶用于酯水解酯酶有猪肝酯酶、微生物酯酶（苦草杆菌、产氨短杆菌、凝结芽孢杆菌、（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）、含有酯酶活豆酱比赤氏酵母和黑根霉等）、含有酯酶活性蛋白酶（性蛋白酶（-胰凝乳蛋白酶、苦草杆菌蛋白胰凝乳蛋白酶、苦草杆菌蛋白酶、青霉素酰化酶、米曲霉蛋白酶和灰色链酶、青霉素酰化酶、米曲霉蛋白酶和灰色链霉菌蛋白酶等），以及脂肪酶（猪胰腺脂肪霉菌蛋白酶等），以及脂肪酶（猪胰腺脂肪酶、假丝酵母属脂肪酶、假单胞菌属脂肪酶酶、假丝酵母属脂肪酶、假单胞菌属脂肪酶毛霉属脂肪酶等）。毛霉属脂肪酶等）。第27页2、环氧化物水解、环氧化物水解v环氧化物是一类主要有机化合物，是许多生物环氧化物是一类主要有机化合物，是许多生物活性物质合成原料。活性物质合成原料。v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，从而经过生物拆分法制备所对映选择性水解，从而经过生物拆分法制备所需构型环氧化物。需构型环氧化物。v生物催化烯烃环氧化反应也能够直接制备光学生物催化烯烃环氧化反应也能够直接制备光学纯环氧化物。纯环氧化物。v用于生物转化环氧化物水解酶有肝微粒体环氧用于生物转化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。化物水解酶和微生物环氧化物水解酶。第28页3、腈水解、腈水解 v含有腈基有机化合物是一类主要原料。天然含有腈基有机化合物是一类主要原料。天然腈存在于植物、真菌、细菌、藻类、海绵、腈存在于植物、真菌、细菌、藻类、海绵、昆虫甚至哺乳动物中。昆虫甚至哺乳动物中。v腈水解可经过腈水解酶和腈水合酶两种不一腈水解可经过腈水解酶和腈水合酶两种不一样酶来实现。样酶来实现。v脂肪族腈普通先在腈水合酶催化下生成对应脂肪族腈普通先在腈水合酶催化下生成对应酰胺，然后再经过酰胺酶或蛋白酶水解为羧酰胺，然后再经过酰胺酶或蛋白酶水解为羧酸。酸。v芳香族、杂环和不饱和脂肪腈普通被腈水解芳香族、杂环和不饱和脂肪腈普通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。第29页4、酰胺水解、酰胺水解v多肽和蛋白质是由氨基酸经过酰胺键（肽键）多肽和蛋白质是由氨基酸经过酰胺键（肽键）相互连接形成大分子。相互连接形成大分子。L-氨基酸被广泛用于医氨基酸被广泛用于医药、食品和手性合成中。药、食品和手性合成中。v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化合物合成前体，合物合成前体，D苯苷氨酸、苯苷氨酸、D-对羟基苯苷氨对羟基苯苷氨酸是酸是-内酰胺类抗生素惯用侧链。内酰胺类抗生素惯用侧链。第30页4、酰胺水解、酰胺水解v氨基酸制备普通有微生物发酵法、化学合成氨基酸制备普通有微生物发酵法、化学合成法和酶法三种。法和酶法三种。v其中用酶法合成对映体纯氨基酸主要有如图其中用酶法合成对映体纯氨基酸主要有如图所表示所表示三种方法：三种方法：v水解酶催化消旋体拆分；水解酶催化消旋体拆分；v裂合酶催化不对称氨加成；裂合酶催化不对称氨加成；v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。