苯丙氨酸解氨酶（L-Phenylalanine Ammonia-lyase，PAL）也称为苯丙氨酸裂解酶，是一种植物体内苯丙素类物质合成途径中的关键酶，能催化L-苯丙氨酸脱氨及其衍生物的脱氨或其逆反应。苯丙氨酸解氨酶的反应式如图1所示。

图1. 苯丙氨酸解氨酶反应式

苯丙氨酸解氨酶在在植物、真菌中广泛存在，但在细菌中比较少见。PAL属于芳香氨基酸解氨酶家族，该家族还包括组氨酸解氨酶（HAL）、酪氨酸解氨酶（TAL）以及具有双酶功能的苯丙氨酸/酪氨酸解氨酶^[1]。

PAL结构以同源四聚体形式存在，四个亚基呈D2对称形式。每个亚基单元由MIO域、核心域和插入屏蔽域三部分组成。MIO（3,5-二氢-5-亚甲基-4H-咪唑-4-酮）是一种亲电基团，它是由活性位点处的高度保守基序Ala-Ser-Gly通过环化和脱水形成的，在加氨和脱氨过程中作为催化基团起关键作用（如图2）^[1-3]。

图2. PAL的三维结构

PAL在植物抗病防御、次生代谢物（如黄酮类化合物、花青素、木质素等）合成中起重要作用；其活性变化与植物抗病性呈正相关，它也被广泛应用于农业生产领域。此外，PAL还被用于苯丙酮尿症（PKU）的酶替代治疗，或作为一种潜在的治疗酶用于癌症治疗等^[4]。

PAL的生物催化反应不仅具有100%的原子经济性、优异的立体选择性的优点，而且不需要昂贵的辅因子或再生系统。用于制备医药中间体的实例如下：

实例1、制备左旋多巴的关键前体3,4-MeO-L-苯丙氨酸^[5]

实例2、制备Olodanrigan (EMA401)中间体^[6]

实例3、制备Olodanrigan (EMA401)中间体^[7]

苯丙氨酸解氨酶的催化机理^[8]

PAL催化L-Phe脱氨有2种假设机制：N-MIO 机制和Friedel−Crafts（FC）机制。

N-MIO 机制：底物氨基攻击MIO辅因子的亚甲基部分形成1，底物芳香侧链和分子1带正电的氮的联合吸电子能力促进了C3位置的去质子化，形成碳负离子中间体2，随后发生C2胺键断裂，产生中间体3和肉桂酸。最后，N-MIO配合物被一种普通酸质子化，释放出NH3和MIO辅因子（如图3(A)）。

Friedel−Crafts（FC）机制：MIO基团亲电攻击底物的芳香环，形成碳正离子中间体4。中间体4通过从底物中提取C3氢而产生稳定的碳正离子中间体5。最后释放产物NH3，肉桂酸也从MIO辅因子中释放（如图3(B)）。

图3.苯丙氨酸解氨酶的催化机制

（A：N-MIO 机制；B：Friedel−Crafts（FC）机制）

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。尚科生物现有的苯丙氨酸解氨酶酶库(尚科生物代号：ES-PAL)中包含13种不同的苯丙氨酸解氨酶，可以为客户提供酶筛选、酶促反应工艺优化、酶改造和生产供应服务。

参考文献

[1] 朱博峰.苯丙氨酸解氨酶的新酶挖掘及酶工程改造[D].四川大学,2023.

[2] 石浥阳,申晓林,王佳,等.芳香族氨基酸解氨酶在生物制造中的应用[J].生物加工过程,2024,22(06):611-622.

[3] 穆思宇.翻译后修饰对苦荞苯丙氨酸解氨酶活性的调控[D].西北农林科技大学,2024.

[4] 郑江梅.苯丙氨酸解氨酶的改造及其在反式肉桂酸、对香豆酸制备中的应用[D].江南大学,2024.

[5] Zhu BF, Fatmi MQ, Pei XQ, Wu ZL, Liu Y. Continuous Engineering of Phenylalanine Ammonia Lyase from Lettuce (Lactuca sativa L.) for Efficient Synthesis of 3,4-Substituted Phenylalanine. J Agric Food Chem. 2025 Apr 30;73(17):10358-10368. doi: 10.1021/acs.jafc.4c06986.

[6]Leo A. Hardegger, Pascal Beney, Dominique Bixel, Christian Fleury, Feng Gao, Alexandre Grand-Guillaume Perrenoud, Xingxian Gu, Julien Haber, Tao Hong, Roger Humair, Andreas Kaegi, Michael Kibiger, Florian Kleinbeck, Van Tong Luu, Lukas Padeste, Florian A. Rampf, Thomas Ruch, Thierry Schlama, Eric Sidler, Anikó Udvarhelyi, Bernhard Wietfeld, and Yao Yang Toward a Scalable Synthesis and Process for EMA401, Part III: Using an Engineered Phenylalanine Ammonia Lyase Enzyme to Synthesize a Nonnatural Phenylalanine Derivative. Organic Process Research & Development 2020, 24 (9), 1763-1771.

[7] 李少玲,SURESH MANTHATI,ROSS WANG,STEVE BALLMER,黄小军.Synthesis of ras inhibitors [P].美国专利:WO2024216017A2,2024.10.17.

[8] Tian T, Kang L, Feng Z, Wang H, Cui J. Microbial Phenylalanine Ammonia Lyase: Recent Advances and Emerging Applications. J Agric Food Chem. 2025 Dec 31;73(52):32935-32956.