第八章模拟酶
酶工程8模拟酶
Tabushi等人将催化基团氨基引入CD得到 模拟酶。乙二胺旳引入不但使反应加速2023倍 以上，还为氨基酸旳形成造就了一种极强旳手 性环境。接近乙二胺一面旳质子转移受到克制， 从而体现出很好旳立体选择性。
N CH3
S
OH NH2 NH
NH2
转氨7酶模型
Han等人合成了一系列含核糖旳环糊 精酶模型，它兼具核酸酶、连接酶、磷酸 脂酶和磷酸化酶旳活性
研究表白，核糖中旳相临二羟基对催 化起着关键作用。它水解环状磷酸脂旳速 率提升33倍。
④ 桥联环糊精仿酶模型
桥联CD是近年来发展起来旳一类新 型仿酶模型，它旳两个CD及桥基上旳功 能基构成了具有协同包结和多重辨认功能 旳催化活性中心，能更加好旳模拟酶对底 物旳辨认与催化功能。
Breslow研究小组发展了一种新措施，试图利用 组合化学技术筛选与环糊精客体具有高选择性结合旳 小肽分子，以便取得高活性旳催化水解肽酶模型。他 们制备了含镍旳水扬酚环糊精复合物 。
在设计模拟酶方面，尽管有 上述理论做指导，但是，目前尚 缺乏系统旳定量旳理论体系。
令人欣喜旳是，大量旳实践证明， 酶旳高效性和高选择性并非天然酶所 独有，人们利用多种策略发展了多种 人工酶模型。
目前，在众多旳模拟酶中，已经 有部分非常成功旳例子，它们旳催化 效率和高选择性已能与生物酶相媲美。
第二节 模拟酶旳分类
根据Kirby分类法，模拟酶可分为：
——(1)单纯酶模型(enzyme-based mimics)，即 以化学措施经过天然酶活性旳模拟来重建和改 造酶活性； ——(2)机理酶模型(mechanism-based mimics)， 即经过对酶作用机制诸如辨认、结合和过渡态 稳定化旳认识，来指导酶模型旳设计和合成； ——(3)单纯合成旳酶样化合物(synzyme)，即某 些化学合成旳具有酶样催化活性旳简朴分子。
模拟酶
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 。
4.2分子印迹技术原理 分子印迹技术原理
当模板分子（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 会尽可能同单体官能团形成多重作用点，待聚合后， 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， 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，赋予该聚合物特异的“记忆”功能， 的结合部位，赋予该聚合物特异的“记忆”功能，对此模 板分子具有特异的结合能力。 板分子具有特异的结合能力。
3.1环糊精模拟酶 3.1
环糊精(Cyclodextrin,CD) 环糊精
是环糊精糖基转移酶 (CGTase)作用于淀粉或 作用于淀粉或 直链糊精所产生的一类 环状低聚糖的总称,由 环状低聚糖的总称 由 多个D-吡喃型葡萄糖通 多个 吡喃型葡萄糖通 糖苷键连接而成。 过α-1,4糖苷键连接而成。 糖苷键连接而成
分子印迹聚合物原理图
4.3分子印迹技术的特点 分子印迹技术的特点
即它可以根据不同的目 的制备不同的印迹聚合 以满足不同的需要。 物，以满足不同的需要。
即印迹聚合物是按 照膜板分子定做的， 照膜板分子定做的， 可专一地识别印迹 分子。 分子。 识别性
预定性
实用性
即它可以与天然的生物分 子识别系统如酶与底物、 子识别系统如酶与底物、 抗原与抗体等相比拟。 抗原与抗体等相比拟。
模拟酶的概念和认识
模拟酶的概念和认识第八章酶的人工模拟hh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。
8.模拟酶
三、设计要点
1.设计前
酶活性中心的结构及酶一底物络合物的结
构；
酶的专一性及其同底物结合的方式与能力；
反应的动力学及各中间物的知识。
2 设计中
为底物提供良好的微环境 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
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
四、酶模拟工作的3个层次
合成有类似酶活性的简单络合物 酶活性中心模拟
整体模拟，即包括微环境在内的 整个酶活性部位的化学模拟
五、模拟酶应具备的品质
能为底物提供良好的微环境；
催化基团同底物的功能团尽可能接近；
结构应是确定的，且具有一定的柔韧性或 半刚性；
在接近生理条件下保持催化活性y分类法
二、模拟酶的理论基础
一、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
模拟酶在结构上必须具有两个特殊部位——底物结合 位点和催化位点。
二、主-客体化学和超分子化学
Cram提出主-客体化学：主体与客体通过配位键或 其他次级键形成稳定复合物的化学；体现为主体和 客体在结合部位的空间及电子排列的互补。 Lehn提出超分子化学：该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，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 功能：分子识别、催化、选择性输出
