酶的模拟
酶的人工模拟或模拟酶
第一节 酶促反应动力学
对许多酶的性质的观察和研究得知，在低的底物浓度[S]下，反应速度（v）直接 与底物浓度[S]成正比；在高底物浓度[S]下，速度趋向于最大值（Vmax），此时反应 速度与底物浓度[S]无关（如图2-1）。
（2-7）除以（2-8），并整理得
（2-9）
这就是米-曼氏方程（Michaelis-Menten equation），又称为米氏方程，式中 的Km是一常数值，称为米氏常数。在特殊情况下，当v = Vmax时，米氏方程可转化 为下式：
第一节 酶促反应动力学
整理上式可得 Km= [S] 由此可以看出，Km的物理意义就是当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的 底物浓度，其单位与物质摩尔浓度单位相同，用mol/L表示。Km数值大小与酶的浓 度无关，是酶反应的特性常数。不同酶的Km值不同，且同一酶在不同的底物下， 其Km值也不同。米氏常数可由实验测得，也可用下面的公式求得：
一般说来，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。
模拟酶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 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。
图2-1 单底物酶促反应的反应速度与底物浓度的关系
第一节 酶促反应动力学
1913年前后，米彻利斯（Michaelis）和曼吞（Menten）在前人工作的基础上， 通过大量的定量研究，提出了酶促动力学基本原理，并推导出了著名的米-曼氏方 程，推导过程如下：
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。
模拟酶的名词解释
模拟酶的名词解释模拟酶，顾名思义，是一种能模仿酶的功能并具有相似催化效果的化合物。
酶是生物体内的特殊蛋白质，能够催化生物体内化学反应，加速反应速度，起到重要的生化调节作用。
但是，从酶的发现至今，已知的酶种类相对较少，且制备过程繁琐，限制了酶的广泛应用。
因此，科学家们希望能够设计出一种能够模拟酶的功能，与酶具有类似的催化效果，却能克服酶的局限性，从而达到更广泛的应用。
模拟酶的核心思想是基于天然酶催化机制的仿制。
酶的催化作用通常是通过活性位点上的特定氨基酸残基与底物发生特异性作用，从而促进反应的进行。
模拟酶的设计与合成就是基于这样的原理，将某种特定的有机分子与金属离子、辅助配体等组合起来，形成具备相似催化机理的化合物。
模拟酶的分类较为复杂，可分为金属有机框架酶、蛋白质酶样仿生体系和有机小分子仿酶等。
其中，金属有机框架酶（MOFs）是一类由金属离子与有机配体组装而成的结晶材料。
它们具有高度的结构多样性和可调性，通过调控其微观结构，可以实现对催化活性和选择性的调节。
蛋白质酶样仿生体系则是以蛋白质为基础构建的模拟酶体系，具备与天然酶相似的催化活性和底物特异性，但其合成难度相对较大。
有机小分子仿酶是指一类以金属离子为中心，由有机配位基团和辅助基团构成的化合物，其结构简单、容易合成，但催化活性和特异性相对较低。
模拟酶的应用领域广泛，可用于水环境净化、生物传感器、药物合成等方面。
例如，在环境科学中，模拟酶可用于水体中有机废物的降解，通过模拟酶的氧化性能，将有机物转化为无害的物质，以达到水体净化的目的。
在药物合成领域，模拟酶可以模拟天然酶的催化反应，实现人工合成复杂化合物的目标。
此外，模拟酶还被广泛应用于生物传感器的制备，用于检测生物体内的分子标志物，如葡萄糖、DNA等。
尽管模拟酶的研究在近年来取得了重要进展，但与天然酶相比，其催化活性和特异性仍有待进一步提高。
同时，模拟酶的设计与合成仍然是一个复杂而庞大的课题，需要充分理解酶与底物之间的作用机制，并寻找适合的有机分子或金属配体，优化催化条件，以期达到与天然酶相较接近的催化效果。
酶催化反应的动力学模拟及其在工业中的应用
酶催化反应的动力学模拟及其在工业中的应用酶催化反应是一种重要的生物化学反应过程，具有许多优点，如高效、特异性强、反应条件温和等。
酶催化反应的动力学模拟可以帮助我们更好地理解酶的催化作用以及酶反应的机理，为工业生产、药物研发以及基础研究等领域提供了有力的工具和技术支撑。
一、酶反应与动力学模拟酶反应是指酶作为催化剂 catalyze 的生物化学反应过程，具有高效、特异性强、反应条件温和等优点。
酶催化反应遵循的是受体-配体模型，即酶与底物在反应过程中形成一个“酶-底物复合物”（EI复合物）并经历一定的过渡态，最终生成产物（E-P复合物）和释放底物。
酶的催化作用主要体现在它降低了化学反应的活化能，从而加速了反应速率。
为了更好地理解酶的催化作用，可以进行酶反应的动力学模拟。
动力学模拟是指模拟大量试验数据，获得反应过程中的关键参数，并从中推导出反应过程的动力学规律。
通常采用计算机模拟等手段进行，可以减少试验数据的浪费以及实验时间的延长。
酶反应的动力学模拟主要涉及到动力学参数的测定，包括反应速率常数、基质浓度、酶浓度、温度等。
