生物素的全合成及其結(jié)構(gòu)—功能關(guān)系研究.pdf

1、論文對生物素全合成的文獻進行了綜述,重點討論了目前工業(yè)上最有競爭力的內(nèi)酯-硫代內(nèi)酯路線,展示了生物素是如何以最少的步驟去逐步構(gòu)建目標產(chǎn)物的官能團骨架并同時解決立體化學(xué)問題的.從工業(yè)化潛力的角度,我們設(shè)計了一條全合成路線:以反丁烯二酸為起始原料,經(jīng)過溴加成、芐胺取代、環(huán)合、合成酰亞胺、還原、合成內(nèi)酯、硫代、上側(cè)鏈、催化加氫、脫芐基十步反應(yīng)合成得到D-生物素.然后,又運用綠色化學(xué)的原理對全合成工藝進行了綠色化改造,去除了大部分有毒有害的試劑

2、,回收利用了90﹪以上的溶劑,進一步提高了反應(yīng)的原子經(jīng)濟性和轉(zhuǎn)化率,從而大幅度降低了原生產(chǎn)工藝中的環(huán)境污染和能源消耗.整條路線總收率約為18.6﹪,工藝簡單,原料成本低,基本實現(xiàn)了清潔生產(chǎn),于2002年在浙江省成功實現(xiàn)了工業(yè)化.通過生物素的全合成研究可以看到,在多數(shù)情況下綠色化學(xué)的目標與追求經(jīng)濟效益的目標是一致的.綠色化學(xué)確實是有效的.生物素羧化酶是目前研究酶催化反應(yīng)的一個經(jīng)典體系.盡管對生物素的生理機制已經(jīng)有了大量的研究,但其結(jié)構(gòu)-功

3、能關(guān)系仍未被充分地理解.生物分子都是在水溶液中才具有功能和活性的,它們的生物功能是由其化學(xué)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)決定的,而這種構(gòu)效關(guān)系主要由水溶液中的弱相互作用決定的.因此論文首先對水溶液中弱相互作用的現(xiàn)代研究方法進行了介紹,從中選擇譜學(xué)實驗、熱力學(xué)理論、量子化學(xué)理論計算和分子動力學(xué)模擬作為研究手段.然后從生物素的譜學(xué)和生物學(xué)實驗出發(fā),先建立了合理的生物素結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系模型;接著采用核磁共振和分子動力學(xué)模擬對不同溶液中生物素的構(gòu)象和動力學(xué)進行分

4、析;從中抽提出典型的構(gòu)象,結(jié)合量子化學(xué)理論計算進一步分析了生物素分子中各個組成部分的角色以及它們與水分子形成分子聚集體的協(xié)同作用機理,主要得出以下結(jié)論:(1)生物素的每個原子都完美地組成了其獨特的空間結(jié)構(gòu),三個全順式手性碳使得環(huán)脲、硫原子和側(cè)鏈之間能在水溶液中相互作用,形成了一個很大的電子離域體系.(2)側(cè)鏈的羧基能與羧化酶結(jié)合對底物進行識別,還會與環(huán)脲部分作用形成分子內(nèi)氫鍵的構(gòu)象,從而造成了兩個NH基團的差異.(3)水分子使得生物素在

5、水溶液中的結(jié)構(gòu)呈高度柔性,存在一個伸展、半折疊和折疊構(gòu)象的動態(tài)平衡.雖然形成分子內(nèi)氫鍵的折疊構(gòu)象在溶液中出現(xiàn)的時間很短,但這正是人們所希望的結(jié)果,可以通過生物素在水溶液中形成折疊構(gòu)象及其產(chǎn)生的氫鍵協(xié)同作用作為"開關(guān)"來控制酶催化過程.在生物素的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系中,弱相互作用扮演了非常重要的角色.我們認為生物素的獨特結(jié)構(gòu)及其在水溶液中的構(gòu)象柔性及氫鍵協(xié)同作用在酶催化過程中扮演了決定性的角色.氫鍵協(xié)同作用也是生物素-親合素/鏈酶親合素體系特別