光酶催化混乱性反应的研究进展

光催化具有条件温和、可再生、反应性强等优点,然而由于自由基的高活性往往导致其选择性难以调控,限制了光催化在不对称有机合成中的广泛应用。酶催化虽具有高选择性和专一性的优势,但这也导致其存在反应类型单一和底物谱窄等缺陷。将反应性强的光催化与选择性高的酶催化相结合的光酶催化则可以提供一种全新的合成模式,实现优势互补,更加符合现代绿色有机合成的要求。狭义的光酶催化反应,也就是光酶协同反应一般包括以下四类:天然光酶反应,人工光酶反应,光催化与酶催化的偶联反应以及光酶催化混乱性反应。近年来,光酶催化的研究蓬勃发展,解决了许多传统有机合成中难以实现的问题,尤其是在不对称合成领域已占据重要地位。例如,脂肪酸光脱酸酶可以催化长链脂肪酸脱羧转化为相应烃类;结合光敏辅因子和蛋白骨架的人工光酶大大拓展了酶的应用范围,催化更多样化非天然有机化学品的生物合成;光催化剂催化光化学反应与酶催化反应的偶联方式可以实现一些复杂的有机合成过程;以及近年来一些含有光敏辅因子的氧化还原酶在光激发下催化新分子混乱性反应的功能。尽管已有许多文献对相关研究进行了总结,但是自2023年以来,光酶催化混乱性研究不断突破,涌现出许多全新的光酶催化反应类型和反应机理,立体选择性和区域选择性的精准调控更是满足了不对称合成的重大需求。对于这个飞速发展的领域,系统归纳其成果仍显得至关重要。因此本综述聚焦在光激发下光敏辅因子依赖型酶催化的混乱性反应最新研究成果,根据不同催化反应类型,分别介绍光酶通过自由基途径实现不对称脱卤、氢化、分子内环化、分子间C—C/C—N/C—S键交叉耦合等非天然反应。这些反应由于酶和底物的不同,展示了不同机理。例如在氧化还原起始过程中,包括单电子还原起始和单电子氧化起始两种类型;在自由基终止过程中,可能采用单电子还原终止和单电子氧化终止,而单电子还原终止方式中也存在氢原子转移和电子转移/质子转移耦合过程等不同情况。机理的多样性也为拓展更多的光酶催化混乱性反应提供了可能。在未来,新型的光酶催化方法将在快速发展的基因工程、合成生物学、酶工程,以及流动化学、人工智能等学科和技术的推动下,涌现出更多高效、高选择性的新分子新功能反应,显著拓展光酶催化方法在有机合成(尤其是绿色不对称合成)领域中的应用范围。

TiO_(2)/g-C_(3)N_(4)高效固定漆酶光酶协同催化降解毒死蜱

光催化和酶催化是环境友好型技术,常用于污染物的降解,但单一的催化体系催化性能不足,需要协同催化体系来促进污染物的降解。将TiO_(2)和g-C_(3)N_(4)复合材料作为漆酶(Lac)的载体,搭建光酶协同催化体系用于降解毒死蜱,所制备的TiO_(2)/CN/Lac具有较大的比表面积(71.080 9 m^(2)/g)和较高的酶活回收率(83%)。通过改变光照,在最佳pH为3、温度为35℃下,复合材料在24 min内对20 mg/L的毒死蜱降解率可达74%;同时进行了循环稳定性试验,在进行5次循环后,其降解率仅降低了11%;对复合材料进行了降解动力学研究,光酶协同体系反应速率常数为0.028 3 min^(-)1,分别是光催化体系和酶催化体系的1.7和7.0倍。TiO_(2)/CN/Lac作为一种环境友好型催化剂,在降解水中毒死蜱方面具有较大潜力。

