第七章抗体酶

研究背景及理论基础
2.1 酶与抗体
相同点：●都是蛋白质 ●都能特异性地和靶分子结合
●结合能相同
不同点：●酶与化学反应的高能过渡态结合 ●抗体与基态的抗原结合
L.Pauling, Am.Sci.,36,51(1948)
过渡态呢?
研究背景及理论基础 （二）
2.2 猜想－－抗体催化的过渡态理论 (1948 Pauling)
第七章 抗体酶
催化抗体（ｃａｔａｌｙｔｉｃａｎｔｉｂｏｄｙ）亦称抗体酶（ａｂｚｙｍｅ
• 是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力 巧妙结合的产物，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，因此称为抗体酶。 • 其反应专一性相当或超过酶反应，催化速 度有的可达酶催化水平，但多数比天然酶 差。
三、研究抗体酶结构的手段
• 利用X射线衍射技术 • 利用定点突变技术
四、抗体酶的应用
• 对于任何分子，几乎都可通过免疫系统产 生相应的抗体，而且专一性很强，抗体的 这种多样性标志着抗体酶的应用潜力是很 巨大的。
四、抗体酶的应用
• 在有机合成中的应用 • 用于阐明化学反应机制 • 在医疗上的应用
抗体酶的制备方法
• 稳定过渡态法：通过理论设计合适的与
反应过渡态类似的小分子作为半抗原，然 后让动物免疫系统产生针对半抗原的抗体 来获得。
1984年列那(Lerner)进一步推测： 以过渡态类似物作为半抗原， 则其诱发出的抗体即与该类似物有着互补的构象
1986年Science杂志 Schultz
抗体催化的实现
COOH
催 化 抗 体 选 择 性 水 解 （ S） -酪 氨 酸 衍 生 物
Benedetti F , Berti F , Colombatti A , Chem Commun , 2001 , 715.
抗体酶研究进展
• 半抗原设计方法有所创新 • 抗体催化的化学转化范围有所扩大 • 一些催化抗体的结构得到表征
H O O H R favored O O H R disfavored H O O H R
20
23
21
HO HO H H R O R O N O
22
19
R
24
抗 体 催 化 的 反 Baldwin环 合 规 则 反 应
Janda KD , Shevlin C G, Lerner R A , Science , 1993 , 259 : 490.
抗体酶的制备方法
• 熵阱法：利用抗体结合能克服反应的熵垒， 抗体结合被用于冻结转动和翻转自由度， 这种自由度的限制是形成活化复合物所必 须的。
本质:抗体酶被设计用来作为熵阱
多底物类似法
多底物诱导既有底物 又有辅因子结合部位的抗体
在三亚乙基四胺金属络合物存在下针对方框中Co(III)-肽络合 物能在箭头指出的Gly-Phe部位裂解相关的肽底物
b: Lerner group, Research Institue of Scripps clinic
Pollack S J, Jacobs J W, Schultz P G..amontano A, Janda K D, Lerner R A. Science, 1986,234,1566
展望
a.多克隆技术 b.催化抗体结合位点的化学修饰
通过对催化结合位点的有选择的化学衍生，把天然或者人工合成的 催化基团引入抗体，或者利用位点专一性突变，引起抗体结合部位氨基 酸的改变，从而提高抗体的催化性能。
d.计算机辅助设计半抗原
Serigo Marti, vicent Miliner and Inaki Tunon Angew.Chem.Int.Ed.,2005,44,904
O O OCH3 O2N O 11 NaBH3CN 96.3%ee O2N

