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1、关于酶参与的不对称合成第一页，本课件共有60页第四章酶参与的不对称合成第四章酶参与的不对称合成Chapter 4 enzymes mediated asymmetric reactions第二页，本课件共有60页主要内容主要内容4.1 酶及酶催化反应的特点及缺点酶及酶催化反应的特点及缺点4.2 酶催化还原反应酶催化还原反应4.3 酶催化氧化反应酶催化氧化反应4.4 酶催化水解反应酶催化水解反应4.5 总结总结第三页，本课件共有60页4.1 Chiral synthesis with biocatalyst 利利用用纯纯酶酶或或有有机机体体催催化化无无手手性性、潜潜手手性性化化合合物物转转化化为
2、为手手性性产产物物的的过过程程。生生物物催催化化中中常常用用的的有有机机体体主主要要是是微微生生物物，其其本本质质是是利利用用微微生生物物细细胞胞内内的的酶酶催催化化非非天天然然 有有 机机 化化 合合 物物 的的 生生 物物 转转 化化，又又 称称 为为 生生 物物 转转 化化（microbial biotransformation）。固固定定化化酶酶和和固固定定化化细细胞胞技技术术可可使使生生物物催催化化反反应应在在连连续续进进行行生生物物转转化化，这这将使生物催化法具有工业化应用价值。将使生物催化法具有工业化应用价值。第四页，本课件共有60页酶的特征酶的特征 酶酶是是决决定定生生物物体体
3、系系中中化化学学转转化化方方式式的的卓卓越越非非凡凡的的分分子子器器件件。酶酶最最为为显显著著的的特特征征是是其其催催化化能能力力和和专专一一性性。由由于于它它们们能能专专一一性性地地与与多多种种分分子子结结合合，并并使使化化学学反反应应加加速速几几个个数数量量级级。作作为为一一类类大大分分子子，它它们们在在催催化化各各种种反反应应时时是是高高效效率率的。的。第五页，本课件共有60页生物催化手性合成的反应特点生物催化手性合成的反应特点v酶的反应速度比非酶催化的反应速度一般要快酶的反应速度比非酶催化的反应速度一般要快1061012倍。倍。v酶催化剂的用量少，一般手性催化剂的用量是酶催化剂的用量少
4、，一般手性催化剂的用量是0.1%1mol%，而酶催化反应中酶的用量为，而酶催化反应中酶的用量为10-310-4mol%。v酶与其他催化剂一样，仅能加快反应的速度，酶与其他催化剂一样，仅能加快反应的速度，但不影响反应的热力学平衡，酶催化的反应往但不影响反应的热力学平衡，酶催化的反应往往是往是可逆的可逆的。第六页，本课件共有60页生物催化手性合成的反应生物催化手性合成的反应优点优点v酶在温和条件下进行，反应酶在温和条件下进行，反应PH为为58，一般在，一般在7左右，反左右，反应温度在应温度在30左右。这样可以减少不必要的副反应，如左右。这样可以减少不必要的副反应，如分解、异构和重排反应。分解、异构
5、和重排反应。v不同酶所催化反应的条件往往是相同或相似的，因此，一不同酶所催化反应的条件往往是相同或相似的，因此，一个连续反应可以采取多酶复合体系，使这些生物催化反应个连续反应可以采取多酶复合体系，使这些生物催化反应能在同一个反应器中进行，可以简便操作步骤。能在同一个反应器中进行，可以简便操作步骤。第七页，本课件共有60页生物催化手性合成的反应生物催化手性合成的反应缺点缺点(一一)v尽管酶催化反应的条件温和，但是酶反应参数必须尽管酶催化反应的条件温和，但是酶反应参数必须精确控制。一般酶催化反应都有其最适条件，如温精确控制。一般酶催化反应都有其最适条件，如温度、度、PH值、离子强度等。这些参数变化
