最新生物合成反应主题讲座课件

生生 物物 合合 成成 反反 应应 利用酶（利用酶（Enzymes）或有机体（细胞、细胞）或有机体（细胞、细胞器等）作为催化剂实现器等）作为催化剂实现 化学转化化学转化化学转化化学转化 的过程，的过程，生物催化反应（生物催化反应（生物催化反应（生物催化反应（BiocatalysisBiocatalysis）生物转化（生物转化（生物转化（生物转化（biotransformationsbiotransformations）6/27/20241生物合成反应生物合成反应的特点生物合成反应的特点生物合成反应的特点生物合成反应的特点 反应速度快，比非酶反应快反应速度快，比非酶反应快106-1012倍倍 用量少，用量少，10-3-10-4mol，化学催化剂，化学催化剂0.1-1%反应条件温和，反应条件温和，pH5-8，反应温度，反应温度20-40 溶剂常常采用水，环境友好溶剂常常采用水，环境友好 多酶体系同时催化，可减少反应步骤多酶体系同时催化，可减少反应步骤 连续酶反应体系，易工业化连续酶反应体系，易工业化 回收率高，成本低回收率高，成本低 对底物高度专一性：化学、区域、立体对底物高度专一性：化学、区域、立体 能催化绝大多数化学反应能催化绝大多数化学反应6/27/20242生物合成反应生物合成反应的选择性生物合成反应的选择性生物合成反应的选择性生物合成反应的选择性化学选择性化学选择性6/27/20243生物合成反应区域选择性区域选择性6/27/20244生物合成反应立体选择性立体选择性6/27/20245生物合成反应烷、芳、醇、醛、酮、硫醚、亚砜氧化和还原烷、芳、醇、醛、酮、硫醚、亚砜氧化和还原酯、酰胺、内酯、内酰胺、醚、酸酐、环氧、氰的水酯、酰胺、内酯、内酰胺、醚、酸酐、环氧、氰的水解和合成解和合成水、氨、氰化的加成和消除水、氨、氰化的加成和消除卤化、脱卤、烷基化、去烷基化、异构化、偶联、醛卤化、脱卤、烷基化、去烷基化、异构化、偶联、醛醇缩合、醇缩合、michael加成加成Claisen重排（重排（-重排），重排），Diels-Alder和和Cope重排除外重排除外非活泼位置的选择氧化非活泼位置的选择氧化-羟基化羟基化生物催化反应的类型生物催化反应的类型生物催化反应的类型生物催化反应的类型6/27/20246生物合成反应 还还 原原 反反 应应p脱氢酶脱氢酶 酵母醇脱氢酶（酵母醇脱氢酶（YADH）马肝醇脱氢酶（马肝醇脱氢酶（HLADH）布氏热厌氧菌醇脱氢酶（布氏热厌氧菌醇脱氢酶（TBADH）羟基甾体脱氢酶（羟基甾体脱氢酶（HSDH）p 酵母细胞酵母细胞6/27/20247生物合成反应脱脱 氢氢 酶酶6/27/20248生物合成反应 立体示意图立体示意图立体示意图立体示意图 Prelog Prelog规则规则规则规则6/27/20249生物合成反应常用脱氢酶底物优先结构特征常用脱氢酶底物优先结构特征酵母醇脱氢酶酵母醇脱氢酶马肝醇脱氢酶马肝醇脱氢酶布氏热厌氧菌醇脱氢酶布氏热厌氧菌醇脱氢酶羟基甾体脱氢酶羟基甾体脱氢酶6/27/202410生物合成反应酵母细胞（酵母细胞（酵母细胞（酵母细胞（YeastYeast）的还原反应）的还原反应）的还原反应）的还原反应pp 简单无环酮的还原与脱氢酶相似，遵循简单无环酮的还原与脱氢酶相似，遵循Prelog规则规则6/27/202411生物合成反应p无环无环-酮酯的还原酮酯的还原L-D-酮酯酮酯 添加不饱和化合物可抑制添加不饱和化合物可抑制L脱氢酶，使脱氢酶，使D产物增加产物增加 添加卤代醋酸酯可抑制添加卤代醋酸酯可抑制D脱氢酶，使脱氢酶，使L产物优势产物优势Prelog规则规则6/27/202412生物合成反应p 无环无环-单取代单取代-酮酯的还原酮酯的还原6/27/202413生物合成反应Prelog规则规则6/27/202414生物合成反应p 