抗体酶
抗体酶
抗体酶的研究，为人们提供了一条合理途径去 设计适合于市场需要的蛋白质，即人为地设计 制作酶。它是酶工程的一个全新领域。利用动 物免疫系统产生抗体的高度专一性，可以得到 一系列高度专一性的抗体酶，使抗体酶不断丰 富。随之出现大量针对性强、药效高的药物。 立体专一性抗体酶的研究，使生产高纯度立体 专一性的药物成为现实。以某个生化反应的过 渡态类似物来诱导免疫反应，产生特定抗体酶， 以治疗某种酶先天性缺陷的遗传病。抗体酶可 有选择地使病毒外壳蛋白的肽键裂解，从而防 止病毒与靶细胞结合。抗体酶的固定化已获得 成功，将大大地推进工业化进程。
其它名称 反应可逆 二烯合成 [4+2]环加成 二烯 dienes 亲二烯体 dienophiles
环己烯衍生物
R
O C R(H) W CO2R(H) CN NO2
（吸电子基）
有利因素:
G
OR NHR
（给电子基）
Diels-Alder反应机理
G W + G G
六员环过渡态 协同机理
G
G W
W
2、抗体结合位点化学修饰法： 抗体酶和酶一样也可以用化学修 饰法加以改造。对抗体酶进行结 构修饰的关键是找到一种温和的 方法在抗体结合位置或附近引入 具有催化功能的基团。游离巯基 就是适合的基团之一，它具有高 亲核性，易于氧化，及能通过二 硫化物进行交换反应或亲电反应 而选择性修饰的特点
3 . 引入辅助因子法
结果按这种设想所得到的抗体不仅使酯 的水解速度增加了103～104倍，而且还具 备专一性、 pH依赖性及被抑制剂抑制等 酶的基本特性。抗体酶的催化活性虽然 仍比天然酶小，但这意味着可按人的意 愿来设计和生产具有已知结合专一性的 蛋白质，在理论上和实践上均有重要意 义。美国已将抗体酶技术商品化，在第 一批具有应用价值的抗体酶中有与蛋白 酶相似的抗体，可在特定的氨基酸序列 上切割蛋白质，从而建立具有各种专一 性的切割蛋白质抗体酶库，就像限制性 核酸内切酶库一样供研究者选用。
抗体酶
制备方法
• 1、杂交瘤技术 • 经体内免疫后再进行细胞融合是制备抗体酶的一种传统方法。 杂交瘤技术的基本原理是用不能在培养液中生长的但能产生抗 体的脾脏细胞，与能在培养液中生长的骨髓瘤细胞进行融合， 融合得到的杂交细胞既能产生抗体又能在体外培养，通过选择 培养，以获取能产生单克隆抗体的杂交瘤细胞。再把这些细胞 单克隆化，即繁殖成母体的同一细胞或形成菌落。这些菌落能 够产生单一均匀的抗体，可用于进行单克隆抗体的扩大生产。 对这些菌落用酶联免疫吸附法等方法加以筛选。该制备方法的 关键是要有合适而稳定的过渡态模拟物作半抗原，以产生与过 渡态高度亲和的抗体酶。由于大多数反应过渡态类似物的分子 量较低，即所谓的半抗原，他们本身免疫原性很弱，必须与某 种载体偶联才能表现免疫原性。本方法所得到的抗体酶的催化 能力的高低，在很大程度上取决于化学模型物的设计，现在应 用的设计策略包括：诱导和转化设计，反应免疫，“潜过渡态” 半抗原设计等等。
• 2、抗体结合部位修饰法 • 将催化基团或辅助因子引入到抗体的抗原结合部位，一 般可采用两种方法：即选择性化学修饰法和基因工程定 点突变法。抗体酶和酶一样也可以用化学修饰的方法加 以改造。对抗体酶进行结构修饰的关键，是找到一种吻 合的方法在抗体结合位置或附近引入酶的催化基 空间排布恰到好处，就能产生高活力的抗体酶。为提高 抗体酶的催化能力，可采用邻近效应，静电催化，应变， 功能团催化等方法，在抗体结合位点引入催化基团。基 因工程定点突变法是利用位点专一性突变引起抗体结合 部位氨基酸的改变，能在抗体结合部位换上有催化作用 的氨基酸，进而改变抗体酶的催化效率。目前，定点突 变的方法己成为提高抗体酶活性的一种常规方法。
• 3、克隆免疫反应因子的基因 • 通过PCR技术克隆出全套免疫球蛋白的可变位点 使它们随机地将基因的轻重链结合，这些含上利用了免疫因子的多样性， 通过这种方法我们可从上百万种可能性中选择 抗体酶。[1]
抗体酶
抗体酶综述陈璇【摘要】抗体酶是一类以过渡态类似物，为半抗原，可诱导免疫系统产生具有类似天然酶催化活性的免疫球蛋白。
抗体酶既具有抗体的高效选择性，又能像酶那样高效催化化学反应，开创了催化剂研究的崭新领域。
本文从抗体酶的发展历史、作用原理、制备、应用及研究展望多个角度进行综述。
【关键词】抗体酶；发现史；作用原理；制备；现状及应用前景抗体酶抗体酶(abzyme)，又称催化抗体(cat·alytic antibody)，是指通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它除了具有相应免疫学性质，还类似于酶，能催化某种活性反应。
抗体与酶相似，它们都是蛋白质分子．酶与底物的结合及抗体与抗原的结合都是高度专一性的，但这两种结合的基本区别在于酶与高能态的过渡态分子相结合，而抗体则与抗原(基态分子)相结合。
抗体与天然酶相比，最大的优点在于抗体的种类是巨大的，免疫系统可以拥有10 种抗原特异性不同的抗体分子。
制备成功的抗体酶不但能催化一些天然酶能催化的反应，而且还能催化一些天然酶不能催化的反应。
抗体酶的发现早在l948年，美国斯坦福大学荣誉退休化学教授l』_波林(LinusPaulin'f)就提出过渡态理论(transition state theory) [2]。
