第八章模拟酶
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第八章模拟酶
形成的聚合物（MIP）内保留有与印迹分子的形 状、大小完全一样的孔穴，也就是说印迹的聚合 物能维持相对于印迹分子的互补性，因此，该聚 合物能以高选择性重新结合印迹分子。
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多重相互作用，因 而对此模板分子具有特异性结合能力。
第八章
模拟酶
第八章模拟酶
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。
第八章模拟酶
第二节 印迹酶
一、分子印迹技术概述
模拟生物分子的分子识别和功能是当今最富 挑战的课题之一。
在分子水平上模拟酶对底物的识别与催化功 能已引起各国科学工作者的广泛关注。
自然界中，分子识别在生物体如酶、受体和 抗体的生物活性方面发挥着重要作用，这种 高选择性来源于与底物相匹配的结合部位的 存在。
第八章模拟酶
1.将具有催化活性的金属或金属有机物与具有特 异性的蛋白质相结合，形成半合成酶。
如：钌(Rn)电子传递催化剂[Rn(BH3)5]3+ 与巨头鲸肌红 蛋白结合——半合成无机生物酶
2.将具有特异性的物质与具有催化活力的酶相结 合，形成半合成酶。
例：人工合成寡聚核苷酸链经化学法连接到RNA酶的166 位的Cys上，获得的半合成酶借寡聚核苷酸链的碱基互补 关系，显示了对RNA链特定位点的水解作用，——不同 于DNA限制性内切酶的天然来源的RNA限制性内切酶。
第八章模拟酶
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。
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。
第八章模拟酶
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
水解酶模型
ß-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ß-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。
第八章模拟酶
研究热点
CD分子
原来：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
第八章模拟酶
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。
第八章模拟酶
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。
第八章模拟酶
第一节 模拟酶的分类
小分子仿酶体系：
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：
聚合物酶模型、分子印迹酶模型、胶束酶模型 等
第八章模拟酶
一.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
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。
第八章模拟酶
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；
第八章模拟酶
分子印迹
这样的类似于抗体和酶的结合部位能否在聚合 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”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。
第八Baidu Nhomakorabea模拟酶
分子印迹
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
第八章模拟酶
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
第八章模拟酶
环糊精结构示意
第八章模拟酶
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。
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
第八章模拟酶
2、胶束酶模型
第八章模拟酶
3、肽酶
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。
第八章模拟酶
4、半合成酶
它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”。
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)。
第八章模拟酶
(一)分子印迹原理
在生物体中，分子复合物通常通过非共价键如氢 键、离子键或范德华力相互作用而形成。同共价 键相比，非共价键相互作用较弱，但几个或多个 相互作用的合力却很强，这使复合物具有很高的 稳定性。
形成的聚合物（MIP）内保留有与印迹分子的形 状、大小完全一样的孔穴，也就是说印迹的聚合 物能维持相对于印迹分子的互补性，因此，该聚 合物能以高选择性重新结合印迹分子。
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多重相互作用，因 而对此模板分子具有特异性结合能力。
第八章
模拟酶
第八章模拟酶
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。
第八章模拟酶
第二节 印迹酶
一、分子印迹技术概述
模拟生物分子的分子识别和功能是当今最富 挑战的课题之一。
在分子水平上模拟酶对底物的识别与催化功 能已引起各国科学工作者的广泛关注。
自然界中，分子识别在生物体如酶、受体和 抗体的生物活性方面发挥着重要作用，这种 高选择性来源于与底物相匹配的结合部位的 存在。
第八章模拟酶
1.将具有催化活性的金属或金属有机物与具有特 异性的蛋白质相结合，形成半合成酶。
如：钌(Rn)电子传递催化剂[Rn(BH3)5]3+ 与巨头鲸肌红 蛋白结合——半合成无机生物酶
2.将具有特异性的物质与具有催化活力的酶相结 合，形成半合成酶。
例：人工合成寡聚核苷酸链经化学法连接到RNA酶的166 位的Cys上，获得的半合成酶借寡聚核苷酸链的碱基互补 关系，显示了对RNA链特定位点的水解作用，——不同 于DNA限制性内切酶的天然来源的RNA限制性内切酶。
第八章模拟酶
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。
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。
第八章模拟酶
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
水解酶模型
ß-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ß-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。
第八章模拟酶
研究热点
CD分子
原来：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
第八章模拟酶
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。
第八章模拟酶
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。
第八章模拟酶
第一节 模拟酶的分类
小分子仿酶体系：
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：
聚合物酶模型、分子印迹酶模型、胶束酶模型 等
第八章模拟酶
一.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
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。
第八章模拟酶
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；
第八章模拟酶
分子印迹
这样的类似于抗体和酶的结合部位能否在聚合 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”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。
第八Baidu Nhomakorabea模拟酶
分子印迹
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
第八章模拟酶
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
第八章模拟酶
环糊精结构示意
第八章模拟酶
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。
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
第八章模拟酶
2、胶束酶模型
第八章模拟酶
3、肽酶
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。
第八章模拟酶
4、半合成酶
它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”。
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)。
第八章模拟酶
(一)分子印迹原理
在生物体中，分子复合物通常通过非共价键如氢 键、离子键或范德华力相互作用而形成。同共价 键相比，非共价键相互作用较弱，但几个或多个 相互作用的合力却很强，这使复合物具有很高的 稳定性。