人工模拟酶技术的研究与应用_邢锦娟

第29卷第2期 辽宁工业大学学报(自然科学版) V ol.29, No.2

2009年 4 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition) Apr.

2009

收稿日期：2008-12-12

作者简介：邢锦娟(1980-)，女，山西原平人，助理实验师。

人工模拟酶技术的研究与应用

邢锦娟，刘 琳

（渤海大学 应用化学省级重点实验室，辽宁 锦州 121003）

摘 要：人工模拟酶是为了顺应克服传统酶对热敏感、稳定性差、来源有限以及催化条件局限性等缺点的需要，而研制和开发的一种新型催化剂。简要地概述模拟酶研究的理论基础，并分别从小分子仿酶体系，大分子仿酶体系，以及当今的研究热点抗体酶等几个方面对人工模拟酶模型的研究进展作了简要介绍。

关键词：模拟酶；主-客体化学；超分子化学理论；分子印迹；催化抗体

中图分类号：O621.25 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2009)02-0125-04

Research and Application of Artificial Enzyme Technology

XING Jin-juan ，LIU Lin

（Provincial Key Laboratory for Applied Chemistry, Bohai University, Jinzhou 121003, China ）

Key words: enzyme; main-object chemistry; supramolecular chemistry; molecular imprinting;

catalytic antibodies

Abstract: Artificial enzyme was a new type of catalyst developed and researched, which overcame the shortcomings such as the traditional heat-sensitive, poor stability, the limited sources, as well as the limitations of the conditions. Theoretical basis in research was briefly outlined, respectively from the aspects of small molecules, large molecules like-enzyme system, as well as the present burning points in antibody enzyme research, the research progress of artificial enzyme model was briefly described.

酶是自然界经过长期进化而产生的一种生物催化剂，它具有催化效率高、作用专一性强和反应条件温和等显著特点。它不仅是促进一切生命活动代谢中的各种化学反应在常温、常压和中性条件下得以迅速进行的重要物质，同时也和人们的衣食住行休戚相关，在生产实践和基础理论研究中都起着非常重要的作用。因此对酶的探讨和研究，一直是生物科学研究中的焦点问题之一。

但是，由于酶对热敏感、稳定性差和来源有限等缺点限制了它的规模开发和利用。在20世纪中叶，人们认识到研究和模拟生物体系是开辟新技术的途径之一，通过对生物体系的结构与功能的研究，为设计和建造新的技术提供新思想、新原理、新方法和新途径[1]。因此，人们试图继承酶的优点，改变其易变性失活的缺点，并且希望能用有机合成

的方法大量的制备酶，从而开始进行酶功能的模拟研究。于是，新的催化剂——模拟酶就逐渐被研制和开发了。人工模拟酶是近年来发展起来的仿生化学的重要方向，同时利用这一系列新型催化剂也有利于促进化学工业向环保、绿色、无公害的理想境地发展。

1 主-客体化学和超分子化学理论

诺贝尔奖获得者D J Cram, C J Pederson 与J M Lehn 相互发展了对方的经验，提出主-客体化学[2]和超分子化学[3]，奠定了模拟酶的重要理论基础。本质上，主-客体化学的基本意义来源于酶和底物的相互作用，体现为主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补，这种主-客体互补与酶和它所识别的底物结合情况近似。超分子的形成源于底物和受

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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成稳定的、具有稳定结构和性质的实体，即形成了“超分子”，它兼具分子识别、催化和选择性输出的功能。主-客体化学和超分子化学是人工模拟酶研究的重要理论武器。根据酶催化反应机理，若合成出能识别底物又具有酶活性部位催化基因的主体分子，同时底物能与主体分子发生多种分子相互作用，那就能有效地模拟酶分子的催化过程。

