人工酶

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第七章化学人工酶和酶的非水相催化解析

1983年，Rupley等人从溶菌酶的结论得知，一个干燥蛋白的水合过程经过4个步骤： (1)加入的水首先与酶分子表面的带电基团结合，达到每克蛋白质0~0.07g水。 (2)然后与酶分子表面的极性基团结合(每克蛋白质0.07~0.25g水)。 (3)多出来的水再凝聚到蛋白质分子表而相互作用较弱的部位(每克蛋白质0.25~0.38g水)。 (4)最后，酶分子表面完全水化，被一层水分子所覆盖(每克蛋白质0.38g水，大约300个水分子)。
第二节非水介质中的酶催化反应
1984年A. Zaks 和A.M Klibanov 首次发表了关于非水相介质中脂肪酶的催化行为及热稳定性的研究报道，引起了广泛的关注。传统的酶学领域迅速产生一个全新的分支非水酶学。现在非水酶学方法在多肽合成、聚合物合成、药物合成以及立体异构体拆分等方面显示出广阔的应用前景。
一、半合成酶
半合成酶将具有一定结构和功能的物质与特异的蛋白质结合，便可形成新的生物催化剂—— 半合成酶。
一、半合成酶
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。 Gray与Margalit将电子传递催化剂 [Rn(NH3)5]3+，与巨头鲸肌红蛋白结合，产生半合成的无机生物酶。肌红蛋白传递氧气， Rn(NH3)5]3+能氧化各种有机物 (如抗坏血酸)。这种人工酶的催化效率是钙一咪唑复合物的200倍，接近天然的抗坏血用人工方法合成具有催化活性的多肽。 1977年人工合成一个八肽具有溶菌酶的活性。
三、设计要点
设计前：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
三、设计要点
设计中：为底物提供良好的微环境（疏水性）应提供形成离子键、氢键的可能性，以利于结合底物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

生物酶催化和人造酶的发展和应用

3、寻找新型人造酶的应用领域。随着人造酶技术的发展，其应用领域也不断扩展。但是，人造酶的潜力远未被充分挖掘，未来的研究方向还包括寻找新领域的应用，如医疗诊断等。同时，也需要关注人造酶与环境、人类健康等方面的关系。
总之，生物酶催化和人造酶的发展对于推动科学技术进步和人类社会的发展至关重要。需要进一步的深ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ研究和技术创新，将人造酶技术应用到社会生产和人类健康中，为推动全球可持续发展做出新的贡献。
1、改进人工酶的催化效率。目前，人造酶在催化效率上还存在一定的差距，需要进一步的改进。例如，通过挖掘生物酶未被利用的结构域，或是利用计算机辅助设计方法，寻找新型酶底部和酶体。
2、解决人工酶在实际应用中的稳定性问题。目前，人工酶在实际应用中，往往面临着稳定性差、活性退化等问题。因此，科学家们正在研究如何进行智能修饰和精细控制，提高酶的稳定性和活性。
在医疗领域中，人造酶的主要应用是制造药物，例如抗癌药物。药物本身就是一种分子，而且是一种可以催化反应的分子。借助人造酶的催化作用，药物可以更快速、更高效地发挥作用，同时也可以降低副作用。在环保领域中，人造酶也可以帮助处理各种废水废气等污染物，使之转化为对环境无害的物质。
三、人造酶技术的研究方向
当前，人造酶技术的研究方向主要包括以下几个方面：
生物酶催化和人造酶的发展和应用
酶是生物体内常见的一种催化剂。生命是基于无序的原子和分子自组织而成，在利用物质能量和信息的同时，也需要维持生命活动的完整性。而酶通过降低反应的激活能，促进化学反应的进行，发挥着重要的生物调节作用。随着科学技术的不断发展，酶催化作用也逐渐得到了更加深入的研究，同时也促进了人造酶的发展和应用。
二、人造酶的发展与应用
随着对生物酶催化原理的深入研究，科学家们开始研制人造酶。人造酶的研制可以通过结构模拟、化学修饰等方法使其具有特定的催化能力，从而应用到化学反应、医疗、环保等领域中。

