第九章模拟酶人工酶
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酶工程_08-人工酶
NH2 N N N S O OH O OH P P O O OH R1 N S R2 R3 R1 N S R2 R3
H3C
thiamine pyrophosphate
♫
1972年，Breslow 提出了“biomimetic chemistry (仿生化学)” 的概念
Enzyme Engineering
人 工 酶
♫
Artificial Enzymes
人工酶的研究简史
♫
“仿生”与“模拟酶”
♫ ♫
1970年，第一个以环糊精为基本结构的模拟酶诞生 从 1970s 开始， Breslow 课题组对模拟酶进行了大量研究，取得 丰硕的成果，为人工酶的设计和应用作出了巨大贡献
Ronald Breslow (1931-)
♫
♫
Enzyme Engineering
人 工 酶
♫
Artificial Enzymes
人工酶的理论基础
♫
人工酶的分类 —— 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
♫
机理酶模型（mechanism-based mimics）
Enzyme Engineering
人 工 酶
♫
Artificial Enzymes
主－客体酶模型
♫
环糊精酶模型 —— 酰基水解酶（acyl-hydrolase）
♫
1970 年，Breslow 设计出第一个环糊精酶模型，能催化对硝基乙 酰苯酯的水解，反应速率比无催化剂时快 103 倍
O N O OH O O OH O HO O O O OH O OH O OH O O N O O Ni N OHOHO O N O N
H3C
thiamine pyrophosphate
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1972年，Breslow 提出了“biomimetic chemistry (仿生化学)” 的概念
Enzyme Engineering
人 工 酶
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Artificial Enzymes
人工酶的研究简史
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“仿生”与“模拟酶”
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1970年，第一个以环糊精为基本结构的模拟酶诞生 从 1970s 开始， Breslow 课题组对模拟酶进行了大量研究，取得 丰硕的成果，为人工酶的设计和应用作出了巨大贡献
Ronald Breslow (1931-)
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Enzyme Engineering
人 工 酶
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Artificial Enzymes
人工酶的理论基础
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人工酶的分类 —— Kirby 分类法
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单纯酶模型（enzyme-based mimics）
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以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性
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机理酶模型（mechanism-based mimics）
Enzyme Engineering
人 工 酶
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Artificial Enzymes
主－客体酶模型
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环糊精酶模型 —— 酰基水解酶（acyl-hydrolase）
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1970 年，Breslow 设计出第一个环糊精酶模型，能催化对硝基乙 酰苯酯的水解，反应速率比无催化剂时快 103 倍
O N O OH O O OH O HO O O O OH O OH O OH O O N O O Ni N OHOHO O N O N
抗体酶
1986年Schultz以对硝基苯酚磷酸胆碱酯（PNPPC） 作为相应的羧酸二酯的过渡态类似物。 诱导产生的抗体酶使水解反应速度加快12000倍。
抗体酶
抗体酶（Abzyme）或催化抗体（Catalytic antibody)是抗体的高度选择性和酶的高效 催化能力巧妙结合的产物。
本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋
过渡态理论
过渡态理论认为，酶与底物的结合经历了一个 易于形成产物的过渡态，实际上是降低了反应 所需的活化能。
与反应过渡状态结合作用
在酶催化的反应中，与酶的活性中心形 成复合物的实际上是底物形成的过渡状 态， 酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物 或产物的亲和力。
抗体酶设想
1969年Jencks根据抗体结合抗原的高度 特异性，与天然酶结合底物的高度专一 性相类似的特性，在过渡态理论的基础 上首先提出设想：
10.1 模拟酶
11.1.1 模拟酶的概念
模拟酶又称人工酶或酶模型，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，以及酶的作用机制和立体 化学的一门学科，是从分子水平上模拟生物 功能的一门边缘学科。
模拟酶是20世纪60年代发展起来的一个新的研 究领域，是仿生高分子的一个重要的内容。
–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
• 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：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，形成超分子 – 功能：分子识别、催化、选择性输出
白，在
其可变区赋予了酶的属性。 它是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研 究的成果，是抗体的高度选择性和酶的高效催化 能力巧妙结合的产物。
模拟酶
酶的模拟工作可分为 整体模拟， 包括微环境在 内的整个酶活 性部位的化学 模拟。 模拟。
合成有类似 酶活性中心 酶活性的简单 模拟 络合物
2.模拟酶的理论基础 2.
1.主客体化学： 主客体化学： 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。 主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补。 配位键或其他次级键连接。 配位键或其他次级键连接。
金属卟啉
是卟吩及其衍生物卟啉与金 属离子形成的配位化合物。 属离子形成的配位化合物。 卟啉是一类由四个吡咯类 亚基的α-碳原子通过次甲基 亚基的 碳原子通过次甲基 桥（=CH-）互联而形成的大 ） 分子杂环化合物， 分子杂环化合物，其主体骨架 是卟吩。 是卟吩。当主体中两个吡咯质 子被金属取代后即成金属卟啉 。
模拟酶
目录
模拟酶的概念 模拟酶的理论基础 2种模拟酶 分子印迹技术
1.模拟酶的概念 1.
