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酶的人工模拟

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抗体酶

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。

人工模拟酶

人工模拟酶

分子印记技术是在分子识别基础上开展的。 分子印记技术是在分子识别基础上开展的。
分子识别本质上是指主体分子(受体)对客体分子 分子识别本质上是指主体分子(受体) 本质上是指主体分子 (底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程。如： 底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程。 酶与底物、抗原与抗体、糖与蛋白质等的相互作用。 酶与底物、抗原与抗体、糖与蛋白质等的相互作用。
互作用力形成稳定复合物的化学领域。 互作用力形成稳定复合物的化学领域。
超分子化学： 超分子化学：研究两种或两种以上的化学物通过分子间力
（静电作用、氢键、范德华力等非共价键）相互作用缔结而成 静电作用、氢键、范德华力等非共价键） 的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。 的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。
杯芳烃的热稳定性及化学稳定性好，可溶性虽较差， ④ 杯芳烃的热稳定性及化学稳定性好，可溶性虽较差，但通过衍 生化后，某些衍生物具有很好的溶解性； 生化后，某些衍生物具有很好的溶解性； ⑤ 杯芳烃能与离子和中性分子形成主一客体包结物，这是集冠醚 杯芳烃能与离子和中性分子形成主一客体包结物， 和环糊精两者之长； 和环糊精两者之长； 杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为廉价的产品， ⑥ 杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为廉价的产品，事实上现 在已有多种杯芳烃商品化。 在已有多种杯芳烃商品化。
胶束模拟酶一方面利用增溶、增稳的增效作用， 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， 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） （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。 细胞中的微环境。
X X X X X X X X X
（2）胶束酶

酶八章-酶的人工模拟或模拟酶

酶八章-酶的人工模拟或模拟酶

Breslow等人设计合成了两种环糊精, 用来催化环状磷酸二酯的水解，这两种修 饰CD被认为是很好的核糖核酸酶模型
N N N N
N N S N N S
4 CD-1
CD-2
5
当A在碱性条件下水解时，同时产生B和C 两种产物，而在模拟酶CD-1的催化下水解反应 只生成C；相反CD-2催化水解反应只生成B。
最简单的方法是修 饰底物来增加底物同 CD的结合，从而可能 增加对过渡态的结合。 设计了一系列以二 茂铁、金刚烷为结合位 点的硝基苯酯，以CD 本身为催化剂可加速酯 水解达105~106倍。
Fe
COOPNP
3
②核糖核酸酶的模拟 核糖核酸酶有两个组氨酸咪唑基及一 个质子化赖氨酸氨基处于活性中心，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一般酸和一般碱的作 用，使离去基团质子化或增加亲核基团的 亲核性。
因此，模拟酶是从分子水平 上模拟生物功能的一门边缘科学。
迄今为止，已经有了多种模拟酶： ——小分子仿酶体系有环糊精、冠醚、环 番、环芳烃和卟啉等大环化合物等。 ——大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分 子印迹酶模型和胶束酶模型等。 ——利用化学修饰、基因突变等手段改造 天然酶产生了具有新的催化活性的半 合成人工酶。
在设计模拟酶时除具备催化 基团之外，还要考虑到与底物定 向结合的能力。模拟酶要和酶一 样，能够在底物结合中，通过底 物的定向化、键的扭曲及变形来 降低反应的活化能。
酶模型的催化基团和底物之 间必须具有相互匹配的立体化学 特征，这对形成良好的反应特异 性和催化效力是相当重要的。
2. 超分子化学 Pederson和Cram报道了一系 列光学活性冠醚的合成方法。这 些冠醚可以作为主体而与伯铵盐 客体形成复合物。