具有电子转移路径的金属化氮化碳选择性再生NADH和光酶偶联CO_(2)还原

将CO_(2)转化为燃料和化学品被认为是缓解能源危机的一种有效策略.受自然光合作用的启发,光酶偶联结合了光催化和酶催化的优点,在绿色生物制造中具有较好的应用前景.铑(Rh)络合物是选择性再生还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(M-NADH)的关键介体,其固定化可以提高体系的可持续性,并有效缩短电子传递路径,因而受到广泛关注.本文制备了联吡啶功能化的金属化氮化碳(PCNRhbpy_(4)),用于光酶偶联催化CO_(2)还原.首先以双氰胺为前驱体,通过两步退火法制备氮化碳(PCN),再与5,5’-二氨基-2,2’-联吡啶(DABP)进一步热缩合,然后锚定[Cp*RhCl2]2获得PCNRhbpy4,并通过透射电镜、扫描电镜、粉末X射线衍射、紫外可见光吸收光谱、瞬态表面光电压和荧光发射光谱等进行表征.结果表明,合成的PCNRhbpy4材料具有掺杂石墨烯结构,且通过残余的末端联吡啶结构均匀地固定了Rh络合物.以PCNRhbpy4作为光催化剂实现了1,4-NADH的100%选择性再生,并在2.0 min内实现了80%的NADH再生.进一步耦合固定在疏水膜上的甲酸脱氢酶,可以有效地将CO_(2)还原为甲酸盐,48 h内甲酸盐浓度达到7 mmol L^(-1).此外,光催化剂的循环实验结果表明,PCNRhbpy4具有较高的稳定性.反应机理研究结果表明,光生电子经N-掺杂石墨烯传递到Rh活性位点,并结合溶液中的质子,随后氢负离子通过环滑移机制传递到NAD+,高选择性再生1,4-NADH.综上,本文为Rh的固定化开辟了一条新路径,实现了光酶催化CO_(2)还原,为光酶催化在绿色生物制造的实际应用提供参考.

萤火虫和海肾萤光酶在植物分子生物学中的应用

在植物分子生物学中,编码生物发光蛋白的基因作为报告基因广泛用于检测基因表达.萤火虫萤光酶和海肾萤光酶都具有定量分析方法上的优势,基于此人们开发了双萤光酶报告基因体系.本文就萤火虫和海肾萤光酶的特点及其在植物分子生物学中的应用作一概述.

光酶级联一锅法合成手性脂肪胺

对映体脂肪胺在有机合成与化工领域具有广泛的应用,但其主要依赖于金属催化获得.我们设计了一种光催化与酶催化级联催化的合成方法,由脂肪醇出发合成手性脂肪胺.通过筛选,发现9-芴酮在可见光激发下可高效催化脂肪醇氧化为脂肪酮,后者作为反应中间体被转氨酶在胺供体存在下经转氨反应合成手性胺.在一锅法条件下,该级联方法转化率可达99%,目标产物的光学纯度>99%.此外,该光催化体系可分别与手性互补的转氨酶级联,进而获得手性反转的脂肪胺产物.该光酶级联催化方法充分结合了光催化的高效率与酶催化的立体选择性优势,为手性脂肪胺类分子的合成提供了一种新型合成方法.

光酶级联催化降解有机污染物

目的:解决过氧化物酶催化降解过程中需要添加过氧化氢导致的系列问题。方法:采用光催化原位生成过氧化氢级联过氧化物酶催化策略,通过筛选催化剂晶型、反应体系pH值和温度,实现酚类化合物和偶氮染料的高效降解。结果:8种不同结构的有机污染物在40min内达到了良好的降解率。结论:与传统的有机污染物降解方法相比,试验建立的光酶级联策略具有绿色高效的特点,在环境安全和食品安全领域具有较好的应用潜力。

DNA光修复酶在不同领域中的应用前景及发展挑战

DNA光修复酶已被发现可用于修复紫外线照射皮肤时产生的DNA共价交联——嘧啶二聚体,以保证生物遗传信息的完整性和延续性。DNA光修复酶具有修复的潜力,在外用面霜中添加或在医疗过程中使用均可以逆转皮肤损伤,防止不同皮肤疾病的发展,并且在农业植物改造方面有较好的应用前景。本文系统、全面地介绍了DNA光修复酶及其应用前景和面临的挑战。