• 指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 可以模拟酶对底物的络合和催化过程， 催化的高效性，又可以克服酶的不稳定性。 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 模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部位的形状、 其微环境等结构特征、 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。 的一门科学。 分子水平上模拟生物功能的一门边缘科学。 分子水平上模拟生物功能的一门边缘科学。
• 从分子印迹聚合物的形成来看,一般其过程 从分子印迹聚合物的形成来看, 分为3 分为3步:
1)将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合, 1)将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合, 将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合 使其通过自由组装形成共价配合物或形成非共价 的加成产物; 的加成产物; 2)通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应 通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应, 2)通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应,形 成聚合物; 成聚合物; 3)通过洗脱以除去模板分子得到目标产物 通过洗脱以除去模板分子得到目标产物。 3)通过洗脱以除去模板分子得到目标产物。
模拟酶
应用：模拟氧化酶、碱性磷酸酯酶、羧肽酶A 等
例子：氧化酶的模拟
带长链的金属卟 啉位于胶束体系 中，使苯乙烯发 生环氧化反应。
细胞色素P-450单加氧酶模拟酶模型
底物结合部位： 疏水内核 催化部位： 金属中心
长链烷氧取代基的锰卟琳
胶束模拟酶模型缺陷
胶束在模拟酶的多功能催化基团方 面，还不能按协同作用的机理进行。
胶束在水溶液中提供了疏水微环境（类似于 酶的底物结合位点），可以对底物束缚。 将催化基团如咪唑、硫醇、羟基和一些辅酶共 价或非共价地连接或吸附在胶束上，使其成为具有 酶活力或部分酶活力的胶束模拟酶。
下面将介绍几种重要的胶束酶模型。
1.模拟水解酶的胶束酶模型
（ 1）
天然水解酶活性中心必需基团：组氨酸 的咪唑基 设计思路：在表面活性剂分子上连接上 组氨酸残基或咪唑基团上，就可能形成模 拟水解酶的胶束
S
C CH2 NH3+ O
O O O O O O CH2 O O CH2 O O SH O S
+ C CH2 NH C CH2 NH3
O
3. 超氧化物歧化酶的模拟
超氧化物歧化酶（SOD）生理作用： 通过 催化超氧阴离子自由基的歧化反应，有效控制 体内活性氧数量，避免细胞与组织受到过量活 性氧的损伤。
第七节
研究热点
目前模拟酶主要有以下几个研 究热点：
固氮酶的模拟
纤维素酶类的模拟 大环化合物 小分子配合物
结束语
虽然现在模拟酶的催化活性仅有少量 能达到天然酶的活性，但是，随着蛋白质 结构学和化学技术的发展，一定会有更好 的模拟酶替代天然酶应用于工业生产，那 时人们就可以用化学的方法随心所欲地构 造出各种性能高效的模拟酶，为生产和生 活服务。
例子：氧化酶的模拟
带长链的金属卟 啉位于胶束体系 中，使苯乙烯发 生环氧化反应。
细胞色素P-450单加氧酶模拟酶模型
底物结合部位： 疏水内核 催化部位： 金属中心
长链烷氧取代基的锰卟琳
胶束模拟酶模型缺陷
胶束在模拟酶的多功能催化基团方 面，还不能按协同作用的机理进行。
胶束在水溶液中提供了疏水微环境（类似于 酶的底物结合位点），可以对底物束缚。 将催化基团如咪唑、硫醇、羟基和一些辅酶共 价或非共价地连接或吸附在胶束上，使其成为具有 酶活力或部分酶活力的胶束模拟酶。
下面将介绍几种重要的胶束酶模型。
1.模拟水解酶的胶束酶模型
（ 1）
天然水解酶活性中心必需基团：组氨酸 的咪唑基 设计思路：在表面活性剂分子上连接上 组氨酸残基或咪唑基团上，就可能形成模 拟水解酶的胶束
S
C CH2 NH3+ O
O O O O O O CH2 O O CH2 O O SH O S
+ C CH2 NH C CH2 NH3
O
3. 超氧化物歧化酶的模拟
超氧化物歧化酶（SOD）生理作用： 通过 催化超氧阴离子自由基的歧化反应，有效控制 体内活性氧数量，避免细胞与组织受到过量活 性氧的损伤。
第七节
研究热点
目前模拟酶主要有以下几个研 究热点：
固氮酶的模拟
纤维素酶类的模拟 大环化合物 小分子配合物
结束语
虽然现在模拟酶的催化活性仅有少量 能达到天然酶的活性，但是，随着蛋白质 结构学和化学技术的发展，一定会有更好 的模拟酶替代天然酶应用于工业生产，那 时人们就可以用化学的方法随心所欲地构 造出各种性能高效的模拟酶，为生产和生 活服务。
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）。
酶的模拟
? 一般构成底物的结合位点比较容易，而构 建催化位点比较困难，但两个位点可以分 开设计。
设计模拟酶
? 催化基团的定向引入对催化效率的提高至关重 要。
? 要考虑到与底物的定向结合的能力。 ? 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。
设计人工酶模型应考虑：
? 单纯合成的酶样化合物：化学合成的具有酶样 催化活性的简单分子
二.按照模拟酶的属性
? 主-客体酶模型 ? 胶束酶模型 ? 肽酶 ? 抗体酶 ? 分子印迹酶模型 ? 半合成酶
环糊精结构示意
水解酶模型
?-Benzyme 人工酶，能模拟胰凝乳蛋白酶活 性，催化速度达天然酶同一数量级。 由?-环糊精和催化侧链组成，催化侧链含天 然酶的三种基团（羟基、咪唑基和羧基）， 且处在恰当位置上。 该全合成酶是非蛋白分子，比天然酶稳定。
模拟酶
