模拟酶研究

www.themegallery.com
LOGO
分子印迹的原理
▪ 特定分子（印迹分子或称模板）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，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 此印记分子具有特异性结合能力。
的“记忆”功能。
www.themegallery.com
LOGO
3.印迹酶
▪ 生物印迹酶的优势：
✓ 生物大分子作为被印记的宿主，印记酶的活性中心更接近于 天然酶，催化效率高。
✓ 宿主与印记分子之间形成的次级作用力大，增强了印记酶对 底物的识别力。
www.themegallery.com
LOGO
4.抗体酶
LOGO
理论基础
模拟酶
主-客体化学
主体有选择地识别 客体并与之通过弱 相互作用力形成稳 定复合物的化学领 域。
超分子化学
研究两种或两种以 上的化学物通过分 子间力相互作用缔 结而成的具有特定 结构和功能的超分 子体系的科学。
www.themegallery.com
LOGO
理论基础
▪ 美国加州大学洛杉矶分校的克拉姆(Donald James Cram)教 授和法国路易·巴斯德大学的莱恩(Jean—Marie Lehn)教授由 于分别创立了“主—客体化学”(Host—Guest Chemistry)和 “超分子化学”(Supra molecular Chemistry)而荣获1987年 的诺贝尔化学奖。
www.themegallery.com
LOGO
引入法和拷贝法
▪ 引入法：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。
▪ 拷贝法：已知酶作为抗原免疫动物——抗酶抗 体——免疫动物并进行单克隆化——单克隆抗 体——筛选纯化——原酶活性抗体酶（大规模 生产）
▪ 开发出更多可多部位结合且具有多重识别功能 的模拟酶 ,采用体外方法研究生物体内酶催化信 息 ,探讨生物体系的生命现象的真谛。
www.themegallery.com
LOGO
▪ “超分子化学”就是分子内键合和分子聚合的化学。“超分 子”兼有分子识别，分子催化和选择性迁移等功能。“主— 客体化学”和“超分子化学”的共同意图就是说明酶和底物 这间的作用就象一把钥匙开一把锁一样。
www.themegallery.com
LOGO
理论基础
▪ 催化剂是一种选择性极强的反应中的第三者。催
模拟酶
继承天然酶的优点 改变易变性失活缺点 有机合成大规模生产
模拟酶
www.themegallery.com
LOGO
What is it？
▪ 模拟酶：根据酶的催化原理，模拟酶的生物催化功 能，用有机化学和生物学的方法合成具有专一催化 功能的物质。
▪ 结构上包括底物结合位点和催化位点。
www.themegallery.com
▪ 抗体酶又称催化抗体, 是由与酶反应中底物过渡 态类似物作为半抗原刺激免疫系统产生的一类 能够专一识别和催化酶反应中的底物反应过渡 态的一类抗体。在其可变区赋予了酶的属性, 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。
▪ 发现者：舒尔茨
▪ 催化速率：非催化反应速率的104-108倍
www.themegallery.com
单纯酶模型
机理酶模型
化学方法通过 天然酶活性的 模拟来重建和 改造酶活性
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
www.themegallery.com
LOGO
模拟酶的分类
2.按照酶的属性分类
www.themegallery.com
LOGO
3.印迹酶
www.themegallery.com
LOGO
分子印迹技术
分子印迹技术是二十世纪八十年代迅速发展起来的一 种化学分析技术，属于泛分子化学研究范畴，通常被 人们描述为创造与识别“分子钥匙”的人工“锁”技 术。
以一种分子充当模板，其周围用聚合物交联，当模板 分子出去后，此聚合物就留下了此分子相匹配的空穴， 这种聚合物就像“锁”一样对模板分子具有选择性识 别作用，这种技术被称为分子印记。
……
主客体 酶模型
模拟酶
胶束酶 模型
抗体酶 模型
分子印 迹酶模型
www.themegallery.com
LOGO
1.主客体酶模型
▪ 能识别底物又具有酶活性部位催化基团的主体 分子，同时底物能与主体分子发生多种相互作 用
www.themegallery.com
LOGO
1.主客体酶模型
www.themegallery.com
www.themegallery.com
LOGO
胶束酶
X X
X
X
X
XX X
X
www.themegallery.com
LOGO
2.胶束酶
▪ 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，利用胶束 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。
www.themegallery.com
LOGO
基因工程法
▪ 对已产生的单抗，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, 希 望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。
