有机合成中的生物转化

虽然时间已经到了21世纪，合成化学仍旧是各个领域的瓶颈。不对称合成策略，绿色化学等领域的发展给传统的合成化学带来了新的挑战，而生物技术在化学中的使用方兴未艾，并有望攻克传统合成化学的难关。

图片：ATP合成酶  Yeast V-ATPase state 2

过去的科学家对酶促反应有很多偏见，诸如“酶对于环境很敏感，容易失活”“酶非常昂贵”“酶只对他们的天然底物有活性”，事实上，酶在合成中的应用非常广泛，并且有难以比拟的优势：

·    酶是环境友好的

大多数酶都是环境友好的，不会产生大量重金属残留，与目前前沿的过渡金属催化剂相比其优势显而易见，而且酶促反应很多都在水相中进行，而有机反应则常常在有机相反应。

·    酶的反应条件温和

与化学实验室的条件不同，酶促反应大多数都能够在室温或温和条件下进行，不需要使用危险的高压反应釜，也不需要高温加热，因而在工业上也有推广的经济价值。

·    一般情况下一种酶可以兼容其他的酶

很多化学反应条件差异很大，而在酶促反应中兼容性就好得多，能够进行多酶催化以及一锅法合成。

·    酶的功能不仅仅限制于他们的天然功能

在实验室可以开发该酶的新功能，底物也不局限于天然的底物。

·    酶能够催化很多常见的化学反应

图片：Molecular Docking

酶在化学中的最大优势在于其选择性，其化学选择性是异常优异的，一般情况下官能团兼容性很好。其最大的应用在于立体选择性，由于天然的氨基酸都是有手性的，因而酶促反应往往具有手性。很显然，在大多数天然产物以及药物中，手性中心的调控都是合成的亮点之一。

图片：著名的例子——沙利度胺

酶促反应也有一些缺点，包括：

·    天然的酶一般只能合成一对对映异构体中的一个

氨基酸具有手性中心，一般天然的氨基酸都是L构型的，因此催化不对称中心也只有一种，合成其差向异构体就不能用这种方法了。

·    酶的操作窗口期很小，意味着很高的操作难度

·    酶在水中活性最高，而很多有机物在水中不溶解

虽然很多天然底物都是溶于水的，但仍然有一些目标合成需要有机相，这意味着酶不能发挥出最大的优势。

·    很多酶需要辅酶才能正常工作

在反应体系中加入辅酶无疑加大了实验操作的难度，并且很多辅酶有调控功能，因而也需要控制浓度。

·    酶的催化效率有时受底物的浓度抑制

过高的底物浓度会抑制酶活性，而这意味着更稀的溶液以及更小的合成通量。在这种情况下要小心控制底物，最好分批加入。

图片：单组分酶促反应动力学 米氏方程

常见的催化体系可以分为两种，分离的酶（Isolated Enzymes）以及完整的细胞（Whole Cell Systems）。

锁钥模型  Lock & Key Mechanism

1894年，Fischer提出了第一个酶促反应的模型，即酶与其底物的相互作用类似于一个锁与钥匙的关系，但是这个模型不能解释为什么酶不仅能够催化天然底物，还能够催化很多人工合成的底物。

诱导契合模型  Induced-Fit Mechanism

Koshland在1960s 提出了诱导契合模型，与锁钥模型不同，诱导契合模型中酶是柔性的，可以理解为酶像是一个手套，能够以不同的构象适应结构相近的底物。

参考书籍：