环状环状-二酮的还原二酮的还原Prelog可预测可预测小环（小环（5-6元）顺式（元）顺式（syn)优先生成，极高的选择性优先生成，极高的选择性6/27/202415生物合成反应p 环状环状-酮酯的还原酮酯的还原6/27/202416生物合成反应p 去消旋化反应去消旋化反应Dl-泛解酸内酯泛解酸内酯消旋消旋D-泛解酸内酯泛解酸内酯1006/27/202417生物合成反应p 酵母细胞催化还原酵母细胞催化还原，-不饱和酯不饱和酯（烯键还原）（烯键还原）由由NADH依赖的烯酸还原酶控制，反式加成依赖的烯酸还原酶控制，反式加成6/27/202418生物合成反应(-)-LY300164治疗神经退化性疾病治疗神经退化性疾病Yield：16 51%,绿色化学挑战奖绿色化学挑战奖p 还原反应在药物合成中应用还原反应在药物合成中应用6/27/202419生物合成反应SQ31765钙拮抗剂钙拮抗剂互变异构互变异构6/27/202420生物合成反应MK0507碳酸酶抑制剂碳酸酶抑制剂青光眼青光眼（R）-3-羟基丁酸甲酯羟基丁酸甲酯6/27/202421生物合成反应MK05076/27/202422生物合成反应左炔诺孕酮左炔诺孕酮6/27/202423生物合成反应 氧氧 化化 反反 应应6/27/202424生物合成反应单加氧酶催化的氧化反应单加氧酶催化的氧化反应（细胞色素细胞色素细胞色素细胞色素P450P450单加氧酶和黄单加氧酶和黄单加氧酶和黄单加氧酶和黄素类辅酶单加氧酶）素类辅酶单加氧酶）素类辅酶单加氧酶）素类辅酶单加氧酶）6/27/202425生物合成反应饱和碳原子的羟基化反应饱和碳原子的羟基化反应饱和碳原子的羟基化反应饱和碳原子的羟基化反应极高的区域以及立体选择性极高的区域以及立体选择性6/27/202426生物合成反应微生物催化异丁酸不对称羟化反应微生物催化异丁酸不对称羟化反应恶臭假单胞菌恶臭假单胞菌ATCC 21244 95%ee皱落假丝酵母皱落假丝酵母IFO 0570 99%ee皱落假丝酵母皱落假丝酵母IFO 1542 97%ee机机 制制6/27/202427生物合成反应6/27/202428生物合成反应30,pH 6.8,3天，天，转化率达于转化率达于80%对映体过量对映体过量 大于大于99%ee6/27/202429生物合成反应芳香化合物的羟化反应芳香化合物的羟化反应芳香化合物的羟化反应芳香化合物的羟化反应6/27/202430生物合成反应不饱和碳原子（烯键）环氧化不饱和碳原子（烯键）环氧化不饱和碳原子（烯键）环氧化不饱和碳原子（烯键）环氧化反应反应反应反应6/27/202431生物合成反应Sharpless 环氧化反应环氧化反应6/27/202432生物合成反应Baeyer Villiger 反应反应区域选择性：氧原子插入的区域选择性，基于区域选择性：氧原子插入的区域选择性，基于迁移碳原子迁移碳原子的稳定性的稳定性立体选择性：催化中心为立体选择性：催化中心为黄素辅基黄素辅基-似类于过酸，起亲核试剂的作用似类于过酸，起亲核试剂的作用6/27/202433生物合成反应单环酮的单环酮的单环酮的单环酮的Baeyer VilligerBaeyer Villiger反应反应反应反应用于拆分消旋体用于拆分消旋体6/27/202434生物合成反应双双环酮环酮 BV6/27/202435生物合成反应双氧酶催化的氧化反应双氧酶催化的氧化反应6/27/202436生物合成反应手性联二醇的应用手性联二醇的应用6/27/202437生物合成反应氧化酶和脱氢酶的催化反应氧化酶和脱氢酶的催化反应6/27/202438生物合成反应马肝醇脱氢酶氧化拆分醇马肝醇脱氢酶氧化拆分醇ee，大于，大于97%6/27/202439生物合成反应马肝醇脱氢酶氧化潜手性或内消旋体的不对称化马肝醇脱氢酶氧化潜手性或内消旋体的不对称化6/27/202440生物合成反应p 