? 又称人工合成酶，是一类利用有机化学方法 合成的，比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。
? 化学人工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
? 在结构和必须具有两个特殊部位: ①底物结合位点，②催化位点。
分子印迹制备步骤
? ①选定印迹分子和功能 单体，使二者发生互补 反应；
? ②在印迹分子-单体复合 物周围发生聚合反应；
? ③用抽提法从聚合物中 除掉印迹分子。
Байду номын сангаас
用抽提法从聚合物中除去 印迹分子。则聚合物中留 有恰似印迹分子的空间， 可用于高分子高选择性分 离材料。 此技术又叫主一客体聚合 (Host-Guest Polymerization) 或模板聚 合(Template Polymerization) 。
设计模拟酶
? 催化基团的定向引入对催化效率的提高至关重 要。
? 要考虑到与底物的定向结合的能力。 ? 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。
设计人工酶模型应考虑：
? 单纯合成的酶样化合物：化学合成的具有酶样 催化活性的简单分子
二.按照模拟酶的属性
? 主-客体酶模型 ? 胶束酶模型 ? 肽酶 ? 抗体酶 ? 分子印迹酶模型 ? 半合成酶
环糊精结构示意
水解酶模型
?-Benzyme 人工酶，能模拟胰凝乳蛋白酶活 性，催化速度达天然酶同一数量级。 由?-环糊精和催化侧链组成，催化侧链含天 然酶的三种基团（羟基、咪唑基和羧基）， 且处在恰当位置上。 该全合成酶是非蛋白分子，比天然酶稳定。
模拟酶
? 又称人工合成酶，是一类利用有机化学方法 合成的，比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。
? 化学人工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
? 在结构和必须具有两个特殊部位: ①底物结合位点，②催化位点。
分子印迹制备步骤
? ①选定印迹分子和功能 单体，使二者发生互补 反应；
? ②在印迹分子-单体复合 物周围发生聚合反应；
? ③用抽提法从聚合物中 除掉印迹分子。
Байду номын сангаас
用抽提法从聚合物中除去 印迹分子。则聚合物中留 有恰似印迹分子的空间， 可用于高分子高选择性分 离材料。 此技术又叫主一客体聚合 (Host-Guest Polymerization) 或模板聚 合(Template Polymerization) 。
模拟酶的概念
酶工程电子教案第八章酶的人工模拟教学目标了解抗体酶、印迹酶等人工酶（模拟酶）等新型酶的设计、原理和典型应用。
教学重点抗体酶的制备原理和应用；生物印迹酶的原理和应用。
教学方法以课堂讲授为主，课前布置学生自学和准备。
引入模拟酶就是根据酶的作用原理，模拟酶的活性中心和催化机制，用化学合成方法制成的高效、高选择性、结构比天然酶简单、具有催化活性、稳定性较高的非蛋白质分子的一类新型催化剂，也称酶的合成类似物。
或者叫酶模型或者叫人工酶。
一、模拟酶的概念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2、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：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，形成超分子。
功能：分子识别、催化、选择性输出二、模拟酶的分类和制备根据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分子。
按照模拟酶的属性：❑主-客体酶模型❑胶束酶模型❑肽酶❑半合成酶❑抗体酶分子印迹酶模型2.1 主-客体模型 2.2.1 环糊精模拟酶环糊精由淀粉通过环糊精葡萄糖基转移酶降解制得；是由D-吡喃葡萄糖单元以α-1，4-糖苷键相互结合成互为椅式构象的环状低聚糖，其分子通常含有6～12个吡喃葡萄糖单元。
有实用意义的是含6、7、8个吡喃葡萄糖单元的α、β、γ-环糊精，但α-环糊精空腔较小，γ-环糊精价格昂贵，常用的是β-环糊精。
①水解酶的模拟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 。
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。
模拟酶核酶极端酶
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能。
适应环境的比较
极端酶在极端环境下具有稳定的结 构和活性，而核酶则通常在温和的 生理条件下发挥催化作用。
催化机制的差异
核酶的催化机制涉及RNA特定结构 的形成和变化，而极端酶的催化机 制则是通过蛋白质的特定结构和功 能来实现的。
三种酶的未来发展前景
模拟酶的发展前景
核酶的发展前景
极端酶的发展前景
随着生物技术的不断进步，模拟酶有 望在药物研发、生物检测和生物工程 等领域发挥更大的作用。通过改进合 成方法和优化结构，可以提高模拟酶 的稳定性和催化活性，进一步拓展其 应用范围。
模拟酶核酶极端酶
• 模拟酶 • 核酶 • 极端酶 • 比较与展望
01
模拟酶
模拟酶的定义
模拟酶是一种人工合成的酶类似物， 通过模拟天然酶的活性中心结构和催 化机制，实现与天然酶相似的催化功 能。
模拟酶通常由有机小分子、聚合物、 无机材料或复合物等组成，与天然酶 相比具有更高的稳定性和可调控性。
模拟酶的分类
根据催化机制
模拟酶可分为模拟氧化还原酶、模拟水解酶、模拟裂合酶等。
根据组成
模拟酶可分为有机模拟酶和无机模拟酶，其中有机模拟酶又可分为 小分子模拟酶和聚合物模拟酶。
根据结构
模拟酶可分为球状模拟酶、纤维状模拟酶和管状模拟酶等。
模拟酶的应用
药物设计与开发
模拟酶可用于设计具有特定催 化功能的药物，提高药物的疗
核酶是一种具有催化功能的RNA分子，通过自身折 叠成特定的三维结构来发挥催化作用。
02
核酶具有高度的特异性，能够识别并切割特定的 RNA序列，从而调控基因的表达。
03
核酶的发现对于理解生命本质和探索生命起源具有 重要意义。
人工酶