人工合成酶的设计与制备

人工合成酶的设计与制备酶是生物学中极其重要的一类生物大分子，是生命体系中的核心。

它们能够在细胞内参与代谢过程中的催化反应，常常起到高效催化剂的作用，相应地，合成酶的设计与制备也是近年来的追求之一。

从分类上来看，酶可以分为天然酶和人工合成酶，人工合成酶最大的特点是经过人工重组和设计，能够更好地满足实验或生产操作的需要，同时也可以优化该酶的性能，进而实现更高效率和高产的催化反应。

一、人工合成酶的设计原理人工合成酶的设计是从天然酶的结构和性能出发，结合计算机预测和仿真技术，通过不同的策略来设计出具有所需性质的新型酶，从而改善传统酶的不足之处。

人工合成酶的设计原理主要有以下几种：1、重组酶法重组酶法是通过基因重组技术将源自于不同菌株或不同类型的酶基因融合到一起，从而得到具有新特性的合成酶。

这种方法可以充分利用天然生物系统中的遗传物质优化酶的性能，而且结构稳定，催化效率高，成本低廉，被广泛应用于工业生产和科学研究领域。

2、模拟计算法模拟计算法是建立于天然酶基础上的计算机模拟，通过DNA shuffling, error-prone PCR 和overlap-extension PCR等技术，将源自于不同酶的进化优化的片段融合在一起，制备出重组的新酶。

这种方法可以有效降低生产成本和提高酶的活性和稳定性，成为人工合成酶设计的重要策略。

3、结构框架改变法结构框架改变法主要是通过改变酶的空间结构，控制催化反应所需的位置，从而实现酶活性调节。

相比其他的合成酶制备法，结构框架改变法最大的特点是能够快速地确定酶的结构，并在较短的时间内设计出符合需求的新型酶。

二、人工合成酶的制备方法人工合成酶的制备方法是指将经过设计和重组的DNA片段植入到宿主细胞中，利用细胞内自身的加工调节机制来制备出具有所需特性的人工酶。

人工合成酶的制备方法总体上分为以下几步：1、酶基因克隆首先，要确定需要改造的天然酶的基因。

从不同微生物、植物和动物的DNA库中克隆出酶基因，得到包含酶基因双链DNA片段的质粒或染色体。

蛋白质工程和人工酶的研究和应用

蛋白质工程和人工酶的研究和应用蛋白质是生命活动中不可或缺的物质，在细胞内发挥着重要的催化、运输、信号传递等功能。

近年来，随着生物技术的发展，人们开始重视对蛋白质的研究和应用。

其中，蛋白质工程和人工酶的研究和应用成为热门话题。

本文将以此为主题，探讨蛋白质工程和人工酶的研究进展、应用现状及前景展望。

一、蛋白质工程的研究进展为了实现人类对蛋白质的更深入理解、更高效利用和更精确控制，人们提出了蛋白质工程的概念，即应用基因重组、突变、构建等手段对蛋白质进行修饰和改造，使其具有更好的性能和功能。

