模拟酶人工酶
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酶的人工模拟或模拟酶
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 术提供新的思想、新原理、新方 法和新途径。
第一节 酶促反应动力学
对许多酶的性质的观察和研究得知，在低的底物浓度[S]下，反应速度（v）直接 与底物浓度[S]成正比；在高底物浓度[S]下，速度趋向于最大值（Vmax），此时反应 速度与底物浓度[S]无关（如图2-1）。
（2-7）除以（2-8），并整理得
（2-9）
这就是米-曼氏方程（Michaelis-Menten equation），又称为米氏方程，式中 的Km是一常数值，称为米氏常数。在特殊情况下，当v = Vmax时，米氏方程可转化 为下式：
第一节 酶促反应动力学
整理上式可得 Km= [S] 由此可以看出，Km的物理意义就是当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的 底物浓度，其单位与物质摩尔浓度单位相同，用mol/L表示。Km数值大小与酶的浓 度无关，是酶反应的特性常数。不同酶的Km值不同，且同一酶在不同的底物下， 其Km值也不同。米氏常数可由实验测得，也可用下面的公式求得：
一般说来，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。
模拟酶的研究就是吸收酶中 那些起主导作用的因素利用有机 化学、生物化学等方法，设计和 合成一些较天然酶简单的非蛋白 分子或蛋白质分子，以这些分子 作为模型来模拟酶对其作用底物 的结合和催化过程。
图2-1 单底物酶促反应的反应速度与底物浓度的关系
第一节 酶促反应动力学
1913年前后，米彻利斯（Michaelis）和曼吞（Menten）在前人工作的基础上， 通过大量的定量研究，提出了酶促动力学基本原理，并推导出了著名的米-曼氏方 程，推导过程如下：
第一节 酶促反应动力学
对许多酶的性质的观察和研究得知，在低的底物浓度[S]下，反应速度（v）直接 与底物浓度[S]成正比；在高底物浓度[S]下，速度趋向于最大值（Vmax），此时反应 速度与底物浓度[S]无关（如图2-1）。
（2-7）除以（2-8），并整理得
（2-9）
这就是米-曼氏方程（Michaelis-Menten equation），又称为米氏方程，式中 的Km是一常数值，称为米氏常数。在特殊情况下，当v = Vmax时，米氏方程可转化 为下式：
第一节 酶促反应动力学
整理上式可得 Km= [S] 由此可以看出，Km的物理意义就是当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的 底物浓度，其单位与物质摩尔浓度单位相同，用mol/L表示。Km数值大小与酶的浓 度无关，是酶反应的特性常数。不同酶的Km值不同，且同一酶在不同的底物下， 其Km值也不同。米氏常数可由实验测得，也可用下面的公式求得：
一般说来，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。
模拟酶的研究就是吸收酶中 那些起主导作用的因素利用有机 化学、生物化学等方法，设计和 合成一些较天然酶简单的非蛋白 分子或蛋白质分子，以这些分子 作为模型来模拟酶对其作用底物 的结合和催化过程。
图2-1 单底物酶促反应的反应速度与底物浓度的关系
第一节 酶促反应动力学
1913年前后，米彻利斯（Michaelis）和曼吞（Menten）在前人工作的基础上， 通过大量的定量研究，提出了酶促动力学基本原理，并推导出了著名的米-曼氏方 程，推导过程如下：
模拟酶的分类
模拟酶的分类摘要：模拟酶又称人工合成酶，是一类利用有机化学方法合成的比天然蛋白酶分子简单的非蛋白质分子。
酶是一类有催化活性的蛋白质，它具有催化效率高、专一性强、反应条件温和等特点。
酶容易受到多种物理、化学因素的影响而失活，所以不能用酶广泛取代工业催化剂。
研究模拟酶主要是为了解决酶的以上缺点。
模拟酶是20世纪60年代发展起来的一个新的研究领域，是仿生学一个重要内容。
1、根据Kirby分类法1.1 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1.2 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1.3 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2、按照模拟酶的属性2.1 主-客体酶模型2.1.1环状糊精酶模型环状糊精（简称CD）是由多个D-葡萄糖以1，4-糖苷键结合而成的一类环状低聚糖。
根据还原糖数量的不同，可分为六个，七个及八个环状糊精三种，他们均是略呈锥形的圆筒，其伯羟基和仲羟基分别位于圆筒较小和较大的开口端。