这一理论认为，酶之所以具有催化能力，是因为它与反应分子(底物)的牢固结合的方式，有利于反应中的过渡态(transition state)的结构。
而这种结构会迅速重新排列成该反应的产物。
任何有利于过渡态，而不是其它可能的结构的因素，都能加快化学反应速度。
1 969年，布兰戴斯大学生物化学家w ·詹克斯(w ·Jenks)进一步发展了这一理论。
他和几位美国科学家认为，如果波林的观点是正确的话，那么利用某一反应过渡态的模拟物作为免疫原，则会得到催化该反应的抗体。
这种抗体能特异地识别化学反应的过渡态，并利用其结合能降低反应的活化能。
抗体酶及其应用2016年
抗体酶及其应用左摘要：抗体酶（abzyme），又叫催化抗体（catalytic antib）,是具有催化活性的免疫球蛋白。
自1986年成功获得抗体酶后，相关研究激增。
但由于抗体酶的催化效率低，制备困难，研究热情渐渐消退。
一开始的研究目的主要是工业应用，但抗体酶催化效率太低而放弃了。
现有的研究主要集中在抗体酶在临床医学方面的应用，因其具有高特异性、长半衰期、低免疫源性和高可塑性。
关键词:抗体酶催化抗体免疫球蛋白1.抗体酶的出现抗体酶就是有催化活性的抗体。
抗体指机体的免疫系统在抗原刺激下，由B淋巴细胞或记忆细胞增殖分化成的浆细胞所产生的、可与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白。
鲍林(Pauling) 在1946 年用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降低反应能级。
1984年Lerner设想可以通过对过渡态类似物产生抗体，抗体会诱导底物进入过渡态，使反应进行。
根据这个设想，Lener和P. C. Schultz分别独立地证明：对所酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体有催化相应羧酸酯和碳酸酯的反应。
这种有催化活性的抗体被命名为抗体酶（abzyme）或催化抗体（catalyticantibody）。
2.抗体酶的制备我们简单地把抗体酶的制备分为生物学方法和化学方法(Figure 1)。
Figure 1抗体酶制备化学方法就是设计反应的过渡态类似物，把类似物作为半抗原，连接到恰当的载体上，形成抗原，通过动物免疫作用产生抗体，再筛选。
生物学方法主要有两种，一种是用酶做抗原，筛选出与酶特异性结合的抗体，用该抗体作为抗原，再产生能和底物过渡态结合的抗体。
相当于把酶拷贝了一份。
所以又称之为拷贝法。
另一种是用酶的抑制剂做抗原，产生的抗体可能和底物结合。
另外还有一些方法，如定点突变蛋白设计抗体；化学修饰抗体；抗体基因组合文库法等等。
3.抗体酶的应用随着研究的深入，尽管抗体酶的催化效率(k cat/K M)不断提高，但是抗体酶的催化效率（102-104 M-1s-1）远低于天然酶（106-108 M-1s-1）（Xu et al. 2004; Rao and Wootla2007）。
抗体酶核酶和固定化酶的基本概念和应用
抗体酶核酶和固定化酶的基本概念和应用咱们今天聊聊抗体酶核酶和固定化酶，这些东西听起来是不是有点绕？别着急，咱们慢慢讲，保证你听了以后啥都懂。
咱得说一下这些词到底是什么意思。
抗体酶核酶？嗯，乍一听是不是像是医学科幻片里的东西？它的原理比想象的要简单得多。
你可以把它看作是一种“聪明”的工具，它集合了抗体、酶和核酸三者的优点。
这些东西就像是“超能战士”，可以识别特定的物质，还能加速化学反应，甚至还能解决一些日常生活中的难题。
举个例子，它们可以帮助检测疾病，或者像化学工厂一样促进化学反应，真的是神奇得不要不要的。
那什么是固定化酶呢？这个就更简单了。
你可以把固定化酶想象成你家厨房里的调料瓶，酶就是调料，而固定化就是把它固定在瓶子里。
这样，你在做菜的时候，调料不会掉来掉去，方便又省事。
固定化酶的工作原理也是一样的。
它把酶固定在一个“平台”上，这个平台可以是塑料、玻璃，甚至是一些天然的东西。
这样一来，酶就能一直待在那里，不容易被浪费掉，而且还能多次重复使用，像是永不干涸的泉水，节省了大量的成本。
你看这些酶其实都不是什么新鲜的东西。
早在很久以前，人类就发现了酶的神奇作用。
它们是自然界里的“催化剂”，就像是车上的加速器，不推动车走就没意思了。
科学家们早就知道，酶能加速化学反应，甚至能在没有高温高压的情况下，完成那些看似不可能的反应。
但是酶也有个小问题，那就是它们容易被环境影响，比如温度、酸碱度，甚至是空气中的一些物质。
一不小心，酶就像跑得太快的马，飞驰到一个无法控制的地方，反而啥也做不成了。
为了让酶更稳定、更高效，科学家们就想出了固定化的办法。
想象一下你做饭的时候，如果把调料瓶随便扔在桌上，它可能就会翻倒、撒一地，到时候你得重新找，浪费时间。
可是如果你把调料瓶固定在一个固定的位置，它不仅不容易乱，还能更方便地拿取。
固定化酶就是这么一个聪明的发明，它让酶能在合适的环境中更好地工作，减少浪费，增加效率。
就好像是做事的“老司机”，让一切变得得心应手。
抗体酶
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。
抗体酶
