11人工模拟酶 酶工程与蛋白质工程 教学课件
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蛋白质工程课件
氨基酸得聚合形成肽链
肽链得空间结构单元: 二硫键得折叠
肽链得空间结构单元 :氢键得折叠
肽链得空间结构单元 :离子键得折叠
肽链得空间结Hale Waihona Puke 单元每四个氨基酸 残基间得
氢键构成多肽 链 a 螺旋
肽链得空间结构单元
由不同多肽链 上氨基酸残基 间得氢键构成 多肽链 b 折叠
大家有疑问的，可以询问和交流
1、 易错PCR
在PCR反应中,降低一种dNTP得含量,使PCR容易出错,达 到随机突变得目得。
2、 DNA改组
用DNAaseI 先将一个DNA片段消化成许多小片段,然后不 加引物进行PCR,使得消化后DNA小段之间重新按多种组 合方式连接重组,然后利用原来整片段DNA两端得引物进 行加引物得PCR扩增,以便得到一系列改组后得突变DNA 序列。
(2)通过定点突变、定向进化等技术,合成具有特定氨基酸 序列与空间结构得蛋白质。
二 蛋白质得结构
一级结构:多肽链得氨基酸残基得排列顺序 二级结构:多肽链借助于氢键或离子键沿一维方向排列成具
有周期性结构得图象。 三级结构:指整个蛋白质多肽链在二级结构得基础上,侧链基
团通过次级键或疏水键得相互作用进一步盘曲折叠,形成具 有一定规则得空间结构 。 四级结构:由两条以上得多肽链组成得蛋白质,多肽链之间没 有共价键连接而就是借疏水作用等次级键缔合在一起形成得 高级空间结构 。
中遗心传信法息则传递得中心法则
基因组学 转录组学
复制 转录 翻译
蛋白组学
代谢组学
代谢
DNA(基因) 逆转录
DNA(基因) mRNA
蛋白质
生物代谢物质
1、 寡核苷酸引物介导得定点突变
用含有突变碱基得寡核苷酸片段作引物,在聚合酶得作用下 启动DNA分子进行复制得过程
第六章 酶的人工模拟 酶工程课件
胶束酶模型
• 三种重要的胶束酶模型
• １ 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。如果 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。
• ２ 辅酶的胶束酶模型
• ３ 金属胶束酶模型：金属胶束是指带疏水键的 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，其作用是模拟金属酶的活性中心结构 和疏水性的微环境。
2.超分子化学
– 1987年诺贝尔化学奖由三位科学家共同获得。 – C.Pedersen:发现冠醚化合物 – J-M.Lehn：发现穴醚化合物并提出超分子概念 – D.Gram：主客体化学先驱者Fra bibliotek 三．设计要点
• 设计前需要具备的知识：
– 酶活性中心-底物复合物的结构 – 酶的专一性及其同底物结合方式的能力 – 反应的动力学及各中间物的知识
2.超分子化学
– 主-客体化学：主要研究主体（通常为较大的有 机配体）和客体（通常为较小的分子和离子） 的结构、性能及相互作用。主体和客体在结合 部位的空间及电子排列的互补
– 主体和客体通过配位键或其他次级键形成稳定 复合物。
– 主客体化学是超分子化学的雏形，它与超分子 化学之间并没有绝对的界限和区分。
三．设计要点
• 模拟酶的设计举例：
(2) 模拟活性中心结构。人们用三亚乙基四胺合 成铁( Ⅲ) 配合物来模拟过氧化氢酶。用该化 合物来进行如催化机理的研究显得很方便。 结果证明该铁( Ⅲ) 配合物催化分解过氧化氢 的速度相当接近过氧化氢酶的速度。
三．设计要点
• 模拟酶的设计举例：
(3) 整体模拟。活性中性必须处在一个特定的微 环境和整体结构之中,所以高级模拟是包括微 环境在内的整个活性部分。Collman 等合成 了围栅型铁( Ⅱ) 卟啉用以模拟血红蛋白的可 逆载氧,效果良好。
《蛋白质工程》PPT课件
➢基因重组技术：如定位突变技术，盒式突变， PCR技术
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14
定向进化 Directed evolution
• 定向进化是一种用在蛋白质工程中的方法
• 利用定向进得到在自然界中未发现发现蛋 白质或RNA。
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15
定向进化实验步骤
• 多样化，Diversification: 在此步骤中常用的 技术是易错PCR和DNA改组。突变库
包括数据分析处理算法的研究，蛋白质设计
模拟模型的建立以及计算机程序编写和软件
可用性的研究
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12
Protein design
• Protein design is the design of new protein molecules from scratch, or the deliberate design of a new molecule by making calculated variations on a known structure.