其中，反应速率常数是酶反应中一个非常重要的参数，它可以用来评价酶反应的速率和反应条件的效果。
反应速率常数的测定可以通过多种方法，如酶动力学实验、浓度-时间关系测定等。
二、酶催化反应在工业中的应用酶催化反应在工业生产中具有广泛的应用前景，主要包括制药、食品加工、酶工程等方面。
1. 制药制药领域是酶催化反应的主要应用领域之一。
酶催化反应可以用于合成、分离、精制药物、以及药物废水的净化等方面。
以合成药物为例，其反应一般具有高选择性、高效率的特点，有利于大规模生产。
2. 食品加工在食品加工中，酶的催化作用被广泛应用于乳制品、水果、蔬菜和肉制品等方面，如牛奶发酵、面团发酵、果汁压榨、肉制品酿造等。
酶反应可以改善产品品质，提高产量，降低成本，减少环境污染等。
3. 酶工程酶工程是运用生物反应器和生化反应技术生产酶类产品的学科。
模拟酶
酶的模拟工作可分为 整体模拟， 包括微环境在 内的整个酶活 性部位的化学 模拟。 模拟。
合成有类似 酶活性中心 酶活性的简单 模拟 络合物
2.模拟酶的理论基础 2.
1.主客体化学： 主客体化学： 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。 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。 配位键或其他次级键连接。
金属卟啉
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 。
模拟酶
目录
模拟酶的概念 模拟酶的理论基础 2种模拟酶 分子印迹技术
1.模拟酶的概念 1.
• 指利用有机化学的方法合成一些比酶简单的非蛋白质分 子，可以模拟酶对底物的络合和催化过程，既可达到酶 可以模拟酶对底物的络合和催化过程， 催化的高效性，又可以克服酶的不稳定性。 催化的高效性，又可以克服酶的不稳定性。 模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部位的形状、大小及 模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部位的形状、 其微环境等结构特征、 其微环境等结构特征、酶作用的机理和立体化学等特征 的一门科学。 的一门科学。 分子水平上模拟生物功能的一门边缘科学。 分子水平上模拟生物功能的一门边缘科学。
• 从分子印迹聚合物的形成来看,一般其过程 从分子印迹聚合物的形成来看, 分为3 分为3步:
1)将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合, 1)将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合, 将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合 使其通过自由组装形成共价配合物或形成非共价 的加成产物; 的加成产物; 2)通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应 通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应, 2)通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应,形 成聚合物; 成聚合物; 3)通过洗脱以除去模板分子得到目标产物 通过洗脱以除去模板分子得到目标产物。 3)通过洗脱以除去模板分子得到目标产物。
实验研究：金属酶的模拟及其催化性能研究
实验研究：金属酶的模拟及其催化性能研究金属酶的模拟及其催化性能研究是一个非常有意义的实验研究课题。
以下是一个可能的实验方案：一、实验目的本实验旨在通过模拟金属酶的结构和性质，探究金属酶的催化机制，并通过实验数据比较金属酶与非金属酶的催化性能差异。
二、实验原理金属酶是一类含有金属离子的酶，它们在生物体内发挥着重要的催化作用。
金属酶的催化机制通常涉及到金属离子的配位和氧化还原过程，以及酶活性中心的构象变化。
通过对金属酶的模拟，我们可以深入了解金属酶的催化机制，为设计和优化具有更高催化性能的金属酶提供理论依据。
三、实验步骤1. 酶的选取与纯化：选择一种已知的金属酶，如血红蛋白酶或过氧化氢酶，并进行纯化。
2. 模拟酶的制备：通过化学合成或生物工程方法制备模拟酶。
可以选择与天然金属酶相似的金属离子作为活性中心，并在模拟酶中加入相应的配体或辅基。
3. 酶活性测试：利用已知的底物和产物，通过比色法、荧光法或质谱法等手段测定模拟酶的活性。
同时，也需要对天然金属酶进行活性测试，以进行比较。
4. 催化机制研究：通过对比模拟酶和天然金属酶的活性数据，分析金属离子在催化过程中的作用。
可以采用光谱分析、质谱分析、同位素标记等方法进一步探究金属离子的配位和氧化还原过程。
5. 数据分析与总结：对实验数据进行处理和分析，得出结论。
比较模拟酶与天然金属酶的催化性能差异，并探讨其原因。
