生物催化与生物转化III

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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C—C、C—N和C—O以及C＝C、C＝O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

2、哆醛(PLP)为辅酶催化下列反应，见式(9.2)。反应中氨基酸将分子中氨基转移给α-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

3、I—氨基酸(5)和D-2-氨基丁酸(6)，见图9—1。合成的前体。例如:L-叔亮氨酸(7)可用于合成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

4、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Β-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

5、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，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

6、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，EC4.x.x.x．)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C—C、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，EC4.3.1.5)和天冬氨酸酶(asparta

7、se，EC4.3.1)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C—C键的形成，并能使醛分子延长2—3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α-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α-羟基醛的动力学

8、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