分子印迹酶
印迹底物及其类似物
• 将 4(5)-乙烯基咪唑聚合可以得到一种模
拟氨基酸酯水解酶的印迹聚合物，可选
择性水解与印迹分子结构相关的氨基酸 酯底物 [N-Boc-氨基酸对硝基苯酯]
• 由于底物在单体聚合时可能发生水解，
因此用其结构类似物 [N-Boc-氨基酸-2吡啶甲酰胺] 为印迹分子 • 聚合后抽提除去模板，在聚合物孔穴内 的特定距离位置留下咪唑基（聚合物骨 架），能起到催化基团的作用
分子印迹酶
什么是“分子印迹酶（molecular imprinting enzyme）”？
• 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
• 分子印迹酶面临的最大挑战之一是如何利用分子印迹技术来模
拟复杂的酶活性中心部位，使其最大限度地与天然酶相似，即 选择合适的印迹分子是关键的一环 – 底物 – 底物类似物 – 酶抑制剂 – 反应过渡态类似物
• 维生素 B6 通常以磷酸化的形式参与转氨酶的催化反应
• 维生素 B6 自身即能实现转氨基作用，但缺乏底物结合位点， 高效的转氨酶模型必须具有合适的底物结合部位，环糊精的空 腔能够为底物提供良好的结合位点 • 1980 年报道了第一个人工转氨酶模型，它具有良好的底物选 择性，可以使反应加速 200 倍
分子印迹酶
印迹过渡态类似物
• 利用分子印迹技术印迹磷酸单酯（充当
酯水解过渡态类似物），通过与含脒基 （催化部位）的功能单体结合，形成稳 定的复合物。此印迹酶表现出很强的酯 水解活性 • 适当地设计模板分子和催化基团，将稳
N H O N H O CH3 N H O P N H O O CH3
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。
酶工程——精选推荐
酶⼯程酶的定义：酶是具有⽣物催化功能的⽣物⼤分⼦，按分⼦中起催化作⽤的主要任务不同，⾃然界中天然存在的酶可以分为蛋⽩类酶和核酸类酶。
模拟酶：⼜称⼈⼯酶，酶模型，是在分⼦⽔平上模拟酶活性部分的形状、⼤⼩及微环境等特征以及酶的作⽤机理和⽴体化学等特征的⼀门科学。
⽣物印迹：⼀种通过酶与配体间的相互作⽤、诱导，从⽽改变酶的构象的⽅法。
酶：活细胞产⽣的、能在细胞内外起作⽤（催化）的⽣理活性物质。
酶⼯程：酶的⽣产性与与应⽤的技术过程。
酶⼯程的主要任务：经过预先设计，通过⼈⼯操作获得⼈们所需要的酶，并通过各种⽅法使酶的催化特性得以改进充分发挥其催化的功能。
酶的活性中⼼：酶分⼦中能同底物结合并催化反应的空间部位。
提起分离法：采⽤微⽣物细胞、植物细胞或动物细胞的⽣命活动⽽获得⼈们所需酶的技术过程同步合成型：酶的⽣物合成在细胞的⽣长阶段开始，⽽在细胞⽣长进⼊平衡期后，酶的⽣物合成也随之停⽌。
滞后合成型：酶在细胞⽣长⼀段时间或者进⼊平衡期以后才开始其⽣物合成并⼤量积累，⼜称为⾮⽣长偶联型。
固定化酶：固定在⼀定⽔不溶性载体上并在⼀定的空间范围内进⾏催化反应的酶。
固定化细胞：固定在载体上并在⼀定的空间范围内进⾏⽣命活动（⽣长、繁殖、新陈代谢）的细胞、也称为固定化活细胞或固定化增殖细胞。
定向进化：是模拟⾃然进化的过程、进⾏⼈⼯随机突变，并⼦啊特定的环境条件下进⾏选择，使进化朝着⼈们所以需⽅向发展的技术过程。
酶反应器：⽤于酶进⾏催化反应的容器机器附属设备。
共价调节酶：由于其他酶对其结构进⾏了共价修饰，使其能在⾮活性与活性形式之间相互转变的酶，也是调节酶的⼀种类型。
分⼦印迹：合成对其某种特异选择性结合的⾼分⼦聚合物技术。
酶原的激活：酶原在⼀定条件下经过适当的切割肽键，可以转变为有活性的酶。
酶活⼒：⼜称为酶活性，是指酶催化某⼀化学反应的能⼒，可在⼀定条件下，酶催化某⼀化学反应的反应速率表⽰。
酶反应动⼒学;是研究反应速度及各种因素对酶反应速度影响的学科。
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。
人工酶
印记分子：酶的抑制剂、底物类似物、过渡态类似物等。 由这些分子印记出来的MIP具有酶的性质。
原理：生物材料在水中有柔性，可通过氢键等作用和印 记分子很好识别，形成新的特定构象；此构象在无水有 机溶剂中可得到保持。除掉印记分子的生物材料的构象 再回到水中时，特定构象破坏。 做法：在水溶液中让印记分子和生物材料充分接触，形 成复合体。然后将复合体冷冻干燥。脱除印记分子后， 便得到生物印记酶。
羟基伸出筒口，故外侧亲水， 可与多种客体形成氢键；内腔 疏水，能包结多种客体分子 ( 类 似酶识别底物)。
环糊精和底物结合常数小于酶， 修饰后可达到酶和抗体的结合 水平。
修饰环糊精1－水解酶的模拟
A：在环糊精引入酰基酶催 化部位，酯 ( 叔丁基苯基乙
酸酯)水解能力提高1倍。
B：引入咪唑基，酯水解能 力高一个数量级(10倍)。
修饰环糊精3-转氨酶的模拟
转氨酶：催化酮酸和氨基酸之 间的转氨。
吡哆胺：转氨酶辅酶，单独可 转氨，不如酶存在时快。
A ：多了一个吡哆胺，转氨反 应快 200 倍，同时因 CD 具手性， 产物氨基酸有D、L两种构型。 B ：又多了乙二胺，催化速度 又提高 2000 倍。且立体选择性 更强(乙二胺附近质子转移受抑 制 )。
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。
第六章
人工酶
天然酶的特点:
模拟酶人工酶
• 本质上，是一类具有催化活性的免疫球蛋 白，在其可变的区域赋予了酶的属性。
29
抗体
• 由抗原诱导产生的，在结构上与抗原高度 互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球 蛋白。
• 抗体的最显著的特征是
– 多样性和专一性
酶是生物催化剂
• 酶是一类具有催化功能的生物分子 • 酶反应有两个主要的特征：
– 高催化效率、高选择性
• 如果该胶束中加入带羟基的表面活性剂N，N-二 甲基-N-（2-羟乙基）十八烷基氨溴化物，共同 催化PNPA的水解，先生成酰基咪唑基中间体， 然后酰基转移到羟基上（电荷中继系统），与α胰凝乳蛋白酶水解很相似。
25
辅酶的胶束酶模型
• 将疏水性VB6长链衍生物与阳离子胶束混合 形成泡囊体系中，在Cu2+存在下可将酮酸 转化为氨基酸，有效模拟了VB6为辅酶的转 氨基作用，氨基酸的收率达52%.