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5
实际应用
• 提高蛋白质的稳定性 • 融合蛋白质 • 蛋白质活性的改变 • 治疗酶的改造 • 嵌合抗体和人缘化抗体
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6
蛋白质工程的研究策略
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7
蛋白质工程的基本途径
• 蛋白质结构分析 • • 结构、功能的设计和预测
• 创造和改造
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8
两个战略
➢合理设计 蛋白质计算机设计。使用计算机的方 法设计蛋白质是最具挑战性的工作。
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24
定向进化的历史
• 1981年，B.G.Hall等定向改变E.coliK12中 ebg酶的底物专一性，开发出对几种糖苷键有 水解能力的酶。
《蛋白质工程概述》PPT课件
采用基因重组技术获取该目的基因，表达新蛋白 产物 分离提纯新蛋白并对功能监测后投入应用
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9
蛋白质改造常用方法
生物技术制药
理性方法
定位突变 区域性定向突变 从头设计
非理性方法 随机广泛突变 分子重排
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10
生物技术制药
（一）定点突变改进蛋白质
基因人工定点突变是通过取代、插入或缺失 基因DNA序列中任一特定的核苷酸序列来 改造蛋白质的方法。
整理ppt
2
基因工程与蛋白质工程的区别：
基因工程通过分离目的基因重组DNA分子，使目的 基因更换宿主得以异体表达，从而创造新类型， 但这只能合成自然界固有的蛋白质。
蛋白质工程则是运用基因工程的DNA重组技术，将 克隆后的基因编码序列加以改造，或者人工合成 新的基因，再将上述基因通过载体引入适宜的宿 主系统内加以表达，从而产生数量几乎不受限制、 有特定性能的“突变型”蛋白质分子，甚至全新 的蛋白质分子。
蛋白基因
新突变质粒
核苷酸片段
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14
PCR诱变
双链DNA变性
94 oC，1 min
退火，引物结合
54 oC，45 s
链延伸
72 oC，2 min
整理ppt
15
生物技术制药
依赖高保真 DNA高温聚 合酶的PCR 直接点突变
整理ppt
16
（二）采用融合蛋白技术改进蛋白 质
概念：是由一条短的原核多肽和真核蛋白 结合在一起所形成的蛋白质，其氨基端是 原核序列，羧基端是真核序列。
原则：将一个蛋白质基因序列的终止密码 子删除，在接上带有密码子的第二个蛋白 质基因，可实现2个基因的融合表达。
整理ppt
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9
蛋白质改造常用方法
生物技术制药
理性方法
定位突变 区域性定向突变 从头设计
非理性方法 随机广泛突变 分子重排
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生物技术制药
（一）定点突变改进蛋白质
基因人工定点突变是通过取代、插入或缺失 基因DNA序列中任一特定的核苷酸序列来 改造蛋白质的方法。
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基因工程与蛋白质工程的区别：
基因工程通过分离目的基因重组DNA分子，使目的 基因更换宿主得以异体表达，从而创造新类型， 但这只能合成自然界固有的蛋白质。
蛋白质工程则是运用基因工程的DNA重组技术，将 克隆后的基因编码序列加以改造，或者人工合成 新的基因，再将上述基因通过载体引入适宜的宿 主系统内加以表达，从而产生数量几乎不受限制、 有特定性能的“突变型”蛋白质分子，甚至全新 的蛋白质分子。
蛋白基因
新突变质粒
核苷酸片段
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PCR诱变
双链DNA变性
94 oC，1 min
退火，引物结合
54 oC，45 s
链延伸
72 oC，2 min
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生物技术制药
依赖高保真 DNA高温聚 合酶的PCR 直接点突变
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（二）采用融合蛋白技术改进蛋白 质
概念：是由一条短的原核多肽和真核蛋白 结合在一起所形成的蛋白质，其氨基端是 原核序列，羧基端是真核序列。
原则：将一个蛋白质基因序列的终止密码 子删除，在接上带有密码子的第二个蛋白 质基因，可实现2个基因的融合表达。
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9.10 酶工程和蛋白质工程
、
（2）有机小分子： 维生素C、半胱氨酸、还 原型谷胱甘肽、巯基乙酸可使含酶—SH处 于还原态。
6.