人工酶

人工酶

分子印迹酶
印迹底物及其类似物
• 将 4(5)-乙烯基咪唑聚合可以得到一种模
拟氨基酸酯水解酶的印迹聚合物，可选
择性水解与印迹分子结构相关的氨基酸 酯底物 [N-Boc-氨基酸对硝基苯酯]
• 由于底物在单体聚合时可能发生水解，
因此用其结构类似物 [N-Boc-氨基酸-2吡啶甲酰胺] 为印迹分子 • 聚合后抽提除去模板，在聚合物孔穴内 的特定距离位置留下咪唑基（聚合物骨 架），能起到催化基团的作用
分子印迹酶
什么是“分子印迹酶（molecular imprinting enzyme）”？
• 通过分子印迹技术可以产生类似于酶的活性中心的空腔，对底
物产生有效的结合作用，并可以在结合部位的空腔内诱导产生 催化基团，并与底物定向排列
• 分子印迹酶面临的最大挑战之一是如何利用分子印迹技术来模
拟复杂的酶活性中心部位，使其最大限度地与天然酶相似，即 选择合适的印迹分子是关键的一环 – 底物 – 底物类似物 – 酶抑制剂 – 反应过渡态类似物
• 维生素 B6 通常以磷酸化的形式参与转氨酶的催化反应
• 维生素 B6 自身即能实现转氨基作用，但缺乏底物结合位点， 高效的转氨酶模型必须具有合适的底物结合部位，环糊精的空 腔能够为底物提供良好的结合位点 • 1980 年报道了第一个人工转氨酶模型，它具有良好的底物选 择性，可以使反应加速 200 倍
分子印迹酶
印迹过渡态类似物
• 利用分子印迹技术印迹磷酸单酯（充当
酯水解过渡态类似物），通过与含脒基 （催化部位）的功能单体结合，形成稳 定的复合物。此印迹酶表现出很强的酯 水解活性 • 适当地设计模板分子和催化基团，将稳
N H O N H O CH3 N H O P N H O O CH3

5第五章人工模拟酶

5第五章人工模拟酶
半胱胺基酸巯基解离成负离子进攻 正电性羰基碳原子，生成S-酰化中 间体。 H2O羟基进攻正碳离子， 含Cys残 N-C酰氨键断裂，致使 基手臂 酯水解。 模拟酶兼具分子络合作用、手性识 别作用和催化作用，与天然酶十分 相似。速度提高103~104倍。
- SH H+
ROOC NH O=C O O NO2
R O O=C CH2
HOOC :N
β-Benzyme对于对-叔丁基-苯基乙酸酯 (p-NPAc)水解活性比天然酶高1倍以上， kcat/Km(底物专一性)也与天然酶相当， Bender因此闻名于世。
NH
HO
S
OH
β-Benzyme
组氨酸咪唑基是十分有效的酸碱催化剂和亲核催化剂，在水解酶活性 中心起关键性催化作用。
OH O C=C ODEAE NH2 NH DEAE
CD环包结呋喃环-识别定向
O O O C=C O O
糠偶酰 烯醇-O-与Cu2+静电或配位结 合得以稳定加速反应进行。
Cu2+
NH NH2
催化基团 催化活性中心
谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC.1.11.1.9)为含硒酶，是生物体内重要 的抗氧化酶，能有效消除体内的自由基，与超氧化物歧化酶和过氧 化氢酶共同作用，防止脂质过氧化。因此GPX在治疗和预防克山病、 心血管病、肿瘤等疾病具有明显的疗效。该酶来源非常有限，而且 稳定性差，分子量大等限制了它的实际应用。 利用CD的疏水腔作为底物结合部位，硒巯基为催化部位，制备出系列 双硒侨联环糊精。表现出很高的GPX酶活性，其中C2和 C6-硒化环糊精 的GPX活力已达到4.3U/µmol和7.4 U/µmol。若将C2-硒化环糊精改变成碲 化环糊精的GPX活力已达到45U/µmol。

第七章酶的模拟

第七章酶的模拟
将疏水性维生素B6衍生物与阳离子胶束 混合形成的胶束体系中，可将酮酸转化 为氨基酸，有效地模拟了以维生素B6为 辅酶的转氨基作用。氨基酸的收率达
52%
策略：
一系列端基为咪唑基、羧基、羟基或氨 基的长链化合物溶于水，形成“簇”， 每个簇为一多组分混合体系，每一个组 分含有一个潜在的催化基团，可与相邻 的催化基团协同作用。
五、抗体酶（Abzyme） 又称催化抗体（catalytic antibody）
理论基础：过渡态理论。
制备方法： 1.过渡态类似物设计
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。
利用过渡态类似物制备抗体酶
③ 从聚合物中除掉印迹分子。
2．分子印迹酶 印迹底物及其类似物 印迹过渡态类似物
3．生物印迹酶 利用配体诱导酶活性中心构象发生变
化，形成一种高活性的构象形式，此种 构象形式因酶在有机介质中的高度刚性 或通过交联固定而得到保持。
有机相生物印迹酶 水相生物印迹酶
枯草杆菌蛋白酶从含有竞争性抑制剂的水溶液 中冻干出来后，再将抑制剂除去，该酶在辛烷 中催化酯化反应的速度比不含抑制剂的水溶液 中冻干出来的酶高100倍
cavity
பைடு நூலகம் 1． 水解蛋白酶的模拟
利用β-CD作为酶的结合部位，而连在其 侧链上的羧基、咪唑基及CD本身的一个 羟基共同构成催化中心，实现了胰凝乳 蛋白酶的模拟。
组氨酸咪唑基的引入
2．核糖核酸酶的模拟
催化基团所处的位置可对反应的选择性 起作用。
碱性条件下水解，同
时产生Ⅱ和Ⅲ两种产 物，而在A的催化下 水解只生成Ⅲ； B催 化水解反应只生成Ⅱ。

