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。
淀粉的液化
• 淀粉先加水配制成浓度为30一40％的淀 粉浆，pH值一般调至6.0～6．5，添加一定 量的α－淀粉酶后，在85～90℃的温度下保 温45min左右，使淀粉液化成糊精。液化反 应一般以碘反应颜色正好消失时为终点。
• 工业酶制剂的特点：一般而言，含杂蛋 白的酶制剂比纯品稳定，干燥品比液体制 剂稳定。酶是通过催化活性而不是一般质 量来识别和出售的。
选择使用酶制剂时应考虑的因素
• （1）底物特异性 • （2）pH • （3）温度 • （4）激活剂和抑制剂 • （5）价格因素
酶制剂产品的开发热点
• （1）食品加工用酶， • （2）饲料用酶，特别是植酸酶， • （3）纺织用酶 • （4）洗涤剂用酶 • （5）临床诊断用酶、治疗用酶、化妆品用
三、抗体酶的应用
• 1 抗体酶在有机合成中的应用: 各类精细化工产品和合成材料的工业生
产需要具有精确底物专一性和立体专一性 的催化剂，而这正是催化抗体的突出特点。 特别是那些天然酶不能催化的反应，可通 过设计定做抗体酶来弥补天然酶的不足。
• 2 . 用于阐明化学反应机制
3. 抗体在医疗上的应用:
合成的主—客体酶模型
• (二) 合成的主—客体 酶模型 用合成的冠醚、穴 醚、环番、环芳烃等 大环多齿配体用来构 筑酶模型。
二、胶束模拟酶
• 胶束在水溶液中提供了疏水微环境(类似 于酶的结合部位)，可以对底物束缚。如果 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， 就有可能提供“活性中心”部位，使胶束 成为具有酶活力或部分酶活力的胶束模拟 酶。
二、抗体酶的制备方法
• 迄今，大多数抗体酶是通过理论设计合 适的与反应过渡态类似的小分于作为半抗 原，然后让动物免疫系统产生针对半抗原 的抗体来获得的。由于以反应的过渡态类 似物为半抗原诱导的抗体在几何形状和电 学性质上与反应过渡态互补，因而稳定了 过渡态，从而加速反应。
1．稳定过渡态法：
• 以Pauling的稳定过渡态理论为指导，即利用反 应的过渡态类似物作为半抗原产生抗体酶。
• Shultz小组利用与底物扭曲构象相似的扭曲卟 啉作半抗原制备的抗体可催化卟啉金属螯合反应。 亚铁螯合酶是血红素生物合成途径中的末端酶， 可催化亚铁离子插入原卟啉的生物合成。N—甲 基原卟啉由于内部甲基取代而呈扭曲结构，它是 此酶的有效抑制剂，也与酶催化的卟啉金属螯合 反应的过渡态类似。由于甲基卟啉的抗体可催化 平面结构原卟啉的金属螯合，这就为该反应过渡 态扭曲结构的作用提供了证据。
• 此技术包括如下内容： • 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。 • 结果，形成的聚合物内保留有与印迹分子的形状、
大小完全一样的孔穴。该聚合物能以高选择性重 新结合印迹分子。
分子印迹聚合物的制备方法：
• 分子印迹聚合物的制备方法： ①选定印迹分子和单体，让他们之间充分 作用； ②在印迹分子周围发生聚合反应； ③将印迹分子从聚合物中抽提出去。 于是，此聚合物就产生了恰似印迹分子 的空间，并对印迹分子产生识别能力。
• （2）超分子化学
• 超分子的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，如静电 作用、氢键和范德华力等。当接受体与络 合离子或分子结合成稳定的，具有稳定结 构和性质的实体，即形成了“超分子”， 它兼具分子识别、催化和选择性输出的功 能。
• 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。
生理条件下保持其催化活性。
第二节 模拟酶的分类
• 根据Kirby分类法，模拟酶可分为： • ①单纯酶模型，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，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，即一些化学合 成的具有酶样催化活性的简单分子。
三、肽酶
• 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 或生物学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”。
• 如将枯草杆菌蛋白酶活性部位的丝织酸(Ser)残 基，经苯甲基磺酰氟特异性活化后，再用巯基化 合物取代，将丝氨酸转化为半胱氨酸。虽然产生 的巯基化枯草杆菌蛋白酶对肽或酯没有水解活力， 但能水解高度活化的底物(如硝基苯酯等)。
个D—葡萄糖以1，4—糖苷键结合而成的一 类环状低聚糖，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C3， C5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。
环糊精作为酶模型
• 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 酶和经羟醛缩合酶等方面都取得了很大的 进展。