2 模拟酶的研究

由于天然酶的种类繁多，模拟的途径、方法、原理和目的不同，至今对模拟酶没有一个公认的定义。

一个很好的酶模型应满足天然酶催化的基本准则，Stoddort提出六个原则作为衡量标准：

(1)底物选择性，(2)与底物能迅速结合，(3)与产物能迅速分离，(4)反应结束后(至少其活性部位)能够再生，(5)可自动调控活性，(6)有较高的转换数。其中（4）~（6）是必备条件，而(1)~(3)最好能满足。模拟酶的底物选择性可以与原酶有所不同，以适应实际反应的需要。人工合成酶在结构上具有两个特殊部位，一个是底物结合位点，一个是催化位点[4]。业已发现，构建底物结合位点比较容易，而构建催化位点比较困难。2个位点可以分开设计[5]。

20世纪70年代以来，由于蛋白质结晶学、X 射线衍射技术及光谱技术的发展，人们对酶的结构及其作用机理能在分子水平上作出解释。动力学方法的发展以及对酶的活性中心、酶抑制剂复合物和催化反应过渡态等结构的描述促进了酶作用机制的研究进展，为人工模拟酶的发展注入了新的活力。目前，人们利用各种策略发展了多种人工酶模型。

2.1小分子仿酶体系

目前，较为理想的小分子仿酶体系有环糊精、环番、过氧化物模拟酶、以及环芳烃和卟啉等大环化合物。

2.1.1 环糊精

环糊精(简称CD)是由芽苞杆菌产生的葡萄糖基转移酶作用于淀粉后获得的，是由若干个葡萄糖残基以α-1、4-糖苷键连接而成的环状化合物。环糊精分子为圆筒状结构，上下开口，上下两端因伯仲羟基的存在而使环糊精分子外部具有亲水性，而空腔内壁由于氢原子对氧原子的覆盖而具有疏水性，故可以包结许多无机、有机分子形成复合物[6]。

由于CD具有以下一些特殊的结构因素，使其成为目前模拟酶研究中最好的模型之一：(1)流水空洞内壁以范德华力和疏水作用与底物分子作用；

(2)CD包结物易溶于水；(3)以疏水识别并捕捉特异底物；(4)捕捉的底物处于一定位向[7]。

利用环糊精为酶模型已对多种酶的催化作用进行了模拟。在转氨酶、水解酶、核糖核酸酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羟醛缩合酶等方面都取得了很大的进展。

2.1.2 环番

环番是一类含苯的芳香环，以亚甲基和杂原子作为骨架桥的环状分子[8]。通常，根据环番空腔的大小分为小环番和大环番。小环番，张力较大，导致环番中的芳环变形，表现出许多有趣的特性，如跨环电子效应和环加成等。大环番，其中的芳环的平面性，π电子性以及反应活性虽与一般的芳烃区别不大，但大环番的疏水性空腔能够利用疏水作用、氢键、范德华力、静电力等非共价健作用选择性识别、包结客体分子。根据需要，人们能够设计不同类型的环番、或对环番进行修饰，进一步调节环番的疏水性、亲水性，改变其包结和识别底物的能力[9]。

功能化环番作为人工受体和人工酶的研究，虽然发展较晚，但是环番包结物的稳定性有的已能和酶-底物复合物的稳定性相比较，已成功地对一些酶进行了部分模拟，并表现出较好的催化活性，因此环番仿酶将是值得关注并很有前景的领域。

2.1.3 过氧化物模拟酶

过氧化物酶是一种以血红素为辅基，参与生物体内生理代谢的天然酶。以辣根过氧化物酶(HRP)为代表的过氧化物酶及模拟酶在其结构、化学性质及应用方面的研究报道较多。对过氧化物模拟酶的研制主要是根据HRP的结构特点，制备能模拟HRP 催化特性的小分子化合物模拟物。Saito[10,11]等首次以阴离子交换树脂吸附可溶性金属卟啉化合物作为过氧化物模拟酶进行了大量的研究。慈云祥研究小组[12,13]及沈含熙研究小组[14,15]合成了一批新的金属卟啉络合物模拟HRP的催化作用。研究表明：金属卟啉模拟酶中心离子的电子结构和氧化态以及其金属卟啉对额外配位体的亲合力决定着酶的活性，但活性一般比HRP要低。另外配体相同的不同金属元素对模拟酶的活性也有较大的影响。

基于现有的HRP模拟酶与天然酶在催化活性和选择性方面还有一定差距。从事相关研究的工作