酶在手性合成中的应用研究

胰凝乳蛋白酶活性中心
A B C
S
S
His57
S
S
Asp102
O C C H2 O
H2C H N N H O
Ser195 CH2
His57 Asp102 O C C H2 O H2C H N N H O
Ser195 CH2
9Leabharlann Baidu
张玉彬. 生物催化的手性合成，化学工业出版社，2002，p20
生物酶催化的优越性(与化学催化相比)
HO
15
A.J.Hacking,et al. US Patent,1993,5270460
酶催化的不足与解决方法
稳定性差 易失活 催化过程的操作范围通常较窄 通常仅在水溶液中表现出高活性 分离循环使用较难
生物培养 生物筛选 生物工程改造
化学修饰 固载化
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总结与展望
• 酶催化为制备具有工业价值的手性化合物 提供了另外一个空间、一些创新的手段以 及不计其数的机会。温和条件的酶催化减 少了化学催化中可能产生的分子消旋化、 差向异构化和重排等问题。 • 酶手性催化起步晚，不成熟。通过生物及 其化学方法的对酶进行改进，使酶具有更 高的稳定性和可操作性，生物酶催化将在 手性化合物的合成中发挥重要作用。
反应催化的类型
电子的转移 转移功能基团 水解反应 键的断裂通常形成双 键 A-+B --- A+BA-B+C --- A+B-C A-B+H2O --- A-H+B-OH AX-BY--- A=B + X-Y
EC5
EC6
分子内基团的转移
键形成与ATP水解偶 联
AX-BY --- AY- BX
A+B --- A-B
• 仅催化和加速热力学可进行的反应，不影 响热力学平衡常数 • • • • • 催化条件温和(T, pH, P) 催化效率高 (106 ～ 1012倍) 1894 高选择性(底物，区域，位点，立体 ) Fischer 低能耗 绿色过程
1967 Koshland
10
氧化还原酶
N. J. Turner.Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3177 11 N. J. Turner.Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4807
O
H N
O
N
N O O
(R): 镇静剂
(S): 致畸性
生物分子皆具有手性。手性药物，香料，食品添加剂等精细化学 品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外，手 性非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。 3
全世界手性药物需求逐年上升
2100 1800 1500 1200 900 600 300 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2002 2005 2008
seminarⅠ
酶在手性合成中的应用研究
学生：王培远 导师：杨启华 研究员
1
手性
对映体 A
镜平面
对映体 B
生物分子皆具有手性。手性药物，香料，食品添加剂等精细化学 品的合成是目前有机化学和催化化学的前沿研究方向。此外，手 性非线性功能材料和手性仿生材料的研究也受到人们重视。 2
手性
O
H N
O
O
O
(Unit: 100 million $)
2000
350 452 614 706 812 934 1180 4 Chem. & Eng. News, 2001, Vol. 79, No. 40, pp79 1330
1600
1718
获得手性化合物途径：
衍生
拆分
手性化合物
化学手性催化
生物酶催化
5
生物催化剂－酶
1. SO2Cl2 2. Ac2O/pyr
OH AcO
OAc O AcO O AcO Cl O AcO Cl
Cl
MeOH,NaOMe
HO
OH O HO O HO Cl O HO Cl
14
A.J.Hacking,et al.biotechnol.Bioeng.,1992,39:203
食品添加剂合成中应用
S.J. Benkovic,et al. Science. 2003,301:1196 17 P.Ball. Nature,2001,409:225
参考文献