抑制剂对酶催化反应速率的影响
1）抑制的作用 ① 失活作用：凡使酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用。 ② 抑制作用：使酶活力下降，但并不引起酶蛋白变性的 作用。（此作用使一部分酶的必需基团或辅助因子失 活（活力变小））。 2）抑制类型 ① 不可逆抑制：底物与酶共价结合，引起酶失活，是一 不可逆反应，二者结合后，不能透析除去抑制剂而恢 复酶活力，称为不可逆抑制作用。 ② 可逆抑制：底物与酶结合，为可逆反应，透析能除去 抑制剂使酶恢复活力，称为可逆抑制作用。
五. 酶的生产与酶的分离纯化
1.酶的生产与制造 化学合成 生物合成 微生物发酵优点： 种类繁多，酶系完整；可以获得高产菌株； 微生物繁殖快、生产周期短；成本低
2.提高酶产量的途径： 调节机制：操纵子模型 （结构基因和调控基因）
3. 酶的分离纯化
3.1 基本要求 防止酶变性； 认真选取有效纯化方法； 在整个分离纯化过程中，应始终检测酶活 性，以及时调整和改善分离条件。
2. 底物浓度[S]对酶促反应速度V与底物浓度[S]的关 系
Michaelis&Menten提出的著 名的米氏方程 根据如下现象的观测： 当底物浓度较低时候，反应 速率与底物浓度成正比，即 符合一级反应动力学；当底 物浓度较高时，反应速率与 底物浓度无关，即符合零级 反应动力学 当酶的浓度大大小于底物浓度 时，反应速率与酶的加入量 成正比
⑤干燥 酶溶液或含水量高的酶制剂即使在 低温下也极不稳定，只能作短期保存。为 便于酶制剂的长时间的运输、储存，防止 酶变性，往往需用对酶进行干燥，制成含 水量较低的制品。 常用的干燥方法有真空干燥、冷冻干燥、 喷雾干燥等。
《酶工程与蛋白质工程》PPT课件第2章 - 质量工程
Trp是trp合成途径的终产物，它过量积累对其 合成途径中5种酶生物合成起反馈阻遏作用
第二节 常用的产酶微生物
§所有细胞在一定条件下都能合成 多种多样的酶，并不是所有细胞 都能用于酶的生产，一般来说， 用于酶的生产的必须具备的5个条 件（提问）
§ 大肠杆菌—多种胞内酶 § 枯草杆菌—α -淀粉酶等 § 黑曲霉—多种胞外及胞内酶 § 米曲霉—糖化酶等 § 红曲霉—α -淀粉酶等 § 青霉—5’-磷酸二酯酶和脂肪酶等 § 木霉—纤维素霉等 § 根霉—糖化酶、 α -淀粉酶和脂肪酶等 § 毛霉—蛋白酶、糖化酶和α -淀粉酶等 § 啤酒酵母—转化酶等 § 假丝酵母—脂肪酶和尿酸酶等
酶生物合成的调节
§ 调节基因可以产生阻抑蛋白，它可以通过 与诱导物或阻遏物特异结合而改变其结构， 从而改变它与操纵序列的结合力。 § 当阻抑蛋白结合到操纵序列上时，阻止 RNA聚合酶通过操纵序列而进入到结构基 因位置，转录不能进行。 § 当阻抑蛋白改变结构而不与操纵序列结合 时，RNA聚合酶通过操纵序列，到达结构 基因位置进行转录，进而翻译成酶蛋白。
解决分解代谢物阻遏作用的方案
§在培养基中控制好容易利用的碳 源的量，或在容易利用的碳源过 剩时加进一定量的cAMP，均可 防止或解除分解代谢物阻遏作用。
2· 酶生物合成的诱导作用
3· 酶生物合成的反馈阻遏作用
§酶催化作用的产物或代谢途径的 末端产物使该酶的生物合成受阻。 §引起反馈阻遏的物质，称为共阻 遏物。
任何培养基都应该具备微生物生 长所需要五大营养要素 培养基（medium）是人工配制的，适合微 生物生长繁殖或产生代谢产物的营养物质 的混合物。
培养基几乎是一切对微生物进行研究和利 用工作的基础 五大要素：碳源、氮源、无机盐、生长 因子、水
蛋白质与酶工程 酶学基本理论课件
酶的结构与功能
酶的结构
酶由氨基酸组成，具有特定的空间构象，包括活性中心和调节结构域等。
酶的功能
酶的催化功能与其结构密切相关，通过识别底物、催化反应、调控反应速度等 方式实现其功能。
酶的催化机制
酶的活性中心
酶的活性中心是酶与底物结合的区域，通常由少数几个氨基酸残基组成，对酶的 催化效率起着关键作用。
详细描述
定向进化技术是一种半人工的酶改造方法，通过合理的设计和选择，在已知的酶基因序列基础上，对 关键氨基酸位点进行有针对性的突变和筛选，以获得具有特定性质的突变体。该技术可以用于提高酶 的活性、改变酶的特异性、提高酶的热稳定性等。
THANKS
感谢观看
应用领域
蛋白质与酶工程在医药、生物技术、环保、工业催化等领域 有广泛的应用。例如，在医药领域，蛋白质工程可以用于设 计和优化药物分子和疫苗；在生物技术领域，酶工程可以用 于生物燃料的开发和生产。
05
酶的改造与优化
酶的定点突变技术
总结词
通过改变酶的基因序列，在特定的位置引入或消除氨基酸残基，以改变酶的催化性质。
农业领域
用于植物生长调节、农药降解 等，如用于降解农药残留的酶
。
酶工程的发展前景
1 2 3
酶的发现与改造
随着基因组学和蛋白质组学的发展，越来越多的 酶被发现和改造，为酶工程的发展提供了更多可 能性。
酶的固定化与反应器设计
固定化酶可以提高酶的稳定性和可回收性，提高 反应效率。同时，新型反应器设计也为酶工程的 发展提供了支持。
酶的纯化
酶的纯化是将提取的酶进行分离 和纯化的过程，以获得高纯度的
酶。
纯化方法包括沉淀、离心、过滤 、电泳等，根据酶的性质和纯度
11酶工程酶的蛋白质工程
易错PCR
易错 PCR（error prone PCR）是指在扩增 目的基因的同时引入碱基错配，导致目的基 因随机突变。 连续易错PCR (sequential error prone PCR)策略。即将一次PCR扩增得到的有用突 变基因作为下一次PCR扩增的模板，连续反 复地进行随机诱变。