蛋白质工程的研究涉及到许多领域，如基础科学、医药学、食品工业等，这里介绍其中几个重要的方向。

1. 基因重组技术利用基因重组技术可以将两个不同物种的基因进行重组，产生具有新性状的蛋白质。

例如，将鼠的免疫球蛋白基因和人的免疫球蛋白基因进行重组，可以产生人-鼠嵌合型免疫球蛋白，用于治疗某些疾病。

此外，还可以将两种酶基因进行重组，产生具有更高催化效率的蛋白质。

2. 突变技术通过突变技术可以产生蛋白质的不同形态或性质，如改变酶的催化活性、选择性、稳定性等。

例如，将胰岛素的丝氨酸替换为脯氨酸，就可以得到抗胰岛素的药物。

此外，还可以利用突变技术优化抗体的结构和亲和力，用于治疗癌症等疾病。

3. 构建技术构建技术可以通过合成不同肽段或蛋白质区域实现蛋白质的修改和修饰，如纯化、过滤、结晶等，从而达到改变蛋白质功能和结构的目的。

例如，将含有低氧感受器域的蛋白质进行构建，可以得到与肿瘤发生相关的蛋白质，为癌症治疗提供了新的思路。

二、人工酶的研究进展人工酶，即由非酶性物质构建的具有酶活性的体系，是生物催化领域的一个重要研究方向。

相较于天然酶，人工酶具有更好的稳定性、特异性和选择性，能够用于催化试剂合成、生物转化、环保等多个领域。

1. 化学人工酶化学人工酶是利用小分子化合物模拟酶的活性和选择性，从而实现生物催化的过程。

其中，小分子主要包括有机配体、有机催化剂等。

人工酶的名词解释

人工酶的名词解释人工酶是指由人工合成的具有类似于天然酶的催化活性的化学物质。

酶是生物体中的重要催化剂，能够加速生物化学反应的进行，但传统的天然酶在某些应用领域存在一些局限性，例如不稳定性、受底物特异性限制以及难以得到等。

因此，科学家们致力于开发出具备类似功能的人工酶，以满足特定的实际应用需求。

1. 人工酶的优势人工酶相对于天然酶具有许多优势。

首先，人工酶的合成可以通过化学合成方法进行，因此可以大规模生产，而不像天然酶那样需要依赖于生物体的生长和提取。

其次，人工酶可以以更高的稳定性存在，可以承受更高的温度和pH值等极端条件，这使得它们在工业生产中具有更长久的应用寿命。

此外，人工酶还可以通过结构改造和工程来实现特定的底物选择性，从而提高催化效率和选择性。

2. 人工酶的构建原理人工酶的构建原理主要包括两种方法：模拟天然酶和设计新的催化结构。

模拟天然酶方法是通过研究天然酶的催化机理以及其催化活性中心的结构，设计和合成具有相似结构和功能的人工酶。

这种方法可以使人工酶拥有与天然酶类似的催化性质，但受限于天然酶的结构限制。

设计新的催化结构方法则是根据催化原理，设计具有新颖催化特性的人工酶。

这种方法可以突破天然酶的结构限制，并实现更高的催化效率和底物选择性。

3. 人工酶的应用领域人工酶的研究和应用领域广泛，涵盖了生物医学、环境保护、食品工业等众多领域。

在生物医学领域，人工酶可以用于药物合成、药物代谢、基因修饰等方面。

例如，人工酶可以用于合成抗癌药物，提高药物的选择性和活性。

在环境保护领域，人工酶可以用于水处理、废物降解等方面。

例如，人工酶可以被设计用来降解有毒废物，减少对环境的污染。

在食品工业领域，人工酶可以用于改进发酵过程、提高食品品质等方面。

例如，人工酶可以被应用于面包和酒类的生产，提高发酵效率和口感。

4. 人工酶的前景和挑战人工酶的研究和应用在科学界和工业界具有广阔的前景。

随着科学技术的不断发展，人们对人工酶的研究会越来越深入，其在各个领域的应用也会不断扩展。

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

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

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。

人工合成酶催化反应的研究进展

