【正文】 第二十二章 生物轉化的類型和機制 第一節(jié) 生物轉化的定義與研究內容 第二節(jié) 生物轉化的基本類型 一、還原反應 二、氧化反應 三、水解反應 四、轉移和裂合反應 第三節(jié) 參與藥物制備過程重要反應酶類的作用機制 一、脂肪酶 二、環(huán)氧化物水解酶 三、糖苷化酶 第一節(jié) 生物轉化的定義與研究內容 ?生物轉化的含義更強調的是： ?用微生物或酶來進行藥物合成（或其他有機合成）過程中的某一步或幾步反應，而那些直接來源于微生物的代謝產物是微生物進行“從頭到尾”的合成過程。 在許多國外文獻中經(jīng)常能夠看到的描述這種技術的名詞有： ? microbial transformation。 ? microbial conversion。 ? Biotransformation ? Bioconversion ? Biocatalysis ? enzymation等。 微生物 (酶 )轉化是有機化學反應 中的一個特殊的分支 ?微生物轉化的本質是某種微生物將一種物質（底物）轉化成為另一種物質（產物）的過程，這一過程是由某種微生物產生的一種或幾種特殊的胞外或胞內酶作為生物催化劑進行的一種或幾種化學反應，簡言之，即為一種利用微生物酶或微生物本身的合成技術。 微生物 (酶 )轉化是有機化學反應 中的一個特殊的分支 ?這些具有生物催化劑作用的酶大多數(shù)對其微生物的生命過程也是必需的，但在微生物轉化過程中，這些酶僅作為生物催化劑用于化學反應。由于微生物產生的這些能夠被用于化學反應的大多數(shù)生物催化劑不僅能夠利用自身的底物及其類似物，且有時對外源添加的底物也具有同樣的催化作用，即能催化非天然的反應（ unnatural reactions）。 在研究一個微生物（或酶） 轉化過程時，需要考慮的問題 ?所用轉化底物的選擇； ?所用微生物對不同底物轉化能力的考察、轉化路線或轉化反應的選擇等； ?其中最主要的是尋找適合于所設計轉化過程的微生物，以及如何來提高這種微生物的轉化能力，即提高這種酶活力； ?再則是發(fā)現(xiàn)一種新的酶或一種新的反應以便為設計一個新的微生物轉化過程提供一條線索。 用于轉化的微生物或酶的多樣性 ?用于微生物轉化的菌株或酶的篩選的范圍應該盡可能地廣，因為至目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3000 余種 能夠催化各種化學反應的酶，其中有些酶的催化效果比化學催化劑好；另外，微生物的多樣性和其生理生化特性的多樣性（它們能夠修飾和降解許許多多有機化合物），使我們有可能找到某種微生物或酶來催化某種特定的和所期望的化學反應。 第二節(jié) 生物轉化的基本類型 一、還原反應 ?脫氫酶被廣泛地用于醛和酮羰基以及烯烴碳 碳雙鍵的還原，這種生物轉化反應可使?jié)撌中缘孜镛D化為手性產物，如圖所示。 ?面包酵母醇脫氫酶和馬肝醇脫氫酶能催化酮不對稱還原，其還原產物仲醇的對映體過量率接近 100%。 R1R2OR1R2XR3R1R2R1R2O H O HHHR3R2R3HHR2R1X R 1 X脫 氫 酶還 原 型 輔 酶氧 化 型 輔 酶循 環(huán) 系 統(tǒng)或或 脫氫酶催化的還原反應 生物轉化中常用的一些脫氫酶 脫氫酶名稱 特異性 反應所需的輔酶 商品化 酵母醇脫氫酶 Prelog NADH + 馬肝醇脫氫酶 Prelog NADH + 布氏熱厭氧菌醇脫氫酶 Prelog NADPH + 羥基甾體醇脫氫酶 Prelog NADH + 彎孢菌脫氫酶 Prelog NADPH 乳桿菌屬的Lactobacillus kefir 醇脫氫酶 AntiPrelog NADPH + 爪哇毛霉醇脫氫酶 AntiPrelog NADPH 甲單胞菌屬醇脫氫酶 AntiPrelog NADPH 二、氧化反應 ?氧化反應是向有機化合物分子中引入功能基團的重要反應之一。 ?生物催化的氧化反應主要由三大類酶： 單加氧酶、雙加氧酶和氧化酶 ，它們所催化的反應如圖所示。 二、氧化反應 ? 單加氧酶和雙加氧酶直接在底物分子中加氧，而氧化酶是催化底物脫氫，脫下的氫再與氧結合生成水或過氧化氫。 ? 脫氫酶與氧化酶相似，也是催化底物脫氫，但它催化脫下的氫與氧化態(tài) NAD(P)+結合，而不是與氧結合，這是兩者的主要區(qū)別。氧化反應表面上看是加氧或脫氫，其本質是電子的得失。 ? 單加氧酶、雙加氧酶和氧化酶是催化底物氧化失去電子，并將電子交給氧，即氧是電子受體；脫氫酶催化底物失去電子，它將電子交給 NAD(P)+，然后還原型NAD(P)H再通過呼吸鏈或 NAD(P)H氧化酶將電子最終交給氧并生成水。 S u b + N A D ( P ) H + H+ + O2S u b O + N A D ( P )+ + H2O單 加 氧 酶輔 酶 循 環(huán)S u b + O 2 S u b O 2雙 加 氧 酶O2 + 2 eO 22 H2O2+ 2 H+氧 化 酶O2 + 4 e2 O2 2 H2O+ 4 H +氧 化 酶S u b = 底 物生物催化的氧化反應類型 單加氧酶催化的氧化反應 ?單加氧酶（ monooxygenases）可以使氧分子（ O2）中的一個氧原子加入到底物分子中，另一個氧原子使還原型 NADH或 NADPH氧化并產生水（ H2O）。單加氧酶在生物催化的手性合成中有著重要的應用，圖所示為該酶催化的一些反應類型。 單加氧酶所催化的一些反應類型 S u b + N A D ( P ) H + H+ + O2S u b O + N A D ( P )+ + H2O單 加 氧 酶輔 酶 循 環(huán)C H C O HH O HOR1R2OR1OR2RORR n X R n X OX = N , S , S e , P 底物 產物 反應類型 輔酶類型 烷烴 醇 羥化 金屬 芳香烴 酚 羥化 金屬 烷基烴 環(huán)氧 化物 環(huán)氧化 金屬 含雜 原子 化合物 雜原 子氧 化物 雜原子氧化 黃素 酮 酯或 內酯 BaeyerVilliger 黃素 羥化反應是一類重要的氧化反應 ?碳氫化合物中非活潑的 C— H鍵的羥化是一種非常有用的生物轉化反應，傳統(tǒng)的有機化學合成方法幾乎不能進行這樣直接的羥化反應。但很多微生物能夠直接進行烷烴和芳香烴的羥化反應，其中工業(yè)化應用最為廣泛的是甾體的羥化反應。 環(huán)氧化反應 ?手性環(huán)氧化合物是一種重要的手性合成前體，可與多種親核試劑反應產生重要的中間體。 ?單加氧酶催化的烯烴環(huán)氧化反應可用于制備小分子環(huán)氧化合物，其中有些產物是傳統(tǒng)的化學方法所不能制備的。 ?另外，由單加氧酶催化的硫醚的氧化反應也是非常重要的，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多能夠催化這類反