细胞色素P450酶催化的烷烃选择性羟化
发布时间：2021-06-19 16:49
碳氢键选择氧化是合成化学领域的重要课题,其中烷烃选择性羟化反应更是面临着化学选择性、区域选择性和立体选择性等多重挑战.细胞色素P450酶广泛分布于动植物和微生物体内,是公认的多功能生物氧化催化剂. P450酶对惰性C—H键的选择性氧化具有独特优势,在催化烷烃选择性羟化反应方面拥有巨大潜力.本综述简述了P450单加氧酶及其催化烷烃选择性羟化的反应机理,梳理了来自CYP153家族、CYP52家族和其他家族的天然P450酶催化各类烷烃底物的氧化反应和选择性,讨论了理性设计和定向进化策略在开发烷烃羟化P450突变酶过程中的经典案例,介绍了底物工程、诱饵分子、双功能小分子协同催化等几种化学活化P450酶的策略及其在烷烃羟化上的应用,探讨了P450酶在烷烃选择性羟化方面所面临的挑战和解决途径,并展望了其应用前景.
【文章来源】：化学学报. 2020,78(06)北大核心SCICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
0 细胞色素P450BM3单加氧酶与诱饵分子(PFC9-L-Trp)的共结晶结构(左,PDB code:3WSP),活性中心与PFC9-L-Trp以及DMSO结合部分结构放大图(右)[79].
如图1所示,P450酶的催化循环过程中也存在着可能的副反应途径,导致未形成烷烃羟化产物的无效NAD(P)H消耗,被称为非耦合反应(uncoupling reaction).比如三价铁超氧自由基如果没有及时接收到第二个电子,就无法阻止超氧阴离子自由基的离开,令血红素活性中心回到初始的五配位三价铁状态(superoxide uncoupling);而如果Compound 0的质子化发生在与铁相连的氧原子上,则会导致过氧化氢(H2O2)生成,同样使NADPH提供的电子未能有效耦合Compound I的形成(peroxide uncoupling);即便高价铁氧物种Compound I顺利生成,也可能由于烷烃处在不利于氢原子被“拔取”的位置导致Compound I的“氧”被还原为水分子(oxidase uncoupling)[25].在需要耦合NAD(P)H来实现其催化功能的P450酶的氧化反应中,一般将氧化产物生成量与NAD(P)H消耗量的百分比定义为NAD(P)H的耦合效率(coupling efficiency of NADPH)[26,27].鉴于其价格较高,NAD(P)H的耦合效率高意味着反应的经济性.相反则不但造成NAD(P)H的无谓消耗,而且可能在非耦合途径中产生超氧自由基和H2O2等活泼氧物种,对反应体系也是潜在危害.因而NAD(P)H耦合效率是一个用来评估P450酶、尤其是P450工程酶的重要参数.另外当H2O2在体系中达到一定浓度时,从氧化还原反应机理上来说,它也可以直接将三价铁氧化成Compound I.由于H2O2的氧是-1价还原态,所以其在起到替代氧气作为末端氧化剂的同时,也不再需要NAD(P)H提供电子(图1).这被称为P450催化循环中的过氧化物旁路(peroxide shunt pathway)[25].对于高度依赖辅酶NAD(P)H和还原伴侣电子传递链来实现其催化功能的P450酶来说,这条途径无疑大大简化了它的催化循环,从有机合成应用的角度来说具有一定潜力.但实际上,绝大多数NAD(P)H依赖型P450酶在H2O2存在下的活性极低甚至没有活性.直到最近我们开发了H2O2依赖型P450过加氧酶催化小分子烷烃羟化反应体系之前[28],还没有以H2O2作为末端氧化剂的P450天然酶或者工程酶能够催化烷烃羟化反应的报道.
已报道的以烷烃作为天然底物的细胞色素P450单加氧酶,主要来自于CYP153家族和CYP52家族以及其他P450家族中的部分酶.这些P450酶的底物范围很广,几乎涵盖除气态烷烃以外的各种正烷烃、一些支链烷烃、部分环烷烃和多元环烃等(图2).CYP153家族的P450酶大多来源于革兰氏阳性烷烃降解细菌,以正烷烃(C5～C16)为底物,主要生成末端(ω-位)和亚末端(ω-1位)羟化产物,且都具有高度区域选择性,但在大肠杆菌中重组表达的CYP153同工酶的催化转化率不高(表1,图3).比如CYP153AP.Sp.催化C5～C8正烷烃选择性羟化生成伯醇[29a],反应几乎是区域专一性的(100%),即便较低的正辛烷的选择性也有90%;正壬烷(C9:59%)和正癸烷(C10:100%)羟化生成2-醇的区域选择性也很高.但催化反应的总转化数(TTN)仅为20～110.CYP153A16有着相似的底物偏好性,对C5～C8的正烷烃也主要生成伯醇.有趣的是这个酶催化正壬烷和正癸烷都得到双末端羟化产物二醇,显示其同样可以接受极性的烷基醇作为底物,反应最好的TTN也仅为80.CYP153A6氧化C6～C11正烷烃得到区域专一性的伯醇[29b].CYP153A6也能接受支链烷烃如2-甲基辛烷、以及一些较复杂结构的烃类作为底物,比如柠檬烯和对伞花烃,同样得到高度区域选择性羟化产物,表明其具有更好的底物多样性.CYP153A13催化辛烷氧化生成1-辛醇的TTN也仅有233[29c].
