烟酰胺辅酶特异性的改造研究进展
摘 要：氧化还原酶被广泛用作生物催化剂，用于在温和条件下生产光学纯化学品。然而氧化还原酶的催化通常需要辅酶来完成催化反应中的电子转移，包括NAD(H)、NADP(H)、FMN和FAD等。基于研究的需要和对工业生产成本降低的要求，氧化还原酶对辅酶的特异性依赖性改造成为研究者们的目标。本文在调研相关文献的基础上，就国内外辅酶改造的研究进展进行综述。
关键词： 氧化还原酶，酶催化，辅酶，辅酶特异性改造
- 前言
酶催化反应是生物化学领域的研究重点。据酶学委员会命名法对酶的分类可以分成氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和连接酶六大类。其中氧化还原酶隶属于第一大类。
在生物化学反应中，氧化还原反应会比较难界定，氧化还原酶催化底物的氧化或者还原，反应时都需要电子供体或者受体。在生物体中，海量的氧化还原酶在进行催化反应时，作为电子供体或者受体的是一种称为辅酶的分子，如NADH或者NADPH以及FAD或者FMN。其中前两种辅酶属于烟酰胺辅酶类，后两种辅酶属于黄素辅酶类。1另外，前两种辅酶还被分别称作为辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ。氧化还原酶对生命活动的进行起着至关重要的作用：光合作用和呼吸作用。2
- 辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ
生物体内的氧化还原反应需要很多酶催化，但是最关键的是有限的几种辅酶。其中两种较为常见的辅酶是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD ，即辅酶Ⅰ）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP ，即辅酶Ⅱ），它们的还原形式分别是NADH和NADPH。3它们都是由体内的烟酰胺与核酸、腺嘌呤、磷酸组成的脱氢酶的辅酶，因此均属于烟酰胺辅酶类。他们的分子结构只是在与腺嘌呤核糖的2rsquo;位置相连的一个磷酸基团上存在差别。烟酰胺辅酶是电子载体，在生物体内的氧化还原反应中起着重要的作用。NAD 是呼吸链氢传递过程中的重要载体，除此之外也参与到蛋白的转译、后修饰和信号转导过程中，从而调节离子稳态，基因表达，癌变，老化和细胞凋亡等多项生理活动。总之，辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ都以其各自的氧化态和还原态参与到了生物体的各种生理活动中，是很多氧化还原酶发生催化反应不可或缺的辅酶。4
- 辅酶改造的意义
烟酰胺辅酶在生物体中发挥着不可替代的重要的作用，主要体现在对氧化还原酶的催化反应过程中。很多氧化还原酶对辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ具有独一无二的依赖性。基于研究的需要和对工业生产成本降低的要求，氧化还原酶对辅酶的特异性依赖性成为研究者们改造的目标。5、6例如在合成生物学研究上，研究者会遇到辅酶的消耗问题，辅酶在氧化还原反应中起着电子转移的作用，但是随着反应的持续进行，辅酶被消耗，会逐渐减少，最终导致反应的终止。如果要继续反应，就需要持续不断地补加，但是由于辅酶价格昂贵，如果没有有效的持续供应方法，将使得研究变得更加复杂，甚至失去实际意义。7除此之外，辅酶在工业生产中如生产维生素C和类固醇药物都具有重要作用。8因此辅酶改造具有重要的意义，成为了国内外的研究热点。
- 辅酶改造的方法
辅酶特异性改造无论对于科学研究还是工业生产都有重要的科研和经济意义，但是由于早先人们对酶催化反应机理、酶结构功能关系等认知上的局限和当时生物技术尚不发达等因素的限制，人们对辅酶改造技术的掌握并不充分。目前，按照改造技术可以将辅酶改造分为以下三个阶段：
- 蛋白质工程手段
1990年Scrutton等实现了谷胱甘肽还原酶的辅酶特异性从NAD 到NADP 的成功转变，他们在当时应用了较为热门的分子模拟手段——同源建模。这段时期，研究者们对于蛋白改造的主要技术手段是蛋白质工程，也就是基于序列比对、定点突变来实现的。9
