人工模拟酶(精选)
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生物技术制药名词
生物技术制药：采用现代生物技术，借助某些微生物、植物、动物生产医药品。
生物技术药物: 采用DNA 重组技术或其他生物技术研制蛋白质或核酸类药物。
接触抑制：每个细胞与其周围的细胞相互接触时，细胞就停止增殖。
包含体：培养基的营养状况好，诱导表达的时间短，降低表达效率都有利于可溶性表达产物的形成。
反之则容易形成不可溶性的表达产物即包含体。
单克隆抗体：由单一克隆的淋巴细胞产生的抗单一抗原决定簇的高度特异性抗体B生产技术：淋巴细胞杂交瘤技术单链抗体：是由一段弹性连接肽把抗体可变区重链与轻链相连而成，是具有亲代抗体全部抗原结合特异性的最小功能结构单位。
抗体：机体的免疫系统在抗原刺激下，由B淋巴细胞或记忆细胞增殖分化成的浆细胞所产生的、可与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白。
主要分布在血清中，也分布于组织液及外分泌液中。
单域抗体：抗体的Vh和Vl 是具有结合抗原特异性的小抗体片段又称单域抗体。
原代细胞：直接取自动物组织、器官,经过粉碎消化而获得的细胞悬液。
两步培养法：第一个反应器用于细胞生物量的累积---生长培养基第二个反应器用于次级代谢产物的生产---生产培养基涉及成批培养诱导子：是能够诱导植物细胞中一种或几种反应，并形成特征性自身防御反应的分子。
如触发形成植物抗毒素信号的物质。
分类：按形成部位：内源性诱导子、外源性诱导子按来源分：生物诱导子、非生物诱导子前体饲喂：是增加次级代谢产物产率的重要方法。
三种主要的前体：莽草酸，氨基酸，乙酸。
两相培养法：加入固相或疏水液相，形成两相培养系统，从而达到收集分泌物的目的固定化酶：是指限制或者固定于特定空间位置的酶，具体来说，就是指经过物理化学方法处理，使酶变成不易随水流失的固定化催化剂。
人工模拟酶：根据酶的作用原理，采用人工方法合成的，具有活性中心和催化反应作用的、非蛋白质结构的化合物，称为人工模拟酶。
（环糊精，冠醚等）按属性分类：1主客体酶（环糊精）2胶束酶3肽酶4半合成酶5分子印记酶。
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。
纳米酶研究进展
纳米酶用于肿瘤细胞的检测
4.3 环境监测
利用汞离子与纳米材料之间相互作用 抑制纳米酶活性的特点， 基于铂纳米颗粒、 金纳米簇以及铂-金双金属纳米颗粒的汞离 子检测系统检测限都低于10 nmol/L，且初 步应用于饮用水、化妆品、生活用水源头 水(自来水、河流、湖泊)中汞含量的检测。
纳米酶检测汞离子
模拟过氧化物酶的应用范围非常广泛，通常与抗体或者其他生物分子偶联用 于信号放大，并形成可检测的电信号或者颜色信号，用于血糖检测、血清免疫检 测、疾病检测等方面。
纳米酶用于轮状病毒免疫检测
2.2 非铁金属纳米酶
（1）其它金属氧化物纳米酶 除铁基纳米酶以外，其他许多类型的金属 氧化物纳米材料也体现出模拟酶性能。如氧化 铈具有模拟过氧化物酶，模拟超氧化物歧化酶 (SOD)的特性。四氧化三钴材料具有双重模拟 酶活性，既可以表现过氧化物酶活性还可以表 现过氧化氢酶活性，且其催化反应不受高浓度 过氧化氢抑制，可应用于谷胱甘肽检测、 葡萄 糖检测、 免疫检测等。此外，研究者还发现五 氧化二钒、氧化锰等也具有模拟酶特性，使得 它们具有许多潜在的应用价值。
新一代人工模拟酶：纳米酶
汇报人： 研究方向： 汇报时间：
目录
01、纳米酶的发现及优点 02、纳米酶的种类 03、纳米酶活性的影响因素 04、纳米酶的应用
1
纳米酶的发现 Fe3O4纳米颗粒本具有内在类似辣根过氧化物酶的催化 活性，无需在其表面修饰任何催化基团 。 磁纳米颗粒在过氧化氢存在时，可催 化 HRP 的多种底物发生氧化反应，并产生与 HRP 催化完全相同的颜色。
纳米酶是模拟酶领域的新成员
Fe3O4催化底物被氧化并产生相应的显色反应
1.2 纳米酶的特点
制备简单
性质稳定
4.3 环境监测
利用汞离子与纳米材料之间相互作用 抑制纳米酶活性的特点， 基于铂纳米颗粒、 金纳米簇以及铂-金双金属纳米颗粒的汞离 子检测系统检测限都低于10 nmol/L，且初 步应用于饮用水、化妆品、生活用水源头 水(自来水、河流、湖泊)中汞含量的检测。
纳米酶检测汞离子
模拟过氧化物酶的应用范围非常广泛，通常与抗体或者其他生物分子偶联用 于信号放大，并形成可检测的电信号或者颜色信号，用于血糖检测、血清免疫检 测、疾病检测等方面。
纳米酶用于轮状病毒免疫检测
2.2 非铁金属纳米酶