5‘或3’端的剪接
• 定点突变（酶分子的理性设计） • site-directed mutagenesis • 酶分子基因序列中特定位点引入突变，这种 突变包括特殊碱基的添加、删除、取代等。 通过改变特定氨基酸来获得突变体酶，以改 变天然酶的催化活性、底物特异性或稳定性。
• 由于定点突变首先获得酶分子特征、空间结 构及结构有功能之间的关系等信息，在此基 础上找出需要改造的部位，进行酶分子的设 计和改造，因此这种改造称为酶分子的理性 设计。
大肠杆菌
大肠杆菌 大肠杆菌 大肠杆菌 大肠杆菌
酶的半理性设计：
应用部分已知的酶结构或酶功能信息，或者通过随机突 变探测改变所需性质的关键点，随后选定一些位点进行 常规随机突变或饱和突变，提高对目标酶的改造。
设计方法： 1. 基于结构信息的对特定片段的定点随机突变 2. 随机突变与特定氨基酸的位点饱和突变结合 3. 计算机辅助的半理性设计
交错延伸
交错延伸(stagger extension process, StEP) 在PCR反应中 把常规的退火和延伸合并为一 步, 缩短其反应时间，从而只 能合成出非常短的新生链，经 变性的新生链再作为引物与体 系内同时存在的不同模板退火 而继续延伸。此过程反复进行， 直到产生完整的基因长度。
基因突变库的筛选方法
合理设计的技术需求
三类专家： ①蛋白质空间结构测定的专家； ②蛋白质分子设计的专家； ③基因工程的专家。
酶工程模拟酶PPT课件
第8页/共160页
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。
第9页/共160页
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。
第10页/共160页
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。
第5页/共160页
模拟酶又称人工酶或酶模型。 ——生物有机化学的一个分支。
第6页/共160页
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。
第7页/共160页
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。
第41页/共160页
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 NH
OH S
1
β-Benzyme
第42页/共160页
β - B e n z y m e 催 化 对 叔 丁 基 苯 基 醋 酸 酯 ( p - N PA c ) 的 水 解比天然酶快一倍以上，kcat/K m也与天然酶相当。
修饰环状糊精模拟核糖核酸酶催化的水解反应
第50页/共160页
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。
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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。
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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。
第5页/共160页
模拟酶又称人工酶或酶模型。 ——生物有机化学的一个分支。
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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。
第7页/共160页
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。
第41页/共160页
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 NH
OH S
1
β-Benzyme
第42页/共160页
β - B e n z y m e 催 化 对 叔 丁 基 苯 基 醋 酸 酯 ( p - N PA c ) 的 水 解比天然酶快一倍以上，kcat/K m也与天然酶相当。
修饰环状糊精模拟核糖核酸酶催化的水解反应
第50页/共160页
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。
模拟酶人工酶【共78张PPT】
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。超分子化学：超分子起源于底物和受体的结合，基于非共价健的相互作用，如静电作用、氢键、范德华力等。当接受体和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“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、超分子化学是酶人工模拟的重要理论基础。根据酶催化反应机理，若能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。
抗体酶设想
Hale Waihona Puke 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。1986年 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。