6、的范围较小，值、离子强度等。这些参数变化的范围较小，一旦变化幅度超过它们的允许值，将会引起酶的活性丧一旦变化幅度超过它们的允许值，将会引起酶的活性丧失。失。v酶在水溶液中表现出最高的催化活性，而一般都是在酶在水溶液中表现出最高的催化活性，而一般都是在有机溶剂中进行，而在非水介质中酶的活性在水溶液有机溶剂中进行，而在非水介质中酶的活性在水溶液中低，一般降低一个数量级水平。中低，一般降低一个数量级水平。第八页，本课件共有60页生物催化手性合成的反应生物催化手性合成的反应缺点缺点(二二)v酶催化反应容易被底物或产物所抑制，在底物或底物酶催化反应容易被底物或产物所抑制，在底物或底物浓度较高时，会引起酶
7、活性丧失。浓度较高时，会引起酶活性丧失。v酶是生物大分子，可能会引起过敏反应，使用时一酶是生物大分子，可能会引起过敏反应，使用时一定要注意。定要注意。v许多酶都需要辅助因子或辅酶才能进行，然而辅酶一般许多酶都需要辅助因子或辅酶才能进行，然而辅酶一般较为昂贵，必须使用另外一种酶才能使其原位活化或再较为昂贵，必须使用另外一种酶才能使其原位活化或再生。生。第九页，本课件共有60页酶在生物催化反应中的使用情况酶在生物催化反应中的使用情况第十页，本课件共有60页4.2 酶催化还原反应酶催化还原反应 面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化酮的不对称还面包酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化酮的不对称还原，其还原
8、产物仲醇的对映体过量率近原，其还原产物仲醇的对映体过量率近100%。第十一页，本课件共有60页主要内容主要内容v辅酶的循环使用辅酶的循环使用v脱氢酶催化酮还原脱氢酶催化酮还原v酵母细胞催化酮还原酵母细胞催化酮还原v酵母细胞催化烯烃还原酵母细胞催化烯烃还原第十二页，本课件共有60页4.2.1 辅酶的循环使用辅酶的循环使用v底物偶联法底物偶联法v酶偶联法酶偶联法v人工电子传递体人工电子传递体总转换数总转换数(TTN,total turnover number)每摩尔辅酶用于转化生产物的总摩尔数。每摩尔辅酶用于转化生产物的总摩尔数。实验室要求：实验室要求：TTN至少为至少为103104工业生产要求：
9、工业生产要求：TTN105第十三页，本课件共有60页常用的辅酶常用的辅酶 氧氧化化还还原原酶酶需需要要辅辅酶酶作作为为反反应应过过程程中中氢氢或或电电子子的传递体。的传递体。常常用用的的辅辅酶酶有有尼尼克克酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸NADH(nicotinamide adenine dinucleotide)又又称称辅辅酶酶I(Co I)和和尼尼克克酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸磷磷酸酸NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)又称又称辅酶辅酶II(Co II)第十四页，本课件共有60页底物偶联法底物偶联法 定义：定义：
10、在反应过程中添加辅助底物（供体），在在反应过程中添加辅助底物（供体），在相同酶催化下实现主要底物和辅助底物同时转化，相同酶催化下实现主要底物和辅助底物同时转化，但两者方向相反。为了使反应朝向所需方向进行，但两者方向相反。为了使反应朝向所需方向进行，一般使辅助性底物过量，以保证转换数一般使辅助性底物过量，以保证转换数TTN超过超过103。第十五页，本课件共有60页酶偶联法酶偶联法 酶偶联途径是利用两个平行的氧化还原反应酶系酶偶联途径是利用两个平行的氧化还原反应酶系统，一个酶催化底物转化，另一个酶则催化辅酶循环统，一个酶催化底物转化，另一个酶则催化辅酶循环再生。再生。为了达到最佳效果，两个酶的底物