四、实验结果与讨论通过本实验，我们可以得到以下结果：1. 模拟酶与天然金属酶的活性数据；2. 金属离子在催化过程中的作用；3. 模拟酶与天然金属酶的催化性能差异；4. 对金属酶催化机制的理解。
五、结论与展望本实验通过模拟金属酶的结构和性质，探究了金属酶的催化机制，并通过实验数据比较了金属酶与非金属酶的催化性能差异。
实验结果表明，金属离子在金属酶的催化过程中起着重要作用。
未来，我们可以进一步优化模拟酶的设计，提高其催化性能，为设计和开发具有实际应用价值的金属酶提供理论依据。
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
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
THANKS
感谢观看
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。
西医综合(酶)模拟试卷2(题后含答案及解析)
西医综合（酶)模拟试卷2(题后含答案及解析) 题型有：1. A1型题 2. B1型题 3. X型题1．关于K,值的意义，不正确的是A．Km是酶的特征性常数B．Km值与酶的结构有关C．km值等于反应速度为最大速度一半时的酶的浓度D．Km值等于反应速度为最大速度一半时的底物浓度正确答案：C解析：Km值是酶反应速度达到最大反应速度一半时底物的浓度。
米氏常数是酶的特征常数，只与酶的结构、底物结构和反应环境(如温度、pH、离子强度)有关，不受底物浓度和酶浓度的影响。
知识模块：酶2．酶的Km值大小与A．酶性质有关B．酶浓度有关C．酶作用时间有关D．底物浓度有关正确答案：A解析：Km值是酶反应速度达到最大反应速度一半时底物的浓度。
米氏常数是酶的特征常数，只与酶的结构、底物结构和反应环境(如温度、pH、离子强度)有关，不受底物浓度和酶浓度的影响。
知识模块：酶3．如果要求酶促反应v=90％Vmax，则S应为Km的倍数是A．4．5B．9C．8D．5正确答案：B解析：将题目中的数值代入公式米-曼氏方程v=Vmax[S]／(Km+[S])算得。
知识模块：酶4．已知某酶Km值为0A．0．04mol／LB．0．05mol／LC．0．1moL／LD．0．2mol／L正确答案：D解析：根据米-曼氏方程v=Vmax[S]／(Km+[S])，计算得出底物浓度[S]=0．2mol／L。
知识模块：酶5．一个简单的酶促反应，当[S]＜＜Km时，出现的现象是A．反应速度最大B．反应速度太慢难以测出C．反应速度与底物浓度成正比D．增加底物浓度反应速度降低正确答案：C解析：根据米-曼氏方程v=Vmax[S]／(Km+[S])，当[S]＜＜Km时，方程分母中的[S]可以忽略不计，米氏方程可以简化为v=Vmax×[S]／Km。
此时v与[S]成正比关系，反应呈一级反应。
知识模块：酶6．属于不可逆性抑制作用的抑制剂是A．丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用B．乙二胺四乙酸对金属活化酶类的抑制作用C．磺胺类药物对细菌二氢叶酸还原酶的抑制作用D．麦芽糖对淀粉酶水解淀粉的抑制作用正确答案：B解析：不可逆性抑制剂包括有机磷农药使胆碱酯酶失活，重金属离子使巯基酶活性抑制。
模拟酶
于催化双疏水部位酯底物11
O
NO2
2+ 的水解反应。底物11被两个CD包结后，配位于桥基的Cu 正好处于底物酯基的附近，有利于OH-对酯基的进攻，因而 显著地加速了水解反应。其催化速率比无催化剂时提高 2.2×10 5 倍。
退出
谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC1.11.9)为含硒酶，是 生物体内重要的抗氧化物酶，能有效消除体内的自由 基，同超氧化歧化酶和过氧化氢酶共同作用，防止脂 质过氧化。因而在治疗和预防克山病、心血管病、肿 瘤等疾病具有明显效果。但是，此酶的来源有限、稳 定性差，以及分子质量大等缺点，限制了它的实际应 用，因此，人们把注意力集中在对此酶的工人模拟上。 为克服以往GPX模拟物如PZ51无底物结合部位的缺点， 罗贵民等利用环糊精为底物结合部位，硒为催化基团， 制备出双硒桥联环糊精（12）。
退出
1980年报道了第一个人工转氨酶6。在它的存在下， 苯并咪唑基酮酸转氨基速度比吡哆胺单独存在时快200 倍，而且表现出良好的底物选择性。CD空腔能稳定结 合类似亚胺中间体的过渡态是提高催化速度的关键。 由于β-CD本身具有手性，可以预料产物氨基酸也应该 具有光学活性，事实上，产物中D、L异构体的含量确 实不同，说明该人工酶有一定的立体选择性。 6的不足之处在于它不具备催化基团。Tabushi等将催 化基团氨基引入CD得到模拟酶7。乙二胺的引入不仅 使反应加速2000倍以上，还为氨基酸的形成造就了一 个极强的手性环境。靠近乙二胺一面的质子转移受到 抑制，从而表现出很好的立体选择性。
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图5.2 4和5催化环状磷酸二酯的水解反应