酶分子定向进化技术的原理,发展和应用

酶分子定向进化技术的原理,发展和应用一、引言酶分子定向进化技术是一种利用人工手段来加速酶的进化过程，以获取具有特定功能的酶分子的方法。

这一技术的发展，为生物科技领域带来了革命性的变化，为医药、能源、化工等领域提供了更加高效、环保的解决方案。

本文将对酶分子定向进化技术的原理、发展和应用进行深入探讨，希望能够让读者对这一技术有更深入的了解。

二、酶分子定向进化技术的原理1. 酶的定向进化原理酶分子定向进化技术的原理基于遗传学中的自然选择与突变原理，通过模拟自然界中的演化过程，人为地筛选和改造酶的DNA序列，使其在实验室条件下得到指定的功能。

具体而言，该技术包括以下几个步骤：(1) 酶库构建：通过收集、分离和筛选具有潜在进化价值的酶资源，构建一个原始的酶库。

(2) DNA随机突变：对酶的DNA序列进行随机突变，产生大量变异的酶序列。

(3) 筛选与筛除：将变异的酶序列进行筛选，保留具有目标功能的酶序列，淘汰其他无用的序列。

(4) 重复进化：通过多次重复的突变、筛选和繁殖过程，逐渐获得更符合要求的酶序列。

这一过程模拟了自然选择与突变的原理，通过实验室条件下的人为筛选与改造，最终获得了具有特定功能的酶分子。

2. 酶分子定向进化技术的原理意义酶分子定向进化技术的原理意义在于，通过人工手段对酶进行改造和优化，获取具有特定功能的酶，为人类创造了更多的生物资源。

由于天然界中存在的酶种类有限，而许多工业和生物医药领域需要定制的酶来完成特定的反应和功能，因此酶分子定向进化技术的意义不言而喻。

通过这一技术，研究人员可以获取到更为适用于特定领域的酶资源，推动了生物技术领域的快速发展。

三、酶分子定向进化技术的发展历程1. 初期探索与应用酶分子定向进化技术最早可以追溯到上世纪90年代初，当时科学家们首次尝试通过体外实验室进化来改进酶的性质。

从那时起，人们就意识到酶分子定向进化技术的巨大潜力，并开始进行更为深入的研究与应用。

早期的应用主要集中在从事生物制药和有机合成反应等领域，对酶进行改造和优化，以获得更高效的反应催化剂。

酶的人工模拟


三、模拟酶的分类
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
三、模拟酶的分类
按照模拟酶的属性分类 主-客体酶 胶束酶 肽酶 半合成酶 分子印迹酶
用环糊精已成功地模拟了胰凝乳蛋白酶等多种酶。
一、模拟酶
人工酶（artificial enzyme）
人工酶是用人工合成的具有催化活性的多肽或蛋白质。
人工合成的 Glu-Phe-Ala-Glu-Glu-Ala-Ser-Phe 八肽具有溶菌酶的活性 。其活性为天然溶菌酶的50%。
二、模拟酶的理论基础
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
二、模拟酶的理论基础
2. 主-客体化学和超分子化学
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
超分子化学：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，
三、模拟酶的分类
分子印迹酶
通过分子印迹技术可以产生类似于酶的活性中心的空腔，对底 物产生有效的结合作用，并可以在结合部位的空腔内诱导产生催化 基团，并与底物定向排列。
性质：遵循米氏方程，催化活力依赖反应速度常数。
三、模拟酶的分类
生物印迹酶
生物印迹：指以天然的生物材料，如蛋白质和糖类物质为骨架，在其上 进行分子印迹而产生对印迹分子具有特异性识别空腔的过程
三、模拟酶的分类
5. 印迹酶

