化学/酶协同催化NAD(P)+再生及应用

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氧化还原酶是一类重要的工业生物催化剂,具有选择性高、反应条件温和等优点。但绝大多数氧化还原酶属于NAD(P)(H)依赖型,需要NAD(P)(H)参与反应。由于辅酶价格高昂,因此简单且高效地实现辅酶原位再生对工业生物催化至关重要。辣根过氧化物酶(HRP)在介体存在时能利用H2O2高效催化NAD(P)H氧化,实现NAD(P)+再生,但H2O2易使HRP发生自杀性失活,这严重阻碍了该体系在合成化学中的应用。鉴于该研究现状,本论文基于H2O2原位再生和直接O2活化HRP策略分别构建了两种新型、高效的化学/酶促NAD(P)+再生体系,与脱氢酶偶联用于催化氧化。本文主要结果如下:1.光/酶催化NAD(P)+再生。受产水NAD(P)H氧化酶(NOX)结构的启发,采用光/酶协同催化体系,在有氧条件下再生NAD(P)+。当可见光与O2同时存在时,光催化剂将NAD(P)H氧化为NAD(P)+,生成的副产物H2O2被HRP-介体体系(PMS)用作氧化剂氧化NAD(P)H。这不仅能有效避免HRP自杀性失活,而且极大地提高NAD(P)H的转化效率。光/酶催化氧化NADH的转换频率达到了8800 min-1,并且在pH 6-9保持了良好的催化活性。除了天然的NAD(P)H之外,合成的烟酰胺辅酶类似物也是该再生体系良好的底物。当光/酶催化辅酶再生体系与脱氢酶耦合催化氧化反应时,辅因子的总转换数可以达到180000。2.有机/酶催化NAD+再生。受HRP在组氨酸(His)和日光存在时能被氧气活化的启发,我们研究了PMS-His体系再生NAD+。在O2存在时,利用催化计量的His代替H2O2能够激活HRP,从而实现有机/酶催化NADH氧化为NAD+。结果表明,在His、NADH及氧气同时存在时,HRP-Fe Ⅲ(基态)被直接转化为中间态HRP Ⅲ(即Compound Ⅲ),进而氧化NADH。在20种氨基酸中,His是最适的共催化剂。日光对HRP-His体系催化NADH氧化无影响,但His中的氨基对PMS-His催化NADH氧化至关重要。PMS-His催化NADH氧化的转换频率为126 min-1。当PMS-His催化体系与脱氢酶耦合催化氧化反应时,辅因子总转换数可达96000。本论文构建了两种新型的氧化型烟酰胺辅酶再生体系,不仅具有宽广的底物谱,而且具有高的催化效率,有望替代NOX用于氧化性烟酰胺辅酶再生,在工业催化氧化中具有一定的应用前景。
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