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几种模拟酶的研究进展几种模拟酶的研究进展应化一班201130790107 黄焯轩模拟酶是一类利用有机化学方法合成的比天然酶简单的非蛋白分子。
对环糊精模拟酶、冠醚化合物的模拟酶、超氧化物歧化酶模拟物等结构特征进行综述,为设计和合成更加简单、稳定的模拟酶提供参考。
天然酶是一种生物催化剂,结构复杂，价格昂贵,且易变性失活，而模拟酶(mimetic enzyme)，则是一类利用有机化学方法合成的比天然酶简单的非蛋白分子。
模拟酶结构比天然酶简单，化学性质稳定，具有酶的功能，还有高效、高选择性和价廉易得等优点。
模拟酶的研究不仅对分析化学有重要意义,而且对生物原理和生命过程实质的揭示都有重要意义[1]。
近年来，国际上开发出一种分子压印技术，该技术可以借助与模板在高分子物质上形成特异的识别位点和催化位点,其原理与抗体酶的制备大体相同，只是用人工高聚物代替抗体。
但在人体内大多数模拟酶的稳定性和活性都会有所下降,因而设计和合成活性中心结构精确、热力学稳定、动力学惰性并具有实用价值的模拟酶，仍然任重而道远。
现介绍几种模拟酶的研究现状,以期为模拟酶的进一步开发提供参考。
1环糊精模拟酶1891年，环糊精被发现，但长期以来由于化学反应被认为仅发生于分子间的碰撞而没有引起人们的重视。
近年来，随着对环糊精性质研究的深入，发现其具有独特的包络作用,即包络多种有机和无机分子，因此环糊精可作为模拟酶的模型，模拟多种天然酶[2]。
环糊精的分子形状如轮胎，由几个D(+)葡萄糖残基通过α-1,4糖苷键连接而成,聚合度分别为6.7 或8个葡萄糖。
α-,β-及γ-环糊精, 每个葡萄糖残基均处于无扭变变形的椅式构象。
3种环状糊精的结构相似，均为白色结晶粉末，但性质存在差别。
β- 环糊精的水溶解度最低，容易在溶液中结晶，溶解度随温度上升而增高；环状糊精不溶于有机溶剂，结晶无一定熔点，加热200℃开始分解，加有机溶剂能助长β-环糊精从水溶液中结晶出来。
模拟超氧化物歧化酶的研究进展及应用前景摘要：超氧化物歧化酶能有效清除体内的活性氧，从而避免机体损伤，但其分子量大、稳定性差，应用受局限，因此其化学模拟引起了人们的研究兴趣。
本文简述了活性氧的危害、超氧化物歧化酶的作用机理以及超氧化物歧化模拟酶（特别是CuZnSOD模拟酶、MnSOD模拟酶）的研究进展。
关键词：超氧化物歧化酶模拟酶金属模拟酶1 活性氧及其危害需氧生物的生存离不开氧，但是氧的某些代谢产物及其衍生的活性物质可能会损伤机体，这些物质被称为活性氧物种(reactive oxygen species，ROS)，是指由氧形成的，主要包括:O2-、OH-、H2O2等[1]。
适量的ROS在分子间和细胞内信号传递、细胞生长与分化及宿主免疫防御机制等方面有重要作用[2]。
但是，过量的ROS对机体是有害的，机体内过多的活性氧会引起脂质过氧化，改变生物膜结构和功能，使蛋白质变性、交联，酶失活等，同时也与心肌休克、辐射损伤、动脉粥样硬化、免疫系统缺陷等疾病的发生、发展密切相关[1]。
2 超氧化物歧化酶及催化机理超氧负离子自由基（O2-）是活性氧物种之一，可对脂质、蛋白质、核酸等进行广泛进攻而产生极大的毒害作用。
而超氧化物歧化酶（SOD）是生物体内天然的O2-的“克星“，是目前唯一一种能有效清除超氧自由基的酶[1]。
超氧化物歧化酶是一种广泛存在于动、植物及微生物中的金属酶，按所含金属辅基的不同，至少可分为三类[3]：1、Cu-ZnSOD，呈蓝绿色，主要存在于真核细胞的细胞浆内，分子量在32000左右，由两个亚基组成，每个亚基含一个铜和一个锌。
2、MnSOD，呈粉红色，其分子量随来源不同而异；来自原核细胞的分子量约为40000，由两个亚基组成，每个亚基各含一个锰，来自真核细胞线粒体的MnSOD，由4个亚基组成，分子量约为800000。