第31页酶法制备酶法制备L-氨基酸三种方法氨基酸三种方法 第32页工业上惯用酰胺水解酶有：工业上惯用酰胺水解酶有：v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；v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；v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水解开环反应，故又称二啶碱基代谢中二氢嘧啶环水解开环反应，故又称二氢嘧啶酶，惯用海因酶与酰胺酶和酰化酶不一样，氢嘧啶酶，惯用海因酶与酰胺酶和酰化酶不一样，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；v内酰胺酶，内酰胺酶，其可用于消旋体内酰胺水解拆分，这些其可用于消旋体内酰胺水解拆分，这些单一对映体产物是合成很多生理活性物质主要中间单一对映体产物是合成很多生理活性物质主要中间体。体。第33页四、转移和裂合反应四、转移和裂合反应v在生物催化中最为惯用酶为氧化还原酶和水在生物催化中最为惯用酶为氧化还原酶和水解酶，其在催化手性合成反应中约占解酶，其在催化手性合成反应中约占90%左左右。右。v然而，其它四大类酶然而，其它四大类酶转移酶、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主要应用，它们能催化有着主要应用，它们能催化CC、CN、CO以及以及C=C和和C=O等化学键生成或裂等化学键生成或裂解反应。解反应。第34页1、转移反应、转移反应v转移酶（转移酶（transferases，EC 2.x.x.x）是一类）是一类常见生物催化剂，它所催化转移反应以下式常见生物催化剂，它所催化转移反应以下式所表示。所表示。v这类酶催化底物有氨基酸、酮酸、核苷酸和这类酶催化底物有氨基酸、酮酸、核苷酸和糖等化合物，其中糖基转移酶已被用来制备糖等化合物，其中糖基转移酶已被用来制备新型糖。新型糖。vXY+Z 转移酶转移酶 X+ZYv 第35页糖苷化酶（糖苷化酶（glycosidses）v糖苷化酶能催化糖苷键水解，故又称糖水解糖苷化酶能催化糖苷键水解，故又称糖水解酶（酶（glycohydrolases）。该酶不需要任何）。该酶不需要任何辅酶，是真正水解酶。这种水解酶有两种类辅酶，是真正水解酶。这种水解酶有两种类型：外糖苷化酶和内糖苷化酶，前者仅水解型：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糖苷键。末端糖苷键，后者可水解糖链中部糖苷键。v由糖苷化酶水解逆反应可用于糖苷合成，利由糖苷化酶水解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反应。称为直接糖基化，这是一个热力学控制反应。因为反应平衡常数有利于水解反应，所以必因为反应平衡常数有利于水解反应，所以必须采取高浓度单糖和亲核试剂，反应产率普须采取高浓度单糖和亲核试剂，反应产率普通很低，产物为粘稠糖浆。通很低，产物为粘稠糖浆。第36页2、裂合反应、裂合反应v裂合酶裂合酶（lyases，EC 4.x.x.x）能催化一个）能催化一个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。v这类酶包含这类酶包含醛缩酶、水合酶和脱羧酶醛缩酶、水合酶和脱羧酶等。裂等。裂合酶在工业生产中有着主要应用，它们能催合酶在工业生产中有着主要应用，它们能催化化CC、CN和和CO等键裂合和生成，有等键裂合和生成，有时还伴随双键形成。时还伴随双键形成。v裂合酶逆反应也有很高工业应用价值，如工裂合酶逆反应也有很高工业应用价值，如工业上应用苯丙氨酸氨裂解酶和天冬氨酸酶催业上应用苯丙氨酸氨裂解酶和天冬氨酸酶催化合成化合成L-苯丙氨酸和苯丙氨酸和L-天冬氨酸。天冬氨酸。