这样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C上的氢原子和糖苷氧原子组成的空腔，故具有疏水性，因而能包容多种客体分子，很类似酶对底物的识别。
作为人工酶模型的主体分子虽有若干种，但环状糊精是迄今应用最广泛且较优越的主体分子。
环状糊精酶模型又可分为水解酶的模拟，转氨酶的模拟，核糖核酸酶的模拟，桥联环状糊精模拟酶模型。
2.1.2 合成的主-客体酶模型主客体化学与超分子化学的迅速发展极大地促进了人们对酶催化的认识，同时也为构建新的模拟酶创造了条件。
除天然存在的宿主酶模型，人们合成了冠醚、穴醚、环番、环芳烃等大环多齿配体用来构筑酶模型。
2.2 胶束模拟酶胶束在水溶液中提供了疏水微环境，可以对底物进行束缚。
如果将催化基团如硫醇基、羟基和一些辅酶共价或非共价的链接或吸附在胶束上，就有可能提供活性中心部位，使胶束具有成为酶活力的胶束模拟酶。
第七章化学人工酶和酶的非水相催化解析
1983年，Rupley等人从溶菌酶的结论得知，一个 干燥蛋白的水合过程经过4个步骤： (1)加入的水首先与酶分子表面的带电基团结合， 达到每克蛋白质0~0.07g水。 (2)然后与酶分子表面的极性基团结合(每克蛋白 质0.07~0.25g水)。 (3)多出来的水再凝聚到蛋白质分子表而相互作 用较弱的部位(每克蛋白质0.25~0.38g水)。 (4)最后，酶分子表面完全水化，被一层水分子 所覆盖(每克蛋白质0.38g水，大约300个水分子)。
第二节 非水介质中的酶催化反应
1984年A. Zaks 和A.M Klibanov 首 次发表了关于非水相介质中脂肪酶的催 化行为及热稳定性的研究报道，引起了 广泛的关注。传统的酶学领域迅速产生 一个全新的分支非水酶学。 现在非水酶学方法在多肽合成、聚 合物合成、药物合成以及立体异构体拆 分等方面显示出广阔的应用前景。
一、半合成酶
半合成酶 将具有一定结构和功能的物质与特异的 蛋白质结合，便可形成新的生物催化剂—— 半合成酶。
一、半合成酶
1．将具有催化活性的金属或金属有机物与 具有特异性的蛋白质相结合，形成半合 成酶。 Gray与Margalit将电子传递催化剂 [Rn(NH3)5]3+，与巨头鲸肌红蛋白结合， 产生半合成的无机生物酶。肌红蛋白传 递氧气， Rn(NH3)5]3+能氧化各种有机物 (如抗坏血酸)。这种人工酶的催化效率是 钙一咪唑复合物的200倍，接近天然的抗 坏血用人工方法合成 具有催化活性的多肽。 1977年人工合成一个八肽具有溶菌酶的活 性。
三、设计要点
设计前： 酶活性中心-底物复合物的结构 酶的专一性及其同底物结合方式的能力 反应的动力学及各中间物的知识
三、设计要点
设计中： 为底物提供良好的微环境（疏水性） 应提供形成离子键、氢键的可能性，以利 于结合底物 催化基团必须相对于结合点尽可能同底物 的功能团相接近 应具有足够的水溶性，并在接近生理条件 下保持其催化活性
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
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
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
酶工程第二版部分重要名词解释
就是根据酶的作用原理，利用有机化学、生物化学等方法设计和合成一些比天然酶以这些分子作为模型来模拟酶对其作用底物的结合和催抗体酶又称催化抗体，是一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋予了酶的属性，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定点突变（sited-directed mutagenesis, SDM）：是指在基因的特定位点引入突变，即通过取代、插入或删除已知DNA序列中特定的核苷酸序列来改变酶蛋白结构中某个或某些特定的氨基酸，以此来提高酶对底物的亲和力，增强酶的专一性等.核酶：是一类具有酶特性的RNA分子，它通过催化靶位点RNA链中磷酸二酯键的断裂破坏mRNA的状态，从而阻断该基因的表达。
酶定向进化：模拟自然进化过程，如随机突变和自然选择，在体外进行酶基因的人工随机突变，建立突变基因文库，在人工控制条件的特殊坏境下，定向选择得到具有优良催化特性的酶的突变体的技术过程。
生物传感器：利用一种能与换能元件在空间上直接接触的生物识别元件提供特殊的定量或半定量的分析信息的完整综合装置。
等密度梯度离心：当欲分离的不同颗粒的密度范围处于离心介质的密度范围内，在离心力的作用下，不同浮力密度的颗粒在沉降或者漂浮时，经过足够长的时间久可以移动到与它们各自的浮力密度恰好相等的位置，形成区带，这种方法叫做等密度梯度离心。
酶工程：是将酶、细胞或细胞器等置于特定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。
酶的活性中心(active center) ：是指结合底物和将底物转化为产物的区域，通常是相隔很远的氨基酸残基形成的三维实体。