• 过渡态与反应物的能阶之差 称为活化能。
• 获得活化能的多少与反应的 速度成正比。
过渡态理论
过渡态理论认为，酶与底物的结合经历了一个 易于形成产物的过渡态，实际上是降低了反应 所需的活化能。
与反应过渡状态结合作用
• 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成 复合物--实际上是底物形成的过渡状态，
抗体酶设想
• 1969年Jencks根据抗体结合抗原的高度特异性 ，与天然酶结合底物的高度专一性相类似的特性 ，在过渡态理论的基础上首先提出设想：
• 能与化学反应中过渡态结合的抗体，可能 具有酶的活性，催化反应的进行。
• 1986年Lerner和Schultz证实了这一设想。
抗体酶的发现
• Lerner和Schultz分别领导各自的研究小组 首次观察到了抗体具有选择性的催化活性。
29
抗体
• 由抗原诱导产生的，在结构上与抗原高度 互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球 蛋白。
• 抗体的最显著的特征是
– 多样性和专一性
酶是生物催化剂
• 酶是一类具有催化功能的生物分子 • 酶反应有两个主要的特征：
– 高催化效率、高选择性
• 如果该胶束中加入带羟基的表面活性剂N，N-二 甲基-N-（2-羟乙基）十八烷基氨溴化物，共同 催化PNPA的水解，先生成酰基咪唑基中间体， 然后酰基转移到羟基上（电荷中继系统），与α胰凝乳蛋白酶水解很相似。
25
辅酶的胶束酶模型
• 将疏水性VB6长链衍生物与阳离子胶束混合 形成泡囊体系中，在Cu2+存在下可将酮酸 转化为氨基酸，有效模拟了VB6为辅酶的转 氨基作用，氨基酸的收率达52%.
• 过渡态与反应物的能阶之差 称为活化能。
• 获得活化能的多少与反应的 速度成正比。
过渡态理论
过渡态理论认为，酶与底物的结合经历了一个 易于形成产物的过渡态，实际上是降低了反应 所需的活化能。
与反应过渡状态结合作用
• 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成 复合物--实际上是底物形成的过渡状态，
抗体酶设想
• 1969年Jencks根据抗体结合抗原的高度特异性 ，与天然酶结合底物的高度专一性相类似的特性 ，在过渡态理论的基础上首先提出设想：
• 能与化学反应中过渡态结合的抗体，可能 具有酶的活性，催化反应的进行。
• 1986年Lerner和Schultz证实了这一设想。
抗体酶的发现
• Lerner和Schultz分别领导各自的研究小组 首次观察到了抗体具有选择性的催化活性。
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• 酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或 产物的亲和力。
抗体与酶
• 抗体具有极高的亲和力，与酶相似。 • 抗体与酶的本质差别：酶是能与反应过渡
态选择结合的催化性物质，结合过渡态降 低能障，而抗体是和基态紧密结合的物质 。 • 以过渡态类似物作为半抗原，诱导与其互 补构象的抗体，使其具有催化活性（抗体 酶）。
2．环糊精结构示意
• 外侧亲水，OH可与多种客体形成氢键。 • 内侧C3C5的H和糖苷O组成的空腔，疏水性，能
包结多种客体分子，类似酶对底物的识别。
• 介绍几种水解酶模 型
• 1.水解酶模型 • α-胰蛋白酶是一种
蛋白水解酶，具有 疏水性的环状结合 部位，能有效的结 合芳环。 • 催化部位有57号组 氨酸咪唑基，102 号天冬氨酸羧基及 195号丝氨酸羟基。
硝基苯酚酯）,Cu 2+、Zn2+与相应的表面活性剂 形成1：1的配合物时，水解反应速度最大。
三. 肽酶
• 肽酶(pepzyme)就是模拟天然酶活性部位而人工 合成的具有催化活性的多肽。
四.半合成酶
• 半合成酶是以天然蛋白质或酶为母体，用化学或 生物的方法引进适当的活性部位或催化基团，或 改变其结构从而形成一种新的“人工酶”。
• CD底物复合物的几何形状和催化基团所处的位置 对选择性起了决定性作用。最佳pH6：一个咪唑 基以碱的形式，另一个咪唑基以质子化形式参加 反应，与天然酶相似。
3.转氨酶的模型：
• 磷酸吡哆醛（胺）是转氨酶的辅酶，最重要的反应是酮酸 与氨基酸的转换，转氨反应机理.
• 没有酶存在时，磷酸吡哆醛（胺）也能实现转氨作用，但 反应极慢，其无任何选择性。原因在于辅酶本身无结合部 位，不能形成酶-底物络合物，后者是酶反应必不可少的 环节。
• 1.模拟水解酶的胶束酶模型 • 2.辅酶的胶束酶模型 • 3.金属剂分子上连接组氨酸残基或咪唑基团， 就有可能形成模拟水解酶的胶束。
• 如：N-十四酰基组氨酸所形成的胶束催化PNPA （对硝基苯酚乙酸酯）的水解，催化效率比N-乙 酰基组氨酸(无胶束)高3300倍。
• 将乙二胺与CD偶联，然后与Cu盐作用形成桥连 环糊精。
• 含镍的水杨酚CD复合物A、B，对一些特殊结构 的三肽化合物有显著的选择结合能力,用于肽库中 筛选特异性小肽。
• 胡萝卜素氧化酶的模拟： 含卟啉的桥连CD，金属卟 啉能催化双键，可以选择 性氧化C15=C15‘键。
• 合成的复合物对底物胡萝 卜素的结合远大于产物视 黄醛。
抗体酶
• 抗体酶（Abzyme）或催化抗体（ Catalytic antibody)
– 一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋 予了酶的属性。
– 它是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉 研究的成果，是抗体的高度选择性和酶的高效 催化能力巧妙结合的产物。
过渡态理论与抗体酶
• 如果使抗原最大限度地接近某一特定反应 的过渡态，就可能使诱导的抗体在与之结 合时发挥催化作用。
• 如果该胶束中加入带羟基的表面活性剂N，N-二 甲基-N-（2-羟乙基）十八烷基氨溴化物，共同 催化PNPA的水解，先生成酰基咪唑基中间体， 然后酰基转移到羟基上（电荷中继系统），与α胰凝乳蛋白酶水解很相似。
辅酶的胶束酶模型
• 将疏水性VB6长链衍生物与阳离子胶束混合 形成泡囊体系中，在Cu2+存在下可将酮酸 转化为氨基酸，有效模拟了VB6为辅酶的转 氨基作用，氨基酸的收率达52%.
