第六章 酶的人工模拟 酶工程课件

2.超分子化学
– 超分子：是指由两种或两种以上分子依靠分子 间相互作用结合在一起，组成复杂的、有组织 的聚集体，保持一定的完整性，使它具有明确 的微观结构和宏观特性。
– 超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，如静电作用、氢键和 范德华力等，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。
2.超分子化学
– 分子识别和自组装是超分子形成的两个重要方面
– 形成超分子时，要求分子间达到能量和空间结构的匹 配，称之为识别
– 有一定方向性和选择性的强作用力，成为分子识别和 自组装的主要作用力
– 举例：拆分剂应用于消旋体的手性拆分：手性拆分剂 与消旋体混合物中的一个对映体最少同时有三个相互 作用，这些作用中至少一个是由立体化学决定的。拆 分剂与两种对映体形成的复合物在许多物理性质上 （如溶解度、熔点等）存在差异，因此，利用这些差 异可将两复合物分开，从而达到拆分的目的。
– 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
二.按照模拟酶的属性分类
– 主-客体酶模型：包括环糊精、冠醚、穴醚、 杂环大环化合物和卟啉类等
– 胶束酶模型 – 肽酶 – 抗体酶 – 分子印迹酶模型 – 半合成酶
胶束酶模型
• 胶束在水溶液中提供了疏水微环境（类 似于酶的结合部位），可以对底物束缚。 如果将催化基团如咪磋基、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，就可能提供“活性中心”部位，使 胶束成为具有酶活性或部分酶活性的胶束 模拟酶。
胶束酶模型
• 三种重要的胶束酶模型
• １ 模拟水解酶的胶束酶模型：组氨酸的咪唑基 常常是水解酶的活性中心必需的催化基团。如果 将表面活性剂分子上连接上组氨酸残基或咪唑基 团上，就有可能形成模拟水解酶的胶束。
• ２ 辅酶的胶束酶模型
• ３ 金属胶束酶模型：金属胶束是指带疏水键的 金属配合物单独或与其他表面活性剂共同形成的 胶束体系，其作用是模拟金属酶的活性中心结构 和疏水性的微环境。
第一节结束
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第二节 模拟酶的分类和制备
• 一.根据Kirby分类法 • 二.按照模拟酶的属性 • 三.制备举例——水解酶的模拟 • 四.研究热点
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
– 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
2.超分子化学
– 主-客体化学：主要研究主体（通常为较大的有 机配体）和客体（通常为较小的分子和离子） 的结构、性能及相互作用。主体和客体在结合 部位的空间及电子排列的互补
– 主体和客体通过配位键或其他次级键形成稳定 复合物。
– 主客体化学是超分子化学的雏形，它与超分子 化学之间并没有绝对的界限和区分。
三．设计要点
• 设Fra Baidu bibliotek中：
– 为底物提供良好的微环境，便于与底物或过 渡态以离子键、氢键结合。
– 选择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
三．设计要点
• 模拟酶的设计主要包括两大类：
– １. 利用现有的酶或蛋白质为母体，引入相应 的催化基团，形成酶的化学修饰物。
– 2. 以合成的高分子聚合物为母体，根据酶的 活性部位结构，连接上所需的功能基团或金 属配合物。
三．设计要点
• 模拟酶的设计举例：
(1) 模拟酶只含有与生物活性酶相同的金属离 子———第一级近似。如超氧化物歧化酶 (SOD) 是以铜为辅基的蛋白质配合物,而铜的 某些氨基酸或羟基配合物,可用作模拟物,它们 具有一定程度的SOD 活性。尽管模拟物的作 用机理、选择性及反应效率不同于原来的酶, 但因可大量合成,仍有实用价值。
二．模拟酶的理论基础
• 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。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。此外，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
– 1987年诺贝尔化学奖由三位科学家共同获得。 – C.Pedersen:发现冠醚化合物 – J-M.Lehn：发现穴醚化合物并提出超分子概念 – D.Gram：主客体化学先驱者
三．设计要点
• 设计前需要具备的知识：
– 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
• 模拟酶的设计举例：
(2) 模拟活性中心结构。人们用三亚乙基四胺合 成铁( Ⅲ) 配合物来模拟过氧化氢酶。用该化 合物来进行如催化机理的研究显得很方便。 结果证明该铁( Ⅲ) 配合物催化分解过氧化氢 的速度相当接近过氧化氢酶的速度。
三．设计要点
• 模拟酶的设计举例：
(3) 整体模拟。活性中性必须处在一个特定的微 环境和整体结构之中,所以高级模拟是包括微 环境在内的整个活性部分。Collman 等合成 了围栅型铁( Ⅱ) 卟啉用以模拟血红蛋白的可 逆载氧,效果良好。
Enzyme Engineering 酶工程
一．模拟酶的概念
• 酶是由蛋白质构成 ,一般对酸、碱、热不稳定 ,容易失活变性 ,这限 制了它们的广泛应用。模仿天然酶对底物的分子识别和高效催化的 模拟酶研究是一个很有意义的研究领域 ,也是近十多年来生物化学 和有机化学的重要课题。
• 模拟酶的概念 – 模拟酶又称为人工酶或酶模型。对模拟酶至今没有一 个公认的定义。 – 一般来说，它的研究就是吸收酶中那些起主导作用的 因素，利用有机化学、生物化学等方法设计和合成一 些较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。 – 模拟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。