第37页醛缩酶醛缩酶v醛缩酶（醛缩酶（aldolases）能催化不对称）能催化不对称CC键键形成，并能使分子延长形成，并能使分子延长23个碳单位，对有机个碳单位，对有机合成极为有用。该酶惯用于糖合成，如氨基合成极为有用。该酶惯用于糖合成，如氨基糖、硫代糖和二糖类似物合成。醛缩酶底物糖、硫代糖和二糖类似物合成。醛缩酶底物专一性不高，能催化各种底物反应专一性不高，能催化各种底物反应。第38页转酮醇酶转酮醇酶v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，她是很有前途生物催化剂。两个碳单位，她是很有前途生物催化剂。偶偶姻反应姻反应（acyloin reactions）是指两个分子）是指两个分子醛缩合形成酮醇反应，如两分子丁醛缩合形醛缩合形成酮醇反应，如两分子丁醛缩合形成丁偶姻（成丁偶姻（C3H7-CHOHCOC3H7）。）。第39页3、加成和消去反应、加成和消去反应v裂合酶还能够催化小分子化合物如水和气恼裂合酶还能够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。v由由醇腈酶醇腈酶（oxynitrilase）催化氰醇反应所生）催化氰醇反应所生成手性氰醇，是合成除虫菊酯类沙虫剂醇基成手性氰醇，是合成除虫菊酯类沙虫剂醇基部分。部分。第40页3、加成和消去反应、加成和消去反应v这类酶催化反应还包含：水和氨加成反应这类酶催化反应还包含：水和氨加成反应（如利用不一样微生物细胞能够对不一样取（如利用不一样微生物细胞能够对不一样取代碳碳双键进行加水反应，含有很好手性合代碳碳双键进行加水反应，含有很好手性合成应用前景）、成应用前景）、Michael加成反应、卤化反应加成反应、卤化反应和脱卤素反应等。和脱卤素反应等。第41页第三节第三节参加药品制备过程主要反应酶类及作用机制参加药品制备过程主要反应酶类及作用机制v已经研究和应用了各种各样微生物起源酶已经研究和应用了各种各样微生物起源酶于相关药品制备和其它精细化学品制备，于相关药品制备和其它精细化学品制备，尤其是在消旋体拆分、不对称合成，以及尤其是在消旋体拆分、不对称合成，以及其它复杂化学反应中应用。其它复杂化学反应中应用。v尽管经典化学反应都能够实现这些过程，尽管经典化学反应都能够实现这些过程，但用于酶催化反应微生物资源可再生性、但用于酶催化反应微生物资源可再生性、反应过程环境友好性，以及其它化学反应反应过程环境友好性，以及其它化学反应无法比拟优越性，愈来愈多化学反应将被无法比拟优越性，愈来愈多化学反应将被酶促反应所取代。这些酶类参加反应包括酶促反应所取代。这些酶类参加反应包括到以下几个方面。到以下几个方面。第42页1、生物催化拆分、生物催化拆分v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一个手性分子含即为利用酶对对映异构体中一个手性分子含有特异性催化作用，而对对映异构体中另一有特异性催化作用，而对对映异构体中另一个手性分子不起作用这么特征，将含有催化个手性分子不起作用这么特征，将含有催化特异性一个对映异构体转化为所希望对映体特异性一个对映异构体转化为所希望对映体纯产物纯产物/中间体。中间体。v至今为止，在生物催化拆分中使用最多是水至今为止，在生物催化拆分中使用最多是水解酶。解酶。第43页1、生物催化拆分、生物催化拆分v从经济角度看，利用水解酶进行拆分是不合从经济角度看，利用水解酶进行拆分是不合算，因为从理论上讲，其最高得率仅为算，因为从理论上讲，其最高得率仅为50。这一不足从理论上讲，经过有效地结合外消这一不足从理论上讲，经过有效地结合外消旋化能够来填补。这种经过外消旋化来得到旋化能够来填补。