大阪财富所等成功剖判产D酒石酸的环氧化学物理水解酶催化学工业机械制

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酒石酸具有L型对映体,是很多精细化学品和药物合成的手性前体元件。自然界中的酒石酸以L型为主,而D型酒石酸在自然界中较少存在,同时由于酒石酸是镜像对称的小分子量化合物,化学方法制备高对映体纯度酒石酸也比较困难。

《中国科学报》 (2014-11-11 第4版 综合)

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虽然在上世纪70年代就已经在自然界中发现了CESH[L]和CESH[D],并随后在工业化生产酒石酸中得到了应用,但由于缺乏这两种酶的晶体结构,它们的立体催化机制一直还不清楚。

本报讯中科院上海有机化学研究所周佳海课题组与华东理工大学许建和课题组合作,首次发现了环氧水解酶催化过程中产物的释放效率直接影响不同底物整体反应的快慢,创新性地提出了针对产物释放限制进行酶分子改造的新策略。相关研究成果近日在线发表于美国《国家科学院院刊》。

酒石酸具有L型对映体,是很多精细化学品和药物合成的手性前体元件。自然界中的酒石酸以L型为主,而D型酒石酸在自然界中较少存在,同时由于酒石酸是镜像对称的小分子量化合物,化学方法制备高对映体纯度酒石酸也比较困难。通过环氧化物水解酶等生物催化剂可以水解顺式环氧琥珀酸,高效制备高对映体纯度的酒石酸,其中产生L酒石酸的顺式环氧琥珀酸水解酶分别称为CESH[L]和CESH[D]。虽然在上世纪70年代就已经在自然界中发现了CESH[L]和CESH[D],并随后在工业化生产酒石酸中得到了应用,但由于缺乏这两种酶的晶体结构,它们的立体催化机制一直还不清楚。此外,环氧化物水解酶种类繁多,已有的研究表明可以通过分子改造实现对不同种类的环氧化物底物进行水解,从而可以用来制备多种手性化合物,在生物催化剂的开发中具有重要意义。
中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学研究组研究人员在前期获得的CESH[D]高纯度表达纯化的基础上,通过与清华大学研究人员合作,成功解析了CESH[D]的高分辨晶体结构,并根据结构阐释了CESH[D]的立体催化机制,近期发表在Chem.
Commun.
上。CESH[D]的结构表明,一个锌离子在底物结合中起到了关键作用,而周边残基通过大量的氢键作用使得催化残基和底物被精确固定,从而实现了高精度的立体催化,产生高对映体纯度的D酒石酸。对CESH[D]的结构和催化机制的阐明,同时为基于这类酶进行新型生物催化剂设计开发提供了基础。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学研究组研究人员在前期获得的CESH[D]高纯度表达纯化的基础上,通过与清华大学研究人员合作,成功解析了CESH[D]的高分辨晶体结构,并根据结构阐释了CESH[D]的立体催化机制,近期发表在Chem.Commun.上。CESH[D]的结构表明,一个锌离子在底物结合中起到了关键作用,而周边残基通过大量的氢键作用使得催化残基和底物被精确固定,从而实现了高精度的立体催化,产生高对映体纯度的D酒石酸。对CESH[D]的结构和催化机制的阐明,同时为基于这类酶进行新型生物催化剂设计开发提供了基础。

环氧水解酶催化环氧化物的立体选择性水解,得到光学纯产物可用于手性药物制备,但天然来源的环氧水解酶不具备在药物合成中的广谱性。为此,研究人员解析了一种复合物的高分辨率晶体结构,得到蛋白质质谱、突变体三维结构、分子动力学模拟等实验结果的证实,揭示了酶的活性中心与产物释放通道之间的区域是影响催化活性的瓶颈位置。

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