5第五章人工模拟酶
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酶的人工模拟
2．印迹过渡态类似物
• 用过渡态类似物作印迹分子制备的印迹 聚合物也能结合反应过渡态，降低反应活 化能，从而加速反应。
如用对—硝基苯乙酸酯水解反应的过渡 态类似物对—硝基苯甲基磷酸酯作印迹分 子制备聚合物，制得的MIP证明能优先结合 过渡态类似物，并能加速对硝基苯乙酸酯 水解成对硝基酚和乙酸。
第四节 抗 体 酶
分子印迹分子
• 可用于分子印迹的分子很广泛(如药物、氨基酸、 碳水化合物、核酸、激素、辅酶等)，它们均已成 功地用于分子印迹的制备中。
• 分子印迹聚合中应用最广泛的聚合单体是羧酸 类(如丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸)、磺 酸类以及杂环弱减类(如乙烯基吡啶、乙烯基咪 唑)，其中最常用的体系为聚丙烯酸和聚丙烯酞胺 体系。若要产生对金属的配合作用则应用氨基二 乙酸衍生物。
大学及科研机构，经费投入不足； • 4.酶制剂生产成本太高； • 5.生产装备落后； • 6.酶制剂应用领域十分狭窄，主要集中于洗
涤剂、淀粉加工、乙醇和酒类生产。
工业酶制剂的来源与特点
• 工业酶制剂主要来源于动物、植物和微 生物，尤其是微生物，因微生物繁殖速度 快；种类繁多，品种齐全；培养方法简单， 易于大批量生产。
第六章 酶制剂的应用
第一节 概论
• 1.工业用酶制剂的市场和发展 • 2.我国酶制剂应用方面的现状和问题 • 3.工业酶制剂的来源与特点 • 4.选择使用酶制剂时应考虑的因素 • 5.酶制剂产品的开发热点
我国酶制剂应用方面的现状和问题
• 1.酶制剂企业规模太小； • 2.酶制剂品种少，产品结构极不合理； • 3.对酶制剂的开发热情不高，主要依赖于各
酶
第二节 酶在食品加工方面的应用
一、酶法生产葡萄糖
• 国内外萄萄糖的生产大都采用酶法。酶 法生产葡萄糖是以淀粉为原料，先经α－淀 粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡 萄糖。
人工酶
人工酶的分类
按照人工酶的合成机制分：
单纯酶模型（enzyme-based mimics): 化学方法通过
天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性。
机理酶模型（mechanism-based mimics): 通过对酶
作用机制（如识别、结合和过渡态稳定化）的认识，来 指导酶模型的设计与合成
单纯合成的酶样化合物(synzyme): 一些化学合成的，
抗体结合位置或附近引入具有催化功能的基因。
抗体酶的应用前景
1.抗体酶在帮助戒毒方面的应用
Landry等用可卡因水解的过渡态类似物-磷酸单
酯为半抗原，产生的单克隆抗体能催化可卡因的 分解，其催化活性和血液中催化可卡因的丁酰胆 碱酯酶差不多，水解后的可卡因片断失去可卡因 刺激功能。
因此，用人工抗体酶的被动免疫也许能阻断可卡
印记底物及其类似物
印记过渡态类似物
分子印记酶制备中注意的问题：
•交联剂的选择及交联度的控制
分子印记酶制备中注意的问题
功能单体和模板的相互作用
模板分子的选择:底物类似物；过渡态类似物或产物
类似物等。
溶剂的选择：作为反应介质，同时也是致孔剂，在
聚合时控制着非共价键结合的程度。
单体的选择
Under B: 只生成I
胶束酶模型
模拟酶近年来的研究热点
胶束体系形成，胶束的功能化，胶束表面提供与底物的结合位 点，同时利用吸附或共价在胶束上连接催化基团（咪唑、羟基 等）
肽酶模型：模拟天然酶活性部位而人工合成的具有
催化活性Байду номын сангаас多肽。
罗贵民： 根据SOD活性部位的结构，设计合成了一个十六肽，其二级结构与 天然SOD类似，加入铜离子后显示了SOD的酶活性。
酶工程习题参考答案
第五章酶工程习题答案一、填空题1.决定酶催化活性的因素有两个方面，一是酶分子结构，二是反应条件。
2. Km是米氏常数。
它与酶的种类和反应条件有关。
3..对生产酶的菌种来说，我们必须要考虑的条件有，一是看它是不是致病菌，二是能够利用廉价原料，发酵周期短，产酶量高，三是菌种不易退化，四是最好选用能产生胞外酶的菌种，有利于酶的分离纯化，回收率高。
4.酶制剂有四种类型即液体酶制剂固体酶制剂纯酶制剂固定化酶制剂5.通常酶的固定化方法有吸附法，共价键结合法，交联法，包埋法。
6. 酶分子的体外化学修饰又可分为酶的表面修饰和内部修饰。
经化学修饰的酶热稳定性有较大提高，这是因为修饰剂的多个功能基团与酶分子上的的多个基团（如氨基、羧基、咪唑基等）相互交联，增加了酶分子构象的稳定性。
7. 生物酶工程主要包括三个方面：基因工程方法大量生产酶（克隆酶）；对酶基因修饰产生遗传修饰酶（突变酶）；设计新的酶基因，合成新的酶。
二、问答题1．解释下列名词：核酶：具有催化功能的RNA，包括剪切型核酶和剪接型核酶两类。
克隆酶：通过基因工程手段，克隆各种天然的蛋白质或酶基因，并将其与适当的调节信号连接，再通过一定的载体（质粒）导入能够大量繁殖的微生物体内，使之高效表达。
突变酶：利用有控制地对天然酶基因进行剪切、修饰或突变，从而改变这些酶的催化特性、底物专一性或辅酶专一性，使之更加符合人们的需要。
进化酶：创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制（随即突变、基因重组和自然选择），在体外改造酶基因，并定向选择（或筛选）出所需性质的突变酶。
人工酶：又称模拟酶或酶模型，指利用有机化学、生物化学等方法设计和合成一些较天然酶简单的非蛋白质分子或蛋白质分子，以这些分子作为模型来模拟酶对其作用底物的结合和催化过程。
固定化酶：指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶，能连续地进行反应，反应后的酶可以回收重复使用。
细胞固定化技术：将细胞限制或定位于特定空间位置的技术称为细胞固定化技术。
分子酶学
核糖核酸酶有两个组氨酸咪唑基及一个质子化赖氨酸 氨基处于活性中心，在它的催化下RNA的磷酸酯水解分两 步进行，两个咪唑基交替起着一般酸和一般碱的作用，使 离去基团质子化或增加亲核基团的亲核性。
Breslow等人设计合成了两种环糊精，用来催化环状磷酸二 酯的水解，这两种修饰CD被认为是很好的核糖核酸酶模型。
3 定义
由于天然酶的种类繁多，模拟的途径、方法、原理和 目的不同，至今对模拟酶没有一个公认的定义，目前公认 的是以下说法。 人工模型酶又称模拟酶，是生物有机化学的一个分支， 是在分子水平上模拟酶的活性部位的形状、大小及其微环 境等结构特征，以及酶的作用机理的立体化学等特征而设 计的一种具有催化作用的人工物质。