这种经过外消旋化来得到单一对映体方法，即为单一对映体方法，即为动态动力学拆分动态动力学拆分（dynamic kinetic resolution）。）。v外消旋化能够自发进行，如乙内酰脲；也能外消旋化能够自发进行，如乙内酰脲；也能够经过改变反应条件，如够经过改变反应条件，如pH和温度；或者经和温度；或者经过使用外消旋酶来进行。过使用外消旋酶来进行。第44页2、对映体会聚转化、对映体会聚转化v另外一条能够得到另外一条能够得到100%对映体转化收率不一对映体转化收率不一样路线是样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酶进行不一样区域即或是利用两种对映体互补酶进行不一样区域特异性转化，或是结合使用酶催化和化学催化特异性转化，或是结合使用酶催化和化学催化方法，使得到方法，使得到100%转化收率。转化收率。v前一个方法适用范围不广，后一个方法已经在前一个方法适用范围不广，后一个方法已经在（R）-Nifenalol（硝苯洛尔）制备过程中取得（硝苯洛尔）制备过程中取得了成功，其利用环氧化物水解酶催化和硫酸催了成功，其利用环氧化物水解酶催化和硫酸催化相结合方法（如图所表示）。化相结合方法（如图所表示）。第45页利用化学利用化学-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路径路径 第46页3、去对称化反应、去对称化反应v利用不一样水解酶或水合酶进行利用不一样水解酶或水合酶进行去对称化去对称化（desymmetrization），），是一个非常有效特是一个非常有效特异性反应。一个对称前手性分子，利用某一个异性反应。一个对称前手性分子，利用某一个特定酶促仅对分子中一个功效基团进行生物转特定酶促仅对分子中一个功效基团进行生物转化，最终得到一个所期望手性分子，这就是去化，最终得到一个所期望手性分子，这就是去对称化。对称化。v图所表示为美国图所表示为美国Schering-Plough企业利用脂企业利用脂肪酶，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品化，最终得到合成抗真菌药品SCH1048关键关键手性中间体。手性中间体。第47页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转化反应去对称化转化反应 第48页4、不对称合成、不对称合成v相对于生物催化拆分，用于生物催化不对称相对于生物催化拆分，用于生物催化不对称合成底物是一个合成底物是一个前手性前体前手性前体，其经过对映体，其经过对映体加成反应，能够被转化为所期望光学活性化加成反应，能够被转化为所期望光学活性化合物。与去对称化反应相同，这些反应含有合物。与去对称化反应相同，这些反应含有产生定量收率所期望光学活性化合物。产生定量收率所期望光学活性化合物。v 参加药品制备过程主要反应酶种类很多，参加药品制备过程主要反应酶种类很多，以下就脂肪酶、环氧化物水解酶和糖苷化酶以下就脂肪酶、环氧化物水解酶和糖苷化酶作用机制及相关内容作一阐述。作用机制及相关内容作一阐述。第49页一、脂肪酶一、脂肪酶v很多细菌能够产生脂肪酶。很多细菌能够产生脂肪酶。脂肪酶既能够水脂肪酶既能够水解长链酰基甘油，也能够合成长链酰基甘油解长链酰基甘油，也能够合成长链酰基甘油（如图所表示）（如图所表示）。v因为脂肪酶所催化水解反应和合成反应都含因为脂肪酶所催化水解反应和合成反应都含有区域选择性（有区域选择性（regioselectivity）和对映体）和对映体选择性（选择性（enantioselectivity），所以，该酶），所以，该酶已被作为主要立体选择性生物催化剂，用于已被作为主要立体选择性生物催化剂，用于有机化学合成。