抗体酶（Abzyme）或催化抗体（Catalytic antibody)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
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 成复合物的实际上是底物形成的过渡状 态， 酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物 或产物的亲和力。
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：
10.1 模拟酶
11.1.1 模拟酶的概念
模拟酶又称人工酶或酶模型，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，以及酶的作用机制和立体 化学的一门学科，是从分子水平上模拟生物 功能的一门边缘学科。
模拟酶是20世纪60年代发展起来的一个新的研 究领域，是仿生高分子的一个重要的内容。
–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
• 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
白，在
其可变区赋予了酶的属性。 它是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研 究的成果，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。
抗体酶知识讲解
第七章 抗体酶 Chapter 7 Abzyme
第七章 抗体酶
一 概述 二 机制 三 制备 四 应用
一、抗体酶的发现与研究思路
酶的催化机理是降低活化能。
1946年,诺贝尔奖二次得主 美国化学家Linus Pauling 提 出酶催化反应的过渡态理论。
在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物 的实际上是底物形成的过渡状态，
基因工程的技术使得建立抗体基本的组合，并 根据需要构建适当序列的基因片段已成为可能。利用抗 体库技术，在将来也许有可能绕开免疫，产生完全由基 因工程构建的全新抗体酶。
（3） 拷贝法
用已知酶作为抗原免疫动物，通过单克隆技术， 制得抗该种酶的抗体。再以此种抗体免疫动物，再次采 用单克隆技术，经筛选与纯化，就可获得具有原来酶活 性的抗体酶(因为抗原与该抗产生的抗体具有互补性，经 过上述两次拷贝，就把酶的活性部位的信息翻录到抗体 酶上，使该抗体酶能高选择性地催化原酶所催化的反应)。
寻找过渡态类似物作为半抗原产生的抗体
可能具有酶活性
以稳定的过渡态类似物作为半抗原，诱导与其互补 构像的抗体，这样产生的抗体就能识别反应过程的真正过 渡态，该抗体即有酶催化反应的基本特征，可能成为一种
具有酶活性的抗体。
半抗原：能与对应抗体结合出现抗原-抗体反应、又不 能单独激发人或动物体产生抗体的抗原。它只有反应原 性，不具免疫原性，又称不完全抗原。
2、有更强的专一性和稳定性 抗体的精细识别使其能结合几乎任何天然的或合成的 分子
抗体酶催化反应的介质效应
酯解反应中介质效应 ： 抗体酶在有机溶剂中具稳定性。 脱羧反应中介质效应：有机溶剂引起脱羧反应速率增加。 酰基转移反应中介质效应 ：在疏水溶剂中，活性较高。
抗体酶
（二）在前药设计中的应用
抗体酶38C2 是根据I 型缩醛酶的烯胺机理, 通过反应免疫方法得到 的。通过位于底物结合部位疏水口袋的活性赖氨酸残基 , LYS, 抗体酶 38C2 可催化醇醛缩合, 逆醇醛和逆Michael 反应, 以及接受宽范围的底 物, 因而可用作为前药的激活剂。Shabat 等设计了一种全新的前药释放 系统, 利用有次序的逆醛醇缩合和逆Michael 反应可除去前体药物中的保 护基, 释放出活性药物。这种策略已成功地用于喜树碱(Camptothecin), 阿霉素(Doxorubicin), 依托泊甙(Etoposide等抗肿瘤药以及降血糖药胰岛 素(Insulin)的前药设计(如图)。
抗体酶在生物催化领域的应用
LICME
演讲内容
简介 作用 原理
问题及 展反应
抗体（antibody）：指机体的免疫 系统在抗原刺激下，由B淋巴细胞或 记忆细胞增殖分化成的浆细胞所产 生的、可与相应抗原发生特异性结 合的免疫球蛋白。
酶（enzyme）：具有生物催化功 能的高分子物质。
B.基因工程定点突变法
随着基因工程技术的发展。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。 对于已产生的单抗，分析抗体结合部位的氨基酸顺序或对 应的碱基顺序，然后通过对抗体酶结合部位氨基酸对应的 基因序列进行定点突变，在抗体结合部位加上有催化作用 的氨基酸，进而改变抗体酶的催化效率． 这就是基因工 程法生产抗体酶的原理。
六.一种催化甲状腺素脱碘的抗体酶