现在，人们已用环糊精模型模拟了水解酶、核糖核 酸酶、转氨酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羟 醛缩合酶等。
1水解酶
胰凝乳蛋白酶：具有疏水性环状结合部位能包结芳环； 催化部位中57号为组氨酸咪唑基、102号天冬氨酸羧基和 195号丝氨酸羟基，三者共同组成了所谓的“电荷中继系 统”，在催化底物水解时起关键作用。 引入羟基、咪唑 基和羧基组
N CH3 OH NH2 NH NH2
S
7
Han等人合成了一系列含核糖的环糊精酶模型，它兼 具核酸酶、连接酶、磷酸脂酶和磷酸化酶的活性。
研究表明，核糖中的相临二羟基对催化起着关键 作用。它水解环状磷酸脂的速率提高33倍。
四、主客体酶模型— 环糊精酶模型
环糊精( cyclodextrin, 简称CD)是由多个D-葡萄 糖以1, 4-糖苷键结合而成的一类环状低聚糖的总称， 是迄今所发现的类似于酶的理想天然宿主分子， 本身就具有酶模型的特性，可提供一个疏水的结 合部位并能与一些分子包接形成络合物，以此影 响和催化一些反应。葡萄糖单元数为6、7、8个三 种（分别称α-、β-、γ-环糊精）。
Breslow等人设计合成了两种环糊精，用来催化环状磷酸二 酯的水解，这两种修饰CD被认为是很好的核糖核酸酶模型。
3 定义
由于天然酶的种类繁多，模拟的途径、方法、原理和 目的不同，至今对模拟酶没有一个公认的定义，目前公认 的是以下说法。 人工模型酶又称模拟酶，是生物有机化学的一个分支， 是在分子水平上模拟酶的活性部位的形状、大小及其微环 境等结构特征，以及酶的作用机理的立体化学等特征而设 计的一种具有催化作用的人工物质。
现在，人们已用环糊精模型模拟了水解酶、核糖核 酸酶、转氨酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羟 醛缩合酶等。
1水解酶
胰凝乳蛋白酶：具有疏水性环状结合部位能包结芳环； 催化部位中57号为组氨酸咪唑基、102号天冬氨酸羧基和 195号丝氨酸羟基，三者共同组成了所谓的“电荷中继系 统”，在催化底物水解时起关键作用。 引入羟基、咪唑 基和羧基组
N CH3 OH NH2 NH NH2
S
7
Han等人合成了一系列含核糖的环糊精酶模型，它兼 具核酸酶、连接酶、磷酸脂酶和磷酸化酶的活性。
研究表明，核糖中的相临二羟基对催化起着关键 作用。它水解环状磷酸脂的速率提高33倍。
四、主客体酶模型— 环糊精酶模型
环糊精( cyclodextrin, 简称CD)是由多个D-葡萄 糖以1, 4-糖苷键结合而成的一类环状低聚糖的总称， 是迄今所发现的类似于酶的理想天然宿主分子， 本身就具有酶模型的特性，可提供一个疏水的结 合部位并能与一些分子包接形成络合物，以此影 响和催化一些反应。葡萄糖单元数为6、7、8个三 种（分别称α-、β-、γ-环糊精）。
模拟酶
模拟酶研究展望
在自然界的发展和生命进化中,动植物为了生
存,进化出了酶的高效催化,激素的精密调控等 无数绝妙的生物机能。通过自然的启发引导 和科学工作者探索，以及新技术的使用将大 大加快模拟酶研究的发展,对酶结构及作用机 理的进一步了解,在化学家及生物学家共同协 作下,不断改进合成手段和采用新技术,必将有 更多更好的酶模型和模拟酶问世。
模拟酶
model enzyme
生命科学学院 生物技术0501班 吉忠忠
什么是模拟酶？
模拟酶是人工合成或经过人工修饰的用来 模拟酶的结构、特性、作用原理以及酶在生 物体内的化学反应过程的高分子。 酶是一类有催化活性的蛋白质，它具有催 化效率高、专一性强、反应条件温和等特点。 天然酶易变性失活,提纯困难,价格昂贵,给储 藏及使用带来不便，也不能用天然酶广泛取 代工业催化剂。为了解决酶的以上缺点就出 现了对模拟酶的研究。
预计今后国内外有关模拟酶的研究将呈现几个方向： (1)由简单模拟向高级模拟发展：既模拟天然酶活 性中心的催化部位又模拟其结合部位,以提高模拟酶 的催化活性。 (2)将组合库技术,分子印迹等现代手段用于构造模 拟酶体系,研制出各种选择性强,灵敏度高且易于制 备的模拟酶传感器以适用于苛刻条件,复杂体系中重 要生化组分的快速检测。 (3)开发出更多可多部位结合且具有多重识别功能 的模拟酶,采用体外方法研究生物体内酶催化信息, 探讨生物体系的生命现象的真谛。 总之,通过生物化学手段研究生命科学,揭示生命的 奥秘是目前发展的重要趋势。在生物学,仿生学及计 算机等学科的推动下,有关模拟酶的研究及其在分析 中的应用将日臻完善。
单核及双核配合物模拟酶
已知的酶有1000多种,其中1/3以上含有金属
离子。大多数情况下金属离子是金属酶的活 性中心,它是进行电子转移,键合外来分子和进 行催化反应的部位。其成键方式,配位环境和 空间结构与配位化合物极为类似。通过对配 体的设计和剪裁可合成出与天然酶活性中心 结构相似的配合物,用以模拟酶的结构和功能, 这对没有获得单晶结构和功能及反应机理尚 不完全清楚的金属酶特别有用。
酶的人工模拟
三、模拟酶的分类
根据Kirby分类法 单纯酶模型：化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性
机理酶模型：通过对酶作用机制诸如识别、结合和过渡态稳定化的
认识
来指导酶模型的设计和合成
单纯合成的酶样化合物：化学合成的具有酶样催化活性的简单
三、模拟酶的分类
按照模拟酶的属性分类 主-客体酶 胶束酶 肽酶 半合成酶 分子印迹酶
用环糊精已成功地模拟了胰凝乳蛋白酶等多种酶。
一、模拟酶
人工酶（artificial enzyme）
人工酶是用人工合成的具有催化活性的多肽或蛋白质。
人工合成的 Glu-Phe-Ala-Glu-Glu-Ala-Ser-Phe 八肽具有溶菌酶的活性 。其活性为天然溶菌酶的50%。
二、模拟酶的理论基础
1. 模拟酶的酶学基础
酶的作用机制 — 过渡态理论 对简化的人工体系中识别、结合和催化的研究
二、模拟酶的理论基础
2. 主-客体化学和超分子化学
主-客体化学：主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补
超分子化学：该分子形成源于底物和受体的结合，这种结合基于非
共价键相互作用，当接受体与络合离子或分子结合形 成稳定的，具有稳定结构和性质的实体，
三、模拟酶的分类
分子印迹酶
通过分子印迹技术可以产生类似于酶的活性中心的空腔，对底 物产生有效的结合作用，并可以在结合部位的空腔内诱导产生催化 基团，并与底物定向排列。
