环氧化物水解酶的作用机制及应用研究

环氧化物水解酶是生物催化环氧化物领域中的一个新发现，这种生物催化剂能够制备具有多种光学活性环氧化物及其相应的二醇，是多种精细化学品和生物活性物质合成中的有效工具，具有极其广阔的应用前景。本文综述了环氧化物水解酶的研究进展、结构、催化特性、开发应用等。     

环氧化物水解酶在手性催化中的研究进展

简要介绍环氧化物水解酶的研究进展。重点介绍环氧化物水解酶的结构特点和催化特性,即核心结构和帽子结构两个功能性结构及三位一体的催化活性构象。最后介绍环氧化物水解酶在生物催化等精细化学品领域中的应用,并展望其广阔的应用前景。     

环氧化物生物催化转化的研究进展

环氧化物是合成手性目标产物的高价值中问体。环氧化物生物催化转化包括环氧化物水解酶催化的动力学拆分和对映会聚的酶水解,前者可生成相应二醇和剩余的手性底物,后者可从外消旋混合物中得到高产率的单一对映体。而用选择性的阴离子亲核试剂,卤醇脱卤酶则催化环氧化物非水解型对映选择性开环。这些酶的催化机理包括天门冬氨酸羧酸酯作为亲核试剂的共价催化和酪氨酸作为广义酸碱试剂的非共价催化。本文介绍了环氧化物生物催化转化中的新进展。     

环氧化物水解酶交联细胞聚集体催化合成（R）-环氧氯丙烷

利用聚乙烯亚胺(PEI)絮凝、戊二醛(GA)交联对环氧化物水解酶全细胞进行了交联细胞聚集体(CLCAs)制备,考察了PEI浓度、GA浓度及硅藻土载体用量对CLCAs活力回收率的影响,结果表明PEI浓度、GA浓度及硅藻土载体用量最优值分别为3%(体积)和1%(体积)和6 g/L,此时CLCAs活力回收率可达88.4%。以CLCAs作为催化剂,以外消旋环氧氯丙烷((R,S)-ECH)为底物,在异辛烷/磷酸盐缓冲液两相体系中催化合成(R)-环氧氯丙烷((R)-ECH)。结果表明,在异辛烷与缓冲液的体积比3∶7,底物浓度800 mmol/L,CLCAs加入量18 g/L,缓冲液pH 8.0,温度35℃条件下,(R)-环氧氯丙烷的摩尔产率达到45.2%,产物光学纯度为99.1%ee。考察了CLCAs在两相体系中的操作稳定性,重复使用9个批次活力基本保持不变,显示了良好的操作稳定性。     

环氧化物水解酶在手性药物中间体合成中的应用

利用环氧化合物水解酶进行介导,可最大程度地增加生物转化过程中的转化效率和选择性,且其本身的反应较为温和。因此环氧化物水解酶广泛地应用在手性药物中间合成体当中。环氧化合物水解酶在手性药物合成中的应用有效地改善了一直困扰着制药业的一些难题,并且随着环氧化合物水解酶在手性中间体合成当中的广泛应用,也使得越老越多的人对此进行关注。主要对环氧化合物水解酶在手性药物中间合成体的应用进行较为详细的分析。     

环氧化物水解酶在手性药物中间体合成中的应用

环氧化物水解酶介导的生物转化过程具有高效率、高选择性、反应温和等优点,其在手性药物中间体的合成中的应用越来越受到人们的关注。介绍了环氧化物水解酶在手性环氧化物及邻位二醇等手性药物中间体制备中的应用。     

选择性腈水解酶在生物催化中的应用

腈水解酶作为生物催化剂水解腈类化合物,具有高效性、高选择性、反应条件温和、环境污染小、成本低等优点。本文综述了腈水解酶的化学、区域及立体选择性在生物合成中的广泛应用。     

可溶性环氧化物水解酶脲类抑制剂的研究进展

可溶性环氧化物水解酶(Soluble epoxide hydrolases,sEH)是一种能代谢环氧脂肪酸的酶,它在哺乳动物中广泛存在,能将内源性环氧二十碳三烯酸(Epoxyeicosatrienoic acids or EETs)转化为二羟基二十碳三烯酸(Dihydroxy epoxyeicosatrienoic acids or DHETs)。内源性EETs是由花生四烯酸(Arachidonic acid or AA)经细胞色素P450氧化而来,它是生物体内重要的信号分子,具有调节离子转运和基因表达、血管扩张、抗炎等作用。在动物体内,有很多种途径可以降解EETs,其中sEH将EETs代谢为DHETs是最主要的代谢途径,使EETs的浓度降低,生理活性下降,从而使体内的血压升高,并进一步影响肾脏,心脏等功能。研究表明,抑制sEH的活性可治疗多种心血管疾病及炎症。因此开发新型sEH的抑制剂在治疗相关疾病中具有很好的应用价值。主要概述了sEH的抑制剂的作用机理以及抑制剂研究的最新进展,并展望了抑制剂今后的研究方向。     

