模拟酶的概念和认识

第八章酶的人工模拟hh

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。

Rama 等人将咪唑在N 上直接与β-CD 的C-3相连，所得的模型2催化p-NPAc 的水解比天然酶快一个数量级。

以二茂铁为结合位点的硝基苯酯(如模型3)，以CD 本身为催化剂可加速酯水解达105~106

倍。

②核糖核酸酶的模拟

牛胰核糖核酸酶：124氨基酸残基；His12, His119, Lys41在它的催化下RNA 的磷酸酯水解分两步进行，两个咪唑基交替起着广义酸碱催化的作用。

4的催化下水解反应只生成C ；5催化水解反应只生成B

。环糊精底物复合物的几何形状和催

Fe

COOPNP

3

N

N 2

COOH

OH

N NH

1

S

化基团所处的位置对反应的选择性起了决定性的作用。

2.2.2冠醚化合物的模拟酶 1）冠醚

定义：分子中具有-（CH2CH2O ）n-重复单元的环状醚，1962年首次合成的冠醚形状似皇冠而得名：

命名：x －冠－y ：x —环上的原子总数，y —氧原子数

15—冠—5

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。

2.2 胶束模拟酶

模拟水解酶的胶束酶模型： 组氨酸的咪唑基常常是水解酶的活性中心必需的催化基团。如将表面活性剂分子上连接上组氨酸残基或咪唑基团上，就有可能形成模拟水解酶的胶束。N-十四酰基组氨酸所形成的胶束催化对硝基苯酚乙酸酯的水解，其催化效率比不能形成胶束的

N-

N N

N N 4

N N S

S

N N

乙酰基组氨酸高3300倍。

2.3 肽酶(pepzyme)

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。

2.4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”。

通过选择性修饰氨基酸侧链将一种氨基酸侧链化学转化为另一种新的氨基酸侧链称为化

学诱变法。Bender等人首次成功地将枯草杆菌蛋白酶活性部位的丝氨酸（Ser）残基，经苯甲基磺酰氟特异性活化后，再用巯基化合物取代，将丝氨酸转化为半胱氨酸。虽然产生的巯基化枯草杆菌蛋白酶对肽或酯没有水解活力，但能水解高度活化的底物，如硝基苯酯等。

Hilvert等人利用类似的方法，将枯草杆菌蛋白酶结合部位的特异性Ser突变为硒代半胱氨酸。此硒化枯草杆菌蛋白酶既表现出转氨酶的活性又表现出含硒谷胱甘肽过氧化物酶活性。

2.5抗体酶

2.5.1 概念

抗体酶又称催化性抗体，是一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋予了酶属性。

2.5.2 历史

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。

Jencks1969年的假设：抗体若能与化学反应的过渡态结合,则这样的抗体必具有催化性能。以此推理,抗体若能与过渡态类似物结合,则它也会与化学反应过程中的过渡态结合,这样的抗

体亦具有催化性能。

1986年，Lerner和Schultz两个研究小组独立发表了关于芳香酯和碳酸酯的抗体催化水解的报道，首次人工制得抗体酶（催化抗体）。

2.5.3 制备原理

设计过渡态类似物，作为半抗原结合载体分子免疫动物，得到抗体酶。

2.5.4 抗体酶的应用

在有机合成中的应用：催化天然酶不能催化的反应

催化反应动力学不利的反应

催化立体专一性的反应

阐明化学反应机制