酶八章-酶的人工模拟或模拟酶

基于Pauling稳定过渡态理论， 目前对酶的催化机制解释是酶先 对底物结合，进而选择性稳定某 一特定反应的过渡态(TS)，降低反 应的活化能，从而加快反应速度。
设计模拟酶：
——基于酶的作用机制， ——基于对简化的人工体系中识 别、结合和催化的研究。 要想得到一个真正有效的模 拟酶，这两方面就必须统一结合。
O O OH
P
OPO3
2
OH OH +
OPO3
2
A
B
C
③ 转氨酶的模拟
磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是许多涉及氨基 酸的酶促转化的辅酶。其中最重要的是转氨酶 催化的酮酸与氨基酸之间的相互转化。吡哆醛 (胺)本身亦能实现转氨作用，但由于辅酶本身 无底物结合部位，反应速度远不如酶存在时快。 显然，有效的转氨酶模型除了具有辅酶体系外， 还应有特定的结合部位，这种结合部位能够选 择性地与底物形成复合物。
模拟酶的分类
根据Kirby分类法，模拟酶可分为：
——(1)单纯酶模型(enzyme-based mimics)，即 以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改 造酶活性； ——(2)机理酶模型(mechanism-based mimics)， 即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； ——(3)单纯合成的酶样化合物(synzyme)，即一 些化学合成的具有酶样催化活性的简单分子。
通常，在设计模拟酶之前，应当对酶 的结构和酶学性质有深入的了解： ——(1)酶活性中心-底物复合物的结 构； ——(2)酶的专一性及其同底物结合的 方式与能力； ——(3)反应的动力学及各中间物的知 识。
设计人工酶模型应考虑如下因素： ——非共价键相互作用是生物酶柔韧性可 变性和专一性的基础，故酶模型应为底物 提供良好的微环境，便于与底物，特别是 反应的过渡态以离子键、氢键等结合； ——精心挑选的催化基团必须相对于结合 点尽可能同底物的功能团相接近，以促使 反应定向发生； ——模型应具有足够的水溶性，并在接近 生理条件下保持其催化活性。
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。
④ 桥联环糊精仿酶模型
桥联CD是近年来发展起来的一类新 型仿酶模型，它的两个CD及桥基上的功 能基构成了具有协同包结和多重识别功能 的催化活性中心，能更好的模拟酶对底物 的识别与催化功能。
11的水解反应。底物11被两个CD包结后，配 位于桥基的Cu2+正好处于底物酯基的附近，有 利于OH — 对酯基的进攻，因而显著地加速了 水解反应。其催化速率比无催化剂时提高 2.2×105倍。
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
N N N N
N N S N N S
4 CD-1
CD-2
5
当A在碱性条件下水解时，同时产生B和C 两种产物，而在模拟酶CD-1的催化下水解反应 只生成C；相反CD-2催化水解反应只生成B。
Tabushi等人将催化基团氨基引入CD得到 模拟酶。乙二胺的引入不仅使反应加速2000倍 以上，还为氨基酸的形成造就了一个极强的手 性环境。靠近乙二胺一面的质子转移受到抑制， 从而表现出很好的立体选择性。
N CH3 OH NH2 NH NH2
S
7 转氨酶模型
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
Cram把主体与客体通过配位 键或其它次级键形成稳定复合物 的化学领域称为“主-客体”化学 (host-guest chemistry)。
主-客体化学的基本意义来源 于酶和底物的相互作用，体现为 主体和客体在结合部位的空间及 电子排列的互补，这种主客体互 补与酶和它所识别的底物结合情 况近似。