性质：遵循米氏方程，催化活力依赖反应速度常数。
三、模拟酶的分类
生物印迹酶
生物印迹：指以天然的生物材料，如蛋白质和糖类物质为骨架，在其上 进行分子印迹而产生对印迹分子具有特异性识别空腔的过程
三、模拟酶的分类
5. 印迹酶
模拟酶
分子印迹
聚合物中产生呢？ 如果以一种分子充当模板，其周围用聚合 物交联，当模板分子除去后，此聚合物就 留下了与此分子相匹配的空穴。如果构建 合适，这种聚合物就像‘‘锁”对钥匙具 有选择性识别作用一样，这种技术被称为 分子印迹技术。
分子印迹 所谓分子印迹(molecular imprinting) 是制备对某一化合物具有选择 性的聚合物的过程，这个化合 物叫印迹分子(print molecule，P)， 也叫做模板分子(template，T)。
非水相生物印迹酶制备示意图
在有机相中,生物印迹蛋白质由于保
持了对印迹分子的结合构象而对相 应的底物产生了酶活力， 那么这种构象能否在水相中得以保 持，从而产生相应的酶活力呢？
水相生物印迹酶
研究结果表明，采用交联剂完全可以固
定印迹分子的构象，在水相中产生高效 催化的生物印迹酶。利用这种方法已成 功地模拟了许多酶(如酯水解酶、HF水 解酶、葡萄糖异构酶等)，有的甚至达到 了天然酶的催化效率。
种作用力，且键的数目又多，可大大改善聚合物的识 别能力。
③ 交联剂的类型和用量：交联少会减低聚合物的坚
固程度，难于限定负责选择性部位的形状和其中的基 团取向，导致识别力下降。使用旋光性交联剂，则可 能造成与模板分子有附加的手性相互作用，提高识别 力。
④ 聚合条件：低温聚合较好
印记分子的优点和局限性
还是大分子(如蛋白质等)已被应用于各种印迹 技术中。
2 固相萃取
通常样品的制备都包括溶剂萃取，由于分
子印迹技术的出现，这可以用固相萃取代替，
并且可利用分子印迹聚合物选择性富集目标分 析物。由于印迹聚合物即可在有机溶剂中使用， 又可在水溶液中使用，故与其他萃取过程相比， 具有独特的优点。
湖工酶工程第五章
（3） 巯基的化学修饰 （半胱氨酸） ①
pH>6.8
ENZ SH + O2N OOC
S S
NO2 COO
ENZ S S
NO2 COO
5,5/ - 二硫代 – 双（2-硝基苯甲酸）
②
N
N
ENZ
SH + S S
ENZ
S S
N
4,4/ - 二硫二吡啶
COO
pH5左右
③
ENZ
SH + ClHg
ENZ
S Hg
CH2 O BrCN OH HO OH OH O H O HO O C O CH2 O H O
O H
n
n
溴 化 氰 法
CH2 O H OH HO OH O HO
CH2 O H OH O HN O
CH2 O H OH HO OH O O HO CH2
NH
O H OH O C NH O
n C NH 酶
n
酶工程
第五章 化 学 酶 工 程
二、酶化学修饰的原理、方法及修饰剂
（一）酶化学修饰的原理
利用化学修饰剂所具有的各种基团的特性，直接或间接 地经过一定的活化过程与酶分子的某种氨基酸残基发生化学 反应，从而使酶分子的结构发生改变。 考虑因素： （1）被修饰酶。 （2）修饰剂的选择。 （3）修饰反应条件的选择。
O
③
NH2 ENZ N C NH2
O
O 2
O
pH7~8 25 C
O NH
+
。
NH C
苯乙二醛
N ENZ
酶工程
第五章 化 学 酶 工 程
（6） 色氨酸吲哚基的化学修饰
11人工模拟酶
• （1）用于化学仿生传感器 • （2）膜技术 • （3）天然抗体模拟 • （4）选择性催化剂 • （5）用于色谱固定相 • （6）固相萃取剂 • （7）药物手性分离 • （8）药物控制释放 • （9）农残分析
化学仿生传感器
化学或生物传感器是由分子识别元件和信号 转换器（如电极、光极、场效应晶体管、压电晶体 、热敏电阻等）所组成。近来，生物传感器技术的 发展极为迅速。
一、模拟酶的概念、基础与设 计要点
• 所谓模拟酶就是利用有机化学的方法 合成一些比酶简单的非蛋白质分子， 可以模拟酶对底物的络合和催化过程 ，既可达到酶催化的高效性，又可以 克服酶的不稳定性。
• 模拟酶是在分子水平上模 拟酶活性部位的形状、大小 及其微环境等结构特征、酶 作用的机理和立体化学等特 征的一门科学。
硼酸酯、亚胺、西佛碱、缩醛酮、酯等，所采用的 单体通常是低分子的化合物，此单体与印迹分子形 成的共价键键能适当，在聚合时能牢固结合、聚合 后又能完全脱除。
特点：空间位置固定准确，能够移走大量的印迹 分子。但是，对携带适当结合基团的化合物选择性 低。
（2）自组装方式：
印迹分子与功能单体之间预先自组织排列，以非 共价键如氢键作用、静电作用、π-π作用、疏水作 用、金属-配体作用、电荷转移、范德华力等超分子 作用形成多点相互作用，聚合后这种作用保存下来。
（一）定义：
•
分子印迹：是制备对某一化合物具有选择性的聚合物的过
程，这个化合物叫印迹分子。
•
生物印迹类似于分子印迹，主体分子为生物分子。生物分
子构象的柔性在无水有机相中被取消了，其构象被固定了，因
而模板分子与生物分子在水溶液中相互作用后产生的构象变化
在移入无水有机相中才能得以保持。
化学仿生传感器
化学或生物传感器是由分子识别元件和信号 转换器（如电极、光极、场效应晶体管、压电晶体 、热敏电阻等）所组成。近来，生物传感器技术的 发展极为迅速。
一、模拟酶的概念、基础与设 计要点
• 所谓模拟酶就是利用有机化学的方法 合成一些比酶简单的非蛋白质分子， 可以模拟酶对底物的络合和催化过程 ，既可达到酶催化的高效性，又可以 克服酶的不稳定性。
• 模拟酶是在分子水平上模 拟酶活性部位的形状、大小 及其微环境等结构特征、酶 作用的机理和立体化学等特 征的一门科学。
硼酸酯、亚胺、西佛碱、缩醛酮、酯等，所采用的 单体通常是低分子的化合物，此单体与印迹分子形 成的共价键键能适当，在聚合时能牢固结合、聚合 后又能完全脱除。
特点：空间位置固定准确，能够移走大量的印迹 分子。但是，对携带适当结合基团的化合物选择性 低。
（2）自组装方式：
印迹分子与功能单体之间预先自组织排列，以非 共价键如氢键作用、静电作用、π-π作用、疏水作 用、金属-配体作用、电荷转移、范德华力等超分子 作用形成多点相互作用，聚合后这种作用保存下来。
（一）定义：
•
分子印迹：是制备对某一化合物具有选择性的聚合物的过
程，这个化合物叫印迹分子。
•
生物印迹类似于分子印迹，主体分子为生物分子。生物分
子构象的柔性在无水有机相中被取消了，其构象被固定了，因
而模板分子与生物分子在水溶液中相互作用后产生的构象变化
在移入无水有机相中才能得以保持。
人工酶专业知识讲座
了新旳变化。
