生物催化系列 — 羧酸酯酶

羧酸酯酶（Lipase & Esterase，PLE）也称为酯酶、脂肪酶，是一类能够催化羧酸酯键断裂和形成的酶，可参与水解、酯化及转酯等多种反应，羧酸酯酶的反应式（如图1）所示。

图1. 羧酸酯酶催化水解、酯化和转酯的反应式

羧酸酯酶属于酯酶的一种。酯酶在自然界中广泛存在，种类繁多。根据来源不同可分为：动物性、植物性及微生物酯酶，大多数酯酶来源于微生物；根据作用的底物种类的不同可分为：羧酸酯酶（如脂肪酶和胆碱酯酶）、磷酸单酯酶（如碱性磷酸酶）、磷酸二酯酶（如核酸酶和磷脂酶）、磷酸三酯酶、硫酯酶和硫磷酸酯酶等^[1-2]。

PLE均具有典型的α/β酯酶折叠结构（α/β hydrolase fold），该折叠结构由一个平行的β折叠片构成，该折叠片由8条链组成，其中第2条链（β2）为反平行。由α螺旋（αA-F）连接平行的β链（β3-8），位于中心β折叠片的两侧（如图2）^[3]。不同酶的α/β水解酶折叠蛋白的结合亚结构域在长度和结构上存在差异，这也解释了酯酶的底物多样性。

图2. α/β水解酶折叠结构^[3]

由于羧酸酯酶的生物催化反应具有反应条件温和、反应介质的选择性大、产物易分离纯化、反应副产物少、能耗小、不需要辅酶以及具有高度的立体选择性和专一性的优点。目前羧酸酯酶被广泛应用于食品、新型生物材料、化工、生物传感器、生物医学、生物柴油及手性药物等领域^[1]。其中羧酸酯酶在合成手性医药中间体中的应用实例如下：

实例1、制备普瑞巴林手性中间体^[5]

实例2、制备(R)-1-苯乙醇^[6]

实例3、制备罗格里扎(Ragaglitazar)中间体^[7]

酯酶的酯水解反应催化机制是基于一个催化三联体，该催化三联体由一个丝氨酸-组氨酸-天冬氨酸/谷氨酸（Ser-His-Asp/Glu）构成，与丝氨酸水解酶非常相似。酯酶催化水解羧酸酯的反应分为两步完成（见图3）。其中第一步为酰化过程：催化三联体中的Ser的羟基氧原子会攻击脂质酯键中的活化羰基碳原子，形成不稳定的四面体中间体，其保留了羰基碳的带负电荷的氧；该四面体中间体通过与被定义为“氧阴离子空穴(oxyanion hole)”中的氮原子骨架（NH-基团）形成氢键而稳定^[4]；His接收了Ser羟基上的质子，质子精确地定向转移至组氨酸的咪唑环，并部分中和其上产生的电荷；随后，质子被传递至易裂解键的酯基氧原子，导致该键断裂。此时，底物中的酸性成分与亲核的丝氨酸发生酯化，从而释放醇^[3]。第二步为脱酰过程：活性位点的His通过从水分子中夺取一个质子，以激活水分子产生OH^-，OH^-会攻击与Ser共价连接的酰基团的羰基碳原子，这个过程中同样会形成一个短暂的带负电的四面体中间体，该中间体同样通过与氧阴离子空穴的相互作用而得到稳定；组氨酸向活性丝氨酸残基的氧原子提供一个质子，然后丝氨酸残基释放出酰基产物；酶-脂肪酰基复合物在酰基产物释放之后，酶恢复其原始形状，准备好进行下一轮催化^[3]。

图3. 酯酶的酯水解反应催化机理^[3]

尚科生物从2007年来就专注于生物酶和生物催化技术以及合成生物学技术的开发与应用研究。尚科生物现有的酯酶酶库（代号：ES-PLE）中包含44种不同的酯酶，可以为客户提供酶筛选、酶促反应工艺优化、酶改造和生产供应服务。

[1] Panda T, Gowrishankar BS. Production and applications of esterases. Appl Microbiol Biotechnol. 2005 Apr;67(2):160-9.

[2] 王叶青.酯酶、脂肪酶的筛选、表达和性质表征[D].吉林大学,2014..

[3] Jaeger KE, Dijkstra BW, Reetz MT. Bacterial biocatalysts: molecular biology, three-dimensional structures, and biotechnological applications of lipases. Annu Rev Microbiol. 1999;53:315-51.

[4] Shah H, Zhang C, Khan S, Patil PJ, Li W, Xu Y, Ali A, Liang E, Li X. Comprehensive Insights into Microbial Lipases: Unveiling Structural Dynamics, Catalytic Mechanism, and Versatile Applications. Curr Microbiol. 2024 Oct 7;81(11):394.

[5] 刘佳言.对硝基苄基酯酶的底物图谱、分子改造及其用于制备手性芳香仲醇的研究[D].华东理工大学,2014.

[6] Wang, W., Li, L., Wang, X., Qiu, T., Yang, J., & Ye, C. (2021). Reaction kinetic studies on the immobilized-lipase catalyzed enzymatic resolution of 1-phenylethanol transesterification with ethyl butyrate. Biocatalysis and Biotransformation, 39(1), 29–40.

[7] Deussen H-J, Zundel M, Valdois M, et al. Process development on the enantioselective enzymatic hydrolysis of S-ethyl 2-ethoxy-3-(4-hydroxyphenyl) propanoate. Org Process Res Dev, 2003, 7: 82-88.

责任编辑：琉璃

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