3、FeSOD，呈黄色，只存在于真核细胞中，分子量在38000左右，由两个亚基组成，每个亚基各含一个铁。
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。
1.分子酶的研究进展分子酶工程学就是采用基因工程和蛋白质工程的方法和技术,研究酶基因的克隆和表达、酶蛋白的结构与功能的关系以及对酶进行再设计和定向加工,以发展更优良的新酶或新功能酶。
1.1酶分子的定向改造和进化分子酶工程设计可以采用定点突变和体外分子定向进化两种方式对天然酶分子进行改造。
体外定向进化是近几年新兴的一种蛋白质改造策略,可以在尚不知道蛋白质的空间结构,或者根据现有的蛋白质结构知识尚不能进行有效的定点突变时,借鉴实验室手段在体外模拟自然进化的过程(随机突变、重组和选择),使基因发生大量变异,并定向选择出所需性质或功能,从而使几百万年的自然进化过程在短期内得以实现。
此目前采用体外分子定向进化的方法来改造酶蛋白的研究越来越多,并已在短短几年内取得了令人瞩目的成就,易错PCR 和DNA 改组就是其中2种方法。
1.2融合蛋白与融合酶蛋白质的结构常常可以允许某个结构域的插入与融合。
DNA 重组技术的发展与应用使不同基因或基因片段的融合可以方便地进行,融合蛋白经合适的表达系统表达后,即可获得由不同功能蛋白拼合在一起而形成的新型多功能蛋白。
目前,融合蛋白技术已被广泛应用于多功能工程酶的构建与研究中,并已显现出较高的理论及应用价值。
随着基因组、后基因组时代的到来和重组酶生产技术的开发,必将会有大量的、新的酶蛋白被人类发现。
1.3酶的人工模拟模拟酶是根据酶作用原理,用人工方法合成的具有活性中心和催化作用的非蛋白质结构的化合物。
它们一般都具高效和高适应性的特点,在结构上比天然酶简单;由于不含氨基酸,其热稳定性与pH 稳定性都大大优于天然酶。
目前用于构建模拟酶的模型有环糊精、冠醚、卟啉抗体酶和分子印迹等。
2.酶工程的应用进展2.1活性多肽的开发研究近年来,人们利用酶工程技术来开发功能性活性肽取得了很大的进展。
生物活性肽是蛋白质中20种天然氨基酸以不同排列组合方式构成的从二肽到复杂的线性或环形结构的不同肽类的总称,是源于蛋白质的多功能化合物。
基于环糊精组装体的模拟酶功能研究的开题报告Ⅰ. 研究背景和意义酶是生命体系中重要的催化剂，具有高效、特异性和可控性等优点。
许多酶催化反应的特异性依赖于其复杂的三维结构，往往难以合成或重构。
因此，开发具有酶活性的人工分子，成为了合成生物学和材料科学领域的热点研究方向。
环糊精是一种环状分子，其空心内部具有分子识别能力。
环糊精及其衍生物可以用于组装人工酶，模拟酶催化反应，具有构造简单、稳定性好、可控性高等优点。
因此，基于环糊精组装体的模拟酶功能研究具有重要意义。
Ⅱ. 研究主要内容本研究将基于环糊精组装体，设计和构造具有模拟酶功能的人工分子，主要包括以下内容：1. 确定模拟酶反应的选择和策略。
根据不同的反应类型，选择不同的反应底物和酶催化机理，建立相应的模拟酶反应体系。
2. 构建环糊精组装体。
采用化学合成、自组装等方法，构建具有特定结构和功能的环糊精组装体，包括双环、三环、四环等不同的环糊精组装体。
3. 评价模拟酶活性。
利用光谱、色谱等方法，评价环糊精组装体的酶活性和反应效率，优化酶催化体系。
Ⅲ. 研究意义和创新点1. 通过基于环糊精组装体的模拟酶研究，可以理解和控制酶催化反应的机制，为设计和构建新型人工酶提供理论指导和实验基础。
2. 环糊精组装体具有简单的构造和容易控制的特点，可以应用于高效、可控的羟化、酯化、酰化等反应领域，为相关生物医药、食品、环境等领域的应用提供可能。
