生物催化与生物转化II幻灯片.ppt

第四节 腈 水 解 含有腈基的有机化合物是一种重要的合成原料。天然腈存在于植物、真菌、细菌、藻类、海绵、昆虫、甚至哺乳动物中。 许多植物会产生氰基葡萄糖苷，微生物和植物还会产生脂肪族腈或芳香腈，如氰脂、蓖麻碱和苯乙腈，这些有机氰化合物不仅能作为氮的储备源，而且还能作为保护剂，阻止其他生物的侵害。 生物界中有一种防御机制存在时，就会有相应的破坏机制，生物体内有多个腈化物降解途径如氧化、水解等。 1．腈水合酶 腈水合酶和腈水解酶的作用机理不同，最近的研究发现底物的立体因素和电学性质对酶催化的腈水解反应有很大的影响。 2. 腈水解酶 腈水解酶催化反应的机理类似于碱催化的腈水解反应过程，这类酶既不需要金属离子，也不需要辅酶，但是分子中必须有亲核巯基。巯基首先亲核进攻腈中的碳原子形成酶-亚胺中间体，再水合产生四面体中间体，该中间体除去氨转变为酰基-酶中间体，后者水解产生羧酸，并使酶恢复原形，见图8-65。 酶催化的腈水解反应在生物催化手性合成中具有一定的应用价值。氰化物是一种重要的C，合成源，是一种水稳定的“负碳离子”。 腈的酶法水解可达到化学选择性、区域选择性和对映选择性要求。由于分离纯化的腈水解酶不稳定，绝大多数的生物转化反应是利用完整细胞作催化剂。腈水解酶还可用于工业废水中氰化物的水解脱毒，以保护生态环境。 二、腈的化学选择性水解 现已发现能提供腈化物水解酶的微生物有芽孢杆菌属、短杆菌属、小球菌属等。它们的代谢具有多样性，细胞内产生腈水解酶或腈水合酶取决于培养基中碳源和氮源，以及在培养基中酶表达诱导剂的性质。当需要将腈转化为酰胺时，可在培养基中添加脂肪族腈作为诱导剂以诱导腈水合酶的表达；当需要羧酸时，可在培养基中添加芳香族腈以诱导腈水解酶的表达。 1．腈水合酶 丙烯酰胺是聚丙烯酰胺类高分子材料合成的重要单体，全世界年产量约为20万吨。 传统化学法是利用铜催化剂催化丙烯腈水合生成丙烯酰胺，反应中会产生大量的聚合物副产物，需要分离纯化。 现在可利用生物催化法大量合成丙烯酰胺，简化了生产工艺、降低了成本，这是一种环境友好的生产工艺。 采用完整短杆菌细胞、绿叶假单胞菌或玫瑰色红球菌可将丙烯腈转化为丙烯酰胺，其产率大于99％。反应中产生的副产物丙烯酸可以通过添加酰胺酶抑制剂 2．腈水解酶 改变培养条件可使微生物产生腈水解酶，它能使氰基直接转化为相应的羧酸。 三、腈的区域选择性水解 化学法水解多氰基化合物没有选择性，而微生物酶法水解多氰基化合物具有区域选择性。 α-氰醇和α-氨基腈水解可用于制备α-羟基酸和α-氨基酸。 第五节 酰胺水解 多肽和蛋白质是由氨基酸通过酰胺键(肽键)相互连接形成的生物大分子 L-氨基酸被广泛用于医药、食品和手性合成中。近年来一些非天然D-氨基酸被用作手性化合物合成的前体，D-苯甘氨酸、D-对羟基苯甘氨酸是β-内酰胺类抗生素的常用侧链。 氨基酸一般由发酵法、化学合成法和酶法制备，其中酶法合成对映体纯氨基酸主要有以下三种方法：水解酶催化消旋体拆分、裂合酶催化不对称氨加成和脱氢酶催化不对称还原胺化反应，见图8-72。 一、酰胺酶 氨基酸酰胺酶(amidase)又称氨基肽酶，存在于动物肾脏、胰腺和微生物中，特别是假单胞菌、曲霉和红球菌中含量丰富。 它能催化消旋体氨基酸酰胺选择性水解生成L—氨基酸。 L-氨基酸与未反应的D-氨基酸酰胺在不同溶剂、不同pH值条件下，两者具有不同的溶解度，利用这种性质差异可将它们相互分离。 二、酰化酶 四、具有酯酶活性的蛋白酶 1．α-胰凝乳蛋白酶 α-胰凝乳蛋白酶、木瓜蛋白酶可催化许多非天然酯立体选择性水解。 对于I型酯类底物，α-胰凝乳蛋白酶要求底物分子中手性中心相连的基团必须有一个为亲水性、另一个为疏水性。 α-胰凝乳蛋白酶、木瓜蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶同样可用于区域选择性催化水解反应。α-胰凝乳蛋白酶可选择性水解脱氢谷氨酸二甲酯(42)的1-位酯基，而木瓜蛋白酶则选择性水解5-位酯基，见图8-23。 2．枯草杆菌蛋白酶 枯草杆菌蛋白酶可立体选择性水解酯类化合物。枯草杆菌蛋白酶选择性催化天冬氨酸或谷氨酸二苄基酯(43)的1-位酯基水解。枯草杆菌蛋白酶还能高选择性地催化丙烷-1，2，3-三羧酸乙酯(44)中的2—位酯基水解，见图8-24  3．青霉素酰化酶 青霉素酰化酶可高选择性地水解苯乙酸酯，因此可用于除去苯乙酸的保护基。苯乙酸与伯醇或仲醇均可形成酯，青霉素酰化酶优先水解酯分子中醇基部分与天然青霉素G母核空间结构相似的底物. 五、脂肪酶 脂肪酶能催化甘油三酯水解为脂肪酸和甘油，它们在食品和油脂加工以及手性中间体制备中有着广泛的应用。在 生物催化反应中，有30％以上的研究涉及到脂肪酶，