设计要点
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。
最新酶与蛋白质工程 第10章 酶的分子修饰与人工模拟-精品课件
• 克拉姆的“主-客体化学”的基本思想：具有显著“识别能力” 的某些冠醚可以作为“主体”，有选择性地与作为“客体”的 底物发生配合。主-客体化学旨在模拟酶和底物的作用
酶的人工模拟
• 莱恩的“超分子化学”的主要内容：首先要求合成具有特定结 构的分子作为接受体。接受体应具有选择络合离子和分子结构 形式的能力，又使底物可借助各种分子内作用（电性作用、磁 性作用、氢键、范德华力以及各种近距离子）与受体结合，这 样，就导致“分子的聚集”，这种聚集后的分子莱恩称其为 “超分子”
• 对催化活性基团可以通过选择性修饰侧链成分来实现氨基 酸的取代
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：羧基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：氨基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：巯基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：咪唑基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：酚羟基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：胍基
① 是一类合成的低聚物，空穴结构大小的调节具有较大的自由度； ② 通过控制不同反应条件及引入适当的取代基，可固定所有需要的构象； ③ 杯芳烃的衍生化反应，不仅在杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位，而且 连接苯环单元的亚甲基都能进行各种选择性功能化，这不仅能改善杯芳烃自身 水溶性差的不足，而且还可以改善其分子络合能力和模拟酶活力； 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； ⑤ 杯芳烃能与离子和中性分子形成主-客体包结物，这是集冠醚和环糊精两者 之长； 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
模拟酶的理论基础
– 酶学基础：酶的结构和酶学性质 – “主-客体”化学：主体有选择识别客体并与之通过弱相互作
酶的人工模拟
• 莱恩的“超分子化学”的主要内容：首先要求合成具有特定结 构的分子作为接受体。接受体应具有选择络合离子和分子结构 形式的能力，又使底物可借助各种分子内作用（电性作用、磁 性作用、氢键、范德华力以及各种近距离子）与受体结合，这 样，就导致“分子的聚集”，这种聚集后的分子莱恩称其为 “超分子”
• 对催化活性基团可以通过选择性修饰侧链成分来实现氨基 酸的取代
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：羧基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：氨基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：巯基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：咪唑基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：酚羟基
酶的分子修饰
常见基团的化学修饰反应：胍基
① 是一类合成的低聚物，空穴结构大小的调节具有较大的自由度； ② 通过控制不同反应条件及引入适当的取代基，可固定所有需要的构象； ③ 杯芳烃的衍生化反应，不仅在杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位，而且 连接苯环单元的亚甲基都能进行各种选择性功能化，这不仅能改善杯芳烃自身 水溶性差的不足，而且还可以改善其分子络合能力和模拟酶活力； 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； ⑤ 杯芳烃能与离子和中性分子形成主-客体包结物，这是集冠醚和环糊精两者 之长； 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
模拟酶的理论基础
– 酶学基础：酶的结构和酶学性质 – “主-客体”化学：主体有选择识别客体并与之通过弱相互作
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2020/9/17
分子印迹原理
2020/9/17
2020/9/17
印迹分子与单体相互作用类型
▪ 可逆共价结合
苯基-α-D-甘露吡喃糖苷为印迹分子，2分子的 4-乙烯基苯基硼酸为单体，EDMA(乙二醇二甲 丙烯酸酯)为交联剂，四氧呋喃/乙氰为惰性溶剂， 得到印迹聚合物可以拆分这个糖的外消旋混合物。
2020/9/17
1、主-客体酶
环糊精酶模型
2020/9/17
水解酶的模拟
2020/9/17
胰凝乳蛋白酶
2020/9/17
核糖核酸酶的20/9/17
合成的主-客体酶模型
用人工合成的冠醚、穴醚、环番、杯芳烃 等大环多齿配体构筑酶模型。