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.22009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)02-0125-04Research and Application of Artificial Enzyme TechnologyXING 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 antibodiesAbstract: 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。

酶分子改造的方法及应用 - 副本

酶分子改造的方法及应用摘要：酶工程是研究酶的生产和应用的一门技术性学科，进入20世纪后，随着微生物发酵技术的发展和酶分离纯化技术的更新，酶制剂的研究得到不断推进并实现了其商业化生产，但直接利用酶制剂时存在酶的稳定性差、使用效率低、不能在有机溶剂中反应等缺点。

通过酶的修饰可提高酶的稳定性，消除或降低酶的抗原性，使之更适合生产和应用的要求。

近年来发展的蛋白质工程技术则使酶的定向改造成为可能。

随着生物技术的发展，酶工程将引起巨大的变革。

关键词：酶分子修饰蛋白质工程模拟酶引言：近年来，酶工程开始兴起，迅速发展，其研究成果也越来越广泛地运用于各个领域。

虽然如此，但是由于酶一离开其特定的环境条件就会变得不太稳定，不适合大批量生产的需求，因此，大规模应用酶和酶工艺的还不多。

在工业应用中，底物及产物带来的影响常常导致pH偏离酶作用的最适条件的中性范围，使酶难以发挥作用。

在临床应用上，绝大多数酶对人体而言都是外源蛋白质，具有抗原性，直接注入会引起人体的过敏反应。

所以人们希望能够通过各种人工方法改造酶，使其更能适应各方面的需要。

1.酶分子改造的方法1.1酶分子修饰酶分子修饰[1]（Modification of Enzyme Molecule）即通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的过程。

酶分子修饰在提高酶的活力、增强酶的稳定性、降低或消除酶的抗原性、研究各种物理因素对酶分子空间构象的影响，进一步探讨酶分子的结构与功能之间的关系等方面具有重要意义。

1.1.1酶分子的主链修饰酶分子的主链修饰[2]就是利用酶分子主链（肽链或核苷酸链）的切断和连接，使酶分子的化学结构及其空间结构发生某些改变，从而改变酶的特性和功能的方法。