酶活力：也称酶活性，指酶催化一定化学反应的能力。
其大小可用在一定条件下，它所催化的某一化学反应的反应速率来表示，两者呈线性关系。
所以测定酶的活力就是测定酶的反应速率。
酶的比活力:代表酶的纯度，用每mg蛋白质所含的酶活力单位数表示，对同一酶来说，比活力愈大，表示酶的纯度愈高。
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。
- 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
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。
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
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18
• 将乙二胺与CD偶联，然后与Cu盐作用形成桥连 环糊精。
• 含镍的水杨酚CD复合物A、B，对一些特殊结构 的三肽化合物有显著的选择结合能力,用于肽库中 筛选特异性小肽。
19
• 胡萝卜素氧化酶的模拟： 含卟啉的桥连CD，金属卟 啉能催化双键，可以选择 性氧化C15=C15‘键。
• 合成的复合物对底物胡萝 卜素的结合远大于产物视 黄醛。
模拟酶的介绍
• 一.主、客体酶的模型 • 天然宿主：CD • 合成主体：冠醚、穴醚、杂环大分子化合
物、卟啉类
8
主、客体酶的模型
• （一）环糊精酶模型 • 环糊精是环状低聚糖
的总称。其中研究得 最多的是环糊精。 • 环糊精是由6个葡萄 糖分子按照14连接 方式形成的一种环状 结构天然淀粉，并具 有园柱型立体结构特 点。
• CD底物复合物的几何形状和催化基团所处的位置 对选择性起了决定性作用。最佳pH6：一个咪唑 基以碱的形式，另一个咪唑基以质子化形式参加 反应，与天然酶相似。
3.转氨酶的模型：
• 磷酸吡哆醛（胺）是转氨酶的辅酶，最重要的反应是酮酸 与氨基酸的转换，转氨反应机理.
• 没有酶存在时，磷酸吡哆醛（胺）也能实现转氨作用，但 反应极慢，其无任何选择性。原因在于辅酶本身无结合部 位，不能形成酶-底物络合物，后者是酶反应必不可少的 环节。
11
水解酶模型
• A:β-Benzyme,水解叔丁基苯基乙酸酯（p-NPAc）比天 然酶快1倍。
• B：咪唑直接与CD连接，比天然酶催化速度快1个数量级。 • C：增加CD对底物过渡态的结合能力：修饰底物增加，底
物与CD的结合，如用二茂铁、金刚烷为结合位点的硝基 苯酯,CD作为催化剂加速水解大105-106倍。
模拟酶的理论基础和策略
• 模拟酶的概念 • 吸收酶中那些起主导作用的因素，利用有机化学、
生物化学等方法设计和合成一些较天然酶简单的 非蛋白质或蛋白质分子，以这些分子作为模型来 模拟酶对其作用底物的结合和催化过程。 • 由此可见，模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部 位的形状、大小及微环境等结构特征，以及酶的 作用机理和立体化学等特异性的一门科学。 • 一方面基于酶的作用机制，另一方面基于对简化 的人工体系中识别、结合和催化。
• 超分子化学：超分子起源于底物和受体的结合， 基于非共价健的相互作用，如静电作用、氢键、 范德华力等。当接受体和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“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、超分子化学是酶人工模拟的重要理 论基础。根据酶催化反应机理，若能合成出能识 别底物又具有酶活性部位催化基团的主体分子， 就能有效地模拟酶的催化过程。
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• 2.核糖核酸酶模型 • 核糖核酸酶具有2个组氨酸咪唑基及1个质
子化赖氨酸基处于活性中心。 • 在它的催化下RNA的磷酸酯水解分为两步
进行，两个咪唑基交替起到一般酸或碱的 催化作用，使离去基团质子化或增加亲核 基团的亲核性。
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• Breslow等人设计了2种核糖核酸酶模型：A、B， A催化只生成III，B催化只生成II。
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• 模拟酶可分为：根据Kirby分类法 • （1）单纯酶模型：即以化学方法通过天然
酶的活性模拟来重建和改造酶的活性。 • （2）机理酶模型：即通过对酶作用机制诸
如识别，合成。 • （3）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
