酮还原酶催化机理及应用的研究进展
摘要：酮还原酶作为高效的生物催化剂，从相应的酮底物出发制备手性醇化合物。本文综合介绍了国内外酮还原酶活性改造方面的研究进展，并对酮还原酶的来源、结构、催化机理和应用等进行了综述。
关键词：酮还原酶；活性改造； 生物催化；筛选优化
1 酮还原酶简介
酮还原酶是指能将不同类型的含羰基物质（如醛、酮、酮酸、酮酯等）催化还原为手性醇的一类酶，一般都有较好的选择性（包括化学、区域和立体）。随着工业的发展，利用酮还原酶作为手性催化剂将不同羰基化合物酶促转化为手性醇已成为获得手性醇的常用方法。这种方法可以应用在表达酮还原酶的全细胞中，也可以直接用游离酶来催化反应。对于酮还原酶的体外应用，常常还需要向反应体系中添加辅因子NAD(P)H，或者联合其它酶将辅因子再生[1]。如葡萄糖脱氢酶(GDH)、甲酸脱氢酶(FDH)、醇脱氢酶(ADH)等，均可与酮还原酶联合使用，构建一个完整的辅因子循环系统。
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- 嗜热菌来源的酮还原酶
酮还原酶来源广泛，在许多细菌和酵母中都有发现，如Candida magnoliae（木兰假丝酵母）、Sporobolomyces salmonicolor（赭色掷孢酵母）、Candida parapsilosis（近平滑假丝酵母）等。为适应所处环境的需求，一般情况下一种细菌中往往含有多种不同的酮还原酶。目前，人们已经在40多种嗜热古生菌和嗜热细菌中发现了上百种酮还原酶。这些嗜热菌来源的酮还原酶即为嗜热酮还原酶，这种类型的酶对极端环境具有较强的耐受性。
Kohji等对Streptomyces thermocyaneoviolaceus来源的嗜热酮还原酶催化合成手性醇进行了较为系统的研究[2-4]。研究人员发现该酮还原酶具有较好的热稳定性，在4℃下存放3个月酶活残留为100%，37℃下水浴4天酶活残留为88%，50℃下水浴12h酶活残留位60%。另外，Kohji等还对该酮还原酶进行了有机溶剂和变性剂耐受性的研究，分别在30%二甲基亚枫（DMSO）、30%二甲基甲酰胺（DMF）、1M胍和0.1%Trition X-100四种溶液中温浴4天后，酶活残留100%。
由于嗜热酮还原酶具有很好的环境耐受性，对高温、高压和高盐度等环境抵御能力强，同时还可以经受常见变性剂（如尿素、胍、Triton X-100等）和有机试剂（如二甲基亚枫、二甲基甲酰胺等）的作用而不致失活，这些优点都是普通酮还原酶不具有的，所以嗜热酮还原酶引起的关注越来越多。
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- 醛酮还原酶的结构
醛酮还原酶家族都含有一段固定的保守序列与相似的三维空间结构，其构型是(alpha;/beta;)8桶状折叠（如图1a所示），由8个beta;折叠片与8个alpha;螺旋反向平行相互交叉相嵌而成，每一条beta;折叠片的羧基端与alpha;螺旋的氨基端相互结合相嵌，组合构成酮还原酶催化活性中心区域。酶的催化活性中心以其一级氨基酸序列为准则可以分为三个环，分别标记为A-,B-和C-环（如图1b所示），每个环的长度大小和氨基酸序列排布都有所不同，由于其柔软性极强，可作为酶及辅酶与底物结合的活性疏水口袋，从而容纳不同构型及大小的底物，这对酶能否具有底物广谱性起决定性因素。[5]
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