人工合成酶催化反应的研究进展近年来，酶催化反应在化学反应领域中得到了广泛的应用。

而人工合成酶的研究更是成为了研究热点。

人工合成酶是指通过生物学和化学手段合成的，具有特定催化作用的酶，而非自然界存在的酶。

人工合成酶的研究一直是化学领域的重要研究方向。

人们通过改造酶的结构，提高催化效率和选择性，从而制备出能够应用于高效、环保的工业生产中的人工合成酶。

近年来，人工合成酶研究不断取得突破性进展，下面着重介绍其中的几项研究进展。

1、合成酶复合物的研究目前，酶催化反应中最常用的方法是采用自然界的酶作为催化剂。

但是自然界的酶系统中，每个酶只能催化特定的反应。

为了实现多种反应的催化，科学家利用多种技术创造出了合成酶复合物。

合成酶复合物由多种酶组成，每个酶都具有特定的催化作用，从而增强了反应速率和选择性。

2、重构酶的研究重构酶是利用现有的自然酶分子进行再设计，将其结构和活性进行改造，制造出可控的、高效的、具有特定催化活性的人工合成酶。

重构酶的优点在于可以在很短的时间内获得具有高效性、选择性和特定活性的人工合成酶。

3、基于计算机的酶设计随着计算机技术的不断进步，基于计算机的酶设计也得到了很大发展。

通过计算机模拟酶的结构和催化机制，科学家可以在计算机上进行酶的设计，通过对酶结构的优化，使其性能更加优秀。

4、非天然氨基酸的应用非天然氨基酸是指不属于人体蛋白质基本构成单元的氨基酸。

这些氨基酸的加入可以使酶的催化活性得到提高。

类似的研究可以通过设计非天然氨基酸，实现更具选择性、高效性的人工酶的开发。

综上所述，人工合成酶在绿色化学中具有广阔的应用前景。

人工合成酶的研究旨在研究酶的结构和功能，提高酶的催化活性和选择性，从而实现同类反应中更加高效、环保和精准的催化作用。

对于科学家们而言，继续深入研究人工合成酶的工作，将能够在未来创造出更加优越的人工催化剂，从而为化学反应领域做出更大的贡献。

人工合成酶的研究与应用

人工合成酶的研究与应用酶是一类生物催化剂，在生物合成、分解、转化等多种生命活动过程中扮演着重要的角色。

利用酶进行生产和合成有很多优点，例如：反应速率快、废物少、产品质量好等。

然而，天然酶的生产受到条件限制，如温度、压力、pH值等。

因此，人工合成酶的研究与应用成为了当前生物技术领域的热点之一。

一、人工合成酶的定义和分类人工合成酶指的是基于生物催化的原理，通过人为设计和合成已知催化机理相似或相同的化学分子，以此来模拟天然酶的催化作用。

根据催化机理的不同，人工合成酶可分为化学催化酶和仿生酶。

化学催化酶是指使用有机或无机催化剂来替代天然酶中的催化部位，以实现与天然酶类似的催化反应。

如用可控的光和热条件制备出氧化亚铜团簇来模仿酪氨酸酶的催化效果。

仿生酶是指由生物大分子或有机小分子构建的人工酶，仿生酶模仿了天然酶中的结构和催化活性。

仿生酶可分为大分子仿生酶和小分子仿生酶。

大分子仿生酶是基于天然酶的三级结构和催化功能，人工合成的具有相似催化活性的人工蛋白，常用的大分子仿生酶包括蛋白质酶、核酸酶、氧化酶等。

小分子仿生酶是指由小有机分子组成的类酶物质，这类物质通常由一些配位化合物或有机小分子与无机离子或有机配子组成，如杯芳基、邻二胺基等。

二、人工合成酶的制备方法人工合成酶的制备方法根据不同的目的和方法选择不同的原材料，可分为生物和非生物制备。

生物制备是通过基因重组、蛋白质工程等生物技术手段，利用自然酶分子的结构、信息、特性，设计并合成人工合成酶。

如将目标蛋白的DNA序列插入到表达载体中，然后在细胞内合成，最后纯化出目标蛋白。

此方法较为复杂，但合成的人工合成酶特异性高、催化效率高、容易纯化。

非生物制备主要有光化学、金属有机化学、分子印迹等方法：光化学制备是通过控制光反应过程，人为合成有机小分子来实现催化作用，如用可控的光通过还原剂还原银离子，形成能催化氧化反应的银纳米粒子。

