酶促还原过程中辅因子的再生研究
Regeneration of cofactors during enzymatic reduction
摘要：酶的辅因子再生是体外生物催化合成过程的关键组成。氧化还原酶在实际生产中主要用于催化广泛的工业相关反应，它具有底物的高度特异性和区域选择性。这些酶的大部分活性作用主要依赖于烟碱辅因子(例如NADH或NADPH )。传统上，辅因子再生是通过全细胞提取物或互补的NAD 或NADP 依赖性酶的酶循环来实现的。辅因子从被发现起，其在生物技术中就具有广泛的应用性，因为许多生物转化涉及氧化/还原反应。在氧化还原酶催化的反应中总是需要辅酶，其中烟酰胺辅酶，NAD(P)H / NAD(P) ，是最常用的。辅因子的研究发展早已经涉及到化工生产的催化应用中，由于酶对pH值及温度等外部环境非常敏感，因此在辅因子的再生研究中，对于辅因子稳定性增强一般需要进行优先考虑。本文综述了烟酰胺型氧化还原酶NAD(P)H的再生方法，包括酶化学法、化学法、光化学法、电化学法再生以及类似物替代法(因与研究主题不符故不予介绍)。本文重点介绍了酶化学法和电化学法。
关键词：辅因子 再生 酶化学法 电化学法
文献综述
1、辅因子再生的应用
在酶的六大类型中，30%~35%为氧化还原酶[1]。NOX在实现以NAD 为辅酶的氧化还原酶的工业化应用方面,表现出了很大的应用潜力[2,3]。辅酶因子再生作为体外生物催化合成过程的关键组成，它在工业的酶促生物催化中具有重要意义，尤其是在手性化合物制备领域。它还用于生产高附加值化合物(例如昂贵的药物)，并用于生物传感器和生物燃料电池的开发[4-12]。
2、辅因子再生的研究现状
目前已知的氧化还原酶数量超过 6 5 0种 ,其中大约 90种具有商业用途[13]。所有的氧化还原酶中大约 80 %需要尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD ,NADH)作为辅酶 ,10 %的酶以尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 (NADP ,NADPH)为辅酶 ,只有很少一部分以黄素 (FMN ,FAD)和辅酶Q(PQQ)为辅酶。氧化还原酶(或还原氧化酶)可以在常规的化学催化剂失效的情况下，催化工业上重要的合成反应。在生物体系中，辅因子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( NAD )及其还原形式( NADH )在辅助氧化还原酶催化氧化还原反应中起到重要作用[14]。所以无论在国内还是国外辅因子的再生在化工催化方面占据非常重要的地位。
2.1、辅因子再生国内研究现状
在国内酶再生的四种方法都有研究，但工业上使用最广泛的是酶法再生的辅酶。
2.2、辅因子再生国外研究现状
国外酶化学研究中，Xiaodong Wang和Humphrey H. P. Yiu首次提出了一种利用非均相催化剂( Pt / Al2O 3 )和H2结合酶促还原的原位NADH再生( NAD →NADH )（图 1）。该再生系统可以在环境压力下操作，其中NADH产率和转化频率( TOF )随着温度( 20 - 37℃)和pH ( 4.0 - 9.9 )而增加，从而提供对酶活性NADH的完全选择性。通过多相催化再生辅因子代表了一种清洁的(作为唯一副产物的H )替代现有的酶促和均相(电和光)催化方法，并具有易于催化剂分离的附加益处[15]。
图 1( Pt / Al2O 3 )和H2结合酶促还原的原位NADH再生( NAD →NADH )
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