盖子环替换及定点突变提高菜豆环氧化物水解酶对邻甲基苯基缩水甘油醚的催化性能

菜豆环氧化物水解酶1和2（PvEH1、PvEH2）能够动力学拆分外消旋邻甲基苯基缩水甘油醚（rac-oMGE）,从而保留(R)-oMGE。基于对PvEH1和PvEH2结构的同源模拟和分析,发现二者分子中的盖子环差异较大,故本文选择盖子环作为研究目标。经融合聚合酶链式反应（FPCR）,获得了PvEH2的盖子环区域被PvEH1对应区域替换的杂合酶Pv2Pv1。用全细胞酶E. coli/pv2pv1催化rac-oMGE,当(S)-oMGE刚好水解完全时,产物(S)-3-邻甲苯基-1,2-丙二醇（(S)-oTPD）的ee_p由PvEH2的58.3%提高至75.5%。为进一步提高酶的性质,在Pv2Pv1中选取11个氨基酸位点进行丙氨酸(A)突变,获得最优突变子E. coli/pv2pv1^K176A,活性为E. coli/pv2pv1（4.2U/g）的2.1倍,且当S构型的底物刚好完全水解时,(S)-oTPD的ee_p进一步提高为80.3%。分子对接分析发现,盖子环替换和K176位点突变为A,均使(R)-oMGE环氧环中的C_α更易受到酶中D101位点的攻击。利用E. coli/pv2pv1^K176A催化150mmol/L rac-oMGE水解制备(R)-oMGE（ee_s＞99%）和(S)-oTPD（ee_p=80.4%）,二者的产率Y_S和Y_P分别为32.7%和60.1%,时空产率STY_S和STY_P为1.6g/(L·h)和3.3g/(L·h)。本实验为改善EH的催化性质提供了一种有效策略。     

不对称有机催化合成轴向手性化合物

轴向手性化合物因广泛存在于天然产物、药物和手性配体中而引起化学家的关注。由于这种结构基元的重要性,人们对轴向手性支架的催化对映选择性结构进行了深入的研究,并取得了很大的进展。然而,该领域的大多数方法都集中在金属催化的应用上,而涉及有机催化的方法则是近几年才开始出现的。介绍了近年来有机催化不对称合成轴向手性化合物的研究进展,包括动力学拆分、去对称化、环化/加成、直接芳基化等。     

定点突变提高菜豆环氧水解酶的对映选择性

为了提高菜豆环氧水解酶（PvEH1）催化对氯环氧苯乙烷（pCSO）的对映选择性,利用定点突变构建了PvEH1^W102L、PvEH1^P137K及PvEH1^I151V三种突变体,分别研究了突变体全细胞动力学拆分rac-pCSO的催化特性,优化了PvEH1^W102L动力学拆分rac-pCSO的初始底物浓度及反应时间,通过分子模拟分析了PvEH1^W102L对映选择性提高的机理。结果表明,最优突变体PvEH1^W102L的E值为25.5,相对酶活为212.6%,分别是PvEH1的11.6倍与2.1倍;PvEH1^W102L动力学拆分150 mmol·L^-1 rac-pCSO,反应4 h后,可获得（R）-pCSO（产率为45.62%,ee_s为96.30%）和（R）-对氯苯基乙二醇（产率为50.91%,ee_p为90.26%）。分子模拟结果分析表明,PvEH1的102位色氨酸（W）突变为亮氨酸（L）降低了酶与（R）-pCSO的结合能力,从而提高了PvEH1^W102L对pCSO的对映选择性。     

Manipulating the expression rate and enantioselectivity of an epoxide hydrolase by using directed evolution

We describe here a strategy to improve the expression efficiency and enantioselectivity of Aspergillus niger epoxide hydrolase (ANEH) by directed evolution. Based on a blue‐colony screening system using the LacZα (β‐galactosidase α peptide) complementation solubility reporter, several ANEH variants out of 15 000 transformants from a random‐mutagenesis library were identified that show improved recombinant expression in E. coli. Among them, Pro221Ser was subsequently used as a template for iterative saturation mutagenesis (ISM) at sites around the ANEH binding pocket. Following four rounds of ISM, a highly enantioselective mutant was identified that catalyzes the hydrolytic kinetic resolution of racemic glycidyl phenyl ether with a selectivity factor of E=160 in favor of the (S)‐diol compared to WT ANEH characterized by E=4.6. Expression of this mutant is 50 times higher than that of WT ANEH. It also serves as an excellent stereoselective catalyst in the hydrolytic kinetic resolution and desymmetrization of several other structurally diverse epoxides.     

Characterization of four diol dehydrogenases for enantioselective synthesis of chiral vicinal diols

Enantiopure vicinal diols are important building blocks used in the synthesis of fine chemicals and pharmaceutical compounds. Diol dehydrogenase(DDH) mediated stereoselective oxidation of racemic vicinal is an efficient way to prepare enantiopure vicinal diols. In this study, four new bacterial DDHs(AnDDH from Anoxybacillus sp. P3 H1 B, HcDDH from Hazenella coriacea, GzDDH from Geobacillus zalihae and LwDDH from Leptotrichia wadei) were mined from the GenBank database and expressed in E. coli T7...     

Directed modification of a novel epoxide hydrolase from Phaseolus vulgaris to improve its enantioconvergence towards styrene epoxides

To improve the enantioconvergence of an epoxide hydrolase from Phaseolus vulgaris (PvEH1) towards styrene epoxides, its directed modification was performed based on the rational design by using the molecule docking simulation and the multiple alignment. The single- and multi-site mutation genes of pveh1 were constructed as designed theoretically by PCR, and expressed in E. coli BL21(DE3), respectively. Among all PvEH1 mutants tested, a three-site mutant, PvEH1^{L105I/M160A/M175I}, was selected having the highest activity of 10.66 U/g wet cell and the best regioselectivity (α_S > 99%, β_R = 86.4%), by which rac-1a was transformed into (R)-1b with 87.8% enantiomeric excess (ee_p), much higher than that (33.6% ee_p) by PvEH1. Furthermore, it completely hydrolyzed rac-2a–5a into (R)-2b–5b with 52.3–70.9% ee_p.     

不对称邻二醇的合成及其在有机合成中的应用

综述了对称邻二醇的合成和选择性转换，以及它在立体控制催化剂和天然产物不对称合成等方面的应用。