1.1.1.2主链的切断修饰[3]主链断裂后，引起酶活性中心的破坏，酶的催化功能丧失（用于探测酶活性中心的位置）。

酶活性中心的空间构象维持不变，酶的催化功能也可以保持不变或损失不多，但是抗原性有发生改变。

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2．印迹过渡态类似物
• 用过渡态类似物作印迹分子制备的印迹 聚合物也能结合反应过渡态，降低反应活 化能，从而加速反应。
如用对—硝基苯乙酸酯水解反应的过渡 态类似物对—硝基苯甲基磷酸酯作印迹分 子制备聚合物，制得的MIP证明能优先结合 过渡态类似物，并能加速对硝基苯乙酸酯 水解成对硝基酚和乙酸。
第四节 抗 体 酶
分子印迹分子
• 可用于分子印迹的分子很广泛(如药物、氨基酸、 碳水化合物、核酸、激素、辅酶等)，它们均已成 功地用于分子印迹的制备中。
• 分子印迹聚合中应用最广泛的聚合单体是羧酸 类(如丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸)、磺 酸类以及杂环弱减类(如乙烯基吡啶、乙烯基咪 唑)，其中最常用的体系为聚丙烯酸和聚丙烯酞胺 体系。若要产生对金属的配合作用则应用氨基二 乙酸衍生物。
大学及科研机构，经费投入不足； • 4.酶制剂生产成本太高； • 5.生产装备落后； • 6.酶制剂应用领域十分狭窄，主要集中于洗
涤剂、淀粉加工、乙醇和酒类生产。
工业酶制剂的来源与特点
• 工业酶制剂主要来源于动物、植物和微 生物，尤其是微生物，因微生物繁殖速度 快；种类繁多，品种齐全；培养方法简单， 易于大批量生产。
第六章 酶制剂的应用
第一节 概论
• 1.工业用酶制剂的市场和发展 • 2.我国酶制剂应用方面的现状和问题 • 3.工业酶制剂的来源与特点 • 4.选择使用酶制剂时应考虑的因素 • 5.酶制剂产品的开发热点
我国酶制剂应用方面的现状和问题
• 1.酶制剂企业规模太小； • 2.酶制剂品种少，产品结构极不合理； • 3.对酶制剂的开发热情不高，主要依赖于各
酶
第二节 酶在食品加工方面的应用
一、酶法生产葡萄糖
• 国内外萄萄糖的生产大都采用酶法。酶 法生产葡萄糖是以淀粉为原料，先经α－淀 粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡 萄糖。
淀粉的液化
• 淀粉先加水配制成浓度为30一40％的淀 粉浆，pH值一般调至6.0～6．5，添加一定 量的α－淀粉酶后，在85～90℃的温度下保 温45min左右，使淀粉液化成糊精。液化反 应一般以碘反应颜色正好消失时为终点。
• 工业酶制剂的特点：一般而言，含杂蛋 白的酶制剂比纯品稳定，干燥品比液体制 剂稳定。酶是通过催化活性而不是一般质 量来识别和出售的。
选择使用酶制剂时应考虑的因素
• （1）底物特异性 • （2）pH • （3）温度 • （4）激活剂和抑制剂 • （5）价格因素
酶制剂产品的开发热点
• （1）食品加工用酶， • （2）饲料用酶，特别是植酸酶， • （3）纺织用酶 • （4）洗涤剂用酶 • （5）临床诊断用酶、治疗用酶、化妆品用
三、抗体酶的应用
• 1 抗体酶在有机合成中的应用: 各类精细化工产品和合成材料的工业生
产需要具有精确底物专一性和立体专一性 的催化剂，而这正是催化抗体的突出特点。 特别是那些天然酶不能催化的反应，可通 过设计定做抗体酶来弥补天然酶的不足。
• 2 . 用于阐明化学反应机制
3. 抗体在医疗上的应用:
合成的主—客体酶模型
• (二) 合成的主—客体 酶模型 用合成的冠醚、穴 醚、环番、环芳烃等 大环多齿配体用来构 筑酶模型。
二、胶束模拟酶
• 胶束在水溶液中提供了疏水微环境(类似 于酶的结合部位)，可以对底物束缚。如果 将催化基团如咪唑、硫醇、羟基和一些辅 酶共价或非共价地连接或吸附在胶束上， 就有可能提供“活性中心”部位，使胶束 成为具有酶活力或部分酶活力的胶束模拟 酶。
二、抗体酶的制备方法
• 迄今，大多数抗体酶是通过理论设计合 适的与反应过渡态类似的小分于作为半抗 原，然后让动物免疫系统产生针对半抗原 的抗体来获得的。由于以反应的过渡态类 似物为半抗原诱导的抗体在几何形状和电 学性质上与反应过渡态互补，因而稳定了 过渡态，从而加速反应。
1．稳定过渡态法：
• 以Pauling的稳定过渡态理论为指导，即利用反 应的过渡态类似物作为半抗原产生抗体酶。
• Shultz小组利用与底物扭曲构象相似的扭曲卟 啉作半抗原制备的抗体可催化卟啉金属螯合反应。 亚铁螯合酶是血红素生物合成途径中的末端酶， 可催化亚铁离子插入原卟啉的生物合成。N—甲 基原卟啉由于内部甲基取代而呈扭曲结构，它是 此酶的有效抑制剂，也与酶催化的卟啉金属螯合 反应的过渡态类似。由于甲基卟啉的抗体可催化 平面结构原卟啉的金属螯合，这就为该反应过渡 态扭曲结构的作用提供了证据。
• 此技术包括如下内容： • ①选定印迹分子和功能单体，使二者发生互补反
应； • ②在印迹分子—单体复合物周围发生聚合反应；
③用抽提法从聚合物中除掉印迹分子。 • 结果，形成的聚合物内保留有与印迹分子的形状、
大小完全一样的孔穴。该聚合物能以高选择性重 新结合印迹分子。