（1）其它金属氧化物纳米酶 除铁基纳米酶以外，其他许多类型的金属 氧化物纳米材料也体现出模拟酶性能。如氧化 铈具有模拟过氧化物酶，模拟超氧化物歧化酶 (SOD)的特性。四氧化三钴材料具有双重模拟 酶活性，既可以表现过氧化物酶活性还可以表 现过氧化氢酶活性，且其催化反应不受高浓度 过氧化氢抑制，可应用于谷胱甘肽检测、 葡萄 糖检测、 免疫检测等。此外，研究者还发现五 氧化二钒、氧化锰等也具有模拟酶特性，使得 它们具有许多潜在的应用价值。
新一代人工模拟酶：纳米酶
汇报人： 研究方向： 汇报时间：
目录
01、纳米酶的发现及优点 02、纳米酶的种类 03、纳米酶活性的影响因素 04、纳米酶的应用
1
纳米酶的发现 Fe3O4纳米颗粒本具有内在类似辣根过氧化物酶的催化 活性，无需在其表面修饰任何催化基团 。 磁纳米颗粒在过氧化氢存在时，可催 化 HRP 的多种底物发生氧化反应，并产生与 HRP 催化完全相同的颜色。
纳米酶是模拟酶领域的新成员
Fe3O4催化底物被氧化并产生相应的显色反应
1.2 纳米酶的特点
制备简单
性质稳定
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
酶八章-酶的人工模拟或模拟酶
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。
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。
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。
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。
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
O
于催化双疏水部位酯底物11
O
NO2
2+ 的水解反应。底物11被两个CD包结后，配位于桥基的Cu 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 2.2×10 5 倍。
退出
谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC1.11.9)为含硒酶，是 生物体内重要的抗氧化物酶，能有效消除体内的自由 基，同超氧化歧化酶和过氧化氢酶共同作用，防止脂 质过氧化。因而在治疗和预防克山病、心血管病、肿 瘤等疾病具有明显效果。但是，此酶的来源有限、稳 定性差，以及分子质量大等缺点，限制了它的实际应 用，因此，人们把注意力集中在对此酶的工人模拟上。 为克服以往GPX模拟物如PZ51无底物结合部位的缺点， 罗贵民等利用环糊精为底物结合部位，硒为催化基团， 制备出双硒桥联环糊精（12）。
退出
1980年报道了第一个人工转氨酶6。在它的存在下， 苯并咪唑基酮酸转氨基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。CD空腔能稳定结 合类似亚胺中间体的过渡态是提高催化速度的关键。 由于β-CD本身具有手性，可以预料产物氨基酸也应该 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。 6的不足之处在于它不具备催化基团。Tabushi等将催 化基团氨基引入CD得到模拟酶7。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。
退出
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图5.2 4和5催化环状磷酸二酯的水解反应
（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）本身也能实现转氨 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。
于催化双疏水部位酯底物11
O
NO2
2+ 的水解反应。底物11被两个CD包结后，配位于桥基的Cu 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 2.2×10 5 倍。
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谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC1.11.9)为含硒酶，是 生物体内重要的抗氧化物酶，能有效消除体内的自由 基，同超氧化歧化酶和过氧化氢酶共同作用，防止脂 质过氧化。因而在治疗和预防克山病、心血管病、肿 瘤等疾病具有明显效果。但是，此酶的来源有限、稳 定性差，以及分子质量大等缺点，限制了它的实际应 用，因此，人们把注意力集中在对此酶的工人模拟上。 为克服以往GPX模拟物如PZ51无底物结合部位的缺点， 罗贵民等利用环糊精为底物结合部位，硒为催化基团， 制备出双硒桥联环糊精（12）。
