大豆脂氧酶的分子虚拟突变研究文献综述

 2023-12-06 09:31:58

文献综述

脂肪酶(Ec.3.1.1.3)即三酰基甘油酰基水解酶,可催化甘油三酯分解成甘油二酯、甘油单酯、甘油和脂肪酸,是一类特殊的酯键水解酶,脂肪酶以氨基酸为基本组成单位,一般只有一条多肽链,催化活性仅决定于蛋白质结构。目前,以生物催化为核心内容的工业生物技术在支撑新世纪社会进步与经济发展的技术体系中的地位已经被提到空前的战略高度[1],作为一种生物催化剂,脂肪酶具有一般催化剂高效性、高选择性、反应条件温和等共同优点,是绿色环保的催化剂,对于生化、食品等生活和生产的各个领域的科学发展,有着非常重要意义。

脂肪酶可催化合成可生物降解高分子,Wang等[2]利用南极假丝酵母脂肪酶(CALB)高效区域选择性酰化合成6-氮尿苷的5-O-单酯,结果表明,不同类型的酰基供体对CALB的活性具有很重要的影响,以色列(Gutman)[3]研究小组以线性羟基酸甲酯做单体,用猪胰脂肪酶作为催化剂,在有机溶剂中合成了聚羟基酸甲酯,分子量提高到12KD左右,并制成了这种聚酯的薄膜制品。

脂肪酶也应用于手性药物拆分中,手性是与人们生活关系密切的自然界本质属性之一,对映体在自然界中普遍存在,在构成生物体的基本物质中,包括核酸、蛋白质、糖类等分子都是手性分子,因此相关的许多药物,包括农药和除草剂等也都是光学活性化合物,因为手性药物进入生物体内后,其药理和生理作用多与其和体内靶分子之间的手性匹配和分子识别能力有关[4],手性新药的开发,即选择合成路线中某一个手性中间体进行不对称合成或拆分,再合成单一的手性药物,此法副产物少,容易对目标产物进行分离,常温常压下即可反应,减少了能源消耗和环境污染;脂肪酶的高度立体选择性使制备的单一手性化合物光学纯度较高,脂肪酶在手性药物中的应用愈加广泛,脂肪酶可对环氧丙醇类手性药物中间体、2-取代丙酸类手性中间体的拆分等药物进行拆分,日本田边制药成功地用脂肪酶拆分了外消旋的甲基-3-(4-甲氧基苯基)环氧丙酯,制备了(-)-(2R,3S)-3-(4-甲氧基苯基)环氧丙酰胺,它是生产硫氮卓酮(一种心血管药物)的手性前体,非甾体抗炎药物,如酮基布洛芬(keto-profen)、萘普生(naproxen)、布洛芬(ibuprofen)等的另一种非常重要的手性中间体2-芳基丙酸(CH3CHArCOOH)已经实现工业化,英国的Chiroscience手性技术公司、西班牙Laboratories Menarini公司以实现大规模生产。

在焙烤食品、乳制品等食品加工产业中,脂肪酶的应用范围日益广泛。如,在面包生面团中加入脂肪酶可水解甘油三酯[5],改善面团的流变学特性,增强面团对发酵的耐受性,增大面包体积,改善面包芯的柔软性和组织结构,且有二次增白作用;脂肪酶与葡萄糖氧化酶配合使用[6],能够取代化学添加剂溴酸钾,提高烘焙品质、改善面包质地、延长保质期,在油脂加工方面,脂肪酶可以催化水解、酯交换、酯化等反应,脂肪酶还广泛应用于乳制品工业中,可以加强奶粉和奶酪的风味、缩短成熟期、对乳脂和奶油进行脂解改性等,其中脂肪酶作用于乳脂产生游离脂肪酸,进而形成有挥发性的异戊醛、二乙酰、3-羟基丁酮等呈味物质,改善了奶酪风味,并产生特殊香味[7]

此外,脂氧酶在动物体内参与了重要反应,LOX催化花生烯酸反应,形成前列腺素(PG)、无色三烯等物质,是强烈的过敏反应和动物受感染的介质,已经在哺乳动物中鉴定出来。脂氧酶在活体植物中的作用虽然尚不明确,但已有不少研究认为它在生理上起很大作用,包括影响植物脂肪在萌发期的氧化。在脂肪过氧化过程中会形成乙烯,众所周知,乙烯对于植物的催熟具有重要的影响[8]。以至于有人认为LOX在植物发芽、成长、发育、枯萎和抗性的物质催化中起到重要作用。除上述以外,脂肪酶在生产生物柴油、生产日化制品、早脂肪酸化学、嗜酸耐热菌种鉴定等多个方面具有不同程度的应用,随着酶品种的开发,酶固定化技术的研究以及相应生物反应器的使用,脂肪酶在众多领域的应用将更快捷,具有广阔的前景。

由于脂氧酶对于顺、顺-1,4戊二烯结构多不饱和脂肪酸催化活性较低,于是进行虚拟氨基酸突变[9],利用计算机技术对其酶分子中的氨基酸进行虚拟定点突变,然后再进行分子对接,以期筛选出对其活性较高的脂氧酶分子,为后期进行基因改造作指导和参考[10]。对脂氧酶和亚油酸甘油酯对接而成的体系进行分子动力学的模拟,不仅可以知道体系所表现的一系列的宏观凝聚特性,而且还可以得到体系所表现出的微观特性。研究体系所表现出来的一系列的形态结构、热力学性质、力学特性[11],分析它们随时间的变化规律,并与实际的实验得出的数据进行比较验证,补充对现有实际实验认识的不足。由于脂氧酶对亚油酸类底物有催化的专一性,因此,分子模拟研究脂氧酶与亚油酸甘油酯底物的作用,以期发现优势底物结构和脂氧酶的优势结构,同时掌握相关的关键结合位点以及能量数据,从而指导后续的相关研究,最终实现提高催化反应的效能的目的[12],对实际的生产和生活有着很现实的意义。

参考文献

[1]王智、苟小军,脂肪酶在生物化工中的应用[J].成都大学学报,2003,22(1):1-7.

[2]张开平、惠明,微生物脂肪酶的应用领域及研究进展[J].河南工业大学学报(自然科学版),2012,33(1):90.

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