基于辅因子的光驱动酶催化复合体系
发布时间：2021-04-05 19:17
氧化还原酶因其优越的区域、立体和对映体选择性,并具有反应条件温和、低能耗等优点,在医药、食品添加剂和燃料等合成中有重大应用.然而氧化还原酶催化反应需要依赖昂贵的辅因子来提供或接受电子.最近的研究表明可以利用有机（或无机）光敏剂诱导电子转移实现光驱动下的辅因子再生,并通过将光催化和生物催化相结合的方法构成一个基于辅因子的光驱动酶催化体系,实现清洁、高效的化学品合成.本文综述了近年来基于不同辅因子的光驱动酶催化复合体系的研究进展,并概述了光直接激发辅因子驱动酶催化的反应体系,在此基础上对未来的发展进行展望.
【文章来源】：科学通报. 2020,65(36)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
(网络版彩色)基于烟酰胺基辅因子再生的光驱动酶催化复合体系图.(a)噻吩环掺杂的双层空心g-C3N4小球(ATCN-DSCN)耦合甲酸脱氢酶(FDH)的人工生物光合成系统示意图[24].(b) Ta S2-PEG-GR-M作为光催化剂的示意图,太阳能驱动生物催化人工光合作用系统将二氧化碳转化为甲酸[25].(c)组装了电子介体的光敏锆基金属有机框架(Rh-NU-1006)用于封装甲酸脱氢酶的示意图[28].(d)硫化镉量子点修饰的鱼精蛋白-二氧化钛微胶囊与酶耦合用于光能-化学能转化的示意图[31]
Beisson课题组[43]发现了一种可以被光催化的可变小球藻NC64A光酶,可以催化游离脂肪酸脱羧生成正构烷烃或烯烃.NC64A蛋白质的晶体结构表明在疏水通道中有一个脂肪酸结合位点,该疏水通道通向捕获光能的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)辅因子.因此,NC64A受蓝光激发后,FAD变成激发态FAD*后通过疏水通道从脂肪酸中提取电子,生成烷基自由基的脂肪酸自由基脱羧基和FAD·–,FAD·–将电子转移至生成的烷基自由基.由于烷基阴离子极强的质子亲和力,质子供体XH将氢原子转移至初级烷基自由基,随后从FAD·–转移至X·,X–重新调节,释放烷烃结合新基质.最终通过光激发FAD从脂肪酸中提取电子引发脱羧反应,实现NC64A在蓝光驱动下的催化游离脂肪酸脱羧为正构烷烃或烯烃,量子产率>80%.该研究将可变小球藻NC64A光酶称之为脂肪酸光脱羧酶,在光驱动的生物基碳氢化合物生产中有一定作用.Hollmann课题组[44]利用可变小球藻NC64A(Cv FAP)合成新型光脱羧酶Cv FAPC,将脂肪酸和甘油三酯不可逆的转化为对应的烷烃.接下来,他们将脂肪酶催化三油酸甘油酯为油酸和甘油的水解反应和Cv FAPC催化的光脱羧反应偶联,构成双酶级联反应,成功地将三聚烯转化为(Z)-庚烷-8-烯.可以在此研究的基础上进一步优化反应装置和生物催化剂,开发一种实用的方法,将非食用甘油三酯和酸转化为高价值的生物燃料.Park课题组[45]报道了利用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸作为光催化剂,并将光激发电子直接传递给辅因子的方法.这种方法将氧化还原生物催化与光催化结合起来,使非光催化酶能够进行光催化氧化还原反应.该研究揭示了NAD+的两个π-共轭体系(即烟酰胺和腺嘌呤)的光吸收和电子性质.此外,NAD+在UV-Vis-NIR辐射下表现出较强的光稳定性.在π共轭体系中,电子从杂化的原子pz轨道的重叠处以圆形π键离域.当NAD+光敏化时,这些电子可以被激发到能量更高的水平,获得足够的还原能力来还原相邻的分子或离子.最后,光激活的NAD+将电子转移到黄素部分,直接激活老黄酶家族的烯还原酶(Ts OYE,Thermus scotoductus SA-01)催化活性C=C键的立体选择性氢化,生成3-甲基环己酮,如图2(b).用NAD+直接光活化OYE,获得了由OYE驱动的光生物催化转化中最高的太阳能-化学能转化率,为1263.4 h-1.