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1980年报道了第一个人工转氨酶6。在它的存在下， 苯并咪唑基酮酸转氨基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。CD空腔能稳定结 合类似亚胺中间体的过渡态是提高催化速度的关键。 由于β-CD本身具有手性，可以预料产物氨基酸也应该 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。 6的不足之处在于它不具备催化基团。Tabushi等将催 化基团氨基引入CD得到模拟酶7。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。
退出
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图5.2 4和5催化环状磷酸二酯的水解反应
（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）本身也能实现转氨 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。
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。
第七章酶的模拟
将疏水性维生素B6衍生物与阳离子胶束 混合形成的胶束体系中，可将酮酸转化 为氨基酸，有效地模拟了以维生素B6为 辅酶的转氨基作用。氨基酸的收率达
52%
策略：
一系列端基为咪唑基、羧基、羟基或氨 基的长链化合物溶于水，形成“簇”， 每个簇为一多组分混合体系，每一个组 分含有一个潜在的催化基团，可与相邻 的催化基团协同作用。
五、抗体酶（Abzyme） 又称催化抗体（catalytic antibody）
理论基础：过渡态理论。
制备方法： 1.过渡态类似物设计
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。
利用过渡态类似物制备抗体酶
③ 从聚合物中除掉印迹分子。
2．分子印迹酶 印迹底物及其类似物 印迹过渡态类似物
3．生物印迹酶 利用配体诱导酶活性中心构象发生变
化，形成一种高活性的构象形式，此种 构象形式因酶在有机介质中的高度刚性 或通过交联固定而得到保持。
有机相生物印迹酶 水相生物印迹酶
枯草杆菌蛋白酶从含有竞争性抑制剂的水溶液 中冻干出来后，再将抑制剂除去，该酶在辛烷 中催化酯化反应的速度比不含抑制剂的水溶液 中冻干出来的酶高100倍
cavity
பைடு நூலகம் 1． 水解蛋白酶的模拟
利用β-CD作为酶的结合部位，而连在其 侧链上的羧基、咪唑基及CD本身的一个 羟基共同构成催化中心，实现了胰凝乳 蛋白酶的模拟。
组氨酸咪唑基的引入
2．核糖核酸酶的模拟
催化基团所处的位置可对反应的选择性 起作用。
碱性条件下水解，同
时产生Ⅱ和Ⅲ两种产 物，而在A的催化下 水解只生成Ⅲ； B催 化水解反应只生成Ⅱ。
52%
策略：
一系列端基为咪唑基、羧基、羟基或氨 基的长链化合物溶于水，形成“簇”， 每个簇为一多组分混合体系，每一个组 分含有一个潜在的催化基团，可与相邻 的催化基团协同作用。
五、抗体酶（Abzyme） 又称催化抗体（catalytic antibody）
理论基础：过渡态理论。
制备方法： 1.过渡态类似物设计
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。
利用过渡态类似物制备抗体酶
③ 从聚合物中除掉印迹分子。
2．分子印迹酶 印迹底物及其类似物 印迹过渡态类似物
3．生物印迹酶 利用配体诱导酶活性中心构象发生变
化，形成一种高活性的构象形式，此种 构象形式因酶在有机介质中的高度刚性 或通过交联固定而得到保持。
有机相生物印迹酶 水相生物印迹酶
枯草杆菌蛋白酶从含有竞争性抑制剂的水溶液 中冻干出来后，再将抑制剂除去，该酶在辛烷 中催化酯化反应的速度比不含抑制剂的水溶液 中冻干出来的酶高100倍
cavity
பைடு நூலகம் 1． 水解蛋白酶的模拟
利用β-CD作为酶的结合部位，而连在其 侧链上的羧基、咪唑基及CD本身的一个 羟基共同构成催化中心，实现了胰凝乳 蛋白酶的模拟。
组氨酸咪唑基的引入
2．核糖核酸酶的模拟
催化基团所处的位置可对反应的选择性 起作用。
碱性条件下水解，同
时产生Ⅱ和Ⅲ两种产 物，而在A的催化下 水解只生成Ⅲ； B催 化水解反应只生成Ⅱ。
人工模拟酶技术的研究与应用_邢锦娟
第29卷第2期 辽宁工业大学学报(自然科学版) V ol.29, No.22009年 4 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition) Apr.2009收稿日期：2008-12-12作者简介：邢锦娟(1980-)，女，山西原平人，助理实验师。