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• 按照模拟酶的属性，可分为： • ①主客体酶模型 • ②胶束酶模型 • ③肽酶 • ④抗体酶 • ⑤分子印迹 • ⑥半合成酶。
设计要点
• 设计模拟酶前，酶的结构和酶学性质的 深入了解：
• （1）酶活性中心-底物复合物的结构、 • （2）酶的专一性及其桶底物结合的方
式和能力、 • （3）反应的动力学及各中间物的知识。
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设计要点
• 设计人工酶模型应该考虑的因素： • （1）非共价键相互作用是生物酶柔韧性
可变性和专一性的基础，故酶模型要为底 物提供良好的微环境； • （2）催化基团必须相对于结合点尽可能 同底物的功能团相接近，以促进反应定向 发生； • （3）模型应该具有足够的水溶性，并在 接近生理条件下保持其催化活性。
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2．环糊精结构示意
• 外侧亲水，OH可与多种客体形成氢键。 • 内侧C3C5的H和糖苷O组成的空腔，疏水性，能
包结多种客体分子，类似酶对底物的识别。
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• 介绍几种水解酶模 型
• 1.水解酶模型 • α-胰蛋白酶是一种
蛋白水解酶，具有 疏水性的环状结合 部位，能有效的结 合芳环。 • 催化部位有57号组 氨酸咪唑基，102 号天冬氨酸羧基及 195号丝氨酸羟基。
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• 第一个模拟转氨酶模型1980年 被报道，磷酸吡哆胺连在β-CD 上，模拟酶的转氨反应比磷酸 吡哆胺单独存在是快200倍， CD空腔能稳定结合类似亚胺中 间体的过渡态。
• 最大特点：良好的立体选择性， β-CD的手征性，产物氨基酸也 具有光学活性。
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• Han等人合成了含核糖的CD酶模型，兼具 核酸酶、连接酶、磷酸酯酶和磷酸化酶的 活力。
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• 较为理想的小分子仿酶体系有环糊精、冠 醚、环番、环芳烃、卟啉等大环化合物；
• 大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分子印 迹酶模型、胶束酶模型。
• 化学修饰、基因工程改造天然酶产生的半 合成人工酶。
• 抗体酶
理论基础
• 主客体化学：主体和客体通过配位键或其他次级 键形成稳定复合物的化学领域。本质上，来源于 酶和底物的相互作用，主体和客体在结合部位的 空间及电子排列的互补。
• 核糖中相邻的二个羟基是关键，水解环状 磷酸酯的速率提高33倍。
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CD分子研究热点
– CD和底物的结合常数104L/mol,<酶， – 过去的工作：CD的修饰，在CD的两面引入催
化基团，通过柔性或刚性加冕引入疏水基团， 改善CD的疏水结合和催化功能，通常只有单包 结部位和双重识别作用。 – 现在，桥联环糊精和聚合环糊精，可得到双重 或多重疏水结合作用和多重识别作用，结合常 数108L/mol,
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• 四桥连的CD模拟P450酶（抗氧化酶， 细胞色素），P-450 活性中心的金属卟啉 分子与4个CD相连，
• 将乙二胺与CD偶联，然后与Cu盐作用形成桥连 环糊精。
• 含镍的水杨酚CD复合物A、B，对一些特殊结构 的三肽化合物有显著的选择结合能力,用于肽库中 筛选特异性小肽。
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• 胡萝卜素氧化酶的模拟： 含卟啉的桥连CD，金属卟 啉能催化双键，可以选择 性氧化C15=C15‘键。
• 合成的复合物对底物胡萝 卜素的结合远大于产物视 黄醛。
模拟酶的介绍
• 一.主、客体酶的模型 • 天然宿主：CD • 合成主体：冠醚、穴醚、杂环大分子化合
物、卟啉类
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主、客体酶的模型
• （一）环糊精酶模型 • 环糊精是环状低聚糖
的总称。其中研究得 最多的是环糊精。 • 环糊精是由6个葡萄 糖分子按照14连接 方式形成的一种环状 结构天然淀粉，并具 有园柱型立体结构特 点。
• CD底物复合物的几何形状和催化基团所处的位置 对选择性起了决定性作用。最佳pH6：一个咪唑 基以碱的形式，另一个咪唑基以质子化形式参加 反应，与天然酶相似。
3.转氨酶的模型：
• 磷酸吡哆醛（胺）是转氨酶的辅酶，最重要的反应是酮酸 与氨基酸的转换，转氨反应机理.
