酶催化在手性药物合成中的应用

酶催化在手性药物合成中的应用

李腾飞 刘林 乔家彬

正大天晴药业集团股份有限公司 江苏连云港 222062

摘要：近几年我国在生物技术发展迅速，其中酶在有机合成中的应用越加广泛，利用酶催化的不对称性可以合成许多手性分子，即利用酶促反应的高度立体、活性和区域选择性将前体化合物不对称合成各种复杂的手性化合物。而当前我国市售的数千种合成药物中有30%以上为手性药物，由此可见酶催化作用在我国医药行业中发挥着十分重要的现实意义。基于此，本文就酶催化在手性药物合成中的应用进行了分析。

关键词：酶催化；手性药物；合成

引言

酶催化反应是在常温、常压、近中性的条件下进行的一种生化反应，反应选择性强并且极为迅速，几乎没有副反应发生，催化效率极高，与工业催化相比，酶催化反应效率高出一千万甚至十万亿倍，因此其在手性药物的合成中也具有较高的优势。

一、有机介质中酶催化的基本原理

生物酶的催化活性可以在水溶液、有机溶剂中发挥作用，据研究，当酶在有机溶剂中发生反应可以确保其蛋白质的天然折叠结构，同时，其在有机溶剂与在水溶液中的催化反应机理基本相同，即“酰基一酶”的催化机理。但是就催化活性来说，包括其稳定性、专一性等方面则会根据溶剂的不同有着较大的差别。据分析，酶的活性主要是受到酶分子上的水分的影响，因此溶剂中的水含量并不会影响其活动，由于酶的带电基团会和部分极性基团之间发生相互作用，所以在无水的情况下酶分子会形成一种非活性的刚性结构，其中微量的水分作为润滑剂，与这些功能团之间形成氢键，降低蛋白质多肽链折叠结构里带电基团之间的静电作用以及极性基团之间的偶极一偶极相互作用，最终可以有效的提高蛋白质结构的柔韧性和极化性。

二、酶催化在手性合物成中的应用

（一）酶催化的不对称还原反应

酶催化的不对称还原反应主要是还原分子中的酮基或碳碳双键，并以此形成特定结构型化合物，在其反应期间还需要有辅酶参与，比如NDA(H)及其相应的酸NADP(H)。例如C=C双键的还原，以延胡索酸加成合成L一田东氨酸为例（图1）：

图1

（二）酶催化的不对称水解反应

酶催化的不对称水解反应是手性药物合成中较为常见的一种防范，其可以通过控制立体选择性创造光学活性体，比如酯类化合物、环氧化合物的合成等方面。在实际应用中主要是通过酶的立体选择性水解得到光学纯的单一异构体，而且这一反应一般是在水中进行，并适当的加入一些有机溶剂来促进反应的顺利进行。就该方法来说，其所使用的酶主要是水解酶，常见的是脂肪酶，反应期间也不需要辅酶。例如内消旋对称二酯在猪肝酯酶的催化下单侧水鳃生成手性单酯（图2）：

图2

三、酶催化在手性药物合成中的具体应用——以碳氮键的合成为例

目前在手性药物的合成中具有较高应用价值的有手性胺，其是许多具有生物活性的天然产物和化学药物的重要组成部分，而且目前市售的小分子药物中，大概有40%含有胺的结构，因此借助酶催化的防范进行手性胺的合成也具有较高的经济效益。ω-转氨酶是合成手性氨基化合物，其具有反应条件温和、立体选择性优异并且反应步骤简洁等优势，因此也已经成为过渡金属催化的化学合成方法提供替代方案。ω-转氨酶以PLP为辅因子，以有机胺（如苯乙胺、异丙胺或者丙氨酸）为氨基供体，将前手性酮转化为手性胺。

在当前的药物合成中，ω-转氨酶最有价值的应用就是Codexis与默克（Merck）公司联合开发的利用经蛋白质定向进化获得的ω-转氨酶ATA117-Rd11作为生物催化剂替代原本的化学合成过程，其最终合成Ⅱ型糖尿病治疗药物西他列汀，也实现了工业化生产，为广大糖尿病患者提供了新型的治疗药物。

在手性药物的合成领域中主要是对R型转氨酶的需求比较大，相关研究人员一般是通过分析不同立体选择性的ω-转氨酶、氨基酸转氨酶的蛋白质结构确定影响其立体选择性的关键氨基酸残基，然后再以此进行R-型转氨酶的发掘，通过与数据库中超过5000条以PLP作为辅因子的蛋白序列进行对比后发现可以得到0种新型R-型转氨酶，这样ω-转氨酶工具库也会进一步充实。

据分析，当ω-转氨酶处于野生状态的时候，其结构中会存在一个较大的活性腔与一个较小的活性腔，其中较小的活性腔比较难容纳超过甲基的取代基团，这时候一般会通过转氨酶的定向进化改造得以实现。如以来源于Ruegeriasp.TM1040的S-转氨酶（三维结构PDBID：3FCR）为起始结构，分析出影响其底物特异性的关键位点，并通过蛋白质定向进化的方式扩展了与3FCR序列一致性在70%以上的几种S-转氨酶的底物谱。

四、酶催化技术的应用前景展望

目前人类已经发现并且了解的酶有数千种，其发挥的作用各不相同，随着工业化进程的加快以及生物技术的不断发展，人们对酶的需求也有了较大的提升，已发现的酶虽然作用广泛，但是还是不能满足当前的实际需求，如何发现更多、更好以及更有价值的酶也已经成为相关研究人员重点关注的问题。近几年，蛋白质工程技术、基因工程技术和发酵工程技术等相关领域发展迅速，辅以酶工程、底物工程和介质工程等技术手段的交叉引入使得酶领域的研究也在不断的深入中，酶催化的应用范围不断扩大啊，各种新的内催化药物合成工艺也开始受到相关人员的重视，由此可见，生物酶在医药合成领域的应用将会更加深入和系统，为我国的各行业领域发现提供了新的发展契机。

结语

综上所述，酶催化所具备的立体选择性强、反应条件温和、操作简便、成本低等优势特征能够对手性药物的合成发挥着重要的作用，除此以外，也被广泛应用于手性药物的拆分当中，随着生物技术的不断进步，酶催化的应用范围液晶越来越广，从而为现代社会的生产与发展奠定坚实的基础。

参考文献：

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