理性改造光脱羧酶并用于反式脂肪酸选择性脱羧反应

立足光酶催化合成和酶的理性改造等研究前沿,设计了一例光酶催化的反式脂肪酸高选择性脱羧去除实验。具体地,本实验借助分子对接技术,理性设计脂肪酸光脱羧酶Cv FAP的突变体V453E-Cv FAP,并实验验证该突变体能够选择性地催化反油酸的脱羧反应,从而实现顺式脂肪酸的富集。实验涉及培养细胞、诱导酶表达、提取酶液、设计反应以及产物的定性、定量分析等内容,非常适合在化学生物学实验或综合化学实验课程中开设。

化学原理驱动的光生物不对称催化研究进展

手性选择性的调控一直是合成化学的重要研究主题。酶是绿色、高选择性的天然手性催化剂,但在绿色生物合成中的应用受限于进化形成的分子结构和催化机制,光催化通过捕获光子能量实现底物分子的化学键活化,是引发自由基反应的重要策略,融合光化学和酶的光生物催化正成为不对称催化合成的新兴合成工具。利用蛋白质改造、定向进化等先进分子生物学技术,基于光化学的化学原理挖掘辅酶的非天然催化功能,探索光催化剂与酶的协同耦合作用新模式,理性设计人为定义功能的人工光酶,能突破天然酶催化的底物谱和反应类型,有效弥补天然光酶的稀缺性,拓展生物催化的化学边界和合成空间。本文综述了化学原理驱动光生物催化不对称反应的最新研究进展,依据光和酶之间的耦合模式和催化机制,将文献分为外源光催化剂与天然酶耦合、电子供体-受体复合物激发驱动的光酶催化、辅酶直接光氧化还原和光酶能量转移催化四种不同类型,分别详细探讨其分子活化机制和立体化学调控的化学原理。此外,本文也对光生物不对称催化存在的辅酶类型单调、催化效率低等挑战进行了总结,并从天然酶库的深度挖掘、人工光酶类型的拓展、酶的从头设计和全细胞催化等角度展望了未来的发展方向,通过化学和生物融合实现高价值功能分子的绿色生物制造,推动合成化学的可持续发展。

赤霉素和磷肥配合施用对胡麻光合酶活性及其产量形成的影响

为探究赤霉素和磷肥配合施用对胡麻叶片光合酶活性以及籽粒产量的影响,以‘轮选2号’为材料,采用田间二因素裂区试验设计,研究了不同磷肥用量水平(P 0:0 kg·hm^(-2)P_(2)O_(5),P 1:67.5 kg·hm^(-2)P_(2)O_(5),P 2:135 kg·hm^(-2)P_(2)O_(5))和赤霉素(Gibberellin acid,GA _(3))喷施浓度(G _(0):0 mg L^(-1),G _(1):15 mg·L^(-1),G _(2):30 mg·L^(-1))对胡麻光合同化酶活性、干物质积累量及籽粒产量的影响。结果表明:施磷和喷施赤霉素均显著提高了胡麻叶片RuBP(Ribulose-1,5-bisphosphate)、PEP(Phosphoenolpyruvate)羧化酶活性,增加了胡麻全生育期干物质积累量和籽粒产量。P _(0)和P _(1)水平下,胡麻花后干物质积累量和产量均随GA 3喷施浓度的增加而增加,其中,G _(2)较G _(0)分别提高8.08%~27.32%和7.64%~9.04%;P 2水平下,胡麻全生育期干物质积累量、现蕾~盛花期喷后1 d和5 d叶片RuBP羧化酶活性均在G _(1)浓度下最高;同一GA _(3)喷施浓度下,施磷显著提高了胡麻叶片光合同化酶活性、干物质积累量及籽粒产量。与不施磷肥和赤霉素比较,施磷和喷施赤霉素显著增加了盛花期叶片PEP羧化酶活性,平均增幅达147.44%~265.87%,且P _(1) G _(2)和P _(2) G _(1)处理显著增加了现蕾期叶片RuBP羧化酶活性,增幅分别达9.77%~128.82%和7.14%~126.33%;2个生长季节内胡麻籽粒产量均以P _(1) G _(2)和P _(2) G _(1)处理较高,二者较P _(0) G _(0)处理分别显著提高15.88%和17.64%(P<0.05),较其他处理分别提高2.91%~13.81%和1.28%~12.94%。互作效应分析表明,磷肥与赤霉素互作对胡麻叶片RuBP、PEP羧化酶活性、全生育期植株干物质积累量和籽粒产量的影响均达显著水平。相关性分析表明,胡麻叶片RuBP、PEP羧化酶活性均与干物质积累和产量有显著的正相关关系。综上可知,施磷67.5 kg·hm^(-2)配合喷施30 mg·L^(-1)GA 3和施磷135 kg·hm^(-2)配合喷施15 mg·L^(-1)GA _(3)可显著提高胡麻现蕾期、盛花期叶片光合同化酶活性,促进胡麻群体干物质的积累,增产效果显著,可作为试区适宜的胡麻高产施肥管理模式。

