氧化還原酶因其優(yōu)越的區(qū)域、立體和對(duì)映體選擇性,并具有反應(yīng)條件溫和、低能耗等優(yōu)點(diǎn),在醫(yī)藥、食品添加劑和燃料等合成中有重大應(yīng)用.然而氧化還原酶催化反應(yīng)需要依賴昂貴的輔因子來(lái)提供或接受電子.最近的研究表明可以利用有機(jī)（或無(wú)機(jī)）光敏劑誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)下的輔因子再生,并通過將光催化和生物催化相結(jié)合的方法構(gòu)成一個(gè)基于輔因子的光驅(qū)動(dòng)酶催化體系,實(shí)現(xiàn)清潔、高效的化學(xué)品合成.本文綜述了近年來(lái)基于不同輔因子的光驅(qū)動(dòng)酶催化復(fù)合體系的研究進(jìn)展,并概述了光直接激發(fā)輔因子驅(qū)動(dòng)酶催化的反應(yīng)體系,在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行展望. 

【文章來(lái)源】：科學(xué)通報(bào). 2020,65(36)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：10 頁(yè)

【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)版彩色)基于煙酰胺基輔因子再生的光驅(qū)動(dòng)酶催化復(fù)合體系圖.(a)噻吩環(huán)摻雜的雙層空心g-C3N4小球(ATCN-DSCN)耦合甲酸脫氫酶(FDH)的人工生物光合成系統(tǒng)示意圖[24].(b) Ta S2-PEG-GR-M作為光催化劑的示意圖,太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)生物催化人工光合作用系統(tǒng)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲酸[25].(c)組裝了電子介體的光敏鋯基金屬有機(jī)框架(Rh-NU-1006)用于封裝甲酸脫氫酶的示意圖[28].(d)硫化鎘量子點(diǎn)修飾的魚精蛋白-二氧化鈦微膠囊與酶耦合用于光能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化的示意圖[31]

Beisson課題組[43]發(fā)現(xiàn)了一種可以被光催化的可變小球藻NC64A光酶,可以催化游離脂肪酸脫羧生成正構(gòu)烷烴或烯烴.NC64A蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)表明在疏水通道中有一個(gè)脂肪酸結(jié)合位點(diǎn),該疏水通道通向捕獲光能的黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)輔因子.因此,NC64A受藍(lán)光激發(fā)后,FAD變成激發(fā)態(tài)FAD*后通過疏水通道從脂肪酸中提取電子,生成烷基自由基的脂肪酸自由基脫羧基和FAD·–,FAD·–將電子轉(zhuǎn)移至生成的烷基自由基.由于烷基陰離子極強(qiáng)的質(zhì)子親和力,質(zhì)子供體XH將氫原子轉(zhuǎn)移至初級(jí)烷基自由基,隨后從FAD·–轉(zhuǎn)移至X·,X–重新調(diào)節(jié),釋放烷烴結(jié)合新基質(zhì).最終通過光激發(fā)FAD從脂肪酸中提取電子引發(fā)脫羧反應(yīng),實(shí)現(xiàn)NC64A在藍(lán)光驅(qū)動(dòng)下的催化游離脂肪酸脫羧為正構(gòu)烷烴或烯烴,量子產(chǎn)率>80%.該研究將可變小球藻NC64A光酶稱之為脂肪酸光脫羧酶,在光驅(qū)動(dòng)的生物基碳?xì)浠衔锷a(chǎn)中有一定作用.Hollmann課題組[44]利用可變小球藻NC64A(Cv FAP)合成新型光脫羧酶Cv FAPC,將脂肪酸和甘油三酯不可逆的轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的烷烴.接下來(lái),他們將脂肪酶催化三油酸甘油酯為油酸和甘油的水解反應(yīng)和Cv FAPC催化的光脫羧反應(yīng)偶聯(lián),構(gòu)成雙酶級(jí)聯(lián)反應(yīng),成功地將三聚烯轉(zhuǎn)化為(Z)-庚烷-8-烯.可以在此研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)裝置和生物催化劑,開發(fā)一種實(shí)用的方法,將非食用甘油三酯和酸轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的生物燃料.Park課題組[45]報(bào)道了利用煙酰胺腺嘌呤二核苷酸作為光催化劑,并將光激發(fā)電子直接傳遞給輔因子的方法.這種方法將氧化還原生物催化與光催化結(jié)合起來(lái),使非光催化酶能夠進(jìn)行光催化氧化還原反應(yīng).該研究揭示了NAD+的兩個(gè)π-共軛體系(即煙酰胺和腺嘌呤)的光吸收和電子性質(zhì).此外,NAD+在UV-Vis-NIR輻射下表現(xiàn)出較強(qiáng)的光穩(wěn)定性.在π共軛體系中,電子從雜化的原子pz軌道的重疊處以圓形π鍵離域.當(dāng)NAD+光敏化時(shí),這些電子可以被激發(fā)到能量更高的水平,獲得足夠的還原能力來(lái)還原相鄰的分子或離子.最后,光激活的NAD+將電子轉(zhuǎn)移到黃素部分,直接激活老黃酶家族的烯還原酶(Ts OYE,Thermus scotoductus SA-01)催化活性C=C鍵的立體選擇性氫化,生成3-甲基環(huán)己酮,如圖2(b).用NAD+直接光活化OYE,獲得了由OYE驅(qū)動(dòng)的光生物催化轉(zhuǎn)化中最高的太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化率,為1263.4 h-1.