2. 水相生物印迹
（1）酯水解生物印迹酶
1984年，Keyes等首例用这种措施制备旳印迹酶。
印迹分子：吲哚丙酸，
印迹牛胰核糖核酸酶，
待起始蛋白质在部分变性条件下与吲哚丙酸作用， 用戊二醛交联固定印迹蛋白质旳构象． 透析清除印迹分子 制得了具有酶水解能力旳生物印迹酶。
特点：
印迹酶粗酶具有7.3U/g，而非印迹酶则无酯水解酶活力。 粗酶经硫铵分级纯化后，比活力增至22U／g。 再经柱层析纯化后，出现 3种交联组分，其中低分子量组分显示
模拟α－胰凝乳蛋白酶活性部位 模拟胰蛋白酶旳活性部位，
水解蛋白旳活力分别与其模拟旳酶相同
三、半合成酶 以天然蛋白质或酶为母体，用化学或生物
学措施引进合适旳活性部位或催化基团，或变 化其构造从而形成一种新旳“人工酶”。
1、选择性修饰氨基酸侧链（化学诱变法） Bender等首次成功地将枯草杆菌蛋白酶活
第六章 人工酶
第一节 人工酶旳理论基础和策略
经过对生物体系旳构造与功能旳研究, 为设计和建造新旳技术提供新思想、新 原理、新措施和新途径。
利用化学模拟作为阐明自然界中生物体 行为旳基础。人们认识到研究和模拟生 物体系是开辟新技术旳途径之一。
一、人工酶概念：
人工酶是在分子水平上模拟酶活性部位 旳形状、大小及其微环境等构造特征， 以及酶旳作用机理和立体化学等特征旳 一门科学。
二、人工酶旳理论基础
1、人工酶旳酶学基础
➢酶是怎样发生效力旳？
Pauling 旳 稳 定 过 渡 态 理 论 ： 酶 先 对 底物结合，进而选择性稳定某一特定反 应旳过渡态（TS）,降低反应旳活化能， 从而加紧反应速度。
广义旳酸碱催化、邻近与定向、变形与 张力等等，都是酶催化高效性旳主要原 因。
2. 水相生物印迹
（1）酯水解生物印迹酶
1984年，Keyes等首例用这种措施制备旳印迹酶。
印迹分子：吲哚丙酸，
印迹牛胰核糖核酸酶，
待起始蛋白质在部分变性条件下与吲哚丙酸作用， 用戊二醛交联固定印迹蛋白质旳构象． 透析清除印迹分子 制得了具有酶水解能力旳生物印迹酶。
特点：
印迹酶粗酶具有7.3U/g，而非印迹酶则无酯水解酶活力。 粗酶经硫铵分级纯化后，比活力增至22U／g。 再经柱层析纯化后，出现 3种交联组分，其中低分子量组分显示
模拟α－胰凝乳蛋白酶活性部位 模拟胰蛋白酶旳活性部位，
水解蛋白旳活力分别与其模拟旳酶相同
三、半合成酶 以天然蛋白质或酶为母体，用化学或生物
学措施引进合适旳活性部位或催化基团，或变 化其构造从而形成一种新旳“人工酶”。
1、选择性修饰氨基酸侧链（化学诱变法） Bender等首次成功地将枯草杆菌蛋白酶活
第六章 人工酶
第一节 人工酶旳理论基础和策略
经过对生物体系旳构造与功能旳研究, 为设计和建造新旳技术提供新思想、新 原理、新措施和新途径。
利用化学模拟作为阐明自然界中生物体 行为旳基础。人们认识到研究和模拟生 物体系是开辟新技术旳途径之一。
一、人工酶概念：
人工酶是在分子水平上模拟酶活性部位 旳形状、大小及其微环境等构造特征， 以及酶旳作用机理和立体化学等特征旳 一门科学。
二、人工酶旳理论基础
1、人工酶旳酶学基础
➢酶是怎样发生效力旳？
Pauling 旳 稳 定 过 渡 态 理 论 ： 酶 先 对 底物结合，进而选择性稳定某一特定反 应旳过渡态（TS）,降低反应旳活化能， 从而加紧反应速度。
广义旳酸碱催化、邻近与定向、变形与 张力等等，都是酶催化高效性旳主要原 因。
人工模拟酶
分子印记技术是在分子识别基础上开展的。 分子印记技术是在分子识别基础上开展的。
分子识别本质上是指主体分子(受体)对客体分子 分子识别本质上是指主体分子(受体) 本质上是指主体分子 (底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程。如： 底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程。 酶与底物、抗原与抗体、糖与蛋白质等的相互作用。 酶与底物、抗原与抗体、糖与蛋白质等的相互作用。
互作用力形成稳定复合物的化学领域。 互作用力形成稳定复合物的化学领域。
超分子化学： 超分子化学：研究两种或两种以上的化学物通过分子间力
（静电作用、氢键、范德华力等非共价键）相互作用缔结而成 静电作用、氢键、范德华力等非共价键） 的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。 的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。
杯芳烃的热稳定性及化学稳定性好，可溶性虽较差， ④ 杯芳烃的热稳定性及化学稳定性好，可溶性虽较差，但通过衍 生化后，某些衍生物具有很好的溶解性； 生化后，某些衍生物具有很好的溶解性； ⑤ 杯芳烃能与离子和中性分子形成主一客体包结物，这是集冠醚 杯芳烃能与离子和中性分子形成主一客体包结物， 和环糊精两者之长； 和环糊精两者之长； 杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为廉价的产品， ⑥ 杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为廉价的产品，事实上现 在已有多种杯芳烃商品化。 在已有多种杯芳烃商品化。
胶束模拟酶一方面利用增溶、增稳的增效作用， 胶束模拟酶一方面利用增溶、增稳的增效作用，使酶 活性呈现“超级活性” 另一方面， 活性呈现“超级活性” 。另一方面，利用胶束介质 尤其是反相胶束介质） （尤其是反相胶束介质）模拟天然酶在生物体内活体 细胞中的微环境。 细胞中的微环境。
X X X X X X X X X
（2）胶束酶
5第五章人工模拟酶
半胱胺基酸巯基解离成负离子进攻 正电性羰基碳原子，生成S-酰化中 间体。 H2O羟基进攻正碳离子， 含Cys残 N-C酰氨键断裂，致使 基手臂 酯水解。 模拟酶兼具分子络合作用、手性识 别作用和催化作用，与天然酶十分 相似。速度提高103~104倍。
- SH H+
ROOC NH O=C O O NO2
R O O=C CH2
HOOC :N
β-Benzyme对于对-叔丁基-苯基乙酸酯 (p-NPAc)水解活性比天然酶高1倍以上， kcat/Km(底物专一性)也与天然酶相当， Bender因此闻名于世。
NH
HO
S
OH
β-Benzyme
组氨酸咪唑基是十分有效的酸碱催化剂和亲核催化剂，在水解酶活性 中心起关键性催化作用。
OH O C=C ODEAE NH2 NH DEAE
CD环包结呋喃环-识别定向
O O O C=C O O
糠偶酰 烯醇-O-与Cu2+静电或配位结 合得以稳定加速反应进行。