酶-光偶联催化系统中分子-电子-质子传递过程与机制

酶-光偶联催化系统(EPCS)集成了半导体的光吸收能力和酶的高活性/特异性,可模拟自然界光合作用实现太阳能驱动的有用化学品合成.作为EPCS中的“能量货币”,辅因子(如NAD(P)+和NAD(P)H)参与了约80%的酶促氧化还原反应,且在酶-光间充当物质/能量交换的枢纽.然而,EPCS涉及光催化和酶催化反应,涉及分子、电子和质子传递过程,属于典型的复杂多相反应,导致其光-化学转化效率与理论值差距较大.本文从微观尺度对EPCS中分子-电子-质子传递过程进行了理解和剖析,系统介绍了自然界光合作用和EPCS中的“新三传”现象.此外,与传统化工领域通过强化宏观尺度上“三传”(即质量传递、热量传递和动量传递)提升单元操作过程效率的方法类似,本文总结并提出了通过协调优化“新三传”(即分子传递、电子传递和质子传递)来强化EPCS中物质-能量耦合关系,进而提升光-化学转化效率的新策略.其中,分子传递主要包括电子供体分子从反应液向催化剂传递以及辅因子分子在光催化模块和酶催化模块间穿梭;电子传递主要包括光生电子从其生成位点到光催化剂表面进而到电子媒介的传递;质子传递主要包括质子从溶液或催化剂表面向电子媒介的传递.期望通过“新三传”强化EPCS效率的理念,打破自然界光合作用的局限,实现温和条件下多种功能分子的高效合成,为人工光合与绿色生物制造领域提供新思路.

光酶诱导技术增加植物活性成分的研究进展

目的介绍光酶诱导在植物活性成分研究中的进展。方法检索、阅读国内外的相关文献进行归纳总结。结果与结论光酶诱导技术可以显著提高植物中活性成分的含量,并诱导产生结构新颖的化合物,在提高中药材质量方面有着很好的工业化应用前景。

SWATH定量蛋白质组学揭示光酶诱导桑叶及桑辛素N对家蚕中肠组织的影响

桑是一种重要的药用植物,桑叶是家蚕的主要食物来源.前期研究表明,桑叶经光酶诱导后次生代谢产物的含量发生变化,其中桑辛素N的含量显著增加.为了研究饲喂不同桑叶对家蚕生长发育的影响,本文应用了SWATH定量蛋白质组学技术对饲喂新鲜桑叶(FM)、饲喂光酶诱导桑叶(UVM)及饲喂涂布桑辛素N(NM)的桑叶家蚕中肠组织进行蛋白质表达谱的差异分析.结果表明,与FM组相比,在UVM组中共鉴定到90个差异蛋白,而在NM组中共鉴定到182个差异蛋白.其中与能量代谢相关蛋白液泡ATP合酶上调表达17倍,与家蚕抗病性相关的蛋白如ABC转运蛋白、PDCD6IP、核糖体蛋白等均有不同程度上调表达.GO注释和KEGG pathway分析结果表明,饲喂诱导桑叶或涂布桑辛素N的桑叶会影响家蚕氨基酸代谢和丙酸代谢.因此,光酶诱导桑叶及桑辛素N有可能发展成为一种潜在的药物用于提高家蚕的免疫力.