3. 本研究利用环糊精组装体构建模拟酶体系，具有创新性、开拓性，将为生物医药、材料科学等领域提供新的研究思路和方法。
Ⅳ. 研究计划和预期结果本研究拟分为3个阶段，具体计划如下：第1阶段（3个月）：确定模拟酶反应的选择和策略。
建立相应的模拟酶反应体系。
第2阶段（6个月）：构建环糊精组装体。
采用化学合成、自组装等方法，构建符合酶催化反应机理的环糊精组装体。
第3阶段（6个月）：评价模拟酶活性。
利用光谱、色谱等方法，评价环糊精组装体的酶活性和反应效率，优化酶催化体系。
环糊精在模拟酶中的应用和发展
摘要：环糊精是一种优良的模拟酶母体，在模拟酶的研究中占有重要地位，本文对模拟酶的性质进一步的认识和了解，对环糊精在模拟酶的应用和发展作详细的阐述，展望环糊精发展的前景。
关键词：酶模拟酶环糊精主客体应用
一模拟酶的认识
1 酶的认识
酶是一种蛋白质，广泛存在于生物体中，而且扮演着重要的角色，尤其在生物催化方面，它高度的专一性和高效率的催化对生物的各种生理调节起关键作用，由于催化效率高，有许多科学希望能够从生物体提取这些物质，但是随着时间的推移，科学家发现提取这些的难度非常大，而且成功率比较低，于是科学家转移研究方向，寻找酶有相似功效的模拟酶。
2 模拟酶定义和性质
模拟酶的研究就是从酶中挑选出那些起主导作用的因素来设计并合成一些能表现出生物功能的，比天然酶简单得多的非蛋白分子,，以它们作为模型来模拟酶对底物的结合及催化过程, 进一步找出控制生化过程的重要因素, 追寻酶的高效、专一这些特异性的根源, 发展新的非生物催化剂—模拟酶（mimed enzyme）。
如果要设计一种模拟酶，那么我们主要是模拟酶的那些性质呢？我觉得主要模拟以下性质：
1、高度的专一性，酶只作用一种底物, 只催化一种反应，在酶催化反应中, 利用酶的强疏水场、不对称场、静电场、氢键、范德华力及色散力, 通过诱导锲合作用对底物进行全方位的识别[1]。
2、酶反应的高效率，在于首先与底物结合成不稳定的中间复合物, 具有低活化能, 可用下式表示[2]：
E(酶)+S（底物）ES E+P（产物），此结合是特异地进行的, 可用图1表示：
图1 酶结合底物分子示意图
3、主一客体现象，从酶结合底物这点出发, 研究结合特异性、结合驱动力和结合强度, 发展了一门主一客体化学, 可用图2表示：
图2 主一客体作用示意图
总的来说，主一客体现象存在于有机、无机、生物体反应、物质输送及亲和层析等领域中。
酶反应的特异结合（主一客体识别）和其后的高选择反应, 吸引人们探索如何模拟生物体反应, 再现酶催化功能, 即模拟酶研究, 这是近年来发展起来的仿生化学的重要部分。
模拟酶的催化反应, 在常温、常压、中性、水溶液中进行快速高选择反应, 有效地生成目的物,可促进化学工业向着节省能源、节省资源、无公害的理想境地发展。
在模拟酶的研究中, 对脱辅基酶的模拟为较多, 而可作为其代用品的宿主分子, 目前已有许多, 如冠醚、叶琳环、杯芳烃、环糊精、胶束……等。
但迄今被广泛采用且较为优越的是环糊精[3]。
二环糊精的了解和模拟酶方面的发展
1 环糊精定义和性质
环糊精( cyclodextrins, CD) 是由环糊精糖基转移酶作用于淀粉或直链糊精生成的一种由D 吡喃型葡萄糖通过α- 1, 4 糖苷键连接的环状糖, 其中葡萄糖残基的个数一般为6、
7、8, 分别称为α, β,γ - 环糊精。
环糊精自1891 年由Villiers 发现以来, 对其研究已有100 多年的历史 , 而其大量应用于食品工业、药品工业、环保工业等领域则是近10 来年的事。
环糊精作为超分子化合物,之所以能用于酶的模拟, 其主要原因有[4]:
（1）α, β,γ- 环糊精系列有良好的水溶性，分布在空腔两侧的伯、仲羟基, 作为质子供体很活跃, 而且这些立体地分布在空腔周边的羟基与底物配合容易达到有利配置状态。