3 , 5 , 3′, 5′-四碘甲状腺原氨酸又称甲状腺素(T4)。在人和 动物体中, 它对机体的生长发育、基础代谢与脑和器官的形成发挥 重要调节功能, 这主要通过其降解产物3 , 5 , 3′-三碘甲状腺原氨 酸(T3)和受体的相互作用来完成。生物体内的T3 主要由T4 在脱碘 酶催化下脱碘产生,这个转变主要由含硒的碘甲状腺原氨酸脱碘酶 同源家族来完成。其中I 型碘甲状腺原氨酸脱碘酶(DI)起主要作用 , 缺乏DI 将导致严重的甲状腺疾病。研究发现I 型脱碘酶的酶学性 质、催化机制、空间结构和生理功能等进行了系统研究, 证实它为 一种分子量27 ku 的含硒酶, 含有一个硒代半胱氨酸催化基团, 能催 化T4 降解为T3 和rT3 。研究表明, 若将硒代半胱氨酸突变为其它 氨基酸, 则酶的活性几乎全部丢失。 本文以脱碘酶的结构和初步催化机制为基础, 采用单克隆抗体 技术和化学修饰法制备了一种新的具有脱碘作用的抗体酶, 并对其 动力学性质进行了研究。
抗体酶
抗体酶的研究，为人们提供了一条合理途径去设 计适合于市场需要的蛋白质，即人为地设计制作 酶。它是酶工程的一个全新领域。 构建有别于天然功能酶的新酶类，是酶工程研究 的又一前沿领地。
2013-11-13
拷贝法
用已知酶作为抗原免疫动物，通过单克 隆技术，制得抗该种酶的抗体。再以此种抗 体免疫动物，再次采用单克隆技术，经筛选 与纯化，就可获得具有原来酶活性的抗体酶 (因为抗原与该抗产生的抗体具有互补性， 经过上述两次拷贝，就把酶的活性部位的信 息翻录到抗体酶上，使该抗体酶能高选择性 地催化原酶所催化的反应)。 这种方法对自然界来源稀少的紧缺酶， 不失为一种有价值的有潜力的方法。
2013-11-13
既然过渡态分子难以捕获，而过渡态类似物 是能够模拟一个酶催化反应过渡态的结构的 稳定物质，于是人们就设想，只要寻找到与 反应中决定性步骤的相应酶紧密结合的酶竞 争性抑制剂，就等于发现了过渡态类似物； 还有一种思路，就是这种类似物也能根据化 学反应机制推测设计出来。然后，以过渡态 类似物为半抗原，利用哺乳动物的免疫系统， 诱导与其互补构象的抗体产生，这种抗体即 具有催化活性——这就是 1969 年Jencks 提出的，他发展了 Pauling 的理论；接着， Kohler 和Milstein 于 1975 年发明了具有 历史意义的单克隆技术，使抗体酶的生产成 为可能。
2013-11-13
诱导法
诱导法是选择适当的化学模型物与载 体蛋白连接后给动物免疫，通过杂交瘤技术 筛选和分离单克隆抗体（所得抗体催化效果 的好坏很大程度上取决于化学模型物的设 计）。
2013-11-13
基因工程法
对于已经获得的单抗，分析其氨基酸 序列和相应基因的碱基序列，将抗原结合部 位的基因换上编码有催化作用的氨基酸的基 因，这就是基因工程法制备抗体酶的主要内 容。为可能。利用抗体库技术，在将来也 许有可能绕开免疫，产生完全由基因工程构 建的全新抗体酶。
核酶和抗体酶
将不同的重链和轻链基因随机组合，克隆 到合适的表达载体中，在原核细胞表达不 同的抗体，形成一个抗体库，从这个抗体 库中，用抗原可以筛选到相应的抗体基因。
引入法
随着噬菌体抗体库技术的完善，可根据需 要构建适当序列的基因片断，绕过免疫学 方法，构建全新的抗体酶。 噬菌体展示技术将组建亿万种不同特异性 抗体可变区基因库和抗体在大肠杆菌中功 能性表达，与高效快速的筛选手段结合起 来，彻底改变了抗体酶生产的传统途径。
A. 酯酶的底 物–酯
B.酯的羧基碳原子 受到亲核攻击形成 四面体过渡态
C.设计的磷酸酯 类似物,作为抗原 去免疫实验动物
O –C –
磷酸酯类似物 免
(半抗原)
疫
对酯水解反应有 催化作用的单克
隆抗体
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。
L-19IVS
G- P
- OH +
15nt
P399nt
图 13- 四膜虫 35S RNA 内含子剪接 的转酯反应模型
L-19具有酶的主要特 征：专一性强，加快 反应速度，反应前后 酶分子保持不变
L-19 IVS所催化的水解反应和连接反应
异议
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，使其获得催化功能。 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。
引入法
对于已产生的单抗，分析抗体结合部位 的氨基酸顺序或对应的碱基顺序。 通过对抗体酶结合部位氨基酸对应的基 因序列进行定点突变，希望能在抗体结 合部位换上有催化作用的氨基酸。 改变抗体酶的催化效率。
抗体酶的综述
抗体酶的综述摘要：催化抗体也叫抗体酶，是具有催化活性的免疫球蛋白，通过改变抗体中与抗原结合的微环境，并在适当的部位引入相应的催化基团，所产生的具有催化活性的抗体。
高中的时候学生物时简单的理解抗体就是说把抗原打到动物体内，动物必定要产生一种物质消灭抗原叫抗体，这个抗体就是抗体酶，所谓抗体酶，说白了就是有催化活性的抗体。
抗体酶自1986年研制成功以来,在生物学、化学、医学、制药等诸多学科中发挥着重要的作用,它开创了催化剂研究和生产的崭新领域.抗体酶的研究深化了对酶本质的认识,丰富了酶的种类,是酶学研究的一大进步。