谷氨酸酶促反应中光替代谷氨酸氧化酶的研究

在弱碱性 (p H=10 .6 )介质中 ,紫外光的照射引起谷氨酸的光化学反应 ,产生 H2 O2 和 NH3 ,与谷氨酸氧化酶存在下的酶促反应等效 .以萘斯勒试剂使产物中的 NH3 显色并用分光光度法测定 ,以及以氯化血红素 (hemin)作为过氧化物酶的替代物 ,催化产物中的 H2 O2 氧化、偶联对羟基苯乙酸(HPA)的荧光反应并进行荧光检测 .据此分别建立了间接测定谷氨酸的新方法 .

光替代谷氨酸氧化酶及荧光法测定谷氨酸

在弱碱性介质中，紫外光的照射引起谷氨酸的光化学反应，产生Ｈ２Ｏ２和ＮＨ３，与谷氨酸氧化酶存在下的酶促反应等效。利用氯化血红素（ｈｅｍｉｎ）作为过氧化酶的替代物，催化Ｈ２Ｏ２与对羟基苯乙酸（ＨＰＡ）的偶合荧光反应，建立了间接荧光法测定谷氨酸的方法。

禽蛋中胆固醇的酶催化分光光度测定法研究

本实验建立一种禽蛋中胆固醇含量快速测定方法——酶催化分光光度法。禽蛋匀浆液由直接皂化法处理,经酶工作液催化后,用分光光度法于波长500nm处测定其含量。方法回收率均在90%以上,变异系数均低于4%,线性范围20～600mg/ml,具有良好的准确度与精密度,适合禽蛋中胆固醇含量的快速测定。

竹红菌甲素对红细胞膜上几种酶光敏失活作用的研究

本文比较了竹红菌甲素对人红细胞膜AchE,GPDH,Na^+-K^+ATPase和Ca^(2+)-Mg^(2+)ATPase的光敏失活能力,结果表明甲素对Ca^(2+)-Mg^(2+)ATPase作用最强,Na^+-K^+ATPase次之,GPDH再次之,AchE最不敏感,甲素还引起膜蛋白巯基氧化,膜脂质过氧化。其中,巯基氧化可能是ATPase光敏失活的主要原因,而脂质过氧化对ATPase活力损伤作用不大。游离GPDH不如与膜结合的GPDH敏感。GSH,NAD分别对ATPase,GPDH有保护作用。膜蛋白的电泳及内源荧光证据表明:在GPDH活力受到严重损伤时,酶结构并未发生剧烈改变。

酶抑制分光光度法与表面增强拉曼散射在农药检测中的进展

实现有机磷农药残留的快速检测,对农产品质量安全和人民生命健康具有重要意义。本文针对有机磷农药快速检测中的酶抑制分光光度法和表面增强拉曼光谱技术(SERS)分别就研究进展、应用情况以及面临的问题进行综述,旨在为后续有机磷农药快速检测的研究人员提供技术与应用参考。酶抑制分光光度法可对样品中有机磷农药残留总量做粗略估计,主要应用于大量样品进行快速筛选,但在检测过程中,存在酶活性一致性差、易受检测对象干扰以及检测环境严格等缺点。SERS技术具有指纹特性、检测速度快、检测成本低以及检测精度高等优点,可对样品中的有机磷农药残留进行快速定性定量分析,具有巨大的应用潜力。当然,作为新兴分析手段,在重复与稳定性上仍面临一些问题。

酶抑制分光光度法检测蔬菜上有机磷和氨基甲酸酯类农药残留的方法的研究

为了缩短用于蔬菜上有机磷和氨基甲酸酯类农药残留检测的酶抑制分光光度法的检测时间对抑制时间为10min时的最适条件进行了研究。提出了新的最适条件确定标准,即保证酶的活性保持在一定的水平的基础上(0.1333min-1≤k1≤0.2667min-1[1]),选择抑制率(以甲胺磷为抑制剂)最高时的温度和pH值作为最适条件。确定了抑制时间为10分钟时的最适条件为:抑制温度47.0℃,pH值为7.7。进而在此最适条件下确定了新的检测结果判断标准:当酶抑制率≥58%时,蔬菜中含有某种有机磷或氨基甲酸酯类农药残留为阳性。