有机化学合成。第50页（一）（一）脂肪酶定义脂肪酶定义v脂肪酶简单定义为：催化长链酰基甘油水解（或合脂肪酶简单定义为：催化长链酰基甘油水解（或合成）羧基酯酶（成）羧基酯酶（carboxylesterase）；）；v假如以三油酰甘油酯（假如以三油酰甘油酯（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个碳原子甘油个碳原子甘油酯时，往往被称之为脂肪酶（酯时，往往被称之为脂肪酶（lipase），假如当以），假如当以三丁酸甘油酯为标准底物时，水解含有小于三丁酸甘油酯为标准底物时，水解含有小于10个个碳原子甘油酯时，往往被称之为酯酶碳原子甘油酯时，往往被称之为酯酶（esterase）。）。但应该注意是，这些脂肪酶往往含但应该注意是，这些脂肪酶往往含有优先水解酯酶底物。有优先水解酯酶底物。v另外一个更为轻易了解含义是：对于另外一个更为轻易了解含义是：对于含大手性羧酸含大手性羧酸和小醇酯，其水解或酯交换由酯酶催化，而对由小和小醇酯，其水解或酯交换由酯酶催化，而对由小羧酸和大手性醇组成酯，则由脂肪酶催化羧酸和大手性醇组成酯，则由脂肪酶催化，如图所，如图所表示。表示。第51页脂肪酶和酯酶催化酯水解反应脂肪酶和酯酶催化酯水解反应 第52页已经实现商业化一些微生物起源脂肪酶已经实现商业化一些微生物起源脂肪酶 微生物名称微生物名称用途用途Candida rugosaCandida Antarctica A/BThermomyces lanuginosusRhizomucor miehei有机合成有机合成有机合成有机合成洗洗涤剂涤剂食品加工食品加工Burkholderia cepaciaPseudomonas alcaligenesPseudomonas mendocinaChromobacterium viscosum有机合成有机合成洗洗涤剂涤剂洗洗涤剂涤剂有机合成有机合成第53页细菌脂肪酶三维结构和催化机制细菌脂肪酶三维结构和催化机制 经典经典/水解酶折叠水解酶折叠 第54页铜绿假单胞菌脂肪酶结构铜绿假单胞菌脂肪酶结构 第55页脂肪酶催化机制脂肪酶催化机制v1、亲核丝氨酸残基活化，其活化过程一方面来自于被邻近组氨酸，其次来自于受丝氨酸中O-作用底物羧基碳原子亲核进攻；v2、被活化丝氨酸与底物中羧基碳结合，形成一个过分态四元中间体，这个中间体由于两个肽中NH基团与O-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醇基上；v3、共价中间体（“酰化酶”）形成，底物中酸部分与酶中丝氨酸残基形成酯键，周围水分子被邻近组氨酸活化，结果是OH-对共价中间体中羧基碳原子进行亲核进攻；v4、组氨酸残基提供一个质子给活化丝氨酸残基中氧原子，使丝氨酸与酰基化部分酯键断裂，释放酰基化产物。第56页 脂肪酶催化机制脂肪酶催化机制第57页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/酶复合物过程酶复合物过程 第58页脂肪酶进行酯水解和酯合成过程脂肪酶进行酯水解和酯合成过程 （a）：不溶性酯水解）：不溶性酯水解（b）：包括到不溶性生物催化剂、溶于有机溶媒酰化基和底物转酯反应）：包括到不溶性生物催化剂、溶于有机溶媒酰化基和底物转酯反应第59页图显示了该酶活性部位：底物基团与酶结合图显示了该酶活性部位：底物基团与酶结合三个结合袋，三个结合袋，以及位于结合袋周围氨基酸残以及位于结合袋周围氨基酸残基。如图所表示：飞镖形活性部位被分为一个大大疏水沟，其能够恰如其分地容纳基。