（3）转氨酶的模拟 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是许多涉及氨基酸的酶促转 化的辅酶，其中最重要的是转氨酶催化的酮酸与氨基 酸之间的相互转化。吡哆醛（胺）本身也能实现转氨 作用，但由于辅酶本身无底物结合部位，反应速度远 不如酶存在时快。显然，有效的转氨酶模型除了具有 辅酶体系外，还应有特定的结合部位，这种结合部位 能够选择性地与底物形成复合物。
第七章酶的模拟
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。
生物体内酶反应的热力学分析与模拟
生物体内酶反应的热力学分析与模拟生物体内的酶反应是生命活动中不可或缺的一环，其由多种不同的酶在生理条件下发挥作用，涉及生物分子的质量传递、能量传递等生命基本过程。
酶反应的热力学分析与模拟，可以深入研究生物体内酶反应的机理和控制因素，为生物医学、生物工业等领域的实际应用提供有力的支持。
一、生物体内酶反应热力学基础酶反应是生物体内的一种生化反应，其反应物和产物是生物分子，在反应热力学分析中，可以根据反应热和反应速率两个方面来描述酶反应。
反应热是指反应物和产物之间能量的变化，它是酶反应能量转化的基础。
反应速率则是指酶反应发生的速度，它受到多种因素的影响，包括温度、pH、离子强度等。
酶反应的驱动力是自由能的变化，也就是能量的转化。
自由能是指一个体系的最大可利用能量，在生物体内，酶反应的自由能变化可以分为两个方向：可逆反应和不可逆反应。
可逆反应发生在化学反应前后自由能无变化的情况下，不可逆反应则会导致反应前后自由能的变化。
这两种反应方式都起到了生命活动中的重要作用，对于生物体内其他生化反应的发生及其调控具有重要的意义。
二、生物体内的酶反应热力学模拟酶反应的热力学模拟可以帮助我们更好地了解酶反应的机理和控制因素。
在模拟中，我们可以通过计算酶反应的热力学参数来推断其反应的机制和调控方式。
其中最重要的热力学参数包括反应热、自由能变化、反应速率等。
这些参数可以通过实验来测定，也可以通过计算机模拟来预测，并进行验证。
近年来，随着计算机技术和生物学实验技术的不断发展，越来越多的研究者开始使用计算机模拟技术来研究生物体内酶反应的热力学特性。
例如，通过分子模拟法可以模拟和预测酶反应的机制和能量转化途径；通过热力学模拟法可以计算酶反应的热力学参数，从而揭示其在生命活动中发挥的作用。
三、生物体内酶反应的热力学分析在生物医学和生物工业中的应用生物体内酶反应的热力学分析在生物医学和生物工业中具有广泛的应用前景。
在生物医学领域，人们可以通过热力学分析和模拟研究酶反应在细胞中的作用机制，揭示生命活动中的生化过程，从而设计新药物、研究糖尿病和癌症等疾病的致病机理等。
酶的人工模拟
三、模拟酶的分类
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
三、模拟酶的分类
按照模拟酶的属性分类 主-客体酶 胶束酶 肽酶 半合成酶 分子印迹酶
用环糊精已成功地模拟了胰凝乳蛋白酶等多种酶。
一、模拟酶
人工酶（artificial enzyme）
人工酶是用人工合成的具有催化活性的多肽或蛋白质。
人工合成的 Glu-Phe-Ala-Glu-Glu-Ala-Ser-Phe 八肽具有溶菌酶的活性 。其活性为天然溶菌酶的50%。
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
二、模拟酶的理论基础
2. 主-客体化学和超分子化学
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 成稳定的，具有稳定结构和性质的实体，
三、模拟酶的分类
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，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。
性质：遵循米氏方程，催化活力依赖反应速度常数。
三、模拟酶的分类
生物印迹酶
生物印迹：指以天然的生物材料，如蛋白质和糖类物质为骨架，在其上 进行分子印迹而产生对印迹分子具有特异性识别空腔的过程
三、模拟酶的分类
5. 印迹酶
第六章 酶的人工模拟
2.催化效率的问题
催化抗体实用化的关键问题：
催化效率
目前大部分催化抗体的反应速度加强只 能是中等水平的，比天然酶催化低2～3 个数量级
第三节 印迹酶
一.分子印迹技术概述
1.分子印迹原理
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。
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。 设计合成29肽TrPepz模拟了胰蛋白酶的 活性部位，在水解2个或2个以上串联的 赖氨酸和精氨酸残基的化学键时， TrPepz比胰蛋白酶的活性更强。
三.半合成酶
以天然蛋白或酶为母体，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”。