Cu2+
NH NH2
催化基团 催化活性中心
谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC.1.11.1.9)为含硒酶，是生物体内重要 的抗氧化酶，能有效消除体内的自由基，与超氧化物歧化酶和过氧 化氢酶共同作用，防止脂质过氧化。因此GPX在治疗和预防克山病、 心血管病、肿瘤等疾病具有明显的疗效。该酶来源非常有限，而且 稳定性差，分子量大等限制了它的实际应用。 利用CD的疏水腔作为底物结合部位，硒巯基为催化部位，制备出系列 双硒侨联环糊精。表现出很高的GPX酶活性，其中C2和 C6-硒化环糊精 的GPX活力已达到4.3U/µmol和7.4 U/µmol。若将C2-硒化环糊精改变成碲 化环糊精的GPX活力已达到45U/µmol。
- SH H+
ROOC NH O=C O O NO2
R O O=C CH2
HOOC :N
β-Benzyme对于对-叔丁基-苯基乙酸酯 (p-NPAc)水解活性比天然酶高1倍以上， kcat/Km(底物专一性)也与天然酶相当， Bender因此闻名于世。
NH
HO
S
OH
β-Benzyme
组氨酸咪唑基是十分有效的酸碱催化剂和亲核催化剂，在水解酶活性 中心起关键性催化作用。
OH O C=C ODEAE NH2 NH DEAE
CD环包结呋喃环-识别定向
O O O C=C O O
糠偶酰 烯醇-O-与Cu2+静电或配位结 合得以稳定加速反应进行。
Cu2+
NH NH2
催化基团 催化活性中心
谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC.1.11.1.9)为含硒酶，是生物体内重要 的抗氧化酶，能有效消除体内的自由基，与超氧化物歧化酶和过氧 化氢酶共同作用，防止脂质过氧化。因此GPX在治疗和预防克山病、 心血管病、肿瘤等疾病具有明显的疗效。该酶来源非常有限，而且 稳定性差，分子量大等限制了它的实际应用。 利用CD的疏水腔作为底物结合部位，硒巯基为催化部位，制备出系列 双硒侨联环糊精。表现出很高的GPX酶活性，其中C2和 C6-硒化环糊精 的GPX活力已达到4.3U/µmol和7.4 U/µmol。若将C2-硒化环糊精改变成碲 化环糊精的GPX活力已达到45U/µmol。
人工酶
人工酶的理论基础
酶学基础(pauling的稳定过渡态理论):
20世纪著名科学家，两次诺贝尔奖(化学奖和 酶和底物定向结合－稳定的过渡态 (活化能最低)－催化产生 和平奖)获得者。著名的pauling轨道理论是他 产物(酶高效的原因) 对有机化学的杰出贡献。
超分子化学和主客体化学： (天然酶＋底物)通过非共价键形成“超分子”(具有分子识别、 催化、选择性输出的稳定大分子 )。天然酶是主体，底物是 客体。化学家可以通过酶活性的模拟，或酶作用机制的模 拟，人工合成类酶物质，即人工酶(主体)，和人工酶反应的 反应物是客体。 主体和客体互补：在结合部位的空间及电子排列上主、客 体应互补！(主体＋客体)形成超分子。
催化糠偶姻(B)氧化成糠偶酰的反应， 姻的烯醇负离子通过与桥基 铜离子的静电或配位作用得 其催化速率Kcat 比没有催化剂时大
20倍。
以稳定，从而加速了反应。
胡萝卜素利用桥联环糊精氧化为视黄醛
胡萝卜素
视黄醛
合成的主－客体酶模型
环糊精是天然的主-客体酶模型。
冠醚、穴醚、环番、环芳烃等是 合成的主-客体酶模型。
此化合物可催化 ATP水解为 ADP和 AMP。pH 7时水解 提速500倍。
-胰凝乳蛋白酶模拟
A ： - 胰凝乳蛋白酶模拟物， 是含 B 的具有孔隙状结构的 球状配体，由环状尿素连接
而成的孔穴状结构，方便与
底物结合。 B ：催化底物进行酰基转移
反应的亲核试剂。
A催化底物反应的速度是B的 1011 倍。
金属胶束人工酶：
由表面活性剂加金属离子组成。表面活性剂营 造疏水微环境可以包结底物，金属离子起催化 作用。
三、肽酶(pepzyme)
本质：人工合成的多肽。
酶的人工模拟或模拟酶
通过对生物体系的结构与功 能的研究，为设计和建造新的技 术提供新的思想、新原理、新方 法和新途径。
第一节 酶促反应动力学
对许多酶的性质的观察和研究得知，在低的底物浓度[S]下，反应速度（v）直接 与底物浓度[S]成正比；在高底物浓度[S]下，速度趋向于最大值（Vmax），此时反应 速度与底物浓度[S]无关（如图2-1）。
（2-7）除以（2-8），并整理得
（2-9）
这就是米-曼氏方程（Michaelis-Menten equation），又称为米氏方程，式中 的Km是一常数值，称为米氏常数。在特殊情况下，当v = Vmax时，米氏方程可转化 为下式：
第一节 酶促反应动力学
整理上式可得 Km= [S] 由此可以看出，Km的物理意义就是当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的 底物浓度，其单位与物质摩尔浓度单位相同，用mol/L表示。Km数值大小与酶的浓 度无关，是酶反应的特性常数。不同酶的Km值不同，且同一酶在不同的底物下， 其Km值也不同。米氏常数可由实验测得，也可用下面的公式求得：
一般说来，模拟酶是在分子 水平上模拟酶活性部位的形状、 大小及其微环境等结构特征，以 及酶的作用机理和立体化学等特 性的一门科学。
模拟酶的研究就是吸收酶中 那些起主导作用的因素利用有机 化学、生物化学等方法，设计和 合成一些较天然酶简单的非蛋白 分子或蛋白质分子，以这些分子 作为模型来模拟酶对其作用底物 的结合和催化过程。
图2-1 单底物酶促反应的反应速度与底物浓度的关系
第一节 酶促反应动力学
1913年前后，米彻利斯（Michaelis）和曼吞（Menten）在前人工作的基础上， 通过大量的定量研究，提出了酶促动力学基本原理，并推导出了著名的米-曼氏方 程，推导过程如下：
第一节 酶促反应动力学
对许多酶的性质的观察和研究得知，在低的底物浓度[S]下，反应速度（v）直接 与底物浓度[S]成正比；在高底物浓度[S]下，速度趋向于最大值（Vmax），此时反应 速度与底物浓度[S]无关（如图2-1）。
（2-7）除以（2-8），并整理得
（2-9）
这就是米-曼氏方程（Michaelis-Menten equation），又称为米氏方程，式中 的Km是一常数值，称为米氏常数。在特殊情况下，当v = Vmax时，米氏方程可转化 为下式：
第一节 酶促反应动力学
