下载文档原格式
酶学研究的新进展酶是生命体中的重要组分，可以催化生物反应，因此在许多生物和重要的产业中具有广泛的应用。
近年来，随着分子生物学、结构生物学、生物化学等科学的不断发展，酶的研究也取得了许多新进展。
基于基因组学的酶研究随着基因组学研究的深入，越来越多的序列信息被发现。
这些序列信息的发现为酶学研究提供了更全面的基础。
通过基因组学的方法，我们可以预测和发现数千种新酶，这些酶在生物工程和制药业中具有很大的应用前景。
同时，基于基因组学的方法还可以大规模筛选酶，以选择最适合特定反应、反应条件和底物的酶。
分子动力学的酶研究随着计算机科学和生物技术的不断进步，分子动力学已成为研究酶活性和酶机制的常用方法之一。
利用分子动力学模拟可以获得酶分子结构在时间和空间上的变化情况，从而了解酶的结构和酶活性。
此方法可以帮助酶学家设计新的酶，同时也可以揭示酶结构和机理的奥秘。
高通量分析的酶研究传统的酶研究方法比较繁琐、费时且样品需求量较大，而高通量分析技术可以同时处理多种样品，快速地筛选新的酶和优化酶反应条件。
高通量分析策略中包括光化学和蛋白质芯片技术等。
结合高通量分析技术，酶学家可以更好地理解和控制反应过程，以此提高生产效率和酶的价值。
蛋白质结构研究与酶机制研究酶是由蛋白质组成的，因此研究蛋白质的结构有助于了解酶的机制。
利用蛋白质结晶技术和冷冻电镜技术等方法，已经解析了大量酶的高分辨率结构，这些结构为研究酶的功能和机制提供了重要的信息。
结合蛋白质结构和酶机制研究，科学家可以深入了解酶的功能和机理，开发新的酶及其应用。
总的来说，随着不同科学技术的发展，酶学研究也在不断取得新的进展。
同时，酶作为生命体中的关键组分，在生物工程、制药、食品加工和环境保护等多个领域中具有广泛的应用前景。
相信在不久的将来，酶学研究将会为我们带来更多的惊喜。
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。
酶分子动力学的模拟研究及其在设计酶催化剂中的应用酶分子动力学（Enzyme Molecular Dynamics，EMD）是一种在计算机上通过模拟酶分子的运动过程研究酶的动态行为的方法，其模型将酶分子看作是一个由原子组成的三维结构，在原子间能量变化的驱动下进行动态的构象变化。
EMD方法可以模拟酶分子在不同环境下的运动和互作，揭示酶结构与功能之间的关系。
利用EMD方法，可以对酶分子的活性位点、互作部位、催化反应机理等进行深入研究，为酶催化剂的设计提供理论指导。
EMD方法需要结合分子力学或量子化学计算方法，使用大规模计算机进行计算。
在模拟酶分子的动态过程中，需要考虑分子间相互作用力，包括键能、角能、电荷作用力、范德华力等。
此外，还需要考虑水分子、溶剂、离子等对酶分子的影响，以更加接近实际环境。
EMD方法可以揭示酶分子的构象变化、动态行为等变化规律，为分子设计提供重要的辅助信息。
例如，可以通过模拟酶分子的构象变化，预测酶分子所能容纳的底物和产物的大小和分子形状等性质，从而设计出更加适合酶催化反应的底物和产物。
此外，酶分子的催化反应机理也是EMD研究的重点之一。
通过模拟酶分子的催化反应过程，可以建立酶分子的反应能垒曲线和反应速率等参数，为酶催化剂的设计提供理论依据。
值得一提的是，随着计算机技术的快速发展，EMD方法的计算能力和数据处理能力不断提高，为酶催化剂的设计提供了更加广阔的应用前景。
未来，EMD方法可能成为一种重要的分子设计工具，为制造更加高效、高稳定性、低成本的酶催化剂提供帮助。
总之，酶分子动力学的模拟研究是一种重要的酶学研究方法，可以揭示酶分子的构象变化、催化反应机理等变化规律，为酶催化剂的设计提供理论基础，并在相关领域中具有广泛的应用前景。
1 绪论酶作为生物催化剂，具有专一性、高效性、反应条件温和等优点，是一种具有特殊三维空间构象的蛋白质，它们在体内几乎参与了所有的转变过程, 催化生物分子的转化。
同时, 它们也催化许多体内存在的物质发生变化, 使人体正常的新陈代谢得以运行。
因此受到人们的普遍关注。
近年来, 特别是随着生化技术的进展, 酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段应用于有机合成, 特别是催化不对称合成反应。
光学活性化合物或天然产物的合成, 已应用于医药、农药、食品添加剂、香料、日用化学品等精细有机合成领域。
