第六章 抗体酶(提纲)2013

第七章抗体酶

一、抗体酶的概念

抗体

由抗原诱导产生的，在结构上与抗原高度互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球蛋白。

抗体的最显著的特征是

·多样性和专一性

酶是生物催化剂

酶是一类具有催化功能的生物分子

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。

过渡态理论

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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。

过渡态与反应物的能阶之差称为活化能。

获得活化能的多少与反应的速度成正比。

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

二、抗体酶的发展

抗体酶设想：1969——奇思妙想

抗体和酶有两个共性：蛋白质；专一性

酶的过渡态理论

1975——东风破

·1975 年，Kohler 和Milstein 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。

1986——梦想照进现实

1986 年，Schultz 和同事在研究中首次观察到抗体具有选择性的催化活性, 并将其命名为催化抗体（catalytic antibody）

与此同时，Lerner 小组也发现了这个现象

同年，美国《Science》杂志同时发表了他们的发现，并将这类具有催化

能力的免疫球蛋白称为抗体酶（abzyme）

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。

1991——一切皆有可能

随后，Schultz 实验室对抗体酶进行了深入的研究

至1991 年，发现的抗体酶可以成功催化所有 6 种酶促反应和数十种类型的常规反应

20 世纪90 年代起，抗体酶已经开始应用于传统酶无法实现的活体反应和

某些传统化学反应

三、抗体酶的特点

抗体酶具有典型的酶反应特性

与配体(底物)结合的专一性，包括立体专一性，抗体酶催化反应的专一性

可以达到甚至超过天然酶的专一性。

具有高效催化性，一般抗体酶催化反应速度比非催化反应快102~106倍，有的反应速度已接近于天然酶促反应速度。

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。

抗体酶的特性

一种对酶促反应过渡态特异的抗体

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

从原理上讲，只要能找到合适的过渡态类似物，几乎可以为任何化学反应提供全新的蛋白质催化剂。——Schultz

抗体酶的催化反应类型

1、转酰基反应

2、水解反应

3、Claisen 重排反应

4、酰胺合成反应

5、Diels-Alder 反应

6、转酯反应

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

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。

四、抗体酶的制备方法

（一）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；

将杂交瘤细胞克隆化，即能产生单一均匀的抗体。

动物免疫技术和杂交瘤技术有机结合而产生的一种新方法。

利用这种方法所得到的抗体酶催化效果的好坏很大程度上取决于化学模

型物的设计。

反应过渡态类似物，即半抗原的设计。

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。

（二）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。

（三）引入法

用基因工程、蛋白质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，也可以针对性地改变抗体结合区的某些氨基酸序列，以制备高效的抗体酶。

引入功能基团的方法

利用部位选择性试剂，用类似亲和标记的方法定向地将催化基团引

入抗体。

用DNA 重组技术和蛋白质工程技术改变抗体的亲和性和专一性，

引入酸、碱催化基团或亲核体

（四）抗体与半抗原互补法

抗体常含有与配体功能互补的特殊功能基。

带正电的配体常能诱导出结合部位带负电残基的配体，反之亦然。

抗体与半抗原之间的电荷互补对抗体所具有的高亲和力以及选择性识别

能力起着关键作用。

（五）熵阱法

利用抗体结合能克服反应熵垒。

抗体结合能被用来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。

（六）多底物类似物法

很多酶的催化作用要有辅因子参与，这些辅因子包括金属离子、血红素、硫胺素、黄素和吡哆醛等。

开发将辅因子引入到抗体结合部位的方法无疑会扩大抗体催化作用的范

围。

用多底物类似物一次免疫动物，可产生既有辅因子结合部位，又有底物结合部位的抗体。

（七）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断，从中筛选特异性的可变区基因。

技术基础

用一组引物克隆出全套免疫球蛋白的可变区基因

从大肠杆菌分泌有结合功能的抗体分子片断

方法优越性

省去了细胞融合步骤

扩大了筛选容量，可筛选106以上个克隆

可直接克隆到抗体的基因

得到的抗体可以在原核系统表达，降低了制备成本

可产生体内不存在的轻重链配对，有可能得到新的特异性抗体

五、抗体酶的应用

（一）抗体酶在有机合成中的应用

可以用抗体酶催化需要精确底物专一性和立体专一性的反应，特别是天然酶不能催化的反应，如对映体专一的脂肪酶已能拆分外消旋醇混合物

可以反相胶束和固定化的形式在有机溶剂中起作用

具有酯解活力的抗体酶已用于生物传感器的制造

（二）抗体酶用于阐明化学反应机制