导言：抗体酶是具有催化活性的免疫球蛋白,它既具有抗体的高效选择性,又能像酶那样高效催化化学反应,开创了催化剂研究的崭新领域正文：抗体酶是具有催化活性的免疫球蛋白,它既具有抗体的高效选择性,又能像酶那样高效催化化学反应,开创了催化剂研究的崭新领域.本文从抗体酶的作用机理、设计与制备、应用领域、存在的问题和研究展望等多个角度进行综述.抗体酶或催化抗体是一种新型人工酶制剂，它是依据对酶分子催化反应机制的理解，结合免疫球蛋白的分子识别特性，应用免疫学、细胞生物学、化学和分子生物学等技术制备的具有高度底物专一性及特殊催化活力的新型催化抗体。
1946年，鲍林(Pauling)用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降低反应能级。
1969年杰奈克斯(Jencks)在过渡态理论的基础上猜想：若抗体能结合反应的过渡态，理论上它则能够获得催化性质。
抗体酶的利用价值：从抗体酶的实践看出，抗体酶是研究酶作用机理的有力工具。
酶抑制剂的研究支持了Pauling过渡态理论，但它只能提供作用过程中结合专一性的信息，不能给出结合后发生催化反应以及结合与催化之间的关系。
抗体酶实验则弥补了这一缺陷。
除了基础理论研究的价值，抗体酶的应用前景也令人鼓舞。
Lerner指出，若将催化水解反应的抗体酶研究深入下去，极有可能得到一种新型蛋白酶，这种抗体酶在医学上可用来专一破坏病毒蛋白质及清除体内“垃圾”。
酶工程催化抗体
•30
Schultz小组制备了水解甲基对硝 基苯基碳酸酯的抗体48G7与其半抗原 p-硝基苯基-4-羧丁基磷酸酯的复合物 的晶体，并对其进行了X-射线衍射分 析，发现抗体结合部位的共有模块含 有碱性残基，它能与磷酸氧发生静电 相互作用产生所谓氧阴离子洞 (Oxyanion hole)。
抗原具有较强的免疫原性； 催化抗体与半抗原的亲和力：一般认为结合常数
Ki应小于10-6mol/L，容易获得高效催化抗体； 诱导羧酸酯、酰胺水解的催化抗体，可以利用具
有四面体结构的过渡态类似物作为半抗原； 半抗原的设计应考虑催化反应的环境与反应机制。
•10
自从抗体酶制备成功以来，迄今已成 功地开发出天然酶所催化的六种酶促反应 和数十种类型的常规反应的抗体酶。
•13
抗体酶的出现，意味着有可 能出现简单有效的方法，从而人 们可凭主观愿望来设计蛋白质。
——这一发现是利用生物学与化学成果在 分子水平上交叉渗透研究的产物。由于抗 体酶对于多学科展示了较高的理论和实用 价值，已引起科学界广泛的关注。
•14
抗体
抗体是由B细胞受抗原刺 激后所分泌的蛋白质
结 合 区： 抗体分 子上有两个抗原结 合区
•28
结构和动力学数据都说明抗体酶 的水解机理与丝氨酸蛋白酶极为相似。 抗体酶结合部位含有一个Ser-His二 体结构，靠近结合抗原的磷原子，这 与丝氨酸蛋白水解酶的电荷中继系统 Ser-His-ASP成分中的二个相似。
•29
抗体结合部位中还含有Lys残基， 用于稳定负氧离子形成和识别底物的 疏水口袋。
抗体酶：20世纪80年代以来出现 的一种具有催化活性的蛋白质，是利 用生物学和化学的成果在分子水平上 交叉渗透研究的产物；其本质上是免 疫球蛋白，只是在其易变区被赋予了 酶的属性，因此抗体酶又称为催化抗 体（Catalytic Antibody)。
酶工程抗体酶
1969年Jencks在酶反应过渡态理论的基础上猜想：若
抗体能结合反应的过渡态，理论上它则能够获得催化 性质。 1984年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， 这种抗体与底物结合后，即可诱导底物进入过渡态构 象，从而引起催化作用。根据这个猜想，Lerner和 schultz分别领导各自的研究小组独立地证明了：针对 羧酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体，能催化相应 的羧酸酯和碳酸酯的水解反应。 1986年美国《Science》杂志同时发表了他们的发现， 并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为抗体酶。
（1）催化效率。抗体酶催化反应的范围十分广泛，而且
还在不断拓展。但至今只有少数的抗体酶获得实际应用， 绝大多数的抗体酶还远未达到实用阶段。其中催化效率是 抗体酶能否实现实用的关键因素，因为它直接关系到反应 时间是否合理、反应的收率是否可以被人们接受。从目前 的情况来看，与酶的催化速度相比较，大部分抗体酶的反 应速度要低2～3个数量级。 （2）抗体酶的筛选。目前的筛选方法一般是通过对半抗 原亲合力的大小进行筛选，而不是通过催化活性的大小来 进行，此时的问题是，与半抗原的亲和力最大的抗体却不 一定是最好的抗体酶。 （3）抗体酶的专一性。从经济观点出发，与酶催化一样， 抗体酶的专一性在一些情况下却是一个明显的缺陷，因为 在这些情况下，人们不得不需要不同的抗体酶来催化每一 个底物或每一个反应，因此，开发能催化多种底物的抗体 酶显然是应用研究所追求的一个重要目标。
3.抗爱滋病毒(HIV)
HIV通过其核衣壳蛋白gpl20与T淋巴细胞CD4分子结合
而侵染Th细胞，摧毁人体免疫系统，破坏免疫防御功能， 患者并发症或肿瘤而死亡。Sudhir Paul研究小组利用蛋 白质工程方法制作出抗体酶，它能水解HIV的gpl20上编 号为421—433的一小段肽序列。