3.分子印迹的方法
①非共价分子印迹
首先是印迹分子与功能单体相混合
然后功能单体与交联剂发生共聚合
最后使印迹分子从聚合物上脱离
非共价分子印迹方法已经用于对下列物
质具有选择性的聚合物的制备：染料、 二胺类、维生素、氨基酸衍生物、肽、 β—肾上腺素阻断剂、茶碱(1，3—二甲 基嘌呤)、核苷酸碱基、安定和萘普生(消 痛灵)等。
分子酶学
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）。
模拟酶人工酶
• 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。
19
• 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。
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
8
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。
• 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。
11
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。
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。
8第八章 酶通论
第八章酶与辅酶2. 1 酶催化作用特点：（一）酶是催化剂：降低酶促反应活化能。
（二）酶是生物催化剂：（1）反应条件温和，常温常压，中性PH，酶易失活。
（2）酶具有很高催化效率，比非催化反应一般可提高108~1020倍。
（3）酶具有高度专一性：反应专一性：催化一种或一类反应。
底物专一性：只作用一种或一类物质。
（4）酶活性受调节控制：1.调节酶的浓度：诱导或抑制酶的合成，如消化乳糖的三种酶的产生受乳糖操纵子控制。
2.激素调节：激素通过与细胞膜或细胞内的受体相结合而调节酶的活性。
如乳糖合成酶是由两个亚基组成，一个催化亚基，一个调节亚基，催化半乳糖和葡萄糖生成乳糖。
平时催化亚基单独存在，只催化半乳糖与蛋白质反应合成糖蛋白；但当动物分娩后，激素急剧增加，调节亚基大量产生，与催化亚基一起构成二聚体的乳糖合成酶，改变催化亚基专一性，催化半乳糖和葡萄糖反应生成乳糖。
3.反馈抑制调节：许多物质合成是由一连串反应组成的，催化此物质生成的第一步的酶可为它们的终端产物所抑制。
如由Thr合成Ile经过5步，当终产物Ile浓度达足够水平，催化第1步反应的苏氨酸脱氨酶被抑制；当Ile浓度下降后，酶的抑制解除。
4.抑制剂、激活剂调节：酶的抑制剂、激活剂的研究是药物研究的基础。
磺胺药可抑制四氢叶酸合成所需酶，进而抑制核酸和蛋白质的合成，故可杀菌。
5.酶原的激活：凝血酶、消化酶等酶先以一个无活性的前体形式（酶原）被合成，然后在一个生理上合适的时间和地点被活化成酶，才具有催化活性。
6.共价修饰：酶被共价修饰后，活性被调节，如在激酶催化下酶被磷酸化而表现出催化活性；磷酸基团水解，活性又可逆转。
7.别构调控：别构酶通过效应物来对酶活性进行调控。
2. 2 酶的化学本质及其组成：（一）酶是蛋白质：水解最终产物为氨基酸，并具有蛋白质各种性质。
（二）酶的分类：由化学组成不同分为单纯蛋白质和缀合蛋白质。
缀合蛋白质除蛋白质外还要结合一些非蛋白质小分子或金属离子才表现出酶的活性，由蛋白质部分（称为脱辅酶或酶蛋白）和非蛋白部分（称为辅因子或辅助因子）两部分组成，两者结合的复合物称为全酶。
第八章 酶通论
酶学研究简史：酶(enzyme)希腊语原意：in yeast，生物体内催化化学反应的物质，细胞中的球蛋白多数为酶。
1783年：Spallamzan发现鸟的胃液能消化肉。
1814年：Kirchhoff发现稀酸对淀粉的加水分解作用。
并发现麦芽抽提液加入淀粉后能生成麦芽糖，即麦芽抽提液中必定有能水解淀粉的水溶性物质→ferment (酵素)。
1830年：Kuhle开始使用Enzyme这一术语。
1833年：Payen & Persoz 从麦芽抽提液得到了ferment，称diastase，即现在的amylase。
1835年：Berzelius提出ferment起的是催化作用。
1857年：Pasteur认为发酵分几个阶段进行，每一步都有特定的酶参与，但酶只在活体细胞中才能起作用。
1894年：Bertrand发现了水解酶以外的酶。
1897年：Buchner兄弟以“没有酵母的酒精发酵”证明了酶可以离开细胞起作用。
1910年：Halden & Young 发现酶是蛋白质与耐热性低分子量化合物(cofactor)的复合物，提出蛋白质只是担体。
1913年：米氏方程建立。
1926年：Sumner得到了Urease的结晶，随后，Northrop结晶化了Pepsin，Trypsin等蛋白酶，结晶中测定不到cofactor。
1929年：Warburg发现呼吸链诸酶中的血红素。