金属有机化学制备是通过金属离子和有机化合物配合而成的配体形成人工合成酶催化反应，如制备具有可控氧化活性的三元钴锌酰化物。

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

印记分子：酶的抑制剂、底物类似物、过渡态类似物等。由这些分子印记出来的MIP具有酶的性质。
原理：生物材料在水中有柔性，可通过氢键等作用和印记分子很好识别，形成新的特定构象；此构象在无水有机溶剂中可得到保持。除掉印记分子的生物材料的构象再回到水中时，特定构象破坏。做法：在水溶液中让印记分子和生物材料充分接触，形成复合体。然后将复合体冷冻干燥。脱除印记分子后，便得到生物印记酶。
羟基伸出筒口，故外侧亲水，可与多种客体形成氢键；内腔疏水，能包结多种客体分子 ( 类似酶识别底物)。
环糊精和底物结合常数小于酶，修饰后可达到酶和抗体的结合水平。
修饰环糊精1－水解酶的模拟
A：在环糊精引入酰基酶催化部位，酯 ( 叔丁基苯基乙
酸酯)水解能力提高1倍。
B：引入咪唑基，酯水解能力高一个数量级(10倍)。
修饰环糊精3-转氨酶的模拟
转氨酶：催化酮酸和氨基酸之间的转氨。
吡哆胺：转氨酶辅酶，单独可转氨，不如酶存在时快。
A ：多了一个吡哆胺，转氨反应快 200 倍，同时因 CD 具手性，产物氨基酸有D、L两种构型。 B ：又多了乙二胺，催化速度又提高 2000 倍。且立体选择性更强(乙二胺附近质子转移受抑制 )。
此化合物可催化 ATP水解为 ADP和 AMP。pH 7时水解提速500倍。
-胰凝乳蛋白酶模拟
A ： - 胰凝乳蛋白酶模拟物，是含 B 的具有孔隙状结构的球状配体，由环状尿素连接
而成的孔穴状结构，方便与
底物结合。 B ：催化底物进行酰基转移
反应的亲核试剂。
A催化底物反应的速度是B的 1011 倍。
第六章
人工酶
天然酶的特点:

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。

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。

人工制得合成氨基酸的酶

人工制得合成氨基酸的酶你知道氨基酸吧？它是咱们身体的“建筑砖”，就像是修房子得有砖块，咱们身体里的每一块肌肉、每一个细胞、每一根神经，甚至是咱们的大脑，都离不开它。