（2）伯、仲羟基有不同的反应活性, 可以通过化学方法引入催化基, 建立电荷和质子传递体系。
（3）分子内空腔由葡萄糖基的C - 3 - H, C- 5- H和1, 4 苷键氧构成, 是一个相对刚性的疏水空穴, 有利于对有机分子的选择结合和定位，而疏水环境能促进某些有机反应的进行，具有分子识别的功能。
2 环糊精的模拟酶合成及应用
根据环糊精以上的性质来构筑仿酶模型, 就是利用环糊精的疏水空腔对适当的底物进行包接, 这一部位称之为疏水部位，然后在环糊精的较大或小开口端上的轻基进行适当的修饰, 引入某些具有催化作用的有机基团, 这一部位称之为催化部位认环糊精利用这两个部位的协调作用, 即疏水作用和催化作用从而达到模拟酶的目的。
环糊精已用于模拟许多酶,如水解酶、核糖核酸酶、转氨酶、过氧化物酶、氧化还原酶、羟醛缩合酶等，以下列举几种酶的应用：
（1）水解酶类[5]
早期人们发现环糊精的氧负离子可与羧酸酯反应,随后又发现环糊精上的羟基能被包合于环糊精空腔中的酯乙酰化如下图,而且环糊精参与的反应,其反应速率通常有较大变化. 如乙酸间硝基苯酚酯(mNPA) 在相同条件下的水解速率比没有β2CD时快100 倍。
图3 环糊精羟基负离子的乙酰化
后来人们利用这个特点，对环糊精进行各种因素的分析，得出：无论是从底物和反应条
件着手,还是从环糊精的修饰着手,它们均能使底物的水解速率比无催化剂CD 时快几个数量级,但简单的环糊精模拟催化羧酸酯的水解反应几乎都是利用环糊精中的羟基形成氧负离子来进行亲核进攻(另加亲核试剂时有所不同) ,所以反应必须在碱性条件下进行.因此,简单环糊精所催化的羧酸酯水解反应离真正意义上的生物模拟酶催化反应还有较大差异。
为了解决这个问题，有人在环糊精中引入带有催化的基团，提高环糊精的水解效果，咪唑基和金属离子的引入，对环糊精的水解效果有了很大的提高。
（2）过氧化物酶类[6]
测定葡萄糖的浓度常用过氧化物酶来测定，但是由于活性的过氧化酶提取的成本很高，为了解决成本的问题，模拟过氧化酶是必须的，用环糊精模拟的制备反应式如下：
图4 环糊精模拟过氧化酶反应式
模拟酶制备简便，费用低廉。
易存取，能循环再生使用，对于葡萄糖的测定带来好处，在医学中有很大的帮助。
环糊精除了以上两种应用外，还有许多方面的应用，由于模拟酶的廉价、方便等特点，科研人员对它的研究越来越广，尤其对环糊精的研究，环糊精水溶性、空腔的结构，对物质的识别能力，使得它的研究更有价值。
三环糊精构筑模拟酶的发展和前景
模拟酶的研究是化学中的新兴研究领域, 虽然目前尚处于起步阶段, 但近年来利用环糊精构筑了一定数量的酶模型, 显示出大有希望的前景。
它的继续发展有赖于化学家们创造性的思维, 精湛的设计和富有成效的实验工作。
模拟酶研究将不断深化, 更多更理想的酶模型将不断涌现。
这方面的研究成果将有助于进一步认识酶的本质，揭示生命过程的奥秘，将引导化学进入一个崭新的时代---------化学反应已不再依靠剧烈条件下的分子碰撞, 而将是温和条件下由络合过程所导向的协调的价键组合。
参考文献
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[2] 童林荟.模拟酶研究进展—以环糊精为基础的模型研究,71-86
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[4] 陆冬梅,罗志刚,杨连生,高群玉.环糊精模拟酶的研究进展.粮油食品科技,2005,13(4):27-28
[5] 操锋，任勇，华维一，马坤芳，郭寅龙.利用人工模拟酶环糊精催化羧酸酯水解反应的研究进展.有机化学,2002,22(11):827-834
[6] 沈静茹,雷灼霖,孙小梅,韦继争,丁志刚.β_环糊精构筑模拟酶催化法测定葡萄糖.分析化学研究报告.2001,29(7):828-831。