11、相对独立，以为了达到最佳效果，两个酶的底物相对独立，以避免两个底物竞争同一个酶的活性中心。避免两个底物竞争同一个酶的活性中心。第十六页，本课件共有60页用于还原反应的酶用于还原反应的酶v甲酸脱氢酶甲酸脱氢酶v葡萄糖脱氢酶葡萄糖脱氢酶v醇脱氢酶醇脱氢酶v氢化酶氢化酶v谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶第十七页，本课件共有60页甲酸脱氢酶甲酸脱氢酶(formate dehydrogenase,FDH)l该方法的最大优点是辅助底物甲酸和反应产物该方法的最大优点是辅助底物甲酸和反应产物(CO2)对对酶无毒和易于除去，酶无毒和易于除去，FDH稳定性好、易于固定化，且已稳定性好、易于固定化，
12、且已可商品化供应。可商品化供应。l该体系的缺点是该体系的缺点是FDH成本较高，酶的活性低。成本较高，酶的活性低。l目前甲酸目前甲酸/FDH系统是最方便和最经济的系统是最方便和最经济的NADH再生方法，再生方法，特别适合于大规模重复性使用，其特别适合于大规模重复性使用，其TTN可达可达103105。第十八页，本课件共有60页其它脱氢酶其它脱氢酶葡萄糖脱氢酶葡萄糖脱氢酶 葡萄糖和葡萄糖脱氢酶葡萄糖和葡萄糖脱氢酶(glucose dehydrgenase,GDH)系统是另一种系统是另一种NADH或或NADPH再生系统。再生系统。醇脱氢酶醇脱氢酶 乙醇乙醇-醇脱氢酶醇脱氢酶(alcohol dehyd
13、rogenase,ADH)系统用于系统用于NADH和和NADPH的循环再生。的循环再生。氢化酶氢化酶 氢氢化化酶酶(hydrogenase)能能催催化化NADH再再生生，这这种种酶酶以以分分子子氢氢直直接接作作为为氢氢的的供供体体，氢氢有有很很强强的的还还原能力，同时对酶和辅酶无毒。原能力，同时对酶和辅酶无毒。谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶 乙乙醛醛-酵酵母母ADH系系统统也也可可用用于于NAD-的的再再生生，其其转转换换数数达达到到103104。该该系系统统中中酶酶容容易易失失活活是是其其致致命的弱点。命的弱点。第十九页，本课件共有60页人工电子传递体人工电子传递体第二十页
14、，本课件共有60页第二十一页，本课件共有60页4.2.2 脱氢酶催化酮还原脱氢酶催化酮还原v酵母醇脱氢酶酵母醇脱氢酶v马肝醇脱氢酶马肝醇脱氢酶v布氏热厌氧菌醇脱氢酶布氏热厌氧菌醇脱氢酶v羟基甾羟基甾(zai)体脱氢酶体脱氢酶commercially available第二十二页，本课件共有60页酵母醇脱氢酶酵母醇脱氢酶(yeast alcohol dehydrogenase,YADH)底物专业性强，只针对醛和甲基酮底物专业性强，只针对醛和甲基酮。v马马 肝肝 醇醇 脱脱 氢氢 酶酶(horse liver alcohol dehydrogenase,HLADH)底底物物专专业业性性不不强强，因
15、因而而可可催催化化多多种种底底物物还还原原，应应用用广广，缺缺点点是是立立体选择性不高。体选择性不高。v羟基甾体脱氢酶羟基甾体脱氢酶(hydroxysteroid dehydrogenase,HSDH)最佳底物是烷基取代单烷酮和二环酮。最佳底物是烷基取代单烷酮和二环酮。布布氏氏热热厌厌氧氧醇醇脱脱氢氢酶酶(Thermoanaerobium brockii alcohol dehydrogenase,TBADH)催催化化大大分分子子酮酮还还原原时时得得到到(S S)-)-型型醇醇，但但催催化化小小分分子子酮酮时时则则产产物物构型相反。构型相反。第二十三页，本课件共有60页4.2.3 酵母细胞催化
