Page 19 - 《中国药科大学学报》2026年第2期

第 57 卷第 2 期 尹莹莹，等：链霉菌细胞色素 P450 酶的功能及改造和应用 145

P450 酶在多种链霉菌来源的天然产物生物合成中 芽孢杆菌 (Bacillus megaterium) 来源的“明星酶”
的催化反应类型。同时，针对 P450 酶实际应用中 P450 BM3 (CYP102A1) 为例（图 1-A），3 个平行螺旋
存在的困境，总结相关的改造策略，为推动 P450 酶 D、L、I 和反平行螺旋 E 组成的四螺旋束结构与催
的工业化应用提供参考。 化活性密切相关。F 与 G 螺旋则是底物结合口袋
的关键组成部分，连接 F 与 G 螺旋的 F-G 环高度柔
1 细胞色素 P450 酶概述
性，通过构象变化调节口袋的开合以协助底物的进
P450 酶的二级结构以 α 螺旋为主，以巨大 入和产物的释放 。
[4]

A B 亚铁血红素结构域

铁氧还蛋白
D
L J
Heme
E I C
K 连接子2
[2Fe-2S]
F 底物通道
G A
H N
B’ B FMN

C 连接子1

还原酶结构域
图 1 P450 酶晶体结构
A:P450 BM 亚铁血红素结构域 (PDB ID:7W97);B:CYP116B46 晶体结构 (PDB ID:6LAA)
3

在三维结构上，P450 酶依赖与还原伴侣蛋白或 Ⅰ 。该复合物从底物 RH 夺取一个氢（决速步），
[6]
还原酶结构域的相互作用完成电子传递。以嗜热温 形成 R•后通过自由基回弹形成最终羟基化的产
热菌 (Tepidiphilus thermophilus) 来源的 CYP116B46 物。反应可能因各种因素导致 NAD(P)H 解偶联
为例 ，该蛋白是首个全长结构得以解析的“自给 （图 2 中以虚线表示），复杂的电子传递过程是
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自足”型 P450 酶（图 1-B）。酶中的亚铁血红素结 P450 酶催化效率普遍较低的重要原因之一 。此
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构域、含 FMN 的铁氧还蛋白还原酶 (ferredoxin 外，反应依赖的辅因子 NAD(P)H 价格昂贵，进一步
reductase，FdR) 结构域、含 [2Fe-2S] 铁硫簇的铁氧 阻碍了 P450 酶的实际应用。过氧化物分流途径则
还蛋白 (ferredoxin，Fdx) 结构域间由两个柔性连接 提供了一条捷径，P450 酶可直接利用 H O 生成
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子 (linker) 连接，电子传递途径为 NAD(P)H→FMN compound Ⅰ，不依赖于还原伴侣蛋白和 NAD(P)H。
→[2Fe-2S]→heme。 但天然的 P450 酶利用 H O 的能力非常有限，工程
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P450 酶可催化诸如羟基化、环氧化、脱烷基 化改造 P450 酶为能够高效利用 H O 的过加氧酶
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化、环芳基交联等二十余种反应，反应的区域和立 或过氧化物酶，是提升 P450 酶应用潜力的一种策
体选择性高，尤其在惰性 C−H 键的选择性氧化上拥 略。例如，丛志奇教授团队利用“双功能小分子策
有众多化学催化剂无法媲美的优势，是一类在药物 略 ”、“氧化还原敏感残基工程 ”及“H O 隧道工
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研发、生物制造和绿色化学等领域备受关注的酶。 程 [10-11] ”成功改造了 P450 BM3 ，实现了一系列高难度
1.1 P450 酶的催化循环过程 的催化反应，拓宽了 P450 酶的应用范围。
在 P450 酶催化反应过程中，分子氧的一个氧 1.2 P450 酶的分类
原子与 NAD(P)H 生成水分子，另一个氧原子则掺 依据序列一致度 (identity) 对 P450 酶进行分
入底物，形成羟基、环氧基等基团。在经典的 P450 类，大于 40% 的为同一家族，以阿拉伯数字表示；大
酶催化羟基化反应（图 2）过程中，真正发挥催化作 于 55% 的为同一亚家族，以大写字母表示；同一亚
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4+
用的活性形式为 Fe =O 复合物，也称 compound 家族蛋白再根据发现的先后顺序依次进行编号 ，