主-客体化学和超分子化学已 成为酶人工模拟的重要理论基础， 是人工模拟酶研究的重要理论武 器。 根据酶催化反应机理，若合 成出能识别底物又具有酶活性部 位催化基团的主体分子，就能有 效地模拟酶的催化过程。
Bender等人 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 。
COOH N OH S NH
1
β-Benzyme
β-Benzyme催化对叔丁基苯基 醋酸酯(p-NPAc)的水解比天然酶快 一倍以上，kcat/K m也与天然酶相 当。 β-Benzyme曾以实现了天然酶 的高效催化作用机理而闻名于世。
1980年报道了第一个人工转氨酶模型 。 在它的存在下，苯并咪唑基酮酸转氨基酸 速度比吡哆胺单独存在时快200倍，而且 表现出良好的底物选择性。
NH2 HO CH3 N S
6 转氨酶模型
由于β-CD本身具有手性，可以预料 产物氨基酸亦应该具有光学活性，事实上 产物中D，L异构体的含量确实不同，说明 该人工酶有一定的立体选择性。
由于天然酶的种类繁多，模 拟的途径、方法、原理和目的不 同，对模拟酶至今没有一个公认 的定义。
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。
因此，模拟酶是从分子水平 上模拟生物功能的一门边缘科学。
迄今为止，已经有了多种模拟酶： ——小分子仿酶体系有环糊精、冠醚、环 番、环芳烃和卟啉等大环化合物等。 ——大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分 子印迹酶模型和胶束酶模型等。 ——利用化学修饰、基因突变等手段改造 天然酶产生了具有新的催化活性的半 合成人工酶。
胡罗卜素是人体所需的重要营养物 质。其正中的双键被氧化后得到两分子的 视黄醛，它是维生素A 的前体。胡罗卜素 氧化酶(CDOs)可选择性地氧化C15=C15’ 键，从而将胡罗卜素转化为视黄醛。
利用环糊精为酶模型已对多种酶 的催化作用进行了模拟。 在水解酶、核糖核酸酶、转氨酶、 氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和 羟醛缩合酶等方面都取得了很大的进 展。
①水解酶的模拟 α-胰凝乳蛋白酶是一种蛋白水解酶。 它具有疏水性的环状结合部位，能有 效包结芳环，催化部位中含有57号组 氨酸咪唑基，102号天冬氨酸羧基及 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。
按照模拟酶的属性，模拟酶可分为： ——(1)主—客体酶模型，包括环糊精、 冠醚、穴醚、杂环大环化合物和卟啉 类等； ——(2)胶束酶模型； ——(3)肽酶； ——(4)抗体酶； ——(5)分子印迹酶模Leabharlann Baidu； ——(6)半合成酶等。
近年来又出现了杂化酶和进化酶。 对酶的模拟已不是仅限于化学手段， 基因工程、蛋白质工程等分子生物学 手段正在发挥越来越大的作用。化学 和分子生物学方法的结合使酶模拟更 加成熟起来。
设计一种象酶那样的高效催 化剂是科学家们一直追求的目标。 而对酶功能的模拟是当今自然科 学领域中的前沿课题之一。
在过去的20年里，化学家对 利用简单的分子模型构建酶的特 征进行了深入的研究。 经过长期的努力，新的催化 剂 — 模拟酶就逐渐被研制和开 发出来。
模拟酶又称人工酶或酶模型。 ——生物有机化学的一个分支。
一、主客体酶模型 1．环糊精酶模型 环糊精(Cyclodextrin 简称 CD) 是由多个D-葡萄糖以α(1,4)糖苷键 结合而成的一类环状低聚糖。
环糊精
根据葡萄糖单元的数量不同可分为α(6 个)，β(7个)及γ(8个)环糊精三种 ，
每个葡萄糖残基均呈现无扭曲变形的椅式构象，整个分 子组成类似轮胎的环柱形分子，分子内有空穴，其大小、 形状是由组成环的葡萄糖残基数目而定的
在设计模拟酶方面，尽管有 上述理论做指导，但是，目前尚 缺乏系统的定量的理论作指导。
