生物催化与生物转化II

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1、水解反应酶的概念及其催化反应的特点酶催化与微生物催化的差异酶的来源酶的分类分子手性的表示方法分子的手性与药物药理、药效和安全之间的关系酶催化反应的过程常用酶及其催化反应的类型和特点水解酶(hydrolases，EC3.x.x.x)是最常用的生物催化剂，占生物催化反应用酶的65％。它们能水解酯、酰胺、蛋白质、核酸、多糖、环氧化物和腈等化合物。生物催化的水解反应类型如图8—1所示，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。第一节水解反应的机理和特点酶催化底物水解反应的机理与底物在碱性条件下的化学水解反应机理

2、很相似。丝氨酸型水解酶活性中心的Asp、His、Ser组成三联体，其中丝氨酸的羟基作为亲核基团向底物酯或酰胺中的羰基碳原子发起亲核进攻，形成酶-酰基中间体，见图8-2(a)：然后其他亲核试剂(水、胺、醇、过氧化氢等)进攻酶-酰基中间体，酶将酰基转移到酰基受体上，酶自身恢复原形，见图8-2(b)。微生物脂肪酶(1ipases)在水解反应中使用较多，而猪肝酯酶(pigliveresterase,PLE)和马肝酯酶(horseliveresterase，HLE)使用相对较少，这些酶对羧酸酯具有高度的立体选择性。乙酰胆碱酯酶(a

3、cetylcholineesterase，ACE)对非天然酯的水解表现出很高的立体选择性，但是这种酶是从电鳗中分离纯化制备的，价格昂贵，限制了它的使用。完整微生物细胞能高选择性地催化酯水解，但实现该反应的条件复杂。一种来自微生物的羧酸酯酶NP(carboxyl-esteraseNP)已可用基因工程法表达制备，该酶能催化某些特殊结构酯高选择性水解。许多蛋白酶同样能选择性水解羧酸酯，使用最多的是α-胰凝乳蛋白酶(α-chymotrypsin)、枯草杆菌蛋白酶(subtilisin)。使用相对较少的有胰蛋白酶(trypsin)

4、、胃蛋白酶(pepsin)、木瓜蛋白酶(papain)和青霉素酰化酶(penicillinacylase)。第二节酯水解一、酯的结构类型酯酶和蛋白酶催化的底物酯按其结构特征分为I型酯和II型酯，它们的结构特征见图8-3。I型酯的手性中心在羧酸部分，Ⅱ型酯的手性中心在醇基部分。无论是I型酯还是Ⅱ型酯，酯酶和蛋白酶都要求底物分子中的手性中心尽可能在水解反应位点附近，以保证其手性识别。猪肝酯酶(pigliveresterase,PLE)是常用的一种酯酶。这种酶成复杂，一般至少有5种同功酶组成，每一个同功酶又是由三个亚基组成。由

5、于它们具有相似的立体选择性，因此，这一粗酶混合物仍被视为是一种单纯酶，但最近也有一些关于它们差异性的报道。PLE的选择性与酶的来源和酶的制备方法有关。对于有机合成反应来说一般采用酶的丙酮粗提物，这种粗酶价格便宜、稳定性好。这是由于化学反应体系中一般为单一底物，故而对酶的底物专一性要求不高。然而在生物体内由于细胞内存在大量的底物和各种酶，因此要求酶具有高的底物专一性。从马肝中提取的马肝酯酶(horseliveresterase，HLE)以及来自于鸡、豚鼠、大鼠、仓鼠的酯酶底物专一性都不高。而兔肝酯酶的底物专一性比PLE在某

6、种程度上要好得多，但这些酶来源有限、使用较少。1．反应条件温和PLE可在温和反应条件下催化乙酸环丙酯、前列腺素E1甲酯水解，如果用化学法水解(酸解或碱解)这类酯，则很容易导致分解反应的发生，见图8-4。这一特性已被成功地用于前列腺素El(1)合成过程中最后的羧基脱保护反应，见图8-4。2．区域选择性酯酶催化水解反应具有区域选择性，PLE能区域选择性地催化苹果酸二甲酯(2)的1-羧酸酯发生水解反应。同样，由外式和内式-双环[2.2.1]庚酸乙酯组成的混合物(3)，PLE只能水解混合物中位阻较小的外式羧酸酯，而内式羧酸酯则不

7、能被水解，反应后生成(4)和(5)，两者很容易被分离纯化，见图8-5。酯酶可选择性水解顺、反(E／Z)烯酸酯异构体，其他的水解酶(如蛋白酶、脂肪酶)却很少具有这种区域选择性，一般水解成二元酸。(二)I型酯的水解1．潜手性二酯猪肝酯酶(PLE)和α-胰凝乳蛋白酶可催化潜手性3-位取代的戊二酸二甲酯(9)的不对称化。鲁氏不动杆菌(Arthrobacterlowefii)和节杆菌(Arthrobacter．sp)的完整细胞具有酯酶活性，也能催化这类反应，但两者催化反应的立体选择性相反，分别产生不同构型产物(10)和(11)，见

8、图8-8。α-甲基-L-α-氨基酸是一类手性合成源，可用于手性药物合成中。它们与天然氨基酸结构不同，不能采用常规氨基酸衍生物拆分法来制备。酯酶能催化潜手性二羧基二甲酯选择性水解为手性单酯(8)，然后单酯(8)中的羧基通过Cudius重排反应可转化为氨基，最后PIE再将单酯水解生成光学纯α-甲基—L-α-氨基酸，图8—