www.themegallery.com
LOGO
模拟酶 Enzyme Mimics
LOGO
一览无余
1
模拟酶诞生背景
2
概念和理论基础
3
模拟酶分类
4
发展前景
www.themegallery.com
LOGO
金无赤足，酶无完美
天然酶
催化效率高 专一性强 反应条件温和
来源有限 稳定性差 对环境因素敏感
www.themegallery.com
LOGO
要“超分子”。
www.themegallery.com
LOGO
模拟酶研究内容
包括微环境在内的整个酶活性部位 的化学模拟
在天然或人工合成的化合物 引入某些活性基团
合成有类似酶活性的简单 配合物
整体模拟 模拟酶活性中心 简单模拟
www.themegallery.com
LOGO
模拟酶分类
1.根据Kirby分类法
化剂与反应物及产物之间有一种严格的微妙的关
系。首先，催化剂与反应物之间必须建立起
“主—客体”关系。“主—客体”关系的建立需
要苛刻的条件，不仅要从电子结构上去考虑，而
且还要从空间结构上去考虑。“主—客体”关系
一旦得到建立，就说明催化剂这把“钥匙”已经
识别了反应物这把“锁”了。但如何去开这把
“锁”，并把“钥匙”原封不动地抽出来，还需
LOGO
未来研究பைடு நூலகம்向
▪ 由简单模拟向高级模拟发展。既模拟天然酶活 性中心的催化部位又模拟其结合部位 ,以提高模 拟酶的催化活性。
▪ 将组合库技术、 分子印迹等现代手段用于构造 模拟酶体系 ,研制出各种选择性强、 灵敏度高 且易于制备的模拟酶传感器以适用于苛刻条件、 复杂体系中重要生化组分的快速检测。
www.themegallery.com
LOGO
大环聚醚及其模拟酶
内有空穴，氧原子向空穴内部
能与正离子络合，并且随环的大小不 同而与不同的金属离子络合
二苯并-18-冠-6（冠醚）
www.themegallery.com
LOGO
肽合成酶的模拟
www.themegallery.com
LOGO
聚合物及其模拟酶
▪ 克拉姆的“主—客体化学”的基本思想是：具有显著“识别 能力”的某些冠醚可以作为“主体”，有选择性地与作为 “客体”的底物发生配合。克拉姆的意图旨在模拟酶和底物 的作用。
www.themegallery.com
LOGO
理论基础
▪ 莱恩的“超分子化学”的主要内容是：首先要求合成具有特 定结构的分子作为接受体。接受体应具有选择络合离子和分 子结构形式的能力，又使底物可借各种分子内作用（电性作 用、磁性作用、氢键、范德华力以及各种近距离子）与受体 结合，这样，就导致“分子的聚集”，这种聚集后的分子莱 恩称其为“超分子”。
➢ 缺乏酶的柔性，催化效率不高；
➢ 单体与模板之间形成的次级作用力小，影响聚合物对反应底物的
识别能力。
www.themegallery.com
LOGO
3.印迹酶
生物印迹酶：将酶、模板 分子和聚合物单体共同聚 合，形成固定化酶，可以 结合酶的高度催化能力和 印迹聚合物高度选择识别 的性能
酶蛋白分子在有机相中具有对配体
✓低聚物，空穴结构大小的调节具 有较大的自由度 ✓易于衍生化 ✓能与离子和中性分子形成主一客 体包结物 ✓热稳定性及化学稳定性好 ✓合成较为简单，廉价
www.themegallery.com
LOGO
2.胶束酶
表面活性剂分子在水溶液中超过一定浓度可聚集成 胶束。胶束在水溶液中提供了疏水微环境 ，可对 底物进行包络 ，类似于酶结合部位。若再将一些 催化基团如：咪唑、硫醇、羟基和一些辅酶共价或 非共价地连接或附着在胶束上 ，相当于酶活性中 心 ，就构成具有催化活性的胶束模拟酶。
LOGO
环糊精模拟酶模型
✓流水空洞内壁以范德华力和疏水作用与底物分子结合； ✓CD包结物易溶于水； ✓以疏水识别并捕捉特异底物； ✓捕捉的底物处于一定位向。
利用环糊精为模型对转氨酶、水解酶、核糖核酸 酶等进行模拟
www.themegallery.com
LOGO
水解酶的模拟
胰凝乳蛋白酶的活性中心
57位组氨酸的咪唑基 102位天冬氨酸的羧基 195位丝氨酸的羟基
LOGO
抗体酶制备
1
动物免疫阶 段：通过免 疫动物产生 血清多克隆 抗体
2
细胞工程阶 段：用杂交 瘤技术生产 单克隆抗体
3
基因工程阶 段：利用基 因工程途径 表达和改造 抗体
www.themegallery.com
LOGO
诱导法
▪ 选择适当的过渡态类似物（过渡态半衰期极短） 作为半抗原，通过间隔链与载体蛋白连接后动 物免疫, 然后通过杂交瘤技术筛选和分离能产生 单克隆抗体的杂交瘤细胞, 再把这些细胞单克隆 化, 用单克隆化的杂交瘤细胞进行单克隆抗体的 扩大生产。
www.themegallery.com
LOGO
分子印迹原理图
www.themegallery.com
LOGO
3.印迹酶
▪ 分子印迹酶：在模板分子周围形成一个高度交 联的刚性分子，去掉模板后，在聚合物的网络 结构中留下具有结合能力的反应基团和与模板 分子高度匹配的空间结构；
▪ 分子印迹酶的缺陷：
LOGO
模拟酶的局限
▪ 大部分模拟酶催化效率有待提高。普通模拟酶 催化反应速率为一般催化剂几百倍，酶催化反 应速率为一般催化剂107-1014
▪ 个别模拟酶催化效率可媲美普通酶，但其来源 有限，且研制的成本较高
▪ 模拟酶在某些条件苛刻、 体系复杂的反应中难 以发挥作用
www.themegallery.com