令人欣喜的是，大量的实践证明， 酶的高效性和高选择性并非天然酶所 独有，人们利用各种策略发展了多种 人工酶模型。 目前，在众多的模拟酶中，已有 部分非常成功的例子，它们的催化效 率和高选择性已能与生物酶相媲美。
第二节
CD略呈锥形的圆筒， 其伯羟基和仲羟基分别位 于圆筒较小和较大开口端。 这样，CD分子外侧是亲水的， 其羟基可与多种客体形成氢键， 其内侧是C-3，C-5上的氢原子和 糖苷氧原子组成的空腔，故具有 疏水性，因而能包结多种客体分 子，很类似酶对底物的识别。
作为人工酶模型的主体分子虽有 若干种，但迄今被广泛采用且较为优 越的当属环糊精。
CD分子和底物的结合常数不及某 些酶对底物的结合常数大，因此以 CD为主体的仿酶研究工作过去主要 集中在对CD的修饰上，即在CD的两 面引入催化基团，通过柔性或刚性加 冕引入疏水基团，以改善CD的疏水 结合和催化功能。 这样得到的修饰CD通常只有单 包结部位和双重识别作用。
由于酶是通过对底物的多部位包 结并具有多重识别位点来实现酶促反 应的高效性和高选择性的。为了增加 环糊精的仿酶效果，近年来相继出现 了桥联环糊精和聚合环糊精。以它们 为仿酶模型可以得到双重或多重疏水 结合作用和多重识别作用。
Breslow研究小组最近发展了一种新方法，试图 利用组合化学技术筛选与环糊精客体具有高选择性结 合的小肽分子，以便获得高活性的催化水解肽酶模型。 他们制备了含镍的水扬酚环糊精复合物 。
以它们为受体在三肽库中进行筛选。此库含有氨 基酸编码AA3-AA2-AA1-NH（CH2）2-TentaGel, 库 容为293（24389）。筛选结果表明，含有L-Phe-DPro –X和D-Phe-L-Pro –X结构的三肽对环糊精具有非 常显著的选择性结合能力。这为获得高活性的肽催化 水解酶模型开辟了一条新路。
在设计模拟酶时除具备催化 基团之外，还要考虑到与底物定 向结合的能力。模拟酶要和酶一 样，能够在底物结合中，通过底 物的定向化、键的扭曲及变形来 降低反应的活化能。
酶模型的催化基团和底物之 间必须具有相互匹配的立体化学 特征，这对形成良好的反应特异 性和催化效力是相当重要的。
2. 超分子化学 Pederson和Cram报道了一系 列光学活性冠醚的合成方法。这 些冠醚可以作为主体而与伯铵盐 客体形成复合物。
第八章
酶的人工模拟或模拟酶
第一节 模拟酶的理论基础和策略
一、 模拟酶的概念
二十世纪的大部分时期，科 学家一直在利用化学模拟作为阐 明自然界中生物体行为的基础。
早在二十世纪中叶，人们就 已认识到研究和模拟生物体系是 开辟新技术的途径之一，并自觉 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。
组氨酸咪唑基在酶催化中起着重 要作用，将咪唑与环糊精相连结会获 得更理想的模拟酶。
Rama等人将 咪唑在N上直接与 β-CD的C-3相连， 所得的模型2催化 p-NPAc的水解比 天然酶快一个数量 级。
N N
2
著名科学家Breslow在环糊精仿 酶领域做了大量而出色的工作。
——认为模拟酶增加催化效率的关键 是要增加环糊精对底物过渡态的结合 能力。
其中，抗体酶就是一个典型 的例子，抗体酶的出现和快速发 展为酶的人工模拟又开辟了一条 新的道路。
二、模拟酶的理论基础
1．模拟酶的酶学基础 酶是如何发生效力的？对酶 的催化机制，人们提出了很多理 论，试图从不同角度阐述酶发挥 高效率的原因。
在众多的假说中，Pauling 的 稳定过渡态理论得到了广泛的承 认。
最简单的方法是修 饰底物来增加底物同 CD的结合，从而可能 增加对过渡态的结合。 设计了一系列以二 茂铁、金刚烷为结合位 点的硝基苯酯，以CD 本身为催化剂可加速酯 水解达105~106倍。
Fe
COOPNP
3
②核糖核酸酶的模拟 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。