碳?xì)滏I選擇氧化是合成化學(xué)領(lǐng)域的重要課題,其中烷烴選擇性羥化反應(yīng)更是面臨著化學(xué)選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性等多重挑戰(zhàn).細(xì)胞色素P450酶廣泛分布于動植物和微生物體內(nèi),是公認(rèn)的多功能生物氧化催化劑. P450酶對惰性C—H鍵的選擇性氧化具有獨(dú)特優(yōu)勢,在催化烷烴選擇性羥化反應(yīng)方面擁有巨大潛力.本綜述簡述了P450單加氧酶及其催化烷烴選擇性羥化的反應(yīng)機(jī)理,梳理了來自CYP153家族、CYP52家族和其他家族的天然P450酶催化各類烷烴底物的氧化反應(yīng)和選擇性,討論了理性設(shè)計和定向進(jìn)化策略在開發(fā)烷烴羥化P450突變酶過程中的經(jīng)典案例,介紹了底物工程、誘餌分子、雙功能小分子協(xié)同催化等幾種化學(xué)活化P450酶的策略及其在烷烴羥化上的應(yīng)用,探討了P450酶在烷烴選擇性羥化方面所面臨的挑戰(zhàn)和解決途徑,并展望了其應(yīng)用前景. 

【文章來源】：化學(xué)學(xué)報. 2020,78(06)北大核心SCICSCD

【文章頁數(shù)】：14 頁

【部分圖文】：

0 細(xì)胞色素P450BM3單加氧酶與誘餌分子(PFC9-L-Trp)的共結(jié)晶結(jié)構(gòu)(左,PDB code:3WSP),活性中心與PFC9-L-Trp以及DMSO結(jié)合部分結(jié)構(gòu)放大圖(右)[79].

如圖1所示,P450酶的催化循環(huán)過程中也存在著可能的副反應(yīng)途徑,導(dǎo)致未形成烷烴羥化產(chǎn)物的無效NAD(P)H消耗,被稱為非耦合反應(yīng)(uncoupling reaction).比如三價鐵超氧自由基如果沒有及時接收到第二個電子,就無法阻止超氧陰離子自由基的離開,令血紅素活性中心回到初始的五配位三價鐵狀態(tài)(superoxide uncoupling);而如果Compound 0的質(zhì)子化發(fā)生在與鐵相連的氧原子上,則會導(dǎo)致過氧化氫(H2O2)生成,同樣使NADPH提供的電子未能有效耦合Compound I的形成(peroxide uncoupling);即便高價鐵氧物種Compound I順利生成,也可能由于烷烴處在不利于氫原子被“拔取”的位置導(dǎo)致Compound I的“氧”被還原為水分子(oxidase uncoupling)[25].在需要耦合NAD(P)H來實(shí)現(xiàn)其催化功能的P450酶的氧化反應(yīng)中,一般將氧化產(chǎn)物生成量與NAD(P)H消耗量的百分比定義為NAD(P)H的耦合效率(coupling efficiency of NADPH)[26,27].鑒于其價格較高,NAD(P)H的耦合效率高意味著反應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性.相反則不但造成NAD(P)H的無謂消耗,而且可能在非耦合途徑中產(chǎn)生超氧自由基和H2O2等活潑氧物種,對反應(yīng)體系也是潛在危害.因而NAD(P)H耦合效率是一個用來評估P450酶、尤其是P450工程酶的重要參數(shù).另外當(dāng)H2O2在體系中達(dá)到一定濃度時,從氧化還原反應(yīng)機(jī)理上來說,它也可以直接將三價鐵氧化成Compound I.由于H2O2的氧是-1價還原態(tài),所以其在起到替代氧氣作為末端氧化劑的同時,也不再需要NAD(P)H提供電子(圖1).這被稱為P450催化循環(huán)中的過氧化物旁路(peroxide shunt pathway)[25].對于高度依賴輔酶NAD(P)H和還原伴侶電子傳遞鏈來實(shí)現(xiàn)其催化功能的P450酶來說,這條途徑無疑大大簡化了它的催化循環(huán),從有機(jī)合成應(yīng)用的角度來說具有一定潛力.但實(shí)際上,絕大多數(shù)NAD(P)H依賴型P450酶在H2O2存在下的活性極低甚至沒有活性.直到最近我們開發(fā)了H2O2依賴型P450過加氧酶催化小分子烷烴羥化反應(yīng)體系之前[28],還沒有以H2O2作為末端氧化劑的P450天然酶或者工程酶能夠催化烷烴羥化反應(yīng)的報道.

已報道的以烷烴作為天然底物的細(xì)胞色素P450單加氧酶,主要來自于CYP153家族和CYP52家族以及其他P450家族中的部分酶.這些P450酶的底物范圍很廣,幾乎涵蓋除氣態(tài)烷烴以外的各種正烷烴、一些支鏈烷烴、部分環(huán)烷烴和多元環(huán)烴等(圖2).CYP153家族的P450酶大多來源于革蘭氏陽性烷烴降解細(xì)菌,以正烷烴(C5～C16)為底物,主要生成末端(ω-位)和亞末端(ω-1位)羥化產(chǎn)物,且都具有高度區(qū)域選擇性,但在大腸桿菌中重組表達(dá)的CYP153同工酶的催化轉(zhuǎn)化率不高(表1,圖3).比如CYP153AP.Sp.催化C5～C8正烷烴選擇性羥化生成伯醇[29a],反應(yīng)幾乎是區(qū)域?qū)Ｒ恍缘?100%),即便較低的正辛烷的選擇性也有90%;正壬烷(C9:59%)和正癸烷(C10:100%)羥化生成2-醇的區(qū)域選擇性也很高.但催化反應(yīng)的總轉(zhuǎn)化數(shù)(TTN)僅為20～110.CYP153A16有著相似的底物偏好性,對C5～C8的正烷烴也主要生成伯醇.有趣的是這個酶催化正壬烷和正癸烷都得到雙末端羥化產(chǎn)物二醇,顯示其同樣可以接受極性的烷基醇作為底物,反應(yīng)最好的TTN也僅為80.CYP153A6氧化C6～C11正烷烴得到區(qū)域?qū)Ｒ恍缘牟糩29b].CYP153A6也能接受支鏈烷烴如2-甲基辛烷、以及一些較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的烴類作為底物,比如檸檬烯和對傘花烴,同樣得到高度區(qū)域選擇性羥化產(chǎn)物,表明其具有更好的底物多樣性.CYP153A13催化辛烷氧化生成1-辛醇的TTN也僅有233[29c].

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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