氧化反应在药物合成中应用氧化反应在药物合成中应用6/27/202441生物合成反应DiosgeninStigmasterol6/27/202442生物合成反应diosgenin6/27/202443生物合成反应卡托普利卡托普利Captopril6/27/202444生物合成反应6/27/202445生物合成反应GABA受体激动剂受体激动剂R-巴氯芬为活性成分巴氯芬为活性成分选择性激动选择性激动GABAB6/27/202446生物合成反应6/27/202447生物合成反应 水水 解解 反反 应应p水解酶水解酶 Hydrolase 酯酯 酰胺酰胺 蛋白质蛋白质 核酸核酸 多糖多糖 环氧化合物环氧化合物 腈腈p 酯酶酯酶esterasep 脂肪酶脂肪酶lipasep 蛋白酶蛋白酶proteinase6/27/202448生物合成反应6/27/202449生物合成反应 反反反反 应应应应 机机机机 制制制制6/27/202450生物合成反应MECHANISM OF THE BASE HYDROLYSIS OF ESTERS6/27/202451生物合成反应Ester Hydrolysis under Acidic Conditions6/27/202452生物合成反应酶酰基中间体酶酰基中间体6/27/202453生物合成反应 酯酯 的的 酶酶 解解6/27/202454生物合成反应酯酶酯酶反反应应条条件件温温和和6/27/202455生物合成反应区区域域选选择择性性6/27/202456生物合成反应对映选择性对映选择性RCH3，苯基 etc较小R环戊基 etc较大基团6/27/202457生物合成反应微生物酯酶（羧酸酯酶等）微生物酯酶（羧酸酯酶等）6/27/202458生物合成反应酯酶活性的蛋白酶（酯酶活性的蛋白酶（chymotrypsin，papain，PGA等）等）6/27/202459生物合成反应6/27/202460生物合成反应环环 氧氧 物物 的的 酶酶 解解 微粒体环氧物水解酶微粒体环氧物水解酶MEH 胞质环氧物水解酶胞质环氧物水解酶CEHp 肝微粒体环氧水解酶肝微粒体环氧水解酶p 微生物环氧水解酶微生物环氧水解酶6/27/202461生物合成反应肝微粒体环氧水解酶肝微粒体环氧水解酶6/27/202462生物合成反应 微粒体环氧物水解酶微粒体环氧物水解酶MEH R-环氧乙烷的碳原子易受到进攻，形成环氧乙烷的碳原子易受到进攻，形成R-二醇，留下二醇，留下S-环氧物环氧物 R对选择性影响很大，直链选择性差，支链提高选择性对选择性影响很大，直链选择性差，支链提高选择性 R 转化率转化率 二醇二醇 n-C4H9 16 14 (CH3)3CCH2 28 72 (CH3)C 38 926/27/202463生物合成反应 与环的大小有关与环的大小有关 n 二醇二醇 1 90 2 94 3 40 4 706/27/202464生物合成反应微生物环氧水解酶微生物环氧水解酶6/27/202465生物合成反应酰酰 胺胺 的的 酶酶 解解6/27/202466生物合成反应6/27/202467生物合成反应6/27/202468生物合成反应6/27/202469生物合成反应应应用用实实例例6/27/202470生物合成反应Taxol6/27/202471生物合成反应6/27/202472生物合成反应6/27/202473生物合成反应AspartameVolume:2000 tons/yearLow calorie sweetener200 times as sweet as sugarMany applications in fooddiet-soft