整理上式可得 Km= [S] 由此可以看出，Km的物理意义就是当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的 底物浓度，其单位与物质摩尔浓度单位相同，用mol/L表示。Km数值大小与酶的浓 度无关，是酶反应的特性常数。不同酶的Km值不同，且同一酶在不同的底物下， 其Km值也不同。米氏常数可由实验测得，也可用下面的公式求得：
一般说来，模拟酶是在分子 水平上模拟酶活性部位的形状、 大小及其微环境等结构特征，以 及酶的作用机理和立体化学等特 性的一门科学。
模拟酶的研究就是吸收酶中 那些起主导作用的因素利用有机 化学、生物化学等方法，设计和 合成一些较天然酶简单的非蛋白 分子或蛋白质分子，以这些分子 作为模型来模拟酶对其作用底物 的结合和催化过程。
图2-1 单底物酶促反应的反应速度与底物浓度的关系
第一节 酶促反应动力学
1913年前后，米彻利斯（Michaelis）和曼吞（Menten）在前人工作的基础上， 通过大量的定量研究，提出了酶促动力学基本原理，并推导出了著名的米-曼氏方 程，推导过程如下：
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N: N :N N
催化基团臂长
N: N :N N O P O-
A
OH-条件
PO32-
PO32OH
OH PO 23
S
S
+
A
B环状磷 酸二酯BOH3. CD-桥仿酶模型
将2个或多个CD通过桥基功能基构成具有协同包结合多重识别作用的催化 活性中心，能更好地对底物起到识别与催化作用。 Matsui等将乙二胺偶联到CD上，然后与铜盐作用形成侨联环糊精， 它能够催化糠偶姻氧化成糠偶酰的反应。 糠偶姻
OH O C=C ODEAE NH2 NH DEAE
CD环包结呋喃环-识别定向
O O O C=C O O
糠偶酰 烯醇-O-与Cu2+静电或配位结 合得以稳定加速反应进行。
Cu2+
NH NH2
催化基团 催化活性中心
谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC.1.11.1.9)为含硒酶，是生物体内重要 的抗氧化酶，能有效消除体内的自由基，与超氧化物歧化酶和过氧 化氢酶共同作用，防止脂质过氧化。因此GPX在治疗和预防克山病、 心血管病、肿瘤等疾病具有明显的疗效。该酶来源非常有限，而且 稳定性差，分子量大等限制了它的实际应用。 利用CD的疏水腔作为底物结合部位，硒巯基为催化部位，制备出系列 双硒侨联环糊精。表现出很高的GPX酶活性，其中C2和 C6-硒化环糊精 的GPX活力已达到4.3U/µmol和7.4 U/µmol。若将C2-硒化环糊精改变成碲 化环糊精的GPX活力已达到45U/µmol。
2.抗体酶研究意义
机体的免疫系统可产生108~1010个不同的抗体分子，抗体分子的多样 性赋予它几乎无限的识别能力和高度专一性的结合能力。这种精细 的识别性使其能结合几乎所有的任何天然的或化学合成的分子，利 用免疫系统的这种特性将抗体开发成适合特定用途的酶，用以满足 化工生产、人类生活、医疗乃至健康所需要的酶。因此，抗体酶研 究开发具有较高的理论和实用价值。
这些理论学说总体模型成为模拟酶设计的理论基础。
2.模拟酶设计策略
E+S 主+客体
模拟酶 设计 基础 理论 基础 活性中心-底物 结构相互匹配 酶立体结构 诱导契合 活性中心 微环境
ES
主-客体 复合物 疏水环境柔 性易于变构 催化功能动 态设计基础
E+P
临近定向说 稳态过渡 静电、氢键、范德华力 不稳定共价复合物
一、理念与概念
模拟生物体系是开辟新技术的途径之一，自觉地把生物界作为各种技术 思想、设计原理和发明创造的源泉，通过对生物体系的结构与功能研究， 为设计和建造新技术提供新思想、新原理、新方法和新途径---已经成为 科学界的一种科学理念。 酶是生物界经过长期进化而产生的生物催化剂，它能在温和条件下、专 一地催化某些化学反应，设计一种像酶一样的新型高效催化剂，是科学 家梦寐以求的目标，也成为模拟酶研究领域中的前沿课题。 模拟酶公认的定义：吸收酶催化中起主导作用的因素，利用有机化学、 生物化学等方法设计和合成一些较天然酶简单的非蛋白质分子或蛋白 质分子，以这些分子作为模型来模拟酶对其作用底物的结合和催化过 程，即在分子水平上模拟酶活性部位的形状、大小、微环境以及酶的 作用机理和立体化学等特性的一门学科。
R O O=C CH2
HOOC :N
β-Benzyme对于对-叔丁基-苯基乙酸酯 (p-NPAc)水解活性比天然酶高1倍以上， kcat/Km(底物专一性)也与天然酶相当， Bender因此闻名于世。
NH
HO
S
OH
β-Benzyme
组氨酸咪唑基是十分有效的酸碱催化剂和亲核催化剂，在水解酶活性 中心起关键性催化作用。
模拟酶不仅需要具有天然酶的底物专一性结合基团，还要兼具底物定向 结合的能力，方能表现催化活性的高效性。因此模型结构中定向引入活 性基团对催化效率的提高至关重要。
第二节 模拟酶主要类别
模拟酶Kirby分类法 单纯酶模型(enzyme-based mimics):
以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性形成的酶。
O O O O O O O
CH2SH
O O
O O O
CH2CH2CH2SH
O O O O O O
CH2OCH2CH2SH
CH2SH
CH2CH2CH2SH
CH2OCH2CH2SH
A
B
O O O O O O
立体识别位
X-SH
C
X-SH
结合部位
催化部位
1.二肽酯硫解酶的模拟
含有半胱氨酸残基的大环手性模拟酶： 伯铵盐在冠醚孔穴中的络合
COOH Fe
HO
Breslow β-Benzyme
2.核糖核酸酶的模拟 (β-CD为主体修饰的模型酶)
一些酶活性中心中的残基或基团
酶名称 胰蛋白酶 α-胰凝乳蛋白酶 弹性蛋白酶 羧肽酶A 核糖核酸酶 溶菌酶
RNase活性中心2个咪唑基在催 化过程中交替起到酸碱催化剂 参与活性中心的残基或基团 的作用，使离去基团质子化或 His42,Asp87,Ser180 增加亲核性。
His57,Asp102,Ser195,Ile16 His42,Asp87,Ser180. Arg145,Tyr248,Glu270,Zn2+ His12,Lys41,His119 Glu35,Asp52
CD-底物复合物的几何形状和 催化基团所处位置对反应选择 性起决定作用。
OH PO 23
催化基团臂短
第六章 模拟酶
第一节 理论基础和策略 一、理念与概念 二、理论基础与策略 第二节 模拟酶类别 一、环糊精酶模型 二、冠醚化合物模拟酶 自习了解内容: 三、胶束模拟酶 四、肽酶 五、半合成酶 第三节 抗体酶
通过本章学习，掌握模拟酶的 设计基本策略与研究进展状况， 为提高自学阅读能力奠定良好 基础。