人工模拟酶技术的研究与应用邢锦娟，刘 琳（渤海大学 应用化学省级重点实验室，辽宁 锦州 121003）摘 要：人工模拟酶是为了顺应克服传统酶对热敏感、稳定性差、来源有限以及催化条件局限性等缺点的需要，而研制和开发的一种新型催化剂。
简要地概述模拟酶研究的理论基础，并分别从小分子仿酶体系，大分子仿酶体系，以及当今的研究热点抗体酶等几个方面对人工模拟酶模型的研究进展作了简要介绍。
关键词：模拟酶；主-客体化学；超分子化学理论；分子印迹；催化抗体中图分类号：O621.25 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2009)02-0125-04Research and Application of Artificial Enzyme TechnologyXING Jin-juan ，LIU Lin（Provincial Key Laboratory for Applied Chemistry, Bohai University, Jinzhou 121003, China ）Key words: enzyme; main-object chemistry; supramolecular chemistry; molecular imprinting;catalytic antibodiesAbstract: Artificial enzyme was a new type of catalyst developed and researched, which overcame the shortcomings such as the traditional heat-sensitive, poor stability, the limited sources, as well as the limitations of the conditions. Theoretical basis in research was briefly outlined, respectively from the aspects of small molecules, large molecules like-enzyme system, as well as the present burning points in antibody enzyme research, the research progress of artificial enzyme model was briefly described.酶是自然界经过长期进化而产生的一种生物催化剂，它具有催化效率高、作用专一性强和反应条件温和等显著特点。
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。
第八章 模拟酶
黄素木瓜蛋白酶——著名的人工酶
将辅酶引入蛋白质上制备半合成酶：
E.T.Kaiser等构建的黄素木瓜蛋白酶。黄素的溴 酰衍生物可与木瓜蛋白酶的Cys25共价结合成黄素 木瓜蛋白酶。此半合成酶的酶活力可与天然黄素 酶相比拟。 其他的辅酶(如维生素Bl、吡哆醛、卟啉等)都可 以共价偶联到某些酶的结合部位．从而产生新的 实用催化剂。
可能的原因：
①分子印迹聚合物一般是高交联聚合物，其刚 性大且缺乏酶的柔性。 ②用于聚合的单体种类较少，使得模板与空腔 周围基团形成次级键的作用力减少。也就是说 模板聚合物对反应底物的识别能力受到限制， 因而导致酶活力普遍不高。
蛋白质表面印迹 在聚合物涂层的硅石上的示意
生物印迹(bioimprinting)
1.印迹分子的选择：
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。
2.催化基团的定位：
将催化基团定位在印迹空腔的合适位置对印迹 酶发挥催化效率相当重要。通常引入催化基团 的方法为诱导法，即通过相反电荷等的相互作 用引入互补基团。
3.存在的问题：
用高聚合物制备的印迹酶其催化效率普遍不高。
设计人工酶模型应考虑：
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。
生物印迹是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。 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在移入无水 有机相后才能得以保持。 用这种方法可以制备生物印迹酶。
第六章-人工模拟酶03
抗原与抗体等相比拟。
但由于它是由化学合成方法所制备的，因此又 具有天然分子识别系统所不具备的抗恶劣环境的能 力，从而表现出高度的稳定性和长的使用寿命。