16、酮还原酵母细胞催化酮还原v无环酮的还原无环酮的还原v环状酮的还原环状酮的还原v去消旋化去消旋化 19世纪初，人们利用面包酵母世纪初，人们利用面包酵母(Bakers yeast)或称酿酒或称酿酒酵母酵母(Saccharomyces cerevisiae)被广泛用于酮的不对称还被广泛用于酮的不对称还原反应。它使用方便，无需特殊设备，可在普通实验室中原反应。它使用方便，无需特殊设备，可在普通实验室中进行生物催化反应，使用成本低。进行生物催化反应，使用成本低。第二十四页，本课件共有60页无环酮的还原无环酮的还原 多数长链酮（如多数长链酮（如n-丙基酮、丙基酮、n-丁基酮和苯基酮）丁基酮和苯基酮）不能被
17、酵母还原，只有长链甲基酮才能被酵母催化不能被酵母还原，只有长链甲基酮才能被酵母催化还原。还原。第二十五页，本课件共有60页环状酮的还原环状酮的还原第二十六页，本课件共有60页去消旋化去消旋化 消消旋旋体体中中仲仲醇醇可可以以通通过过氧氧化化、还还原原反反应应转转化化为为单单一一对对映映体体。仲仲醇醇消消旋旋体体中中的的一一个个对对映映体体可可以以被被选选择择性性氧氧化化为为酮酮（醇醇脱脱氢氢酶酶），而而另另一一个个对对映映体体则则不不能能被被氧氧化化。新新生生的的酮酮可可以以再再被被另另一一个个氧氧化化还还原原系系统统还还原原为为仲仲醇醇，其其构构型型与与原原仲仲醇醇构构型型相相反反，最最终终
18、使使消消旋旋体体转转变单一对映，这是一项去消旋化变单一对映，这是一项去消旋化(deracemization)技术。技术。第二十七页，本课件共有60页4.2.4 酵母细胞催化烯烃还原酵母细胞催化烯烃还原v，-不饱和酯的还原不饱和酯的还原v烯丙醇和共轭烯酮的还原烯丙醇和共轭烯酮的还原v硝基烯烃的还原硝基烯烃的还原 负负责责这这种种还还原原反反应应的的酶酶一一般般是是NADH所所依依赖赖的的烯烯酸酸还还原原酶酶，这这类类酶酶存存在在于于多多种种微微生生物物中中，如如梭梭状状芽芽孢孢杆杆菌菌、变变形形杆杆菌菌属和面包酵母等。属和面包酵母等。第二十八页，本课件共有60页，-不饱和酯的还原不饱和酯的还原
19、微生物对烯酸酯是先水解后还原，因此微生物还原反微生物对烯酸酯是先水解后还原，因此微生物还原反应实际发生在烯酸阶段。应实际发生在烯酸阶段。第二十九页，本课件共有60页烯丙醇和共轭烯酮的还原烯丙醇和共轭烯酮的还原第三十页，本课件共有60页硝基烯烃的还原硝基烯烃的还原第三十一页，本课件共有60页4.3 酶催化氧化反应酶催化氧化反应常用的化学氧化方法：常用的化学氧化方法：采用金属化合物如六价铬、七价锰衍生物以及醋酸铅、醋酸汞采用金属化合物如六价铬、七价锰衍生物以及醋酸铅、醋酸汞和有机过氧羧酸等作为氧化剂。和有机过氧羧酸等作为氧化剂。缺点：缺点：缺少立体选择性、副反应多，且金属氧化剂会造成环境污缺少立体
20、选择性、副反应多，且金属氧化剂会造成环境污染。染。酶催化的方法：酶催化的方法：不仅可以解决这些问题，而且可使不活泼的有机化合物不仅可以解决这些问题，而且可使不活泼的有机化合物发生氧化反应，如催化烷烃中的碳氢键羟化反应，反应具有发生氧化反应，如催化烷烃中的碳氢键羟化反应，反应具有区域和对映选择性。区域和对映选择性。第三十二页，本课件共有60页生物催化氧化所用的酶生物催化氧化所用的酶三大类酶：三大类酶：单加氧酶、双加氧酶和氧化酶单加氧酶、双加氧酶和氧化酶 第三十三页，本课件共有60页主要内容主要内容&第一节第一节 单加氧化酶催化反应单加氧化酶催化反应&第二节第二节 双氧酶催化反应双氧酶催化反应&第
