根据结构阐释CESH[D]的立体催化机制

2018-07-12 17:12:26     来源: 贤集网

酒石酸具有L(+)和D(-)型对映体,是很多精细化学品和药物合成的手性前体元件。自然界中的酒石酸以L(+)型为主,而D(-)型酒石酸在自然界中较少存在,同时由于酒石酸是镜像对称的小分子量化合物,化学方法制备高对映体纯度酒石酸也比较困难。


通过环氧化物水解酶等生物催化剂可以水解顺式环氧琥珀酸,高效制备高对映体纯度的酒石酸,其中产生L(+)和D(-)酒石酸的顺式环氧琥珀酸水解酶分别称为CESH[L]和CESH[D]。


虽然在上世纪70年代就已经在自然界中发现了CESH[L]和CESH[D],并随后在工业化生产酒石酸中得到了应用,但由于缺乏这两种酶的晶体结构,它们的立体催化机制一直还不清楚。


此外,环氧化物水解酶种类繁多,已有的研究表明可以通过分子改造实现对不同种类的环氧化物底物进行水解,从而可以用来制备多种手性化合物,在生物催化剂的开发中具有重要意义。


中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学研究组研究人员在前期获得的CESH[D]高纯度表达纯化的基础上,通过与清华大学研究人员合作,成功解析了CESH[D]的高分辨晶体结构,并根据结构阐释了CESH[D]的立体催化机制,近期发表在Chem.Commun.上。CESH[D]的结构表明,一个锌离子在底物结合中起到了关键作用,而周边残基通过大量的氢键作用使得催化残基和底物被精确固定,从而实现了高精度的立体催化,产生高对映体纯度的D(-)酒石酸。对CESH[D]的结构和催化机制的阐明,同时为基于这类酶进行新型生物催化剂设计开发提供了基础。

产D(-)酒石酸的顺式环氧琥珀酸水解酶CESH[D]的结构与催化机制

图1 产D(-)酒石酸的顺式环氧琥珀酸水解酶CESH[D]的结构与催化机制。(A)CESH[D]的整体结构。(B)CESH[D]的活性位点结构及推测的底物结合模式。(C)根据结构分析推断的催化机制。


上述工作由青岛能源所研究员冯银刚、崔球和清华大学教授王新泉合作指导完成,青岛能源所副研究员东升为论文的第一作者,该研究得到了国家自然科学基金委项目的支持。


相关成果发表:


1.Sheng Dong,Xi Liu,Gu-Zhen Cui,Qiu Cui*,Xinquan Wang*,Yingang Feng*(2018)Structural insight into the catalytic mechanism of a cis-epoxysuccinate hydrolase producing enantiomerically pure D(-)-tartaric acid.Chem.Commun.DOI:10.1039/C8CC04398A.


2.Gu-Zhen Cui,Shan Wang,Yifei Li,Yi-Jun Tian,Yingang Feng,Qiu Cui*(2012)High yield recombinant expression,characterization and homology modeling of two types of cis-epoxysuccinic acid hydrolases.Protein J.31(5):432-438.


3.Shan Wang,Gu-Zhen Cui,Xiang-Fei Song,Yingang Feng*,Qiu Cui*(2012)Efficiency and stability enhancement of cis-epoxysuccinic acid hydrolase by fusion with a carbohydrate binding module and immobilization onto cellulose.Appl.Biochem.Biotechnol.168(3):708-717.

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