如图所表示：飞镖形活性部位被分为一个大大疏水沟，其能够恰如其分地容纳sn-3酰基链；一个能够嵌入抑制剂醇部分，其能够再被分为一个能够容纳酰基链；一个能够嵌入抑制剂醇部分，其能够再被分为一个能够容纳sn-2部分疏水部分疏水/亲亲水袋，（因为水袋，（因为sn-2结合袋对底物结合交互作用最亲密，所以，这可能是决定酶立体选择结合袋对底物结合交互作用最亲密，所以，这可能是决定酶立体选择性优先原因），和一个较小能够容纳性优先原因），和一个较小能够容纳sn-1链结合袋。范德华力是维持以上底物中这些基链结合袋。范德华力是维持以上底物中这些基团与酶结合主要作用。另外，团与酶结合主要作用。另外，sn-2链中酯氧原子与活性部位组氨酸链中酯氧原子与活性部位组氨酸NE2原子之间氢键，原子之间氢键，对固定抑制剂位置含有主要作用。对固定抑制剂位置含有主要作用。第60页一些由微生物起源脂肪酶催化潜手性化合物成为单一异构体反应种类一些由微生物起源脂肪酶催化潜手性化合物成为单一异构体反应种类 第61页脂肪酶应用受到限制原因脂肪酶应用受到限制原因v1）对映体选择性还不够高；对映体选择性还不够高；v2）酶活性受到限制；酶活性受到限制；v3）酶难以循环使用；酶难以循环使用；v4）利用脂肪酶进行动力学拆分制备单一异构利用脂肪酶进行动力学拆分制备单一异构体最高得率为体最高得率为50%。第62页限制原因突破方法限制原因突破方法v1）利用体外进化技术改造酶提升对映体选择利用体外进化技术改造酶提升对映体选择性；性；v2）研究固定化技术提升酶在有机溶剂中活性研究固定化技术提升酶在有机溶剂中活性和稳定性；和稳定性；v3）研究循环技术使酶能够重复使用；研究循环技术使酶能够重复使用；v4）研究动力学拆分使酶能够进行对映体转换研究动力学拆分使酶能够进行对映体转换催化反应。催化反应。第63页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；用起源于构型化合物外消旋化；用起源于C.antarctica脂肪酶对外消旋体苯乙胺进行立体选择性酰化反应脂肪酶对外消旋体苯乙胺进行立体选择性酰化反应动力学拆分过程动力学拆分过程 第64页一些利用脂肪酶制备药品关键中间体实例一些利用脂肪酶制备药品关键中间体实例关关键键中中间间体体v药品抗抑郁抗抑郁药药帕帕罗罗西汀，西汀，拆分得到拆分得到(S)-甲基甲基-乙乙酰酰硫代丙酸硫代丙酸抗高血抗高血压药压药卡托普利卡托普利拆分得到拆分得到(2R,3S)-4-甲氧苯基甲氧苯基缩缩水甘油水甘油酸甲酸甲酯酯抗心抗心绞绞痛和高血痛和高血压药压药地地尔尔硫卓硫卓拆分得到手性拆分得到手性侧链侧链-氨基氨基-N-苯甲苯甲酰酰基基-(2R,3S)-3-苯基异苯基异丝丝氨酸氨酸抗抗肿肿瘤瘤药药紫杉醇紫杉醇拆分消旋体拆分消旋体非甾体消炎非甾体消炎药药（S）-奈普生奈普生S-(-)-乙酸乙酸酯酯免疫抑制免疫抑制剂剂脱氧精胍菌素脱氧精胍菌素拆分得到拆分得到D-泛酸内泛酸内酯酯辅辅助助药药D-泛酸泛酸第65页二、环氧化物水解酶二、环氧化物水解酶（一）环氧化物水解酶定义和作用（一）环氧化物水解酶定义和作用v环氧化物水解酶催化一份水分子加入到环氧化物分环氧化物水解酶催化一份水分子加入到环氧化物分子中环氧乙烷部分，形成对应子中环氧乙烷部分，形成对应1-2二醇。这种酶广泛二醇。这种酶广泛地存在于自然界中，如植物、昆虫、细菌、真菌和地存在于自然界中，如植物、昆虫、细菌、真菌和哺乳动物等。哺乳动物等。v除了这种酶在不一样生物体内含有独特功效外，环除了这种酶在不一样生物体内含有独特功效外，环氧化物酶触反应代表了这一类酶含有主要生物化学氧化物酶触反应代表了这一类酶含有主要生物化学作用，因为：在很多含有生物活性作用非生