酶催化不会污染环境, 经济可行, 符合绿色化学的方向, 具有广阔的前景。
2 酶催化与有机合成反应对于酶催化反应在有机合成中的应用, 有机合成工作者做了大量工作。
随着科技进步的日新月异, 酶催化反应越来越多地被有机化学家作为一种手段用于有机合成特别是不对称合成反应, 进行光学活性化合物或天然产物的合成时, 能为天然或非天然产物的合成提供丰富的手性源, 其应用前景将是难以估量的。
2.1 不同反应体系中的酶促反应2.1.1 有机介质中的酶促反应酶在有机介质中不但能保持其活性，还表现出一些特殊性质，并具有如下优越性：有利于疏水性底物的反应；产物和酶易于回收；可改变反应平衡移动的方向；可控制底物专一性；可防止由水引起的副反应；可扩大反应pH值的适应性；可提高酶稳定性；可避免微生物污染等。
在保证必需含水量；选择合适的酶及酶形式；选择合适的溶剂；选择最佳pH值；选择合适的反应体系的条件下，则在有机介质中酶可显示很高的催化活性。
目前在有机介质中已成功用酶进行了氧化、、脱氢、脱氨、还原、羟基化、甲基化、环氧化、酯化、酰胺化、磷酸化、开环反应、异构化、侧链切除、缩合及卤化等反应。
过去人们认为酶在有机介质不稳定，但研究发现大多数酶在低水有机介质中比在水介质中更稳定。
一是表现在热稳定性提高。
在有机介质中，在不同温度下保温脉酶，发现热处理导致酶活性增加，而且酶在温度远超过其在水溶液中最适温度的情况下也不失活。
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。
新型酶的研究进展及其生物技术应用酶是一类高效催化剂，能够促进生物反应的进行。
近年来，随着生物技术和生物化学领域的快速发展，许多新型酶被发现并得到了广泛应用。
本文将介绍新型酶的研究进展及其生物技术应用。
一、蛋白质酶（Proteinase）蛋白质酶是一类能够切割蛋白质的酶。
传统的蛋白质酶往往需要有金属离子或较为苛刻的反应条件才能发挥催化作用。
近年来，一种新型蛋白质酶——无金属离子蛋白质酶（Metal-free proteinase）被发现。
这种酶不需要任何金属离子的参与，而能够高效地水解蛋白质。
无金属离子蛋白质酶可以应用于制备酶解蛋白产品、蛋白质组学研究等领域。
二、多糖酶（Polysaccharidease）多糖酶是一类能够降解多种不同形态的多糖分子的酶。
以纤维素为例，传统的纤维素酶往往需要较高的温度和酸碱条件才能发挥催化作用。
近年来，一种新型多糖酶——多功能环酶（Multifunctional Lytic Polysaccharide Monooxygenase, LPMO）被发现。
多功能环酶能够在中性条件下降解纤维素，并且与传统纤维素酶协同作用，使得纤维素的降解效率大大提高。
多功能环酶在生物质降解、纤维素乙醇发酵等领域有重要应用。
三、RNA酶（RNase）RNA酶是一类能够切割RNA的酶。
传统的RNA酶往往需要较为苛刻的条件才能发挥催化作用。
近年来，一种新型RNA酶——人工转座子酶（Artificial ribonuclease enzymes, ARNs）被发现。
人工转座子酶是通过合成多肽链来模拟自然界中的酶。
它们不依赖于任何金属离子或较为苛刻的条件，而能够高效地切割RNA。
人工转座子酶可以应用于RNA结构和功能分析、RNA基因表达调节等领域。
四、氧化酶（Oxidase）氧化酶是一类能够催化氧化反应的酶。
传统的氧化酶往往需要较高的氧气浓度和温度才能发挥催化作用。
近年来，一种新型氧化酶——氧气调节氧化酶（Oxygen-regulated oxidases, OROs）被发现。
酶催化机理的分子模拟研究及其应用实例酶是一类生物学上重要的蛋白质分子，其在许多生理生化反应中都发挥着关键的催化作用。
酶催化机理的研究对于深化我们对于生物化学过程的了解有着重要的意义。
在过去的几十年里，人们利用计算机模拟的方法对于酶催化机理进行了大量研究，为我们理解酶催化反应中的分子机制奠定了坚实的基础。
本文将探讨酶催化机理的分子模拟研究以及其应用实例。
1. 酶催化机理的简介酶是生物催化反应的主要工具。
它们通常是蛋白质分子，按照催化反应类型，可以分为氧化酶、还原酶、水解酶、异裂酶等。
酶促进化学反应的机制是使反应的过渡态能量局限在体系中，从而增加反应速率，同时不改变反应的热力学性质。