首先优化对底物的结合，其次是催化基团 的定位。
2020/9/17
2、胶束模拟酶
胶束在水溶液中提供了疏水微环境，可 对底物进行束缚，将催化基团和辅酶共价 或非共价连接或吸附在胶束上，就可能形 成活性中心部位，使胶束成为具有酶活力 或部分酶活力的胶束模拟酶。
2020/9/17
3、肽性酶
肽性酶（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。
2020/9/17
4、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，从而形成新的人工 酶。
▪ 化学诱变法 ▪ 引入辅酶
2020/9/17
5、抗体酶 abzyme
又称为催化抗体(catalytic antibody)，是 抗体的高度选择性和酶的高效催化能力结合 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。
2、模拟酶的理论基础
1) 模拟酶的酶学基础： 酶的催化机制——稳定过渡态理论 人工体系的识别、结合和催化
催化基团的定向引入 具有与底物定向结合的能力 催化基团与底物之间具有相互匹配的立体化学特征
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二、合成酶
按照模拟酶的属性:
• 主-客体酶 • 胶束酶 • 肽酶 • 抗体酶 • 分子印迹酶 • 半合成酶
第十一章 人工模拟酶
理论基础和策略 合成酶 印迹酶
2020/9/17
一、模拟酶的理论基础和策略
1、模拟酶的概念
模拟酶又称人工酶或酶模型，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。
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三、印 迹 酶
分子印迹与分子印迹酶 生物印迹与生物印迹酶
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1、分子印迹与分子印迹酶
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)或 模板分子(template, T)，制得的聚合物简称 MIP。
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分子印迹酶
通过分子印迹技术产生类似于酶的活性中 心的空腔，对底物产生有效结合；并利用此 技术在结合空腔内诱导产生催化基团，与底 物定向排列。
印迹分子包括：底物、底物类似物、酶抑 制剂、过渡态类似物及产物等。
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2、生物印迹和生物印迹酶
生物印迹（bioimprinting）是分子印迹 的一种形式，它是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。
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原理：
生物分子构象的柔性在无水有机相 中被取消，其构象被固定，因而模板 分子与生物分子在水溶液中相互作用 后产生的构象变化移入无水有机相后 才能得以保持。
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生物印迹酶
有机相生物印迹酶：脂肪酶
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水相生物印迹酶
1）酯水解生物印迹酶
用吲哚乙酸印迹牛胰核糖核酸酶，用戊 二醛交联固定印迹蛋白的构象，透析去 除印迹分子后得到具有酯水解能力的生 物印迹酶。
▪ 非共价结合
2020/9/17
2020/9/17
可逆共价进行的分子印迹
2020/9/17
非共价结合进行的分子印迹
分子印迹聚合物的制备方法
1) 选定印迹分子和单体，让二者充 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
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表面分子印迹
所谓表面分子印迹，就是采取一定的措施把几乎所 有的结合位点局限在具有良好可接近性的表面上，从 而有利于模板分子的脱除和再结合，因此该方法尤其 适合于对生物大分子的印迹。
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2）HF水解生物印迹酶
以底物类似物印迹核糖核酸酶，采用长链二酰亚胺 固定被印迹的蛋白构象
3）具有谷胱甘肽过氧化物酶活性的生物印迹酶
用疏水基团2,4-二硝基苯修饰的GSH印迹卵清蛋白 产生了GSH的特异性结合部位，在结合部位引入催化 基团硒代半胱氨酸，形成了具有GPX活性的印迹酶
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分子印迹原理
2020/9/17
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印迹分子与单体相互作用类型
▪ 可逆共价结合
苯基-α-D-甘露吡喃糖苷为印迹分子，2分子的 4-乙烯基苯基硼酸为单体，EDMA(乙二醇二甲 丙烯酸酯)为交联剂，四氧呋喃/乙氰为惰性溶剂， 得到印迹聚合物可以拆分这个糖的外消旋混合物。
