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生物催化中的辅因子

2014-06-15 21:01阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1821657744

辅因子是一些酶催化反应过程中所必须的非蛋白小分子化合物，也称其为辅酶。不同的反应类型需要不同的辅因子，某些特定种类的辅因子（如，磷酸吡哆醛、焦磷酸硫胺素）在反应体系中可以自我再生。另一类辅因子本质上是反应底物充当官能团转移试剂，可以从其它底物上接受官能团或提供某种官能团（负离子氢、磷酸）到其它底物上。这类辅因子在酶催化反应过程中会改变结构形态，所以为了反应能够进行彻底，其加入量要么至少与其它底物等当量，要么通过建立一个独立的反应体系使其能够原位再生。由于辅因子价格昂贵，大规模的消耗辅因子对于酶催化过程来说不现实，所以建立简便且可操作性强的辅因子再生机制成为必需。
表1. 需再生辅酶价格
辅酶
 ￥/g*
Acetyl CoA
 68000
CoA
 17000
ATP
 270
CTP
 3000
GTP
 350
UTP
 3000
NAD
 1000
NADH
 4000
NADP
 5500
NADPH
 14000
PAPS
 350000
SAM
 2500
CoQ10
 3500
*Sigma公司试剂级产品价格
酶用做催化剂在有机合成中的价值越来越受到重视，其中许多能够催化重要反应类型的酶都需要辅酶的参入。为了减少昂贵的辅酶加入量，必须在催化体系中建立一套辅酶再生系统，而这些限制性要求正是需辅因子酶在有机合成中大规模应用的最大障碍。
辅酶再生循环次数一般需要达到102-106次，才具备一定的经济上的可行性，而可接受的最低转换数(TN)主要还得取决于辅酶的成本和所得产品的价值。从表格一可以明显的看出，为达到同样的经济适用性，Acetyl CoA和PAPS在使用过程中所要求的最低转换数要远远高于价格便宜的多的ATP。高辅酶转换数要求高专一选择性的生成酶催化活性辅因子。如果经过100次的辅酶周转或循环，仍保留50%的初始催化活性，那么每次再生反应的选择性或专一性产率必须达到99.3%。如果周转次数为106次，则每次循环的有效性必须达到99.99993%。对于需辅因子酶催化过程来说，较高的辅酶转换效率或选择性是必须具备的基本条件。
实际应用中，辅酶再生方法还必满足其它要求。原料和仪器设备价廉易得，容易操作，且在反应条件下稳定可靠。辅酶再生过程必须在热力学和动力学上都是有利的，而且与体系内其它反应过程相容。另外，好的再生系统还需要能够准确方便的对反应过程进行监控并方便的分离出产品。
研究开发的辅酶再生方法有很多，化学方法也许是最直接的，但缺少再生辅因子的专一性，与酶催化系统也不相容。电化学和光化学方法是利有电能和光能来驱动再生过程，但缺点与化学方法一样。酶催化方法是利用无细胞的游离酶来催化辅酶再生过程，而生物方法则是利用含用该酶的全细胞或细胞粗提物来催化再生。因为酶催化辅酶再生专一性强、效率高，而且与体系中其它酶催化过程完全兼容，与生物再生方法相比也更清洁，所以现代学术和企业界的研究主要聚焦于酶催化辅酶再生系统。
大多研究专注于ATP和烟酰胺类辅酶的再生，一小部分对乙酰辅酶A有研究，而腺苷蛋氨酸(SAM)和PAPS的再生面临更大的困难，考虑到成本和可操作性，目前鲜有成功的报道。
TN(turnover number)和TTN(total turnover number)是辅酶再生系统研究中的两个重要的概念。转换数(TN)是指单位时间内每摩尔辅酶催化生成产品的物质的量，强调的是时间和效率，代表的是单位时间所消耗的成本。而总转化数(TTN)是指在整个反应过程中每摩尔辅酶催化生成的产品物质的量，强调的是全过程，代表的是单位产品的总成本。

生物催化中的辅因子

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