【参考文献】：
期刊论文
[1]光/铜共催化远程C—H键的不对称氰基化反应[J]. 成忠明,陈品红,刘国生. 化学学报. 2019(09)
[2]Rif-orf13编码的细胞色素P450催化利福霉素生物合成过程中C34a位的羟化反应（英文）[J]. 周强,罗光彩,张惠展,唐功利. 有机化学. 2019(04)
[3]细胞色素P450酶在生物合成及有机合成中的催化功能及其应用[J]. 蒋媛媛,李盛英. 有机化学. 2018(09)
[4]过氧化氢驱动的细胞色素P450酶研究进展[J]. 王曦翎,陈杰,陈置丰,周海峰,丛志奇. 生物资源. 2017(02)
本文编号：3238183
【文章来源】：化学学报. 2020,78(06)北大核心SCICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
0 细胞色素P450BM3单加氧酶与诱饵分子(PFC9-L-Trp)的共结晶结构(左,PDB code:3WSP),活性中心与PFC9-L-Trp以及DMSO结合部分结构放大图(右)[79].
如图1所示,P450酶的催化循环过程中也存在着可能的副反应途径,导致未形成烷烃羟化产物的无效NAD(P)H消耗,被称为非耦合反应(uncoupling reaction).比如三价铁超氧自由基如果没有及时接收到第二个电子,就无法阻止超氧阴离子自由基的离开,令血红素活性中心回到初始的五配位三价铁状态(superoxide uncoupling);而如果Compound 0的质子化发生在与铁相连的氧原子上,则会导致过氧化氢(H2O2)生成,同样使NADPH提供的电子未能有效耦合Compound I的形成(peroxide uncoupling);即便高价铁氧物种Compound I顺利生成,也可能由于烷烃处在不利于氢原子被“拔取”的位置导致Compound I的“氧”被还原为水分子(oxidase uncoupling)[25].在需要耦合NAD(P)H来实现其催化功能的P450酶的氧化反应中,一般将氧化产物生成量与NAD(P)H消耗量的百分比定义为NAD(P)H的耦合效率(coupling efficiency of NADPH)[26,27].鉴于其价格较高,NAD(P)H的耦合效率高意味着反应的经济性.相反则不但造成NAD(P)H的无谓消耗,而且可能在非耦合途径中产生超氧自由基和H2O2等活泼氧物种,对反应体系也是潜在危害.因而NAD(P)H耦合效率是一个用来评估P450酶、尤其是P450工程酶的重要参数.另外当H2O2在体系中达到一定浓度时,从氧化还原反应机理上来说,它也可以直接将三价铁氧化成Compound I.由于H2O2的氧是-1价还原态,所以其在起到替代氧气作为末端氧化剂的同时,也不再需要NAD(P)H提供电子(图1).这被称为P450催化循环中的过氧化物旁路(peroxide shunt pathway)[25].对于高度依赖辅酶NAD(P)H和还原伴侣电子传递链来实现其催化功能的P450酶来说,这条途径无疑大大简化了它的催化循环,从有机合成应用的角度来说具有一定潜力.但实际上,绝大多数NAD(P)H依赖型P450酶在H2O2存在下的活性极低甚至没有活性.直到最近我们开发了H2O2依赖型P450过加氧酶催化小分子烷烃羟化反应体系之前[28],还没有以H2O2作为末端氧化剂的P450天然酶或者工程酶能够催化烷烃羟化反应的报道.
已报道的以烷烃作为天然底物的细胞色素P450单加氧酶,主要来自于CYP153家族和CYP52家族以及其他P450家族中的部分酶.这些P450酶的底物范围很广,几乎涵盖除气态烷烃以外的各种正烷烃、一些支链烷烃、部分环烷烃和多元环烃等(图2).CYP153家族的P450酶大多来源于革兰氏阳性烷烃降解细菌,以正烷烃(C5～C16)为底物,主要生成末端(ω-位)和亚末端(ω-1位)羟化产物,且都具有高度区域选择性,但在大肠杆菌中重组表达的CYP153同工酶的催化转化率不高(表1,图3).比如CYP153AP.Sp.催化C5～C8正烷烃选择性羟化生成伯醇[29a],反应几乎是区域专一性的(100%),即便较低的正辛烷的选择性也有90%;正壬烷(C9:59%)和正癸烷(C10:100%)羟化生成2-醇的区域选择性也很高.但催化反应的总转化数(TTN)仅为20～110.CYP153A16有着相似的底物偏好性,对C5～C8的正烷烃也主要生成伯醇.有趣的是这个酶催化正壬烷和正癸烷都得到双末端羟化产物二醇,显示其同样可以接受极性的烷基醇作为底物,反应最好的TTN也仅为80.CYP153A6氧化C6～C11正烷烃得到区域专一性的伯醇[29b].CYP153A6也能接受支链烷烃如2-甲基辛烷、以及一些较复杂结构的烃类作为底物,比如柠檬烯和对伞花烃,同样得到高度区域选择性羟化产物,表明其具有更好的底物多样性.CYP153A13催化辛烷氧化生成1-辛醇的TTN也仅有233[29c].
【参考文献】：
期刊论文
[1]光/铜共催化远程C—H键的不对称氰基化反应[J]. 成忠明,陈品红,刘国生. 化学学报. 2019(09)
[2]Rif-orf13编码的细胞色素P450催化利福霉素生物合成过程中C34a位的羟化反应（英文）[J]. 周强,罗光彩,张惠展,唐功利. 有机化学. 2019(04)
[3]细胞色素P450酶在生物合成及有机合成中的催化功能及其应用[J]. 蒋媛媛,李盛英. 有机化学. 2018(09)
[4]过氧化氢驱动的细胞色素P450酶研究进展[J]. 王曦翎,陈杰,陈置丰,周海峰,丛志奇. 生物资源. 2017(02)
本文编号：3238183
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3238183.html
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