drinksice creamyogurtchocolateL-aspartate-L-phenylalanine methyl ester（Aspartame）6/27/202474生物合成反应6/27/202475生物合成反应6/27/202476生物合成反应转移和裂合反应转移和裂合反应 还原酶和水解酶，还原酶和水解酶，占占90%转移酶、裂合酶、异构酶和连接酶转移酶、裂合酶、异构酶和连接酶 10%，能催化能催化C-C，C-N，C-O，C=C以及以及C=O键的生成键的生成转移反应转移反应6/27/202477生物合成反应氨基转移酶（氨基转移酶（Aminotransferases）6/27/202478生物合成反应6/27/202479生物合成反应糖基转移酶（糖基转移酶（Glycosyl transferases）6/27/202480生物合成反应6/27/202481生物合成反应糖苷酶（糖苷酶（Glycosidases）：）：水解酶水解酶6/27/202482生物合成反应6/27/202483生物合成反应利巴韦林利巴韦林磷酸化酶（磷酸化酶（Phosphorylases）6/27/202484生物合成反应裂合反应裂合反应裂合酶（裂合酶（Lyases）：醛缩酶、水合酶、脱羧酶）：醛缩酶、水合酶、脱羧酶能催化形成能催化形成CC，CN，CO，CC等键的裂解与形成等键的裂解与形成醛缩酶醛缩酶6/27/202485生物合成反应醛醇缩合反应类型醛醇缩合反应类型6/27/202486生物合成反应6/27/202487生物合成反应偶姻反应偶姻反应acyloin reactions6/27/202488生物合成反应加成和消去反应加成和消去反应氰醇反应氰醇反应6/27/202489生物合成反应水和氨的加成反应水和氨的加成反应6/27/202490生物合成反应6/27/202491生物合成反应Michael加成反应加成反应6/27/202492生物合成反应生物催化反应的特点生物催化反应的特点生物催化反应的特点生物催化反应的特点 反应速度快，比非酶反应快反应速度快，比非酶反应快106-1012倍倍 用量少，用量少，10-3-10-4mol，化学催化剂，化学催化剂0.1-1%反应条件温和，反应条件温和，pH5-8，反应温度，反应温度20-40 溶剂常常采用水溶剂常常采用水 多酶体系同时催化多酶体系同时催化 连续酶反应体系连续酶反应体系 对底物高度专一性对底物高度专一性 能催化绝大多数化学反应能催化绝大多数化学反应6/27/202493生物合成反应反应参数必需精确控制，最适宜的温度、反应参数必需精确控制，最适宜的温度、pH、离子强度。离子强度。有机物在水中溶解度差；非水介质中活性低有机物在水中溶解度差；非水介质中活性低底物或产物抑制底物或产物抑制过敏反应过敏反应生物催化反应的不足生物催化反应的不足生物催化反应的不足生物催化反应的不足6/27/202494生物合成反应生物催化剂生物催化剂形形 态态优优 点点缺缺 点点酶酶游离酶游离酶操作性高、产率高操作性高、产率高需要辅酶循环需要辅酶循环溶于水中溶于水中酶活性高酶活性高有副反应、亲酯底物有副反应、亲酯底物水溶性低水溶性低悬浮于有机溶剂悬浮于有机溶剂中中操作简单、亲酯底物操作简单、亲酯底物溶解，酶可回收溶解，酶可回收酶活性低酶活性低固定化固定化酶回收容易酶回收容易国定化过程酶活性损国定化过程酶活性损失失细胞细胞不需要辅酶循环不需要辅酶循环副产物多、产率低、副产物多、产率低、不耐有机溶剂不耐有机溶剂生长细胞生长细胞高活性高活性生物量大、副产物多、生物量大、副产物多、过程难控制过程难控制静态细胞静态细胞操作容易、副产物少操作容易、副产物少活性低活性低固定化细胞固定化细胞可反复使用可反复使用活性低活性低6/27/202495生物合成反应