抗体酶
酯酶催化反应的过渡态类似物设计(方框内为半抗原)
a
24
用一个带有电荷的半抗原作为免疫原，在免疫进化过程中 诱异抗体结合部位的一个氨基酸残基带有互补的电荷，使 其具有酸、碱或亲核催化的能力。
Janda等根据此原理，以带电 的半抗原1为诱导，得到7个 能催化和半抗原1结构类似的 底物3水解的单克隆，而结构 相同但不带电的半抗原2(作 为比较)却未得到有催化活性 的单克隆。
化学修饰法对抗体进行化学修饰，使抗体与催化基团
相连。
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诱导法
设计半抗原
选择合适的反应过渡态类似物作为化学模型物
用设计好的半抗原，与载体蛋白（如牛血清白蛋白） 偶联制成抗原；将此抗原进行免疫，使宿主针对抗原 产生抗体。
产生抗体的脾脏细胞与骨髓瘤细胞相融合，得到的杂 交瘤细胞既能产生抗体又能在体外培养；
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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。
对抗抗体进行筛选，获得具有原来酶活性的抗体酶。
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酶反应有两个主要的特征：
高催化效率、高选择性
1946年，Pauling用过渡态理论阐明酶催化的实 质
酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合 并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降 低反应能级。
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7
过渡态理论
过渡态理论是解释酶催化原理的经典理论。
对任何化学反应，反应物在 变为产物之前，必须获得一 定的能量，成为活化态或称 过渡态。过渡态处于最高能 阶上。
7、光诱导反应
8、氧化还原反应
9、脱羧反应
10、顺反异构化反应
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18
抗体酶的特性
第7章--抗体酶
三、抗体酶的制备
1.拷贝法 用已知的酶作为抗原对动物进行第一次免疫, 获得抗酶抗体;再用抗酶抗体作为抗原进行第 二次免疫获得抗抗体,抗抗体实际上就是具有 原来酶活性的抗体酶。
酶
第一次免疫
抗体酶
第二次免疫
拷贝法制备抗体酶
抗酶抗体
2. 诱导法
用设计好的半抗原，通过与载体蛋白（如 牛血清白蛋白）偶联制成抗原。然后对动物 进行免疫，取免疫动物的脾细胞与骨髓瘤细 胞杂交，杂交细胞则分泌单克隆抗体，经筛 选和纯化，得抗体酶。
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两 班 学 生 英 语学习 两极分 化现象 较严重 ，两个 班都有 十几个 学生英 语基础 好，兴
酶的催化在于能结合底物产生过渡态，降 低能障（反应的活化能）。
以过渡态类似物作为半抗原，诱导与其互 补构象的抗体，使其具有催化活性，可观察 到抗体催化相酶又称催化抗体（catalytic antibody），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。
足。
近年来，抗体催化的不同类型的反应越来越 多。已经证明，抗体酶可以反相胶团和固定 化的形式在有机溶剂中起作用，这为抗体酶 的商业应用开辟了前景。完全有理由相信， 抗体酶会在有机合成中发挥越来越大的作用。 具有酯解活力的抗体酶已经用于生物传感器 的制造上。
2. 用于阐明化学反应机制 N-甲基原卟啉由于内部甲基取代而呈扭 曲结构，但由它作为半抗原诱导产生的 抗体可催化原卟啉的金属螯合反应，这 就证明了亚铁螯合酶催化亚铁离子插入 原卟啉的反应过渡态是一个原卟啉的扭 曲结构，平面结构的原卟啉经扭曲后， 才能螯合金属离子。
抗体酶名词解释
抗体酶名词解释抗体酶是一种将抗体和酶分子结合在一起的生物分子，具有抗体和酶双重功能。
抗体酶通常是通过将酶与抗体质粘H合成的人工分子，也可以通过基因工程技术或化学方法制备得到。
抗体酶的结构包括抗体分子的Fc区和酶分子。
Fc区是抗体分子中一段特定序列，可与酶分子结合，使酶与抗体形成复合物。
酶分子通常是具有特定催化功能的酶，如酶能催化底物的转化，从而实现对某种物质的检测或者催化反应。
抗体酶通过结合抗体的特异性与酶的高效催化能力，可以在生物学实验、诊断试剂和治疗药物等方面发挥重要作用。
抗体酶通常用于免疫学研究中的抗原检测和细胞分析。
在抗原检测中，抗体酶可以用于检测细胞表面的特定抗原蛋白，从而了解细胞表达的情况。
在细胞分析中，抗体酶可以标记细胞表面的抗原蛋白，从而使细胞可见，便于定量和分析。
抗体酶还广泛应用于生物医药领域，如癌症诊断和治疗、药物研发等。
通过将抗体酶与荧光标记物或放射性同位素结合，可以使肿瘤细胞或病原体在体内可见，做到早期诊断和定位治疗。
抗体酶的制备方法有多种，常见的方法包括化学交联法、酶底物响应法和基因工程技术。
