腈水合酶的最新进展和前景：从机理到工业应用
摘要：腈水合酶（NHase，EC 4.2.1.84）是一种参与腈生物转化为酰胺的金属酶。鉴于其在酰胺生产中的催化特异性和生态友好性，NHase在过去几十年中已经超过了其化学对应物。然而，催化机理不清楚、热稳定性低、底物专一性窄限制了NHase的进一步应用。在过去几年中，对NHase的理论和工业方面的大量研究推动了这种绿色催化剂的开发。本文综述了近年来NHase的研究进展，包括NHase的自然分布、基因类型、翻译后修饰、表达、催化机制、生物化学性质和潜在应用。本文所描述的NHase的发展不仅有助于NHase的进一步应用，而且有助于生物催化和生物转化领域的发展。
关键词：腈水合酶； 基因类型； 选择性
一、文献综述
腈（RCN）通常是有毒、致癌、致突变和广泛存在的有机化合物，主要以产氰糖苷、氰基脂、beta;-氰基苯胺和扁桃腈的形式存在于自然界（Legras等人，1990）。植物、微生物、昆虫和节肢动物都能产生腈。腈生产的工业化导致其在生态系统中积累（Bhalla等人，2012年）。尽管腈对环境有负面影响，但在生产聚合物、羧酸、药物和其他精细化学品时，它还是有价值的中间体（Martiacute;nkovaacute;和Kˇren，2010；Gong等人，2012）。腈转化的历史沿袭了这种化合物从化学水合到生物转化的历程。40多年前，化学家康帕农和米奥克开创了腈类化合物化学催化生成相应羧酰胺[RC（O）NH2]的第一条一般路线（康帕农等人，1968年）。然而，用于合成丙烯酰胺的生物催化剂的出现将腈水合反应带入了一个新时代。
腈水合酶（NHase）是一种金属酶，作用于腈的三键，催化底物生成酰胺产品。这种酶的首次发现是在红球菌Rhodococcus rhodochrous J1中报告的，该菌在一开始就被鉴定为节杆菌属J1（Asano等人，1980），然后研究的重点转移到使用NHase将腈生物转化为有价值的酰胺（Chen等人，2009）。使用NHase生产酰胺的生物途径优于化学途径，因为生物催化剂通常在温和的反应条件下表现出区域和立体选择性、高催化效率、环境友好程序等。Yamada和Kobayashi（1996）最初设法利用三代催化剂：红球菌属N-774、氯仿假单胞菌B23和红曲霉J1的NHase进行丙烯酰胺的工业规模生产。迄今为止，第三代工业菌株R.rhodochrus J1在生产工业酰胺产品，尤其是丙烯酰胺和烟酰胺方面占据主导地位。NHase还被发现具有改善聚丙烯腈（PAN）纤维性能的能力，聚丙烯腈（PAN）纤维在纺织工业中是重要的合成块（Tauber等人，2000年；Guebitz和Cavaco-Paulo，2008年）。除此之外，随着重组DNA技术的巨大成就，利用含有强健的NHase基因的工程菌生产酰胺和其他工业产品已指日可待。
在过去几年中，NHase取得了快速进展，并总结了有价值的信息。关于NHase在生物催化中的应用，已经发表了不少综述（Prasad和Bhalla，2010），其中大部分集中于NHase的工业化或其结构和表达（Shen等人，2012c；Mascharak，2014；Gong等人，2017；Supremetha等人，2019；Jia等人，2020）。在这篇综述中，我们总结了有关NHase的自然分布和类型、翻译后成熟、催化机制、生化特性和应用的最新信息。 大多数表征的NHase在其催化中心配位非血红素低自旋三价铁离子或非corrinoid低自旋三价钴离子。然而，也有一些例外情况：人们发现jostii红球菌的NHase含有三种不同的金属离子（Co、Cu、Zn）（冈本和埃尔蒂斯，2007年）。此外，地中海海绵海绵体中的两种NHASE似乎并不严格依赖于铁离子或钴离子，它们可能会在活性中心结合锰离子。镍离子也可以恢复其NHase活性（Lipowicz等人，2013年）。晶体结构表明，三个活性位点半胱氨酸残基的硫原子与Fe-NHase或Co-NHase中的金属离子配位，其中两个在赤道方向，其余一个在轴向。金属离子还与肽主链酰胺的两个氮原子配位，并与钴的第六配位处的水分子或铁型NHase的一个一氧化氮（NO）分子结合（Y ano等人，2008）。一方面，活性中心的铁或钴离子有助于改善基质的水化过程；另一方面，金属离子也有助于NHase折叠（Banerjee等人，2002年）。
通常，红毛红球菌是产生铁型NHase的主要生物体，在氯仿芽孢杆菌、恶臭芽孢杆菌或芽孢杆菌等生物体中也发现了与活性部位铁离子配位的NHase（班纳吉等人，2002年；裴等人，2014年）。这些铁酶通常具有高度的氨基酸序列相似性。即使是迄今为止已知的最不相似的NHases，与经过充分研究的红球菌NHases相比，在alpha;和beta;亚基中也分别显示出约62%和57%的同源性（Pei等人，2014）。有趣的是，除了铁离子外，光对铁NHase活性也是非常必要的。在黑暗环境中进行有氧培养时，铁型NHase的活性极低。然而，光照可以恢复这种催化活性的损失。光谱研究表明，用水或氢氧化物替换NO分子有助于恢复Fe-NHase活性，并将酶从非活性形式变为活性形式（Noguchi等人，1996年；Odaka等人，1997年；Popescu等人，2001年）。
以上是毕业论文开题文献，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