这些氨基酸要么从食物里吃进去，要么就是体内自己合成的。

咱们可不是吃了就能直接变成氨基酸，咱们身体也得依靠“工具”来帮助完成这项任务——这些“工具”就是酶。

说到合成氨基酸的酶，那真的是神奇得让人想拍手叫好。

别看它们平时低调，默默无闻，但一旦你了解它们的工作，你会发现它们简直是无敌存在。

你想象一下，如果我们的身体没有这些合成氨基酸的酶，估计我们早就“没救了”。

要知道，氨基酸可不是那么好合成的，需要各种各样的酶来催化。

就好像做饭吧，如果你没有刀、没有锅、没有调料，就算你买了所有的食材，也做不出一顿美味的饭。

而酶就是那个“调料师傅”，它们通过“魔法”让原料变成最终的产物，精确到每一分每一秒。

每个酶都有自己独特的功能和特点，搞得就像是一个个“专才”，各司其职，没有它们，这一切就都停摆了。

要说这合成氨基酸的酶到底有多厉害，那真是让人想给它们颁奖。

比如“氨基酸合成酶”，这个名字一听就知道是专业做氨基酸的活儿的。

它的任务就是帮助把一些简单的分子组合成复杂的氨基酸。

它的工作就像是调皮的积木大师，把不同的小方块按照一定的规则拼接起来。

这样，咱们就能得到一种新的氨基酸，准备去修补身体的各个部分。

更神奇的是，这些酶还能根据身体的需求来调整自己的工作模式。

比如咱们缺少某种氨基酸，酶就会加快生产速度，像是一个全能的流水线工人，忙得不可开交。

但这也不是说酶都能随便合成所有的氨基酸，酶也有“自己不做的事儿”。

比如有些氨基酸，咱们身体合成不了，只能从食物里吸收。

比如牛肉、豆腐、鱼啥的。

没有这些食物做“原料”，咱们身体就只好乖乖地去吃东西，拿到氨基酸。

所以，有时候身体里的酶就得在有限的原料中想办法，硬是从一个不太适合的地方去凑合，结果还真的能凑出些“好东西”。

说起来，这些酶的工作真不简单。

人造酶的研究与应用

人造酶的研究与应用近年来，随着生物技术和化学技术的迅速发展，人类开始探索新型的酶——人造酶的研究和应用。

酶是一种高效的催化剂，在生命体内具有极为重要的作用。

因此，研究如何制造和应用人造酶，不仅对于科研人员具有重要意义，而且对于促进工业化生产、推进环保事业等方面也具有重大价值。

一、人造酶的定义及分类人造酶是指通过化学、物理等方法构建的，以某种方式与酶类似的物质。

与天然酶不同的是，人造酶的结构和性质可以通过改变各种因素进行调控。

根据来源和催化机理，人造酶可以分为两类。

一类是天然酶的变异体或类似物，如酶工程中构建的蛋白质和非蛋白质酶类。

另一类是根据氧化磷化、过氧化或等位替换等方法制备的类酶、分子印迹酶等，这些酶通常不具有蛋白质的结构。

二、人造酶的研究制备人造酶是一个复杂的过程。

首先需要针对特定的催化反应，研究天然酶的催化机理。

在这个基础上，对酶的结构、物理性质、遗传学和分子生物学方法进行深入探究，通过计算机模拟、分子动力学模拟等方法获取它们的结构和催化信息。

此外，还需要设计一系列实验，用来筛选最合适的人造酶催化剂，并进行反应机理的研究和优化。

三、人造酶的应用人造酶的应用领域非常广泛，尤其是在化学工业生产和环境保护方面，具有广阔前景。

例如，人造酶可以用于催化合成药物、化学品、食品添加剂等高价值产品。

许多人造酶已经被广泛地应用在日常生活中，例如不用自来水放置过滤器，也可以处理含有氯、甲醛等有害物质的自来水。

同时，人造酶在环境保护领域也发挥了重要作用。

例如，人工酶可以用于处理有毒有害化学物质、重金属离子、工业废水、工业废气等污染物，从而实现治理和修复环境。

四、未来发展方向尽管人造酶具有许多应用前景，但目前面临着许多挑战。

其中一个关键的问题是提高人造酶的稳定性和活性，使其在工业化生产中更稳定可靠。

此外，向实际应用跨越的途径也需要开发，使人造酶逐渐走向工业应用。

因此，探索人造酶的新材料、新技术是非常关键的。

总之，人造酶是一项非常有前景的研究领域，它将带动化学、生物学、医学和环境保护等许多领域的发展。

人工酶的设计与合成

人工酶的设计与合成随着生物科技的不断发展，人类对于酶的研究也越来越深入。

酶是一种生物催化剂，可以加速化学反应的速率，具有高效、特异性和绿色环保等优点。

然而，自然界中存在的酶种类有限，而且很多酶在工业生产中存在着一定的局限性。