2. 分子模拟的方法分子模拟是目前研究酶催化机理的一种有效的方法。
分子模拟利用计算机仿真的方法模拟分子之间的交互作用，并预测它们的结构和催化机制。
通常的分子模拟手段包括分子力学、分子动力学和量子化学计算。
分子力学是一种较为简单、适用于大分子模拟的方法。
它主要是按一定的经验公式计算分子间的相互作用势能，来研究分子结构和性质。
分子动力学则是模拟分子运动状态的一种方法，通过解决牛顿动力学方程，描述粒子的运动轨迹、分子振动以及温度和热力学性质等。
而量子化学计算则是在量子力学的框架下，对于分子的电子结构和反应机制进行计算。
3. 酶催化机理的分子模拟研究通过分子模拟手段，人们可以揭示酶催化反应中的分子机制。
譬如，利用分子动力学模拟方法的研究表明，酶催化反应具有双重物理化学机制，其中尤为重要的是内环酯化机制和酸碱催化机制。
内环酯化机制是利用酶将底物中的酯类勾连成环状，使得分子内的亲近作用更紧密，从而促进反应的进行。
酸碱催化机制则是利用酶内的酸碱分子，调节反应时底物分子的质子化程度及中间状态的稳定性，从而实现反应的“接力”。
此外，量子化学计算也在研究酶催化机理中发挥了重要作用。
以蛋白酶和肽酶为例，这两个酶的底物结构均为肽键，但它们的催化机制却不同。
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。
工业生产常用甲苯为络合剂，从发酵液中结晶β-环糊精。
化合物分子大小适当，能被环状糊精穴洞包埋在内得络合物，较大分子不能被全部包埋在洞内，这种反应成为包接反应,所得产物成为包接络合物，这是环糊精最重要的功能。
2冠醚化合物的模拟酶
1967 年Pederson 首次合成冠醚，并报道了这类化合物具有和金属离子、铵离子及有机伯铵离子形成稳定络合物的独特性质。
随后人们合成了各种各样具有不同络合性能的所谓
“主体分子”，并提出“主客体络合物化学”的新概念,主体-客体之间的这种非共价络合作用是生物过程中酶-底物、抗原-抗体、激素-受体等许多手性识别的基础。
因而,近年来这一领域的研究越来越引起化学家们的兴趣和关注。
通过设计，将一些具有催化活性的基团连接在主体分子上,就能很好地模拟酶的作用。
研究还表明，手性冠醚主体分子在络合氨基酸酯时，对客体分子的对映具有很高的选择性，这种手性识别为模拟酶的活性部位提供了一个良好的基础。
3超氧化物歧化酶(SOD)的模拟物
OD活性与金属离子有关，配位化学家将小分子化合物与Cu2+、Mn3+或Fe3+配位,制成模拟SOD，采用模拟SOD可以研究金属离子催化O2-歧化为O2与H2O2的作用机理，并有可能作为药物应用于临床。
因此,近20年来对模拟SOD进行了较多研究[3]，尤其是模拟Cu，Zn- SOD及Mn-SOD。
4过氧化物酶的模拟
过氧化物酶是一类从植物、动物、微生物中提取出来的氧化还原酶，其以血红素为辅基，参与生物体内的生理代谢[4]。
在生命活动过程中,过氧化物酶主要是催化分解生物体内的氧化物或过氧化物氧化分解其它毒素。
由于过氧化物酶对氢受体H2O2具有独特的活化作用，其可以高效地催化活化H2O2，而H2O2又是生物反应过程中一种重要的中间物质，因此对H2O2的准确测定，在分析化学中具有重要的意义。
目前广泛应用的过氧化物酶是从天然植物中提取的辣根过氧化物酶(horseradishperoxidase, HRP)。
由于HRP价格昂贵，容易失活，在酶联免疫分析上因分子较大而不利于抗原抗体结合,并且标记过程复杂。
因此，寻找能够替代HRP 的模拟酶和催化体系，并探寻优良的氢供体底物以提高模拟酶催化反应灵敏度是酶催化反应的研究热点。
参考文献:
[1] 刘有芹, 颜芸, 沈含熙. 模拟酶的研究与发展[J]. 化学进展, 2005, 17(6): 1067- 1073.
[2] 邱文革, 李宗锋, 孟胜男. 环糊精与卟啉键合的新型超分子[J]. 化学世界, 2007 (2):
114-118.
[3] 黄应平, 罗光富, 罗勇军, 等.过氧化物模拟酶空间结构及介质微环境对酶催化反应的影响[J]. 分析化学, 2005,33(5): 599-604.
[2] RODRIGUEZ-LOPEZ JN, LOWEDJ, HERNANDEZ-RUIZ J,etal. [J]. JAmChemSoc, 2001, 123: 11838-11847.。