设计要点
• 设计模拟酶前，酶的结构和酶学性质的 深入了解：
• （1）酶活性中心-底物复合物的结构、 • （2）酶的专一性及其桶底物结合的方
式和能力、 • （3）反应的动力学及各中间物的知识。
5
设计要点
• 设计人工酶模型应该考虑的因素： • （1）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，故酶模型要为底 物提供良好的微环境； • （2）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，以促进反应定向 发生； • （3）模型应该具有足够的水溶性，并在 接近生理条件下保持其催化活性。
• 2.核糖核酸酶模型
• 核糖核酸酶具有2个组氨酸咪唑基及1个质 子化赖氨酸基处于活性中心。
• 在它的催化下RNA的磷酸酯水解分为两步 进行，两个咪唑基交替起到一般酸或碱的 催化作用，使离去基团质子化或增加亲核 基团的亲核性。
• Breslow等人设计了2种核糖核酸酶模型：A、B， A催化只生成III，B催化只生成II。
第九章 模拟酶与人工酶
模拟酶的理论基础和策略
• 模拟酶的概念 • 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 非蛋白质或蛋白质分子，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。 • 由此可见，模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部 位的形状、大小及微环境等结构特征，以及酶的 作用机理和立体化学等特异性的一门科学。 • 一方面基于酶的作用机制，另一方面基于对简化 的人工体系中识别、结合和催化。
水解酶模型
• A:β-Benzyme,水解叔丁基苯基乙酸酯（p-NPAc）比天 然酶快1倍。
• B：咪唑直接与CD连接，比天然酶催化速度快1个数量级。 • C：增加CD对底物过渡态的结合能力：修饰底物增加，底
物与CD的结合，如用二茂铁、金刚烷为结合位点的硝基 苯酯,CD作为催化剂加速水解大105-106倍。
• 本质上，是一类具有催化活性的免疫球蛋 白，在其可变的区域赋予了酶的属性。
抗体
• 由抗原诱导产生的，在结构上与抗原高度 互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球 蛋白。
• 抗体的最显著的特征是
– 多样性和专一性
酶是生物催化剂
• 酶是一类具有催化功能的生物分子 • 酶反应有两个主要的特征：
– 高催化效率、高选择性
• 过渡态与反应物的能阶之差 称为活化能。
• 获得活化能的多少与反应的 速度成正比。
过渡态理论
过渡态理论认为，酶与底物的结合经历了一个 易于形成产物的过渡态，实际上是降低了反应 所需的活化能。
与反应过渡状态结合作用
• 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成 复合物--实际上是底物形成的过渡状态，
• 核糖中相邻的二个羟基是关键，水解环状 磷酸酯的速率提高33倍。
CD分子研究热点
– CD和底物的结合常数104L/mol,<酶， – 过去的工作：CD的修饰，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， 改善CD的疏水结合和催化功能，通常只有单包 结部位和双重识别作用。 – 现在，桥联环糊精和聚合环糊精，可得到双重 或多重疏水结合作用和多重识别作用，结合常 数108L/mol,
• 较为理想的小分子仿酶体系有环糊精、冠 醚、环番、环芳烃、卟啉等大环化合物；
• 大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分子印 迹酶模型、胶束酶模型。
• 化学修饰、基因工程改造天然酶产生的半 合成人工酶。
• 抗体酶
理论基础
• 主客体化学：主体和客体通过配位键或其他次级 键形成稳定复合物的化学领域。本质上，来源于 酶和底物的相互作用，主体和客体在结合部位的 空间及电子排列的互补。
6
• 模拟酶可分为：根据Kirby分类法
• （1）单纯酶模型：即以化学方法通过天然 酶的活性模拟来重建和改造酶的活性。
• （2）机理酶模型：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：化学合成的 具有酶样催化活性的简单分子
• 按照模拟酶的属性，可分为： • ①主客体酶模型 • ②胶束酶模型 • ③肽酶 • ④抗体酶 • ⑤分子印迹 • ⑥半合成酶。
抗体酶设想
• 1969年Jencks根据抗体结合抗原的高度特异性 ，与天然酶结合底物的高度专一性相类似的特性 ，在过渡态理论的基础上首先提出设想：
• 能与化学反应中过渡态结合的抗体，可能 具有酶的活性，催化反应的进行。
• 1986年Lerner和Schultz证实了这一设想。
抗体酶的发现
• Lerner和Schultz分别领导各自的研究小组 首次观察到了抗体具有选择性的催化活性。