因此，科学家们开始研究人工酶的设计与合成，以期望制造出具有更高效和特异性的酶。

人工酶的设计是基于对自然酶的深入理解和仿生学的原理。

首先，科学家们从自然界中寻找具有相关催化功能的酶，例如氧化酶、还原酶以及水解酶等。

然后，通过对这些自然酶的结构和功能进行分析和比较，发现了一些与催化活性相关的关键位点。

这些位点包括活性中心、底物识别区域和底物结合位点等。

这些位点上的氨基酸残基通过特定的空间排布和电子环境实现了酶的催化活性。

在人工酶的设计过程中，科学家们通过对这些关键位点进行定点突变或者插入新的氨基酸残基，从而改变酶的催化性能。

例如，通过插入新的氨基酸残基，可以改变底物结合位点的形状和电荷分布，从而增加底物结合的亲和力。

另外，还可以通过定点突变来调控酶的活性中心的氧化还原电位，从而改变酶的催化反应路径和方向。

除了通过定点突变和氨基酸插入来设计人工酶外，科学家们还利用基因工程技术，合成了具有特定催化性质的酶。

首先，选择一个具有相关催化活性的基因作为模板基因。

然后，通过对模板基因的整合、替换和删减等操作，可以合成出新的酶基因序列。

最后，将合成的基因序列导入到宿主细胞中，利用细胞自身的代谢机制和蛋白质合成系统合成出人工酶。

人工酶的设计和合成不仅仅是一项科学技术的突破，更是对自然界酶机制的理解和整合的体现。

通过对自然界酶的模仿和优化，人工酶可以在工业生产中具有更高的催化效率和选择性。

此外，人工酶还可以被广泛应用于化学合成、药物开发和环境保护等领域。

它们可以代替传统的催化剂，实现低成本、高效率和环保的化学反应。

同时，人工酶的研究也为生物催化剂的设计和开发提供了新的思路和方法。

然而，人工酶的设计和合成仍然面临着一些挑战和困难。

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人工酶的分类
按照人工酶的合成机制分：
单纯酶模型（enzyme-based mimics): 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（mechanism-based mimics): 通过对酶
作用机制（如识别、结合和过渡态稳定化）的认识，来指导酶模型的设计与合成
单纯合成的酶样化合物(synzyme): 一些化学合成的，
抗体结合位置或附近引入具有催化功能的基因。
抗体酶的应用前景
1.抗体酶在帮助戒毒方面的应用
Landry等用可卡因水解的过渡态类似物-磷酸单
酯为半抗原，产生的单克隆抗体能催化可卡因的分解，其催化活性和血液中催化可卡因的丁酰胆碱酯酶差不多，水解后的可卡因片断失去可卡因刺激功能。
因此，用人工抗体酶的被动免疫也许能阻断可卡
印记底物及其类似物
印记过渡态类似物
分子印记酶制备中注意的问题：
•交联剂的选择及交联度的控制
分子印记酶制备中注意的问题
功能单体和模板的相互作用
模板分子的选择:底物类似物；过渡态类似物或产物
类似物等。
溶剂的选择：作为反应介质，同时也是致孔剂，在
聚合时控制着非共价键结合的程度。
单体的选择
Under B: 只生成I
胶束酶模型
模拟酶近年来的研究热点
胶束体系形成，胶束的功能化，胶束表面提供与底物的结合位点，同时利用吸附或共价在胶束上连接催化基团（咪唑、羟基等）
肽酶模型：模拟天然酶活性部位而人工合成的具有
催化活性Байду номын сангаас多肽。
罗贵民：根据SOD活性部位的结构，设计合成了一个十六肽，其二级结构与天然SOD类似，加入铜离子后显示了SOD的酶活性。
因上瘾，达到戒毒目的。
抗体酶的应用前景
2.抗体酶用于肿瘤治疗
抗体介导前药治疗（ADEPT）技术：即将能水解前
药，释放出肿瘤细胞毒剂的酶和肿瘤专一性抗体相偶联，这样酶就会通过和肿瘤结合的抗体而存在于细胞的表面。
前药 ( prodrug)是指由具有生物活性的药物经化学修饰后
转变为体外无活性的化合物。这种化合物在体内经酶或非酶
基团相连。
诱导法制备抗体酶
利用过渡态类似物制备抗体酶示意图
抗体酶用于有机酯的水解，过渡态类似物磷
酸盐和磷酸酯作为免疫原诱导产生的单克隆抗体催化水解反应比未催化反应快104倍。
酯酶催化反应的过渡态类似物设计(方框内为半抗原)
拷贝法
用酶作为抗原免疫动物得到抗酶的抗体，再将此抗体免
疫动物并进行单克隆化，获得单克隆的抗抗体。