21、三节第三节 氧化酶和脱氢酶催化反应氧化酶和脱氢酶催化反应第三十四页，本课件共有60页第一节第一节 单加氧化酶催化反应单加氧化酶催化反应 反反应应机机理理：单单加加氧氧酶酶(mono-oxygenases)可可以以使使氧氧分分子子(O2)中中一一个个氧氧化化自自加加入入到到底底物物分分子子中中，另另一一个个氧氧原原子子使使还原性还原性NADH或或NADPH氧化并产生水氧化并产生水H2O。第三十五页，本课件共有60页单加氧酶催化的反应类型单加氧酶催化的反应类型v 羟化反应羟化反应v 烯烃的环氧化反应烯烃的环氧化反应v 硫原子的氧化反应硫原子的氧化反应v 拜尔拜尔-维利格反应维利格反应第三十六页，本
22、课件共有60页羟化反应羟化反应注：反应机理不是传统意义上的直接羟化，而是通过注：反应机理不是传统意义上的直接羟化，而是通过-氧化过程而完成的氧化过程而完成的（脱氢、水合）。（脱氢、水合）。第三十七页，本课件共有60页对羟化反应的认识对羟化反应的认识提高选择性的途径：提高选择性的途径：（1 1）改变培养条件，增加细胞代谢压力；）改变培养条件，增加细胞代谢压力；（2 2）广泛筛选不同的微生物菌种；）广泛筛选不同的微生物菌种；（3 3）底物修饰）底物修饰 目目前前对对反反应应过过程程中中底底物物的的氧氧化化位位点点还还不不能能预预测测，但是已经发现一些有效的方法可以提高选择性。但是已经发现一些有效的
23、方法可以提高选择性。第三十八页，本课件共有60页羟化反应实例介绍羟化反应实例介绍第三十九页，本课件共有60页烯烃的环氧化反应烯烃的环氧化反应特特点点：针针对对很很多多小小分分子子的的烯烯烃烃环环氧氧化化合合物物（通通过过传传统统环环氧化方法不能得到）效果显著！氧化方法不能得到）效果显著！第四十页，本课件共有60页硫原子的氧化硫原子的氧化第四十一页，本课件共有60页拜尔拜尔-维利格反应维利格反应 拜尔拜尔-维利格维利格(Baeyer-Villiger)BV反应反应是指利用过氧是指利用过氧羧酸氧化酮生成酯或内酯，这是一个具有很高应用价值的羧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合成反
24、应。有机合成反应。Possible mechanism about BV reaction第四十二页，本课件共有60页BV反应的应用实例反应的应用实例第四十三页，本课件共有60页第二节第二节 双氧酶催化的氧化反应双氧酶催化的氧化反应 双氧酶双氧酶(dioxygenases)，又称双加氧酶，能催化氧，又称双加氧酶，能催化氧分子中两个氧原子都加入到一个底物分子中。这类酶一分子中两个氧原子都加入到一个底物分子中。这类酶一般含有紧密结合的铁原子，如血红素铁。般含有紧密结合的铁原子，如血红素铁。烯烃的氢过氧化反应烯烃的氢过氧化反应芳烃双羟基化反应芳烃双羟基化反应第四十四页，本课件共有60页烯烃的氢过氧化
25、反应烯烃的氢过氧化反应辣根过氧化物醇催化消旋体轻过氧化物的拆分辣根过氧化物醇催化消旋体轻过氧化物的拆分第四十五页，本课件共有60页芳烃双羟基化反应芳烃双羟基化反应第四十六页，本课件共有60页顺式环状二连醇的应用顺式环状二连醇的应用第四十七页，本课件共有60页氧化酶和脱氢酶催化反应氧化酶和脱氢酶催化反应v氧氧化化酶酶催催化化电电子子转转移移到到分分子子氧氧中中，以以氧氧作作为为电电子子受受体体，最终生成水或过氧化氢最终生成水或过氧化氢。氧氧化化酶酶：黄黄素素蛋蛋白白氧氧化化酶酶（氨氨基基酸酸氧氧化化酶酶、葡葡萄萄糖糖氧氧化化酶酶）、金金属属黄黄素素蛋蛋白白氧氧化化酶酶（醛醛氧氧化化酶酶）和和血血