Hyster课题组[46]发现光激发黄素依赖的烯类酶(EREDs)可以改变催化功能,促进不对称自由基环化.他们以EREDs为基础,研究出了活性较高的突变体Glu ER-T36A,可用于α-氯酰胺的环化反应并生成β-立体异构的内酰胺.在酶活性位点内,底物与FMNhq之间形成电子供体-受体配合物.光照后,底物最初被一个电子还原,α-酰基与烯烃反应以提供环外自由基,该环外自由基通过从中性黄素半醌(FMNsq)获得氢原子而淬灭,从而生成了β-立体异构的内酰胺和氧化的黄素.黄素氢醌的光激发态(FMNhq*)应该能够完成使电子转移到α-氯酰胺的初始电子转移.接着他们又利用EREDs的突变体实现催化不对称氧化还原中性自由基环化反应[47],催化α-卤代酰胺生成高对映体羟吲哚.其中三-(羟甲基)甲基甘氨酸冲液负责将FMN还原为FMN-sq,FMN-sq还原底物生成α-酰基和FMN.自由基的环化产生还原的乙烯基酰胺基,该自由基可被FMN氧化形成产物并再生FMN-sq.机制研究表明反应通过黄素半醌/醌类氧化还原偶联进行,其中基态黄素半醌为底物还原提供电子,且黄素醌类氧化了环化后形成的插烯α-氨基自由基,如图3(a)所示.对该酶家族来说,突出了EREDs在不对称合成中的多功能性,为立体选择性地生成Csp2-Csp3键提供一种新的生物催化策略.Hyster课题组[4 8]利用光照射烟酰胺依赖型酶(KREDs),赋予了该酶催化非天然底物的反应性能.在可见光照射下,烟酰胺依赖酶酮还原酶可以从羰基还原酶转化为自由基引发剂和手性氢原子源,实现内酯的高对映选择性自由基脱卤化.在KRED的活性位点内,由卤代内酯和NAD(P)H组成的电荷转移络合物的辐照影响电子转移,形成1·-·NADPH·+?KRED(II,其中?表示包含在活性位点中).II在C–Br键的介孔裂解时形成1··NADPH·+?KRED(III).起始物质的两个对映体在活性位点内结合,并且在脱卤化和前手性自由基1·形成时,在活性位点内发生构象变化以完成氢原子转移,形成2·NADP+?KRED(IV).最后,NADP+可以被异丙醇或葡萄糖脱氢酶还原以完成催化循环,如图3(b).一种自由基物种在这种反应中充当中间产物,NADH和NADPH同时充当光敏剂和氢原子的来源.该方法强调了利用常见生物共因子的激发态使酶具有新反应性的潜力.这一策略将使许多自由基介导的反应具有高度选择性.
本文编号：3119951
【文章来源】：科学通报. 2020,65(36)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
(网络版彩色)基于烟酰胺基辅因子再生的光驱动酶催化复合体系图.(a)噻吩环掺杂的双层空心g-C3N4小球(ATCN-DSCN)耦合甲酸脱氢酶(FDH)的人工生物光合成系统示意图[24].(b) Ta S2-PEG-GR-M作为光催化剂的示意图,太阳能驱动生物催化人工光合作用系统将二氧化碳转化为甲酸[25].(c)组装了电子介体的光敏锆基金属有机框架(Rh-NU-1006)用于封装甲酸脱氢酶的示意图[28].(d)硫化镉量子点修饰的鱼精蛋白-二氧化钛微胶囊与酶耦合用于光能-化学能转化的示意图[31]
Beisson课题组[43]发现了一种可以被光催化的可变小球藻NC64A光酶,可以催化游离脂肪酸脱羧生成正构烷烃或烯烃.NC64A蛋白质的晶体结构表明在疏水通道中有一个脂肪酸结合位点,该疏水通道通向捕获光能的黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)辅因子.因此,NC64A受蓝光激发后,FAD变成激发态FAD*后通过疏水通道从脂肪酸中提取电子,生成烷基自由基的脂肪酸自由基脱羧基和FAD·–,FAD·–将电子转移至生成的烷基自由基.由于烷基阴离子极强的质子亲和力,质子供体XH将氢原子转移至初级烷基自由基,随后从FAD·–转移至X·,X–重新调节,释放烷烃结合新基质.最终通过光激发FAD从脂肪酸中提取电子引发脱羧反应,实现NC64A在蓝光驱动下的催化游离脂肪酸脱羧为正构烷烃或烯烃,量子产率>80%.