• 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： （1）非共价键相互作用； （2）反应定向发生； （3）模型应具有足够的水溶性，并在接近
• 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分子印迹酶模型； • ⑥半合成酶等； • 近年来又出现了杂化酶和进化酶。
一、主—客体酶模型
• （一）环糊精酶模型： • 环糊精(cyclodextrin，简称CD)是由多
第五章 酶的人工模拟
第一节 模拟酶的理论基础和策略
• 一、模拟酶的概念
• 模拟酶又称人工酶或酶模型，它是生物 有机化学的一个分支。
• 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。
• 可见，模拟酶是从分子水平上模拟生物 功能的一门边缘科学。
二、模拟酶的理论基础
• 1．模拟酶的酶学基础 酶的催化机制：酶先与底物结合，进而选择性
稳定某一特定反应的过渡态，降低反应的活化 能．从而加快反应速度。
设计模拟酶一方面要基于酶的作用机制，另一 方面则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。
2．抗体与半抗原互补法
• 抗体常含有与配体功能互补的特殊功能 基。已经发现带正电的配体常能诱导出结 合部位带负电残基的配体，反之亦然。抗 体与半抗原之间的电荷互补对抗体所具有 的高亲和力以及选择性识别能力起着关键 作用。
• Shokat等利用抗体与半抗原之间的电荷 互补性，制备了针对带正电半抗原的抗体， 结果在抗体结合部位上产生带负电的羧基， 可作为一般碱基催化β－消除反应。
二、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，更重要的是利用此技术可以在结合部 位的空腔内诱导产生催化基团．并与底物 定向排列。
1. 印迹底物及其类似物
• 如Mosbach等应用分子印迹法制备具有催化二肽合成 能力的分子印迹酶。所合成的二肽为Z-L-天冬氨酸与L— 苯丙氨酸甲酯缩合产物，它们分别以底物混合物(Z—L— 天冬氨酸与L—苯丙氨酸为1：1混合)以及产物二肽为印迹 分子，以甲基丙烯酸甲酯为聚合单体，二亚乙基甲基丙烯 酸甲酯为交联剂，经聚合产生了具有催化二肽合成能力的 二肽合成酶。研究表明以产物为印迹分子的印迹聚合物表 现出最高的酶催化效率，在反应进行48h后，其二肽产率 达到63％．而以反应物为印迹分子的印迹聚合物催化相同 的反应时二肽产率却较低。
模拟水解酶的胶束酶模型：
• 组氨酸的咪唑基常常是水解酶的活性中 心必需的催化基团。如将表面活性剂分子 上连接上组氨酸残基或咪唑基团上，就有 可能形成模拟水解酶的胶束。
单分子胶束酶模型
• 将表面活性剂利用化 学反应偶联在一起， 制备出单分子胶束酶 模型，这种酶模型比 一般胶束酶优越，它 既具备酶的疏水特性， 同时又可以使催化基 团引人疏水空腔，催 化效率提高了105倍。
• 一、抗体酶概述： • 催化抗体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白，在其可变 区赋予了酶的属性，因此，催化抗体也叫 抗体酶。
酶和抗体的本质差别在于：酶是能与反 应过渡态选择结合的催化性物质．而抗体 是和基态分子结合的催化性物质。
抗体酶的发现不仅提供了研究生物催化 过程的新途径，而且能为生物学、化学和 医学提供具有高度特异性的人工生物催化 剂，并可以根据需要使人们获得具有某些 不能被酶催化或较难催化的化学反应催化 剂。
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。
二、模拟酶的理论基础
• 2. 超分子化学 （1）“主—客体”化学
Cram把主体与客体通过配位键或其他次 级镁形成稳定复合物的化学领域称为 “主—客体”化学，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。
Landry等用可卡因降解的过渡态类似 物磷酸单酯产生的单克隆抗体3B9催化可卡 因降解，此抗体酶的催化活性比血液中分 解可卡因的丁酰胆碱酯酶要高，水解后的 可卡因片断失去了刺激功能，因此，用人 工抗体酶的被动免疫也许能提供阻断可卡 因上瘾的治疗．从而达到戒毒的目的。
四、抗体酶的研究进展
• 1．反应性免疫 • 2．抗体酶的化学筛选 • 3. 抗体酶催化的化学转化
第三节 印 迹 酶
• 一、分子印迹技术概述 • 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，这种聚合物就橡“锁”一样对钥 匙具有选择性识别作用，这种技术被称为 分子印迹。
分子印迹技术
• 所ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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，也叫 做模板分子。