分子印迹聚合物的制备方法：
• 分子印迹聚合物的制备方法： ①选定印迹分子和单体，让他们之间充分 作用； ②在印迹分子周围发生聚合反应； ③将印迹分子从聚合物中抽提出去。 于是，此聚合物就产生了恰似印迹分子 的空间，并对印迹分子产生识别能力。
• （2）超分子化学
• 超分子的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，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已成为酶人 工模拟的重要理论基础，是人工模拟酶研 究的重要理论武器。
生理条件下保持其催化活性。
第二节 模拟酶的分类
• 根据Kirby分类法，模拟酶可分为： • ①单纯酶模型，即以化学方法通过天然酶
活性的模拟来重建和改造酶活性； • ②机理酶模型，即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； • ③单纯合成的酶样化合物，即一些化学合 成的具有酶样催化活性的简单分子。
三、肽酶
• 模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催 化活性的多肽。
四、半合成酶
• 半合成酶是以天然蛋白质或酶为母体，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”。
• 如将枯草杆菌蛋白酶活性部位的丝织酸(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)。
个D—葡萄糖以1，4—糖苷键结合而成的一 类环状低聚糖，CD分子外侧是亲水的，其 羟基可与多种客体形成氢键，其内侧是C3， C5上的氢原子和糖苷氧原子组成的空腔， 故具有疏水性，因而能包结多种客体分子， 很类似酶对底物的识别。
环糊精作为酶模型
• 利用环糊精为酶模型已对多种酶的催化 作用进行了模拟。在水解酶、核糖核酸酶、 转氨酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素 酶和经羟醛缩合酶等方面都取得了很大的 进展。
• 在设计模拟酶之前．应当对酶的结构和 酶学性质有深入的了解； ①酶活性中心—底物复合物的结构； ②酶的专一性及其同底物结合的方式与能 力； ③反应的动力学及各中间物的知识。
• 设计人工酶模型应考虑如下因素： （1）非共价键相互作用； （2）反应定向发生； （3）模型应具有足够的水溶性，并在接近
• 按照模拟酶的属性，模拟酶可分为： • ①主—客体酶模型，包括环糊精、冠醚、
穴醚、杂环大环化合物和卟啉类等； • ② 胶束酶模型； • ③ 肽酶； • ④抗体酶； • ⑤分子印迹酶模型； • ⑥半合成酶等； • 近年来又出现了杂化酶和进化酶。
一、主—客体酶模型
• （一）环糊精酶模型： • 环糊精(cyclodextrin，简称CD)是由多
第五章 酶的人工模拟
第一节 模拟酶的理论基础和策略
• 一、模拟酶的概念
• 模拟酶又称人工酶或酶模型，它是生物 有机化学的一个分支。
• 模拟酶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 及酶的作用机理和立体化学等特性的一门 科学。
• 可见，模拟酶是从分子水平上模拟生物 功能的一门边缘科学。
二、模拟酶的理论基础
• 1．模拟酶的酶学基础 酶的催化机制：酶先与底物结合，进而选择性
稳定某一特定反应的过渡态，降低反应的活化 能．从而加快反应速度。
设计模拟酶一方面要基于酶的作用机制，另一 方面则基于对简化的人工体系中识别、结合和催 化的研究。要想得到一个真正有效的模拟酶，这 两方面就必须统一结合。
2．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。已经发现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。
• Shokat等利用抗体与半抗原之间的电荷 互补性，制备了针对带正电半抗原的抗体， 结果在抗体结合部位上产生带负电的羧基， 可作为一般碱基催化β－消除反应。
二、分子印迹酶
• 通过分子印迹技术可以产生类似于酶的活 性中心的空腔，对底物产生有效的结合作 用，更重要的是利用此技术可以在结合部 位的空腔内诱导产生催化基团．并与底物 定向排列。
1. 印迹底物及其类似物
• 如Mosbach等应用分子印迹法制备具有催化二肽合成 能力的分子印迹酶。所合成的二肽为Z-L-天冬氨酸与L— 苯丙氨酸甲酯缩合产物，它们分别以底物混合物(Z—L— 天冬氨酸与L—苯丙氨酸为1：1混合)以及产物二肽为印迹 分子，以甲基丙烯酸甲酯为聚合单体，二亚乙基甲基丙烯 酸甲酯为交联剂，经聚合产生了具有催化二肽合成能力的 二肽合成酶。研究表明以产物为印迹分子的印迹聚合物表 现出最高的酶催化效率，在反应进行48h后，其二肽产率 达到63％．而以反应物为印迹分子的印迹聚合物催化相同 的反应时二肽产率却较低。
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。