化学交联法是将活化的酶分子与抗体分子进行交联，使抗体和酶分子结合在一起。
酶底物响应法是将酶与抗体分子激活，使其能结合在一起。
基因工程技术是通过改变抗体或酶的基因序列，使其能够在细胞内高效表达，并在生物体内制备抗体酶。
未来，抗体酶可能在生物医学领域的诊断和治疗中发挥越来越重要的作用。
随着分子生物学和基因工程技术的不断发展，抗体酶的研究将进一步深入，拓宽其应用范围。
同时，还将不断改进抗体酶的制备方法和结构设计，提高其稳定性和选择性，以满足不同应用领域的需求。
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3、熵阱法
熵阱是指催化剂以有利的定位方向结合底物的能力， 因此限制了底物平动和旋转自由度，结果导致活性部位中 底物的有效浓度增加。
4、多底物类似物法
即将辅因子（包 括金属离子、血红素、 硫胺素、黄素和吡哆 醛等）引入到抗体结 合部位。 用多底物类似物 对动物进行一次免疫， 可产生既有辅因子结 合部位，又有底物结 合部位的抗体。
抗体酶和所有的抗体一样，都是由两条轻链和两条重链构成， 抗原与轻链和重链的可变区特异性结合，因此可变区的氨基酸 的排列顺序决定了抗体分子的特异性，其本质是一类具有催化 活性的免疫球蛋白，可变区赋予其酶的属性，所以也称为催化 抗体。
抗体酶催化反应类型
目前，已成功开发出天然酶所催
化的6种酶促反应和数十种类型的常 规反应的抗体酶，催化类型包括酰基 转移反应，酯和酰胺键的水解，金属
5、抗体结合部位修饰法
抗体酶和酶一样也可以用化学修饰的方法加以改造。 对抗体酶进行结构修饰的关键是找到一种温和的方法， 在抗体结合位置或附近引入具有催化功能的基团。
游离巯基就是适合的基团之一,它具有高亲核性,易 于氧化,及能通过二硫化物进行交换反应或亲电反应而 选择性修饰的特点。
6、蛋白质工程法
2、能与过渡态结合的体也具有酶的性质 根据Pauling理论 ，William Jencks于1969年 预言：若能找到对应某反应过渡态的抗体，将其加 入该反应体系中，就可观测到这个抗体对该反应的 催化效应。 这就意味着，抗体一旦能与过渡态相结合，它 就具有酶的性质。
1975年，Kohler和Milstein开创了单克隆抗体技 术，为抗体酶的诞生创造了技术条件。
7、抗体库法
用基因克隆 技术将全套抗体 重链和轻链可变 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 片段，从中筛选 特异性的可变区 基团。
组合抗体库法
用逆转录-PCR技术从淋巴细胞克隆出抗体轻链 基因repertoire和重链Fd段基因repertoire，将二 者分别组建到表达载体Lc2和Hc2中，得到的轻链 基因和Fd段基因随机重组于一个载体中，形成组合 抗体库。所得到的抗体库经体外包装后感染大肠杆 菌，铺板培养后，每一个感染了噬菌体颗粒的大肠 杆菌细胞由于噬菌体的增值而裂解，所释放的噬菌 体再感染周围的大肠杆菌细胞，在培养皿细菌生长 层内产生噬菌斑，同时表达的Fab片段也释放于噬 菌斑内，将噬菌斑转印到硝酸纤维素膜上，可以标 记有过氧化物酶的抗原筛选到产生特异性抗体的克 隆，得到其Fab段的基因。
三、抗体酶的制备
抗体酶制备的基本原理
如果能适当地改变抗体中与抗原结 合部位的微环境，并在适当部位引入 相应的催化基团，那就有可能使抗体 转变为具有催化性能的抗体酶。
1、稳定过渡态法
“制备”抗原： 设计过渡态类似物
杂交瘤细胞制备： 免疫小鼠
合成半抗原
半抗原－载体
与骨髓瘤细胞结合 限制性稀释 筛选与半抗原具有 高亲和力的克隆
抗体结构
抗体分子是由两条
轻链(light chain, L链
)和两条重链(heavy chain, H链)通过链间二
硫键连接而成的四肽键
结构。
3、抗体酶
又称催化抗体，是抗体的高度选择性和酶的高 效催化能力相结合的产物，本质上是一类具有催化 活力的免疫球（Ig） ，在其可变区赋予了酶的催化 活性，是一种新型人工酶。
抗体只有在抗原存在时才产生，种类无限。
2.3、抗体酶的特征
结合了酶与抗体的优点，既可以起酶促催化作用， 又可以起抗体的选择性和专一性结合抗原的作用。 1、能催化一些天然酶不能催化的反应 有许多化学反应还没有已知酶催化进行，抗体的 多样性决定了抗体酶催化反应类型多样性，抗体酶可 以根据需要人工裁制。 2、有更强的专一性和稳定性 抗体的精细识别使其能结合几乎任何天然的或 合成的分子。
酶固定化也是修饰的一种。下图中固定化载体 是玻璃球。
固定化抗体酶的活力和立体专一性与固 定化前差别不大，但其稳定性，特别是在有 机溶剂中的稳定性显著提高。与普通的固定 化酶一样，固定化抗体酶适于连续化操作， 这无疑会有巨大的商业价值。
五、抗体酶的催化作用机理
抗体酶是生物体受抗原诱导产生的具有催化能力的抗体，其在 结构上与抗原高度互补并能与之特异结合。通过设计化学反应 过渡态或中间体类似物作为半抗原，诱导机体产生抗体，产生 的抗体能特异性地识别过渡态分子，降低反应的活化能，达到 催化反应的目的。
用烷基磷酰胺(phosphonamidate)半 抗原诱导产生的单抗NPN43C9是动力学和
催化机制研究的最多的抗体酶之一，很
适合作为突变的模型用于研究抗体酶结