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。
抗体酶的催化反应类型
转酰基反应水解反应 Claisen重排反应酰胺合成反应 Diels-Alder反应转酯反应光诱导反应氧化还原反应脱羧反应顺反异构化反应
抗体酶的制备
作用，脱去保护基，释放出母体药物而发挥治疗作用。
• 静脉给药后，当药物扩散至肿瘤细胞的表面或附近，抗体酶就会将前药迅速水解释放出抗肿瘤药物，从而提高肿瘤细胞局部药物浓度，增强对肿瘤的杀伤力，达到提高肿瘤化疗效果的目的。 • 当然前药只能被抗体酶水解而不能被内源性酶水解，抗体还要尽量减少免疫原性。
抗体酶（Abzyme)
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。 1986年Schultz以对硝基苯酚磷酸胆碱酯（PNPPC）作
诱导法是利用反应过渡态类似物为半抗原制作单
克隆抗体，筛选出具高催化活性的单抗即抗体酶。
拷贝法主要根据抗体生成过程中抗原-抗体互补性
来设计的，通过酶-抗体-抗体酶的途径来实现。
引入法则借助基因工程和蛋白质工程将催化基因
引入到特异抗体的抗原结合位点上，使其获得催化功能。
化学修饰法对抗体进行化学修饰，使抗体与催化
具有酶样催化活性的简单分子。
人工酶的分类
按照人工酶的属性分：
主-客体酶模型；环糊精，冠醚，杂环大环化合物胶束酶模型肽酶半合成酶分子印记酶抗体酶
核糖核酸酶的模拟
I
II
在碱性条件下： I and II Under A: 只生成II
Breslow 首次设计完成，水解环状磷酸二酯
半合成酶：
用化学或生物学方法，以天然酶为母
体，引入适当的活性部位或催化基团。
枯草杆菌蛋白酶活性中心的天冬氨酸，组氨酸和221位丝氨酸构成“催化
三联体”。
提高221位丝氨酸羟基的亲核性可提高催化活力。 221位丝氨酸羟基的选择性修饰，在酶活性部位中引入不同官能团，产生
新的活力。
羟基硫代后，硒代后，酶表现出转氨酶的活性，含硒谷胱甘肽过氧化物酶
第五章人工酶
模拟酶或模型酶，生物有机化学的分支。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，用化学合成方法制成的高效、高选择性、结构较简单、稳定性较高的新型催化剂，也称酶的合成类似物。
人工酶的理论基础
主-客体化学（host-guest chemistry): Cram 把主体与客体通过配位键或其他次级键形成的稳定复合物的化学领域。来源于酶与底物的相互作用，体现为主体与客体在结合部位的空间及电子排布的互补，与酶与底物的结合情况类似。超分子化学（supramolecular chemistry): Lehn提出，研究两种以上的化学物质通过分子间弱相互作用缔结而成为具有特定结构和功能的超分子体系的科学。
活性。
印记酶
印记酶
印记酶
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。
生物印记酶：主体分子是生物分子（蛋白质或糖
类）而不是聚合物，在其上进行印记而产生对印记分子具有特异性识别空腔的过程。这样的人工酶称为生物印记酶。
对抗抗体进行筛选，获得具有原来酶活性的抗体酶。
引入法
用基因工程方法改造和制备全新的抗体酶是一种很有前途和
发展潜力的抗体酶制备方法。
将催化基因引入到特异抗体的抗原结合位点上，也可以针对
性地改变抗体结合区的某些氨基酸序列，以获得高效的抗体酶。
化学修饰法
对抗体酶进行结构修饰的关键是找到一种温和的方法在
生物印记酶
生物印记酶：是一种通过酶与配体间的相互作用、诱导，从而改变酶的
构象的方法，其原理是利用酶在水溶液中的柔性，加入手性竞争性抑制剂，然后将这种酶一抑制剂复合物转入亲脂性溶剂，使酶的三维结构以一种改性的状态被“冻结”，除去抑制剂的改性酶凭借其“记忆”功能就具有了对底物的立体选择性
Ohya 等[49]首次用分子印迹对牛血清白蛋白 (BSA)进行了改性, 用N-甲基-N-(4-硝基苄基)-6-氨基戊酸作模版, 被印迹的BSA 可显著提高 (4R,4S)-4-氟-4-(4-硝基苯基)-丁-2-酮脱HF 的反应速度, 而以 (4R,4S)-4-羟基-4-(4-硝基苯)-丁-2-酮为底物时, 被印迹过的酶的活性被完全抑制