一、海因酶简介

海因酶（Hydantoinase，HDTase，EC3.5.2.2）又被称之为乙内酰脲酶或二氢嘧啶酶，是一类用于催化海因、5’-单替代海因及其衍生物的环酰胺酶。根据产物的光学活性差异，海因酶又可以分为D-型、L-型和DL-型[1]。其中，D-海因酶可被用于生成多种药物的重要中间体D-氨基酸而备受关注，所以本文重点介绍D-海因酶的结构及其应用。

D-海因酶一般为同源二聚体或四聚体，聚体中的亚基会结合Zn2+、Co2+、Mn2+等金属，使酶具有催化活力。D-海因酶亚基由β结构域和筒状结构域组成。D-海因酶的β结构域与多聚体的形成有关，一般由N端50-60个残基（β1-β5）和C-端60-80个残基（β16-β19）组成。D-海因酶的筒状结构域是酶的催化区域，该区域(α/β)8由300多个残基构成，其中高度保守的活性中心残基分别为4个组氨酸、1个天冬氨酸和1个赖氨酸[2]。

D-海因酶可被用于合成D-氨基酸、拉科酰胺（抗癫痫药物）和普瑞巴林（抗癫痫药物）等中间体。

实例1、用于合成D-氨基酸

D-氨基酸能够参与合成各种医药中间体，具体如图1所示[3]：

图1.D-氨基酸参与合成的各种医药中间体

实例2、用于合成拉科酰胺中间体[4]

实例3、用于合成普瑞巴琳中间体[5]

海因酶作为绿色生物催化剂，在生产D-氨基酸、拉科酰胺中间体和普瑞巴林中间体等方面展现出了诸多优势：整个反应一步完成、无需手性拆分、转化率高、操作过程简单。

二、海因酶的催化机理[6]

海因酶结构上参与水解反应的部位为氨基酸残基结合的Zn2+和碱性基团（Base）。在缓冲液中，海因酶分子的Zn2+与H2O会形成配位化合物Zn2+-OH2，碱性基团与H2O分子以氢键相连。

当底物为二氢尿嘧啶（DHU）时，海因酶的催化机理如图2所示：

图2.海因酶的催化机理

①二氢尿嘧啶中的O-4会代替Zn2+-OH2上的H2O分子与Zn2+形成配位化合物；然后，海因酶结构上作为路易斯酸的金属离子Zn2+会极化底物的羰基并引起底物的水解。

②海因酶结构上的碱性基团与H2O分子形成氢键后会降低水的解离度，激活后的H2O分子会亲核攻击底物的C-4，产生一个四面体中间物。

③含氮杂环发生质子化反应，四面体中间物的C-N键断裂，生成产物N-氨甲酰基-β-丙氨酸。

三、尚科生物的海因酶

尚科生物从2007年来就专注于生物酶和生物催化技术以及合成生物学技术的开发与应用研究。尚科生物现有的海因酶酶库可以为客户提供酶筛选、酶促反应工艺优化、酶改造和生产供应等服务。

尚科生物已开发出固定化海因酶并商业化，可以用于普瑞巴林等原料药的制备。