构与功能的关系。
2、化学修饰法
化学修饰的一般原理同样适用于抗体酶。选 择性化学修饰抗体酶可以改善抗体酶的性质， 如提高其活力、改变专一性等。 Schultz等用（N-2,4-二硝基苯-2-氨基 乙基）-4-氧代丁基二硫化合物修饰抗体 MOPC315，结果发现这一修饰使抗体催化二 硝基苯酯（DNP）的速度（相对于DTT存在下 的本底反应）提高了6×104倍。
催化前药分解的酶通过抗体的介导作用而结合于肿瘤细 胞的表面。静脉注射前药后，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，起到 提高肿瘤化疗效果的目的。
1946年，诺贝尔奖二次得主美国化学家Linus Pauling 提出酶 催化反应的过渡态理论。酶的催化机理是它能特异性结合并稳定化学 反应的过渡态，降低反应的活化能。
在酶催化的反应中，与酶的活性中心形成复合物的实际 上是底物形成的过渡状态。 酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。
过渡态类似物同1F7(A)和分支酸变位酶(B) 之 间的有关侧链的相互作用示意图
2.2、抗体与酶的异同
相同点：都是蛋白质，都有特异性。
不同点： 1）抗体无催化活力，酶有催化活力。 2）本质差别：酶是能与反应过渡态选择结合的催化 物质，抗体是和基态紧密结合的物质。
3）酶的活性和合成受到代谢调节，种类有限。
(2)肿瘤治疗
目前正在发展一种称为抗体介导前药治疗(ADEPT)技术。
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，但在体内经酶或非酶作 用，脱去保护基，释放出母体药物而发挥治疗作用。
ADEPT是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(如癌胚抗原抗体)相偶联制备成肿瘤细胞特异 性的抗体酶,这种抗体可以只是Fab片段，以增加分子的 穿透性，并降低其自身药物的免疫原性。
作为蛋白质工程的主要手段，定点突变是产生抗体 酶的另一个重要方法。用此法可以精确地将催化基团引 入到抗体结合部位上。 Schultz小组用此法将催化基团组氨酸插入到对二硝基苯 专一的抗体（MOPC315）结合部位。组氨酸在酯底物 水解中其亲和催化剂的作用。他们合成了VL 片段的基 因，其中抗体结合部位的Tyr34被组氨酸取代，然后用 大肠杆菌表达重组的VL，再将VL链与天然的VH链组合在 一起，则得到具有显著酯解活力的抗体酶，与pH6.8时 4-甲基咪唑的催化速度相比，加速反应9×104
第七章
抗体酶
Question1：
为什么会想到抗体酶这 一概念？
酶能在极温和的条件下高效专一地催化某 些化学反应。而抗体分子的多样性及其高度精 确识别性使其能结合几乎任何天然的或合成的 分子。
我们试想能否利用抗体的这一特性将抗体 开发成象酶那样的催化剂呢？
一、抗体酶的发现与研究思路
1、过渡态理论
3、抗体酶在医疗上的应用
抗体酶既能标记抗原靶目标，又能执行 一定的催化功能。这两种性质的结合使抗体 酶在体内的应用实际上是没有限制的。例如， 可以设计抗体酶杀死特殊的病原体，也可用 抗体酶活化处于靶部位的药物前体，以降低 药物毒性，增加其在体内的稳定性。
(1)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 卡因上瘾，达到戒毒目的 。
1、定点突变
定点突变法即蛋白质工程法。此法 可精确改变蛋白质肽链上的任一氨基酸残 基，故可用来阐明某一氨基酸残基在抗体 结合和催化中的作用。
例：鼠骨髓瘤细胞产生的一系列能和磷酸胆碱结合的抗 体
通过X射线衍射结构分析，发现重链上
的两个氨基酸残基ArgH52及TyrH33在所有的 能结合磷酸胆碱的抗体中都存在，因此认为 这两个残基对抗体的结合及催化作用起关键 作用。
1984年，Lerner进一步猜测，以稳定的过渡态类
似物作为半抗原，诱导与其互补构像的抗体，这样产 生的抗体就能识别反应过程的真正过渡态，该抗体即
有酶催化反应的基本特征，可能成为一种具有酶活性
的抗体。
半抗原：一类小分子，其本身不能引起免疫应答，但
能与已产生的相应抗体结合。它只有与载体蛋白结合 后才能具备免疫原性。即它只具有免疫反应性而无免 疫原性，又称不完全抗原。
Question 2:
抗体酶是酶还是抗体 ？
二、抗体酶的概述
2.1 抗体酶的定义
1、什么是酶(enzyme)？ 酶——活细胞产生，起生物化学反应催化剂作用的 蛋白质。 2、什么是抗体（antibody，Ab）？ 抗体——是B细胞识别抗原后增殖分化为浆细胞所产 生的一种蛋白质，主要存在于血清等体液中,能与相应抗 原特异性地结合，具有免疫功能。其本质是一类免疫球 蛋白。
中的一个过渡态，来显著改变反应产物的比例。
应用：
—动力学上的外消旋混合物； —能催化内消旋底物合成相同手性 (homochiral)的产物。
近年来，抗体催化的不同类型的反应越 来越多。已经证明，抗体酶可以反相胶团和 固定化的形式在有机溶剂中起作用，这为抗 体酶的商业应用开辟了前景。完全有理由相 信，抗体酶会在有机合成中发挥越来越大的 作用。具有酯解活力的抗体酶已经用于生物 传感器的制造上。