1. Chem. & Eng. News, 2001, Vol. 79, No. 40, pp79 2. 张玉彬. 生物催化的手性合成，化学工业出版社，2002，p20 3. N. J. Turner.Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3177 4. N. J. Turner.Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 4807 5. E. N. Jacobsen,et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 1520 6. B.A.Anderson, et al.J.Am.Chem.Soc.,1995,117:12358 7. A.J.Hacking,et al.biotechnol.Bioeng.,1992,39:203 8. A.J.Hacking,et al.USPatent,1993,5270460 9. S.J. Benkovic,et al. Science. 2003,301:1196 10. P.Ball. Nature,2001,409:225 11C.Walsh.Nature,2001,409:226 12. F.H.Arnord. Nature,2001,409:253 13. K.M.Koeller. Nature,2001,409:232 14. A.M.Klibanov. Nature,2001,409:241 15. C.Khosla, P.Harbury. Nature,2001,409:247 16. A.Schmid, et al.Nature, 2001,409:258
16％
t-BuOLi,THF
O
O2N
LY300164
H2N
13
B.A.Anderson et al.J.Am.Chem.Soc.,1995,117:12358
食品添加剂合成中应用
OH HO HO O HO HO
巨大芽孢杆菌
HO HO
OAc O HO
β －果糖基转移酶
HO
Cl OAc HO HO O HO O HO OH O HO
OH HO HO HO O OH Cl OAc O AcO AcO O OAc Cl O AcO Cl O OH O HO OH OAc
脂肪酶P
HO HO HO
O
OH O AcO O OH OH
1.SO2Cl2 2.Ac2O/pyr
MeOH,NaOMe
Cl
OH O Cl O HO O HO OH Cl
• 酶是由生物细胞产生的，具有催化化学反应 功能的生物催化剂。
6
酶分类（International enzyme commission,EC）
编号
EC1 EC2 EC3 EC4
名称
氧化还原酶 (Oxidoreductase) 转移酶 (Transferase) 水解酶 (Hydrolase) 裂合酶 (Lyase) 异构酶 （Isomerase） 连接酶或合成酶 （Ligase）
连接酶（合成酶）
12
E. N. Jacobsen,et al. Angew.Chem.Int.Ed. 2006, 45, 1520
手性药物合成中的应用
O O O CH3 ATCC14462 XAD-7 O O S CH 3 OH
还原反应
1999美国总统绿 色化学挑战奖
p-O2NPhCHO HCl,Toluen
7
酶活性中心
• 酶活性中心是指酶蛋白分子中与催化有关的一个特定区域， 位于酶分子表面的一个裂隙内，由几个氨基酸组成，占酶 分子体的2％。它能与底物结合并发挥催化作用。包括底 物结合部位和催化部位。
一些酶活性中心的必需基团
酶 胰蛋白酶 α－胰凝乳蛋白酶 嗜热菌蛋白酶 羧肽酶A 核糖核酸酶 溶菌酶 乳酸脱氢酶 活性中心的必需基团 His42,Asp87,Ser180 His57,Asp102,Ser195 His142,Glu166,His146 Arg145,Tyr248,Glu270,Zn His12,Lys41,His119 Glu35,Asp52 Asp30,Asp53,Lys58,Tyr85,Arg101,Glu140,Arg171,His195,Lys250 8 张玉彬. 生物催化的手性合成，化学工业出版社，2002，p20
O O O
CH3
NaOH,Air DMSO/DMF
O O
CH3 O OH
51%
NO2 H2NNHAc ETOH,HCl O O CH3 OH N NH CH3 O2 N O O CH3 Pd/C,H2,EtOH O N O N O2N CH3 O O CH3SO2Cl Et3N,CH2Cl2 O O NO2 CH3 OMs N NH CH3 O
18
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醇脱氢酶三级结构
20
氨基酸
Ala Leu Met Trp Ser Cys Asn Asp Lys Arg 丙氨酸 亮氨酸 甲硫氨酸 色氨酸 丝氨酸 半胱氨酸 天冬酰胺 天冬氨酸 赖氨酸 精氨酸 Val Ile Phe Gly Thr Tyr Gln Glu His Pro 缬氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 甘氨酸 苏氨酸 酪氨酸 谷氨酰胺 谷氨酸 组氨酸 脯氨酸
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