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1、主-客体酶
环糊精酶模型
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水解酶的模拟
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胰凝乳蛋白酶
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核糖核酸酶的20/9/17
合成的主-客体酶模型
用人工合成的冠醚、穴醚、环番、杯芳烃 等大环多齿配体构筑酶模型。
首先优化对底物的结合，其次是催化基团 的定位。
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2、胶束模拟酶
胶束在水溶液中提供了疏水微环境，可 对底物进行束缚，将催化基团和辅酶共价 或非共价连接或吸附在胶束上，就可能形 成活性中心部位，使胶束成为具有酶活力 或部分酶活力的胶束模拟酶。
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3、肽性酶
肽性酶（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。
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4、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，从而形成新的人工 酶。
▪ 化学诱变法 ▪ 引入辅酶
2020/9/17
5、抗体酶 abzyme
又称为催化抗体(catalytic antibody)，是 抗体的高度选择性和酶的高效催化能力结合 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。
2、模拟酶的理论基础
1) 模拟酶的酶学基础： 酶的催化机制——稳定过渡态理论 人工体系的识别、结合和催化
催化基团的定向引入 具有与底物定向结合的能力 催化基团与底物之间具有相互匹配的立体化学特征
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二、合成酶
按照模拟酶的属性:
• 主-客体酶 • 胶束酶 • 肽酶 • 抗体酶 • 分子印迹酶 • 半合成酶
第十一章 人工模拟酶
理论基础和策略 合成酶 印迹酶
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一、模拟酶的理论基础和策略
1、模拟酶的概念
模拟酶又称人工酶或酶模型，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。
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三、印 迹 酶
分子印迹与分子印迹酶 生物印迹与生物印迹酶
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1、分子印迹与分子印迹酶
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)或 模板分子(template, T)，制得的聚合物简称 MIP。
2020/9/17
分子印迹酶
通过分子印迹技术产生类似于酶的活性中 心的空腔，对底物产生有效结合；并利用此 技术在结合空腔内诱导产生催化基团，与底 物定向排列。
印迹分子包括：底物、底物类似物、酶抑 制剂、过渡态类似物及产物等。
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2、生物印迹和生物印迹酶
生物印迹（bioimprinting）是分子印迹 的一种形式，它是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。
2020/9/17
原理：
生物分子构象的柔性在无水有机相 中被取消，其构象被固定，因而模板 分子与生物分子在水溶液中相互作用 后产生的构象变化移入无水有机相后 才能得以保持。
2020/9/17
生物印迹酶
有机相生物印迹酶：脂肪酶
2020/9/17
水相生物印迹酶
1）酯水解生物印迹酶
用吲哚乙酸印迹牛胰核糖核酸酶，用戊 二醛交联固定印迹蛋白的构象，透析去 除印迹分子后得到具有酯水解能力的生 物印迹酶。
▪ 非共价结合
2020/9/17
2020/9/17
可逆共价进行的分子印迹
2020/9/17
非共价结合进行的分子印迹
分子印迹聚合物的制备方法
1) 选定印迹分子和单体，让二者充 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
2020/9/17
表面分子印迹
所谓表面分子印迹，就是采取一定的措施把几乎所 有的结合位点局限在具有良好可接近性的表面上，从 而有利于模板分子的脱除和再结合，因此该方法尤其 适合于对生物大分子的印迹。
2020/9/17
2）HF水解生物印迹酶
以底物类似物印迹核糖核酸酶，采用长链二酰亚胺 固定被印迹的蛋白构象
3）具有谷胱甘肽过氧化物酶活性的生物印迹酶
用疏水基团2,4-二硝基苯修饰的GSH印迹卵清蛋白 产生了GSH的特异性结合部位，在结合部位引入催化 基团硒代半胱氨酸，形成了具有GPX活性的印迹酶
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