抗体：即免疫球蛋白。机体的免疫系统因外来
的入侵而产生的保护性分子，它能与抗原特异 地结合。
单克隆抗体：单一克隆产生的并对某种抗原具
有特异性的均一性抗体，它可通过单克隆抗体 技术（即杂交瘤技术）人工制备。
2、历史
1.1948年Pauling的预言： 酶的催化作用是由于酶在催化化学反应过 程中，活性中心同底物的过渡态或高能 反应中间体产生互补，从而加速化学反 应的进行。
1962年首次合成的冠醚形状似皇冠而得名：
命名
子数
x－冠－y：x——环上的原子总数，y——氧原
15—冠—5
18—冠—6
日本学者Koga等 人采用冠醚为主 体，合成了带有 巯基的仿酶模型。 利用此模型可在 分子内实行“准 双分子反应”以 合成多肽。此模 型具有结合两个 氨基酸的能力。
二.胶束模拟酶
2. 超分子化学
主-客体”化学(host-guest chemistry)
第六章-人工模拟酶03
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。
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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
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。
设计人工酶模型应考虑：
? 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
? 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
环糊精结构示意
水解酶模型
?-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?-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。
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。
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。
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。
Байду номын сангаас
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) 。
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
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
? 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。
? 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。
? 一般来说，聚合物空穴对印迹分子的选择性结
合作用来源于空穴中起结合作用的官能团的排 列以及空穴的形状。大量研究表明官能团的排
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。
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。
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)。
? 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。
黄素木瓜蛋白酶 ——著名的人工酶
? 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”。
? 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(BH 蛋白结合——半合成无机生物酶
3)5]3+ 与巨头鲸肌红
? 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；
? 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。
(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。
? 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。
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
? 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
2、胶束酶模型
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。
4、半合成酶