1936年：维生素与辅酶关系的阐明。
1959年：Sutherland cAMP的发现→酶与激素的关系。
1970年：Restriction enzyme的发现→基因工程。
第一节酶催化作用的特点一、酶和一般催化剂的比较加快反应的速度，但不改变反应的平衡。
二、酶作为生物催化剂的特点1．易失活2．具有很高的催化效率3．具有很高的专一性4．酶的活性受到调节控制调节酶的浓度通过激素调节酶的活性反馈抑制调节酶的活性抑制剂和激活剂调节酶的活性其他调节方式如别构调节第三节酶的命名法一、习惯命名法二、国际系统命名法三、国际系统分类法及酶的编号每种酶的号由4个数字组成，中间用“.”隔开，分别代表大类.亚类.亚亚类.序号，如：EC1.2.3.2是黄嘌啉：氧化还原酶的编号。
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。
模拟酶
冠醚酶模型：水解酶，肽合 成酶 杂环化合物和卟啉类：超氧 化物歧化酶
1.环糊精酶模型
环糊精（Cyclodextrin，CD）是由多个 D型葡萄糖以1,4-糖苷键聚合成环状。
水解酶的模拟（1）
天然胰凝乳 蛋白酶的活性中 心是由组氨酸的 咪唑基、天门冬 氨酸的羧基和丝 氨酸的羟基组成 的。
Asp-102
模拟酶
主 讲 人：祁佳 吕彩霞 指导老师：赵健 袁勤生
第一节
前言
背景介绍 基本概念 理论基础
背景介绍
1、天然酶的特点
温和条件下，高效、专一地催化某 些化学反应；应用于糖生物工业、能 源工业、饲料产业以及医药行业。 对热敏感、稳定性差、分离回收 不易、来源有限，限制了天然酶的 规模开发和利用。
2、酶工程技术
模拟酶与底物的反应
根据Pauling的稳定过渡态理论， 酶的催化机制是酶先对底物结合， 进而选择性地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。
Cram提出主-客体化学：主体与客 体通过配位键或其他次级键形成稳定复 合物的化学；体现为主体和客体在结合 部位的空间及电子排列的互补。 Lehn提出超分子化学：当接受体与 络合离子或分子结合成具有稳定结构和 性质的实体时，就形成了“超分子”。
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
模拟酶人工酶
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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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
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
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
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。
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。
第八章模拟酶
分子印迹
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。
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
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)。
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。
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、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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。
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；
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
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。
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
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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。
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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”。