Hyster課題組[46]發(fā)現(xiàn)光激發(fā)黃素依賴的烯類酶(EREDs)可以改變催化功能,促進(jìn)不對(duì)稱自由基環(huán)化.他們以EREDs為基礎(chǔ),研究出了活性較高的突變體Glu ER-T36A,可用于α-氯酰胺的環(huán)化反應(yīng)并生成β-立體異構(gòu)的內(nèi)酰胺.在酶活性位點(diǎn)內(nèi),底物與FMNhq之間形成電子供體-受體配合物.光照后,底物最初被一個(gè)電子還原,α-�；c烯烴反應(yīng)以提供環(huán)外自由基,該環(huán)外自由基通過從中性黃素半醌(FMNsq)獲得氫原子而淬滅,從而生成了β-立體異構(gòu)的內(nèi)酰胺和氧化的黃素.黃素氫醌的光激發(fā)態(tài)(FMNhq*)應(yīng)該能夠完成使電子轉(zhuǎn)移到α-氯酰胺的初始電子轉(zhuǎn)移.接著他們又利用EREDs的突變體實(shí)現(xiàn)催化不對(duì)稱氧化還原中性自由基環(huán)化反應(yīng)[47],催化α-鹵代酰胺生成高對(duì)映體羥吲哚.其中三-(羥甲基)甲基甘氨酸沖液負(fù)責(zé)將FMN還原為FMN-sq,FMN-sq還原底物生成α-�；虵MN.自由基的環(huán)化產(chǎn)生還原的乙烯基酰胺基,該自由基可被FMN氧化形成產(chǎn)物并再生FMN-sq.機(jī)制研究表明反應(yīng)通過黃素半醌/醌類氧化還原偶聯(lián)進(jìn)行,其中基態(tài)黃素半醌為底物還原提供電子,且黃素醌類氧化了環(huán)化后形成的插烯α-氨基自由基,如圖3(a)所示.對(duì)該酶家族來(lái)說,突出了EREDs在不對(duì)稱合成中的多功能性,為立體選擇性地生成Csp2-Csp3鍵提供一種新的生物催化策略.Hyster課題組[4 8]利用光照射煙酰胺依賴型酶(KREDs),賦予了該酶催化非天然底物的反應(yīng)性能.在可見光照射下,煙酰胺依賴酶酮還原酶可以從羰基還原酶轉(zhuǎn)化為自由基引發(fā)劑和手性氫原子源,實(shí)現(xiàn)內(nèi)酯的高對(duì)映選擇性自由基脫鹵化.在KRED的活性位點(diǎn)內(nèi),由鹵代內(nèi)酯和NAD(P)H組成的電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物的輻照影響電子轉(zhuǎn)移,形成1·-·NADPH·+?KRED(II,其中?表示包含在活性位點(diǎn)中).II在C–Br鍵的介孔裂解時(shí)形成1··NADPH·+?KRED(III).起始物質(zhì)的兩個(gè)對(duì)映體在活性位點(diǎn)內(nèi)結(jié)合,并且在脫鹵化和前手性自由基1·形成時(shí),在活性位點(diǎn)內(nèi)發(fā)生構(gòu)象變化以完成氫原子轉(zhuǎn)移,形成2·NADP+?KRED(IV).最后,NADP+可以被異丙醇或葡萄糖脫氫酶還原以完成催化循環(huán),如圖3(b).一種自由基物種在這種反應(yīng)中充當(dāng)中間產(chǎn)物,NADH和NADPH同時(shí)充當(dāng)光敏劑和氫原子的來(lái)源.該方法強(qiáng)調(diào)了利用常見生物共因子的激發(fā)態(tài)使酶具有新反應(yīng)性的潛力.這一策略將使許多自由基介導(dǎo)的反應(yīng)具有高度選擇性.


本文編號(hào)：3119951