（二）分子印迹发展的基本趋向：
（1）预组装方式： 印迹分子先共价结合到功能单体上，然后聚合，
聚合后再打开共价键去除印迹分子。 印迹分子与功能单体以可逆的共价键结合，如
目前，全世界至少有包括瑞典、日本、德国、 美国、中国在内的10多个国家、100个以上的学术 机构和企事业单位在从事这一技术的研究与开发。
模拟生物分子的分子识别和功能是当今最富 挑战的课题。
二、分子印迹技术的原理与特点
• 分子印迹技术的原理 当模板分子（印迹分子）与带有官能团的单
体分子接触时，会尽可能同单体官能团形成多重 作用点，待聚合后，这种作用就会被固定下来， 当模板分子被除去后，聚合物中就形成了与模板 分子在空间上互补的具有多重作用位点的结合部 位，这样的结合部位对模板分子可产生相互作用 ，因而对以此模板分子具有特异的结合能力。
构建模拟酶的酶模型分子：环糊精、 穴醚、卟林等。
模拟酶的理论基础
1. 酶的作用机制： 过渡态理论
2 人工系统研究 对简化的人工体系中识别、结合和催化
3 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。配位键或其他次级键连接。 4 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具有稳定结构和性质的实 体，形成“超分子”。
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。
但由于它是由化学合成方法所制备的，因此又 具有天然分子识别系统所不具备的抗恶劣环境的能 力，从而表现出高度的稳定性和长的使用寿命。
（二）分子印迹发展的基本趋向：
（1）预组装方式： 印迹分子先共价结合到功能单体上，然后聚合，
聚合后再打开共价键去除印迹分子。 印迹分子与功能单体以可逆的共价键结合，如
目前，全世界至少有包括瑞典、日本、德国、 美国、中国在内的10多个国家、100个以上的学术 机构和企事业单位在从事这一技术的研究与开发。
模拟生物分子的分子识别和功能是当今最富 挑战的课题。
二、分子印迹技术的原理与特点
• 分子印迹技术的原理 当模板分子（印迹分子）与带有官能团的单
体分子接触时，会尽可能同单体官能团形成多重 作用点，待聚合后，这种作用就会被固定下来， 当模板分子被除去后，聚合物中就形成了与模板 分子在空间上互补的具有多重作用位点的结合部 位，这样的结合部位对模板分子可产生相互作用 ，因而对以此模板分子具有特异的结合能力。
构建模拟酶的酶模型分子：环糊精、 穴醚、卟林等。
模拟酶的理论基础
1. 酶的作用机制： 过渡态理论
2 人工系统研究 对简化的人工体系中识别、结合和催化
3 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。配位键或其他次级键连接。 4 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具有稳定结构和性质的实 体，形成“超分子”。
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。
第七章 化学酶工程-人工模拟酶
要“超分子”。
7.2.3 模拟酶的分类
主-客体模拟酶 胶束酶
肽酶
分子印迹酶
（1）主-客体模拟酶
环糊精模拟酶 合成的主-客体酶
天然存在的、类似酶的理想宿主分子，本身具有酶模型的特性。 略呈锥形的圆筒结构：外侧亲水，内侧的空腔具有疏水性。
其特殊结构使环糊精分子能够作为主体识别并捕捉匹配的客体
设计合成的以冠醚环和巯基为主体分子的冠醚模拟酶：
杯芳烃
1942年金克(Zinke，奥地利)首次合成得到，因其结构像一个酒 杯而被称为杯芳烃。
绝大多数的杯芳烃熔点较高，在250℃以上。
其上端由取代基组成，下端酚羟基。（其上部亲油，下部亲水， 可分别与疏水性分子、极性离子结合） 杯芳烃具有大小可调节的“空腔”，能够形成主-客复合物，与 环糊精、冠醚相比，是一类更具广泛适应性的模拟酶，是继冠 醚和环糊精之后的第三代主体化合物。
的聚合物内保留与印迹分子的形状、大小、功能团互补的 空穴； 后处理：成型加工和真空干燥。
五、影响分子印迹选择性识别的因素
底物结构和印记分子的一致性：底物必须与印记分子的结
构、大小相似，否则影响分辨率。
聚合物与印记分子之间的作用力：作用力是影响分辨率的
重要因素，若能产生多种相互作用力，且键的数目又多，则分辨
在人工酶的研究中，印迹被证明是产生酶结合
部位最好的方法。
2、分子印迹酶
选择的印迹分子有：
① 印迹底物、产物、底物类似物：
② 印迹过渡态类似物：
③ 表面印迹过渡态类似物：
通过分子印迹技术，印迹后的聚合物除了可产生底物的 结合部位之外，重要的是在结合部位的空腔内诱导产生 与底物定向排列的催化基团，从而表现出酶的性质。 性质：遵循米氏方程。