• 第一个模拟转氨酶模型1980年 被报道，磷酸吡哆胺连在β-CD 上，模拟酶的转氨反应比磷酸 吡哆胺单独存在是快200倍， CD空腔能稳定结合类似亚胺中 间体的过渡态。
• 最大特点：良好的立体选择性， β-CD的手征性，产物氨基酸也 具有光学活性。
• Han等人合成了含核糖的CD酶模型，兼具 核酸酶、连接酶、磷酸酯酶和磷酸化酶的 活力。
模拟酶的介绍
• 一.主、客体酶的模型 • 天然宿主：CD • 合成主体：冠醚、穴醚、杂环大分子化合
物、卟啉类
主、客体酶的模型
• （一）环糊精酶模型 • 环糊精是环状低聚糖
的总称。其中研究得 最多的是环糊精。 • 环糊精是由6个葡萄 糖分子按照14连接 方式形成的一种环状 结构天然淀粉，并具 有园柱型立体结构特 点。
• 1986年美国Lerner和Schultz两个实验室 同时在Science上发表论文，报道他们成功 地得到了具有催化活性的抗体。
• 并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为催化 抗体，即抗体酶。
• 1986年Schultz以对硝基苯酚磷酸胆碱酯（ PNPPC）作为相应的羧酸二酯的过渡态类似 物。
• 诱导产生的抗体酶使水解反应速度加快 12000倍。
• 阳离子胶束不但能活化催化基团，也能活 化辅酶的功能团。
金属胶束酶模型
• 带疏水键的金属配合物单独或与其他表面活性剂 共同形成的胶束体系。
• 模拟金属酶的活性中心结构和疏水性的微环境。 金属离子--催化水解反应，疏水性微环境--底物包 结。
• 模拟羧肽酶A、碱性磷酸酯酶、氧化酶、转氨酶。 • 如：羧肽酶A的模拟,水解PNPP（α-吡啶甲酸对
抗体与酶
• 抗体具有极高的亲和力，与酶相似。 • 抗体与酶的本质差别：酶是能与反应过渡
态选择结合的催化性物质，结合过渡态降 低能障，而抗体是和基态紧密结合的物质 。 • 以过渡态类似物作为半抗原，诱导与其互 补构象的抗体，使其具有催化活性（抗体 酶）。
2．环糊精结构示意
• 外侧亲水，OH可与多种客体形成氢键。 • 内侧C3C5的H和糖苷O组成的空腔，疏水性，能
包结多种客体分子，类似酶对底物的识别。
• 介绍几种水解酶模 型
• 1.水解酶模型 • α-胰蛋白酶是一种
蛋白水解酶，具有 疏水性的环状结合 部位，能有效的结 合芳环。 • 催化部位有57号组 氨酸咪唑基，102 号天冬氨酸羧基及 195号丝氨酸羟基。
硝基苯酚酯）,Cu 2+、Zn2+与相应的表面活性剂 形成1：1的配合物时，水解反应速度最大。
三. 肽酶
• 肽酶(pepzyme)就是模拟天然酶活性部位而人工 合成的具有催化活性的多肽。
四.半合成酶
• 半合成酶是以天然蛋白质或酶为母体，用化学或 生物的方法引进适当的活性部位或催化基团，或 改变其结构从而形成一种新的“人工酶”。
• CD底物复合物的几何形状和催化基团所处的位置 对选择性起了决定性作用。最佳pH6：一个咪唑 基以碱的形式，另一个咪唑基以质子化形式参加 反应，与天然酶相似。
3.转氨酶的模型：
• 磷酸吡哆醛（胺）是转氨酶的辅酶，最重要的反应是酮酸 与氨基酸的转换，转氨反应机理.
• 没有酶存在时，磷酸吡哆醛（胺）也能实现转氨作用，但 反应极慢，其无任何选择性。原因在于辅酶本身无结合部 位，不能形成酶-底物络合物，后者是酶反应必不可少的 环节。
• 1.模拟水解酶的胶束酶模型 • 2.辅酶的胶束酶模型 • 3.金属剂分子上连接组氨酸残基或咪唑基团， 就有可能形成模拟水解酶的胶束。
• 如：N-十四酰基组氨酸所形成的胶束催化PNPA （对硝基苯酚乙酸酯）的水解，催化效率比N-乙 酰基组氨酸(无胶束)高3300倍。
• 将乙二胺与CD偶联，然后与Cu盐作用形成桥连 环糊精。
• 含镍的水杨酚CD复合物A、B，对一些特殊结构 的三肽化合物有显著的选择结合能力,用于肽库中 筛选特异性小肽。
• 胡萝卜素氧化酶的模拟： 含卟啉的桥连CD，金属卟 啉能催化双键，可以选择 性氧化C15=C15‘键。
• 合成的复合物对底物胡萝 卜素的结合远大于产物视 黄醛。
抗体酶
• 抗体酶（Abzyme）或催化抗体（ Catalytic antibody)
– 一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋 予了酶的属性。
– 它是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉 研究的成果，是抗体的高度选择性和酶的高效 催化能力巧妙结合的产物。
过渡态理论与抗体酶
• 如果使抗原最大限度地接近某一特定反应 的过渡态，就可能使诱导的抗体在与之结 合时发挥催化作用。
• 如果该胶束中加入带羟基的表面活性剂N，N-二 甲基-N-（2-羟乙基）十八烷基氨溴化物，共同 催化PNPA的水解，先生成酰基咪唑基中间体， 然后酰基转移到羟基上（电荷中继系统），与α胰凝乳蛋白酶水解很相似。
辅酶的胶束酶模型
• 将疏水性VB6长链衍生物与阳离子胶束混合 形成泡囊体系中，在Cu2+存在下可将酮酸 转化为氨基酸，有效模拟了VB6为辅酶的转 氨基作用，氨基酸的收率达52%.