OCH3 12
OH
O N O TSA 13 OH
O2N
Hsich, L.C., Yonkovich, S., Kochersperger, L., Schultz, P.G., Science,1993,260,337
能量不利的反应
催化抗体发展中存在的问题
1 催化效率有待提高
一般 K酶/K非＝109； 现在 K催抗/ K非＝103～ 104，个别106～ 107，比酶低2～3个数量级
2 抗体筛选方法需要革新
现有技术：根据对半抗原结合力的大小而不是活性的 高低进行筛 选，而催化活性和结合力并不一致；现有筛选技术筛选速度太慢。
Yang Xu, Noboru Yamamoto and Kim D. Janda, Bioorganic & Medicinal Chemistry 12 (2004) 5247–5268
抗体酶还具有与天然酶相近的米氏方程动力学及pH依赖性等
催化作用
• 抗体酶可催化多种化学反应，包括酯水解、 酰胺水解、酰基转移、光诱导反应、氧化 还原分应、金属螯合反应等。其中有的反 应过去根本不存在一种生物催化剂能催化 它们进行，甚至可以使热力学上无法进行 的反应得以进行。
抗体分为五类: 即免疫球蛋白G（IgG）、 免疫球蛋白A（IgA）、 免疫球蛋白M（IgM）、 免疫球蛋白D（IgD）
肽类的修饰
Ph O 26 CbzHN COOH O HO catalytic antibody 522C2 CbzHN COOH PhCOOH
O O O Ph N H O H N O 27
Ph
Ph
P O O
O O H2N CbzHN TSA 25 COOH Ph N H
O O OCH3 O 28
Ph
如果抗体也能和过渡态特异性的结合，那么就有可能 具有催化性能。(Jencks 1969)
这意味着：抗体一旦能与过渡态结合，它就具有酶的 性质－－在温和条件下，高效高选择性的催化反应。
以此推理：抗体若能与过渡态类似物结合，则它也就 会与化学反应过程中的过渡态结合，这样的抗体亦就 具有催化性能。
W.P.Jencks, catalysis in Chemistry and Enzymology: McGraw-Hill, New York (1969)
抗体酶的制备方法
• 抗体结合部位修饰法：将抗体的结合部位 引入催化基团是增加催化效率的一个关键， 引入功能基团的方法一般有两种，即选择 性化学修饰法和基因工程定点突变法。
引入法
用可裂解亲和标记试剂将催化基团引入到抗体结合部位的示意
抗体酶的制备方法
• 抗体库法：用基因克隆技术将全套抗体重 链可变区基因克隆出来，重组到原核表达 载体，通过大肠杆菌直接表达有功能的抗 体分子片断，从中筛选特异性的可变区基 因。
Diels-Alder 反应
O O N NHPr Me O COOH H HN O Kcat/K = 2500 TSA 3 Me O NHPr
Andrew G Leach, K N Houk and Jean-Louis Reymond, .Chem. 2004,69,3683
Oxy--Cope 重排反应
免疫球蛋白E（IgE）。
其中IgG是最主要的免疫球蛋 白，约占人血浆丙种球蛋白的 70%，分子量约15万，含糖 2～3%。 IgG分子由4条肽链组成。其 中分子量为2.5万的肽链，称轻 链，分子量为5万的肽链，称 重链。轻链与重链之间通过二 硫键（—S—S—）相连接。
结构
• 抗体是具有4条多肽链的对称结构，其中2 条较长、相对分子量较大的相同的重链(H 链)；2条较短、相对分子量较小的相同的轻 链(L链)。链间由二硫键和非共价键联结形 成一个由4条多肽链构成的单体分子。整个 抗体分子可分为恒定区和可变区两部分。
O N O2N O O Kcat/K = 770 O O 底物 O OH O O Kcat/K = 960 底物 F3C N O NH
a
O2N
O
b
OOC O N HN O P O 过渡态类似物 NH OH O O O
过渡态
2
O
O P O2N
O O N
F3C
H N
1
过渡态类似物
a: Schultz group, University of California, Berkeey
COOH COOH CONH(CH2)2O(CH2)2NH2
OH
O
OH
5
6
TSA 4
Kersey A Black, Andrew G Leach, M Yashar S Kalain, K N Houk,
J.Am.Chem.Soc.,2004,126,9695
消除反应
NH3 O NH CH3 OH TSA 7 O2N TSA 8 S S N
O2N
X 9 O2N
O
O HX O2N X= F, Kcat/K = 105 X=OH, Kcat/k = 1200 TSA 7 TSA 8 10

消除反应和脱水反应
Haiech L C, Linda C H, Yonkovich S et al. Science, 1993,260,337
还原反应
催化抗体在有机合成中的应用
迄今为止,科学家们已成功开发出能催化所有6 种类 型的酶促反应(歧化、水解、裂解、异构、烷基化和 氧化还原)以及几十种类型的化学反应的抗体酶。 包括：水解、消除、缩合、氧化还原、重排、光 分解和聚合、周环反应、异构化、环氧化等。
张玉彬. 生物催化的手性合成[M] .北京:化学工业出版 社,2002 ,50.
利用过渡态类似物制备抗体酶示意图
抗体酶的制备方法
• 抗体与半抗原互补法：通过半抗原的
最优化设计使带正电荷的半抗原正确地模 仿过渡态的几何结构及所有的反应键，而 且半抗原和产物及底物之间没有相似之处， 就有可能产生高活力的抗体酶。