脂肪酶CAl-B定点突变及其酶促立体选择性研究

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近年来对酶的微观结构及催化机理有了更深入的研究,因此酶的定点突变改造提高催化特性成为活跃的研究领域之一。脂肪酶CAL-B催化酯化或水解反应中对醇底物具有非常好的立体选择性,是当前学术界和工业生产中应用最广泛的脂肪酶之一,CAL-B的催化中心由Ser(105)-His(224)-Asp(187)组成的三联体、Thr(40)、Gln(106)组成的氧穴和特异性底物结合口袋构成,其中两个袋状的基质结合区分别结合酯类化合物结构上的酰基部分和羟基部分。本论文主要对CAL-B的特异性底物结合口袋热点残基进行定点突变,并研究其突变株的催化立体选择性调控规律,主要研究成果总结如下:  论文将CAL-B活性中心醇口袋底部104位色氨酸突变为体积较小氨基酸;共获取CAL-B的突变株WB系列29种。其中WB2-WB8为单一位点突变株,WB9-WB12在WB7基础上将活性口袋入口处281位、282位氨基酸突变;WB14在WB9基础上将酸口袋中149位氨基酸突变;WB22在WB9的基础上再突变了144位的氨基酸;WB15-WB25(除WB22)在WB9基础上对酸口袋144位、149位氨基酸进行了一系列突变;经过基因测序检验基因序列并确认正确。实验主要纯化了5种突变株的酶液,通过SDS-PAGE凝胶电泳测定杂蛋白的含量明显减少,CAL-B及其突变株的分子量约33kDa;实验得到纯酶溶液,并直接在酶液中加入表面活性剂冷冻干燥获得固体酶粉。  论文研究了CAL-B突变株催化乙酸苏合香酯水解合成手性仲醇的立体选择性,并用手性气相色谱分析实验结果。研究表明:野生型CAL-B催化乙酸苏合香酯水解选择R构型的底物水解,而CAL-B突变株优先选择S构型的底物水解,立体选择性发生了反转,其中WB2、WB7、WB11、WB14、WB15、WB16、WB17、WB18、WB20、WB21等10种突变株的催化活性和立体选择性最优,一定反应时间内产率达30%至50%左右,ee值在78%以上,E值均大于20。论文进一步研究CAL-B突变株催化选择性与底物结构的关系,当底物手性碳原子上烷基链逐渐增长到5个碳原子时,突变株的催化效率逐渐提高而选择性逐渐下降,但野生型CAL-B催化活性快速减低;当苯基依次被溴、硝基、甲氧基取代后,突变株的催化活性迅速降低;活性口袋对催化效率和立体选择性均有明显影响。CAL-B突变株催化的底物适应性结果表明:CAL-B突变株有较广的底物范围,可催化一系列底物拆分合成手性仲醇。论文还研究了CAL-B突变株104位被突变回色氨酸后新酶WB26、WB27催化乙酸苏合香酯立体选择性与野生型一致,进一步证明了104位突变是选择性反转的重要因素。  论文研究了CAL-B突变株催化1-苯乙醇与醋酸乙烯酯酰化拆分反应的立体选择性,主要考察了突变株WB2、WB7、WB11、WB14在甲苯中催化选择性酯化的反应活性与立体选择性。结果表明:CADB突变株催化选择性酯化中,主要选择S构型底物醇反应,4种突变株均表现出相同的立体选择性,且WB7和WB11催化性能最佳;CAL-B野生型则主要选择R构型底物醇反应;这与水解拆分反应的结果基本一致。论文还进行了动力学实验,测定了两种CAL-B突变株WB2、WB11催化不同浓度乙酸苏合香酯的初始反应速率,计算出酶促动力学常数Km与kat,并与野生型对比分析。
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