26、红红素素蛋蛋白白氧氧化化酶酶（过过氧化氢酶、过氧化物酶）等。氧化氢酶、过氧化物酶）等。v脱脱氢氢酶酶可可以以催催化化氧氧化化和和还还原原双双向向可可逆逆反反应应，一一般般可可以以催催化化还还原原反反应应为为主主，但但根根据据需需求求设设定定反反应应条条件件可可以以使使还还原原反反应应转化为氧化反应。转化为氧化反应。当当底底物物为为还还原原态态物物质质，辅辅酶酶是是氧氧化化态态时时，脱脱氢氢酶酶则则催催化化氧氧化化反反应应。而相反条件下脱氢酶则催化还原反应为主。而相反条件下脱氢酶则催化还原反应为主。第四十八页，本课件共有60页4.4 酶催化水解反应酶催化水解反应 水水解解酶酶(hydrolase
27、s,EC 3,x,x,x)是是最最常常用用的的生生物物催催化化剂剂，占占生生物物催催化化反反应应用用酶酶的的65%。它它们们能能水水解解酯酯、酰酰胺胺、蛋蛋白白质质、核核酸酸、多多糖糖、环氧化物和腈等化合物。环氧化物和腈等化合物。第四十九页，本课件共有60页目前水解反应的类型目前水解反应的类型第五十页，本课件共有60页酯水解酯水解 酯的结构类型：酯的结构类型：(I)型酯型酯:手性中心在手性中心在羧酸部分羧酸部分(II)型酯型酯手性中心在醇手性中心在醇部分部分第五十一页，本课件共有60页(I)型酯的水解型酯的水解：猪肝酯酶猪肝酯酶 猪猪肝肝酯酯酶酶(Pig Liver Esterase,PLE)
28、是是常常用用的的一一种种酯酯酶酶。这这种种梅梅组组成成比比较较复复杂杂，一一般般至至少少有有5种种同同功功能能组组成成，每每一一个个同同功功酶酶又又是是由由三三个个亚亚基基组组成成。由由于于它它们们具具有有相相似似的的立立体体选选择择性性，因因此此，这这一一粗粗酶酶混混合合物物仍仍被被视视为是一种单纯酶。为是一种单纯酶。第五十二页，本课件共有60页(II)型酯的水解型酯的水解第五十三页，本课件共有60页微生物酯酶微生物酯酶第五十四页，本课件共有60页具有酯酶活性的蛋白酶具有酯酶活性的蛋白酶v-胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶v枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶v霉素酰化蛋白酶霉素酰化蛋白酶v米曲通蛋白酶米曲
29、通蛋白酶v灰白链霉菌蛋白酶灰白链霉菌蛋白酶要求底物分子含一个亲水基团和一要求底物分子含一个亲水基团和一个憎水基团个憎水基团水解酯类化合物水解酯类化合物水解苯乙酸酯水解苯乙酸酯具有空间位阻酯类的水解拆分具有空间位阻酯类的水解拆分拆分消炎药酮咯酸拆分消炎药酮咯酸(ketorolac)乙酯乙酯第五十五页，本课件共有60页脂肪酶脂肪酶第五十六页，本课件共有60页环氧化合物的水解环氧化合物的水解第五十七页，本课件共有60页腈水解腈水解第五十八页，本课件共有60页酰胺水解酰胺水解 氨氨基基酸酸酰酰胺胺酶酶(amidase)又又称称氨氨基基肽肽酶酶，存存在在于于动动物物肾肾脏脏、胰胰腺腺和和微微生生物物中中，特特别别是是假假单单胞胞菌菌、曲曲霉霉和和红红球球菌菌中中含含量量丰丰富富。它它能能催催化化消消旋旋体体氨氨基基酸酸酰酰胺胺选选择择性性地地水水解解生生成成L 氨基酸。氨基酸。酰化酶酰化酶：胺基酰化酶：胺基酰化酶(acylase)乙内酰胺酶乙内酰胺酶：海因酶：海因酶内酰胺酶内酰胺酶 第五十九页，本课件共有60页感感谢谢大大家家观观看看第六十页，本课件共有60页