设计要点
• 设计模拟酶前，酶的结构和酶学性质的 深入了解：
• （1）酶活性中心-底物复合物的结构、 • （2）酶的专一性及其桶底物结合的方
式和能力、 • （3）反应的动力学及各中间物的知识。
5
设计要点
• 设计人工酶模型应该考虑的因素： • （1）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，故酶模型要为底 物提供良好的微环境； • （2）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，以促进反应定向 发生； • （3）模型应该具有足够的水溶性，并在 接近生理条件下保持其催化活性。
• 2.核糖核酸酶模型
• 核糖核酸酶具有2个组氨酸咪唑基及1个质 子化赖氨酸基处于活性中心。
• 在它的催化下RNA的磷酸酯水解分为两步 进行，两个咪唑基交替起到一般酸或碱的 催化作用，使离去基团质子化或增加亲核 基团的亲核性。
• Breslow等人设计了2种核糖核酸酶模型：A、B， A催化只生成III，B催化只生成II。
第九章 模拟酶与人工酶
模拟酶的理论基础和策略
• 模拟酶的概念 • 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 非蛋白质或蛋白质分子，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。 • 由此可见，模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部 位的形状、大小及微环境等结构特征，以及酶的 作用机理和立体化学等特异性的一门科学。 • 一方面基于酶的作用机制，另一方面基于对简化 的人工体系中识别、结合和催化。
水解酶模型
• A:β-Benzyme,水解叔丁基苯基乙酸酯（p-NPAc）比天 然酶快1倍。
• B：咪唑直接与CD连接，比天然酶催化速度快1个数量级。 • C：增加CD对底物过渡态的结合能力：修饰底物增加，底
物与CD的结合，如用二茂铁、金刚烷为结合位点的硝基 苯酯,CD作为催化剂加速水解大105-106倍。
• 本质上，是一类具有催化活性的免疫球蛋 白，在其可变的区域赋予了酶的属性。
抗体
• 由抗原诱导产生的，在结构上与抗原高度 互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球 蛋白。
• 抗体的最显著的特征是
– 多样性和专一性
酶是生物催化剂
• 酶是一类具有催化功能的生物分子 • 酶反应有两个主要的特征：
– 高催化效率、高选择性
• 过渡态与反应物的能阶之差 称为活化能。
• 获得活化能的多少与反应的 速度成正比。
过渡态理论
过渡态理论认为，酶与底物的结合经历了一个 易于形成产物的过渡态，实际上是降低了反应 所需的活化能。
与反应过渡状态结合作用
• 在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成 复合物--实际上是底物形成的过渡状态，
• 核糖中相邻的二个羟基是关键，水解环状 磷酸酯的速率提高33倍。
CD分子研究热点
– CD和底物的结合常数104L/mol,<酶， – 过去的工作：CD的修饰，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， 改善CD的疏水结合和催化功能，通常只有单包 结部位和双重识别作用。 – 现在，桥联环糊精和聚合环糊精，可得到双重 或多重疏水结合作用和多重识别作用，结合常 数108L/mol,
• 较为理想的小分子仿酶体系有环糊精、冠 醚、环番、环芳烃、卟啉等大环化合物；
• 大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分子印 迹酶模型、胶束酶模型。
• 化学修饰、基因工程改造天然酶产生的半 合成人工酶。
• 抗体酶
理论基础
• 主客体化学：主体和客体通过配位键或其他次级 键形成稳定复合物的化学领域。本质上，来源于 酶和底物的相互作用，主体和客体在结合部位的 空间及电子排列的互补。
6
• 模拟酶可分为：根据Kirby分类法
• （1）单纯酶模型：即以化学方法通过天然 酶的活性模拟来重建和改造酶的活性。
• （2）机理酶模型：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：化学合成的 具有酶样催化活性的简单分子
• 按照模拟酶的属性，可分为： • ①主客体酶模型 • ②胶束酶模型 • ③肽酶 • ④抗体酶 • ⑤分子印迹 • ⑥半合成酶。
抗体酶设想
• 1969年Jencks根据抗体结合抗原的高度特异性 ，与天然酶结合底物的高度专一性相类似的特性 ，在过渡态理论的基础上首先提出设想：
• 能与化学反应中过渡态结合的抗体，可能 具有酶的活性，催化反应的进行。
• 1986年Lerner和Schultz证实了这一设想。
抗体酶的发现
• Lerner和Schultz分别领导各自的研究小组 首次观察到了抗体具有选择性的催化活性。
• 第一个模拟转氨酶模型1980年 被报道，磷酸吡哆胺连在β-CD 上，模拟酶的转氨反应比磷酸 吡哆胺单独存在是快200倍， CD空腔能稳定结合类似亚胺中 间体的过渡态。
• 最大特点：良好的立体选择性， β-CD的手征性，产物氨基酸也 具有光学活性。
• Han等人合成了含核糖的CD酶模型，兼具 核酸酶、连接酶、磷酸酯酶和磷酸化酶的 活力。
模拟酶的介绍
• 一.主、客体酶的模型 • 天然宿主：CD • 合成主体：冠醚、穴醚、杂环大分子化合
物、卟啉类
主、客体酶的模型
• （一）环糊精酶模型 • 环糊精是环状低聚糖
的总称。其中研究得 最多的是环糊精。 • 环糊精是由6个葡萄 糖分子按照14连接 方式形成的一种环状 结构天然淀粉，并具 有园柱型立体结构特 点。
• 1986年美国Lerner和Schultz两个实验室 同时在Science上发表论文，报道他们成功 地得到了具有催化活性的抗体。
• 并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为催化 抗体，即抗体酶。
• 1986年Schultz以对硝基苯酚磷酸胆碱酯（ PNPPC）作为相应的羧酸二酯的过渡态类似 物。
• 诱导产生的抗体酶使水解反应速度加快 12000倍。
• 阳离子胶束不但能活化催化基团，也能活 化辅酶的功能团。
金属胶束酶模型
• 带疏水键的金属配合物单独或与其他表面活性剂 共同形成的胶束体系。
• 模拟金属酶的活性中心结构和疏水性的微环境。 金属离子--催化水解反应，疏水性微环境--底物包 结。
• 模拟羧肽酶A、碱性磷酸酯酶、氧化酶、转氨酶。 • 如：羧肽酶A的模拟,水解PNPP（α-吡啶甲酸对