第一节 模拟酶的理论基础和策略
三、Cu,Zn-SOD的模拟
牛红细胞Cu,Zn-SOD活性中心的“咪唑桥”结构示意 图：
N
His118 His44
HOH N N
N N
Asp81 N
His61
O-
His69
Cu
His46
Zn
N N
His78
Pro60
Pro62
Cu2+-SOD O2 Cu2+-SOD-O22－
• Cu+-SOD-O2－
机理酶模型(mechanism-based mimics):
通过对酶作用机制如识别、结合和过渡态稳定化的认识，指导酶模型的 设计和合成的酶。
单纯合成酶样化合物:
通过化学合成的具有酶样催化活性的简单分子。
小分子仿酶体系酶模型： (也称为主-客体酶模型)
环糊精，冠醚，环番，环芳烃和环卟啉环化合物模拟酶。
大分子仿酶主要体系：
聚合物酶模型，分子印迹酶模型，胶束酶模型，半合成人工酶。
一、环糊精模拟酶
环糊精(cyclodextrin，简称CD)
1,4糖苷键
HO OH
相对疏 可修饰仲-OH 水洞穴
HO OH OH
仲-OH
正视图
正视图
OH OH
HO OH
环状 相对疏 低聚糖 水洞穴 6,7,8
伯-OH
OH
-OH 可修饰伯-OH
可在CD的分子上下两面伯羟基引入催化基团，并通过柔性或刚性加冕 引入疏水基团改善C D疏水结合和催化功能。即可以实现类似酶活性中 心的疏水性和对底物的识别催化作用。
1.水解酶模拟
α-胰凝乳蛋白酶活性中心处于疏水性环状结合部位，能有效包结芳环，催 化部位-His57-咪唑基，Asp102-COOH，Ser195-OH，三者共同构成组成所谓 “电荷中继系统”，有效催化底物水解。Bender等将实现了电荷中继系统 的酰基酶催化部位引入CD的第二面，成功地制备出人工酶β-Benzyme。
简单说模拟酶是从分子水平模拟生物功能的一门边沿学科。
二、模拟酶的理论基础与模拟策略 1.酶学理论基础
解释酶催化高效性理论： Pauling的稳态过渡理论 诱导契合学说 临近定向说 微环境说 活性中心结构 酸碱催化、共价催化、多元催化
底物专一性和变构效应 催化基团与底物反应轨道匹配 活性中心低介电常数、疏水性 结合基团、催化基团及辅助因子结构与作用
OP δ+ O OH N: N H2 NH2
+ +
O P
O P
O
腺苷
O OP O-
O OO
O O
+ADP
N H2 NH2
+ +
NH2 N H2
+
+
N H
H N:
O
NH2 N H2
+
+
N H
O
O
从CD主体、环醚主体修饰改造产生的模拟酶过程，可以看出，酶学结 构理论、催化理论学说是模拟酶设计的理论指导，丰富的生物化学和化 学知识是合成主体的基础，主体与客体两者作用均离不开结构化学、酶 化学的支撑。希望感兴趣的同学们能够查阅更多资料，了解更多模拟酶 方面的进展，以便日后积极参与此项造福于人类的伟大工程中去！
二、抗体酶的制备理念与方法 1.稳定过渡态法 此处主要介绍稳定过渡态法
按照Pauling的稳定过渡态理论为指导，利用设计的反应过渡态类似物 2.抗体与半抗原互补法 作为半抗原通过动物免疫系统产生抗体酶的方法。 稳定过渡态法成功的抗体酶先例为酰基转移酶，酯酶等。 3.熵阱法 蛋白质合成过程中氨基酸活化反应就是氨基酸的羧基结合在tRNA3′-OH 5.抗体结合部位修饰法 上的过程，此乃酰基转移反应(Acyltransferation)，也即氨酰基化反应 (Aminoacylation)。
N
Rama等人将咪唑基的一个N原子直 接与CD的C3-OH相连，对p-NPAc水 解比天然酶快一个数量级。 Breslow认为提高模拟酶催化效率的 关键是要增加环糊精对底物的结合能 力，因此设计了系列以二茂铁、金刚 烷为结合位点的硝基苯酯，以CD作 为催化剂加速酯水解达105~106倍。
催化基团臂长
N: N :N N O P O-
A
OH-条件
PO32-
PO32OH
OH PO 23
S
S
+
A
B环状磷 酸二酯BOH3. CD-桥仿酶模型
将2个或多个CD通过桥基功能基构成具有协同包结合多重识别作用的催化 活性中心，能更好地对底物起到识别与催化作用。 Matsui等将乙二胺偶联到CD上，然后与铜盐作用形成侨联环糊精， 它能够催化糠偶姻氧化成糠偶酰的反应。 糠偶姻
OH O C=C ODEAE NH2 NH DEAE
CD环包结呋喃环-识别定向
O O O C=C O O
糠偶酰 烯醇-O-与Cu2+静电或配位结 合得以稳定加速反应进行。
Cu2+
NH NH2
催化基团 催化活性中心
谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC.1.11.1.9)为含硒酶，是生物体内重要 的抗氧化酶，能有效消除体内的自由基，与超氧化物歧化酶和过氧 化氢酶共同作用，防止脂质过氧化。因此GPX在治疗和预防克山病、 心血管病、肿瘤等疾病具有明显的疗效。该酶来源非常有限，而且 稳定性差，分子量大等限制了它的实际应用。 利用CD的疏水腔作为底物结合部位，硒巯基为催化部位，制备出系列 双硒侨联环糊精。表现出很高的GPX酶活性，其中C2和 C6-硒化环糊精 的GPX活力已达到4.3U/µmol和7.4 U/µmol。若将C2-硒化环糊精改变成碲 化环糊精的GPX活力已达到45U/µmol。
2.抗体酶研究意义
机体的免疫系统可产生108~1010个不同的抗体分子，抗体分子的多样 性赋予它几乎无限的识别能力和高度专一性的结合能力。这种精细 的识别性使其能结合几乎所有的任何天然的或化学合成的分子，利 用免疫系统的这种特性将抗体开发成适合特定用途的酶，用以满足 化工生产、人类生活、医疗乃至健康所需要的酶。因此，抗体酶研 究开发具有较高的理论和实用价值。
这些理论学说总体模型成为模拟酶设计的理论基础。
2.模拟酶设计策略
E+S 主+客体
模拟酶 设计 基础 理论 基础 活性中心-底物 结构相互匹配 酶立体结构 诱导契合 活性中心 微环境
ES
主-客体 复合物 疏水环境柔 性易于变构 催化功能动 态设计基础
E+P
临近定向说 稳态过渡 静电、氢键、范德华力 不稳定共价复合物
一、理念与概念
模拟生物体系是开辟新技术的途径之一，自觉地把生物界作为各种技术 思想、设计原理和发明创造的源泉，通过对生物体系的结构与功能研究， 为设计和建造新技术提供新思想、新原理、新方法和新途径---已经成为 科学界的一种科学理念。 酶是生物界经过长期进化而产生的生物催化剂，它能在温和条件下、专 一地催化某些化学反应，设计一种像酶一样的新型高效催化剂，是科学 家梦寐以求的目标，也成为模拟酶研究领域中的前沿课题。 模拟酶公认的定义：吸收酶催化中起主导作用的因素，利用有机化学、 生物化学等方法设计和合成一些较天然酶简单的非蛋白质分子或蛋白 质分子，以这些分子作为模型来模拟酶对其作用底物的结合和催化过 程，即在分子水平上模拟酶活性部位的形状、大小、微环境以及酶的 作用机理和立体化学等特性的一门学科。