该研究将可变小球藻NC64A光酶称之为脂肪酸光脱羧酶,在光驱动的生物基碳氢化合物生产中有一定作用.Hollmann课题组[44]利用可变小球藻NC64A(Cv FAP)合成新型光脱羧酶Cv FAPC,将脂肪酸和甘油三酯不可逆的转化为对应的烷烃.接下来,他们将脂肪酶催化三油酸甘油酯为油酸和甘油的水解反应和Cv FAPC催化的光脱羧反应偶联,构成双酶级联反应,成功地将三聚烯转化为(Z)-庚烷-8-烯.可以在此研究的基础上进一步优化反应装置和生物催化剂,开发一种实用的方法,将非食用甘油三酯和酸转化为高价值的生物燃料.Park课题组[45]报道了利用烟酰胺腺嘌呤二核苷酸作为光催化剂,并将光激发电子直接传递给辅因子的方法.这种方法将氧化还原生物催化与光催化结合起来,使非光催化酶能够进行光催化氧化还原反应.该研究揭示了NAD+的两个π-共轭体系(即烟酰胺和腺嘌呤)的光吸收和电子性质.此外,NAD+在UV-Vis-NIR辐射下表现出较强的光稳定性.在π共轭体系中,电子从杂化的原子pz轨道的重叠处以圆形π键离域.当NAD+光敏化时,这些电子可以被激发到能量更高的水平,获得足够的还原能力来还原相邻的分子或离子.最后,光激活的NAD+将电子转移到黄素部分,直接激活老黄酶家族的烯还原酶(Ts OYE,Thermus scotoductus SA-01)催化活性C=C键的立体选择性氢化,生成3-甲基环己酮,如图2(b).用NAD+直接光活化OYE,获得了由OYE驱动的光生物催化转化中最高的太阳能-化学能转化率,为1263.4 h-1.
Hyster课题组[46]发现光激发黄素依赖的烯类酶(EREDs)可以改变催化功能,促进不对称自由基环化.他们以EREDs为基础,研究出了活性较高的突变体Glu ER-T36A,可用于α-氯酰胺的环化反应并生成β-立体异构的内酰胺.在酶活性位点内,底物与FMNhq之间形成电子供体-受体配合物.光照后,底物最初被一个电子还原,α-酰基与烯烃反应以提供环外自由基,该环外自由基通过从中性黄素半醌(FMNsq)获得氢原子而淬灭,从而生成了β-立体异构的内酰胺和氧化的黄素.黄素氢醌的光激发态(FMNhq*)应该能够完成使电子转移到α-氯酰胺的初始电子转移.接着他们又利用EREDs的突变体实现催化不对称氧化还原中性自由基环化反应[47],催化α-卤代酰胺生成高对映体羟吲哚.其中三-(羟甲基)甲基甘氨酸冲液负责将FMN还原为FMN-sq,FMN-sq还原底物生成α-酰基和FMN.自由基的环化产生还原的乙烯基酰胺基,该自由基可被FMN氧化形成产物并再生FMN-sq.机制研究表明反应通过黄素半醌/醌类氧化还原偶联进行,其中基态黄素半醌为底物还原提供电子,且黄素醌类氧化了环化后形成的插烯α-氨基自由基,如图3(a)所示.对该酶家族来说,突出了EREDs在不对称合成中的多功能性,为立体选择性地生成Csp2-Csp3键提供一种新的生物催化策略.Hyster课题组[4 8]利用光照射烟酰胺依赖型酶(KREDs),赋予了该酶催化非天然底物的反应性能.在可见光照射下,烟酰胺依赖酶酮还原酶可以从羰基还原酶转化为自由基引发剂和手性氢原子源,实现内酯的高对映选择性自由基脱卤化.在KRED的活性位点内,由卤代内酯和NAD(P)H组成的电荷转移络合物的辐照影响电子转移,形成1·-·NADPH·+?KRED(II,其中?表示包含在活性位点中).II在C–Br键的介孔裂解时形成1··NADPH·+?KRED(III).起始物质的两个对映体在活性位点内结合,并且在脱卤化和前手性自由基1·形成时,在活性位点内发生构象变化以完成氢原子转移,形成2·NADP+?KRED(IV).最后,NADP+可以被异丙醇或葡萄糖脱氢酶还原以完成催化循环,如图3(b).一种自由基物种在这种反应中充当中间产物,NADH和NADPH同时充当光敏剂和氢原子的来源.该方法强调了利用常见生物共因子的激发态使酶具有新反应性的潜力.这一策略将使许多自由基介导的反应具有高度选择性.
本文编号：3119951
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