R O O=C CH2
HOOC :N
β-Benzyme对于对-叔丁基-苯基乙酸酯 (p-NPAc)水解活性比天然酶高1倍以上， kcat/Km(底物专一性)也与天然酶相当， Bender因此闻名于世。
NH
HO
S
OH
β-Benzyme
组氨酸咪唑基是十分有效的酸碱催化剂和亲核催化剂，在水解酶活性 中心起关键性催化作用。
模拟酶不仅需要具有天然酶的底物专一性结合基团，还要兼具底物定向 结合的能力，方能表现催化活性的高效性。因此模型结构中定向引入活 性基团对催化效率的提高至关重要。
第二节 模拟酶主要类别
模拟酶Kirby分类法 单纯酶模型(enzyme-based mimics):
以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性形成的酶。
O O O O O O O
CH2SH
O O
O O O
CH2CH2CH2SH
O O O O O O
CH2OCH2CH2SH
CH2SH
CH2CH2CH2SH
CH2OCH2CH2SH
A
B
O O O O O O
立体识别位
X-SH
C
X-SH
结合部位
催化部位
1.二肽酯硫解酶的模拟
含有半胱氨酸残基的大环手性模拟酶： 伯铵盐在冠醚孔穴中的络合
COOH Fe
HO
Breslow β-Benzyme
2.核糖核酸酶的模拟 (β-CD为主体修饰的模型酶)
一些酶活性中心中的残基或基团
酶名称 胰蛋白酶 α-胰凝乳蛋白酶 弹性蛋白酶 羧肽酶A 核糖核酸酶 溶菌酶
RNase活性中心2个咪唑基在催 化过程中交替起到酸碱催化剂 参与活性中心的残基或基团 的作用，使离去基团质子化或 His42,Asp87,Ser180 增加亲核性。
His57,Asp102,Ser195,Ile16 His42,Asp87,Ser180. Arg145,Tyr248,Glu270,Zn2+ His12,Lys41,His119 Glu35,Asp52
CD-底物复合物的几何形状和 催化基团所处位置对反应选择 性起决定作用。
OH PO 23
催化基团臂短
第六章 模拟酶
第一节 理论基础和策略 一、理念与概念 二、理论基础与策略 第二节 模拟酶类别 一、环糊精酶模型 二、冠醚化合物模拟酶 自习了解内容: 三、胶束模拟酶 四、肽酶 五、半合成酶 第三节 抗体酶
通过本章学习，掌握模拟酶的 设计基本策略与研究进展状况， 为提高自学阅读能力奠定良好 基础。
第一节 模拟酶的理论基础和策略
三、Cu,Zn-SOD的模拟
牛红细胞Cu,Zn-SOD活性中心的“咪唑桥”结构示意 图：
N
His118 His44
HOH N N
N N
Asp81 N
His61
O-
His69
Cu
His46
Zn
N N
His78
Pro60
Pro62
Cu2+-SOD O2 Cu2+-SOD-O22－
• Cu+-SOD-O2－
机理酶模型(mechanism-based mimics):
通过对酶作用机制如识别、结合和过渡态稳定化的认识，指导酶模型的 设计和合成的酶。
单纯合成酶样化合物:
通过化学合成的具有酶样催化活性的简单分子。
小分子仿酶体系酶模型： (也称为主-客体酶模型)
环糊精，冠醚，环番，环芳烃和环卟啉环化合物模拟酶。
大分子仿酶主要体系：
聚合物酶模型，分子印迹酶模型，胶束酶模型，半合成人工酶。
一、环糊精模拟酶
环糊精(cyclodextrin，简称CD)
1,4糖苷键
HO OH
相对疏 可修饰仲-OH 水洞穴
HO OH OH
仲-OH
正视图
正视图
OH OH
HO OH
环状 相对疏 低聚糖 水洞穴 6,7,8
伯-OH
OH
-OH 可修饰伯-OH
可在CD的分子上下两面伯羟基引入催化基团，并通过柔性或刚性加冕 引入疏水基团改善C D疏水结合和催化功能。即可以实现类似酶活性中 心的疏水性和对底物的识别催化作用。
1.水解酶模拟
α-胰凝乳蛋白酶活性中心处于疏水性环状结合部位，能有效包结芳环，催 化部位-His57-咪唑基，Asp102-COOH，Ser195-OH，三者共同构成组成所谓 “电荷中继系统”，有效催化底物水解。Bender等将实现了电荷中继系统 的酰基酶催化部位引入CD的第二面，成功地制备出人工酶β-Benzyme。
简单说模拟酶是从分子水平模拟生物功能的一门边沿学科。
二、模拟酶的理论基础与模拟策略 1.酶学理论基础
解释酶催化高效性理论： Pauling的稳态过渡理论 诱导契合学说 临近定向说 微环境说 活性中心结构 酸碱催化、共价催化、多元催化
底物专一性和变构效应 催化基团与底物反应轨道匹配 活性中心低介电常数、疏水性 结合基团、催化基团及辅助因子结构与作用
OP δ+ O OH N: N H2 NH2
+ +
O P
O P
O
腺苷
O OP O-
O OO
O O
+ADP
N H2 NH2
+ +
NH2 N H2
+
+
N H
H N:
O
NH2 N H2
+
+
N H
O
O
从CD主体、环醚主体修饰改造产生的模拟酶过程，可以看出，酶学结 构理论、催化理论学说是模拟酶设计的理论指导，丰富的生物化学和化 学知识是合成主体的基础，主体与客体两者作用均离不开结构化学、酶 化学的支撑。希望感兴趣的同学们能够查阅更多资料，了解更多模拟酶 方面的进展，以便日后积极参与此项造福于人类的伟大工程中去！
二、抗体酶的制备理念与方法 1.稳定过渡态法 此处主要介绍稳定过渡态法
按照Pauling的稳定过渡态理论为指导，利用设计的反应过渡态类似物 2.抗体与半抗原互补法 作为半抗原通过动物免疫系统产生抗体酶的方法。 稳定过渡态法成功的抗体酶先例为酰基转移酶，酯酶等。 3.熵阱法 蛋白质合成过程中氨基酸活化反应就是氨基酸的羧基结合在tRNA3′-OH 5.抗体结合部位修饰法 上的过程，此乃酰基转移反应(Acyltransferation)，也即氨酰基化反应 (Aminoacylation)。
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Rama等人将咪唑基的一个N原子直 接与CD的C3-OH相连，对p-NPAc水 解比天然酶快一个数量级。 Breslow认为提高模拟酶催化效率的 关键是要增加环糊精对底物的结合能 力，因此设计了系列以二茂铁、金刚 烷为结合位点的硝基苯酯，以CD作 为催化剂加速酯水解达105~106倍。