• 没有酶存在时，磷酸吡哆醛（胺）也能实现转氨作用，但 反应极慢，其无任何选择性。原因在于辅酶本身无结合部 位，不能形成酶-底物络合物，后者是酶反应必不可少的 环节。
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水解酶模型
• A:β-Benzyme,水解叔丁基苯基乙酸酯（p-NPAc）比天 然酶快1倍。
• B：咪唑直接与CD连接，比天然酶催化速度快1个数量级。 • C：增加CD对底物过渡态的结合能力：修饰底物增加，底
物与CD的结合，如用二茂铁、金刚烷为结合位点的硝基 苯酯,CD作为催化剂加速水解大105-106倍。
模拟酶的理论基础和策略
• 模拟酶的概念 • 吸收酶中那些起主导作用的因素，利用有机化学、
生物化学等方法设计和合成一些较天然酶简单的 非蛋白质或蛋白质分子，以这些分子作为模型来 模拟酶对其作用底物的结合和催化过程。 • 由此可见，模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部 位的形状、大小及微环境等结构特征，以及酶的 作用机理和立体化学等特异性的一门科学。 • 一方面基于酶的作用机制，另一方面基于对简化 的人工体系中识别、结合和催化。
• 超分子化学：超分子起源于底物和受体的结合， 基于非共价健的相互作用，如静电作用、氢键、 范德华力等。当接受体和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“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、超分子化学是酶人工模拟的重要理 论基础。根据酶催化反应机理，若能合成出能识 别底物又具有酶活性部位催化基团的主体分子， 就能有效地模拟酶的催化过程。
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• 2.核糖核酸酶模型 • 核糖核酸酶具有2个组氨酸咪唑基及1个质
子化赖氨酸基处于活性中心。 • 在它的催化下RNA的磷酸酯水解分为两步
进行，两个咪唑基交替起到一般酸或碱的 催化作用，使离去基团质子化或增加亲核 基团的亲核性。
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• Breslow等人设计了2种核糖核酸酶模型：A、B， A催化只生成III，B催化只生成II。
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• 模拟酶可分为：根据Kirby分类法 • （1）单纯酶模型：即以化学方法通过天然
酶的活性模拟来重建和改造酶的活性。 • （2）机理酶模型：即通过对酶作用机制诸
如识别，合成。 • （3）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
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• 按照模拟酶的属性，可分为： • ①主客体酶模型 • ②胶束酶模型 • ③肽酶 • ④抗体酶 • ⑤分子印迹 • ⑥半合成酶。
设计要点
• 设计模拟酶前，酶的结构和酶学性质的 深入了解：
• （1）酶活性中心-底物复合物的结构、 • （2）酶的专一性及其桶底物结合的方
式和能力、 • （3）反应的动力学及各中间物的知识。
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设计要点
• 设计人工酶模型应该考虑的因素： • （1）非共价键相互作用是生物酶柔韧性
可变性和专一性的基础，故酶模型要为底 物提供良好的微环境； • （2）催化基团必须相对于结合点尽可能 同底物的功能团相接近，以促进反应定向 发生； • （3）模型应该具有足够的水溶性，并在 接近生理条件下保持其催化活性。
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2．环糊精结构示意
• 外侧亲水，OH可与多种客体形成氢键。 • 内侧C3C5的H和糖苷O组成的空腔，疏水性，能
包结多种客体分子，类似酶对底物的识别。
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• 介绍几种水解酶模 型
• 1.水解酶模型 • α-胰蛋白酶是一种
蛋白水解酶，具有 疏水性的环状结合 部位，能有效的结 合芳环。 • 催化部位有57号组 氨酸咪唑基，102 号天冬氨酸羧基及 195号丝氨酸羟基。
15
• 第一个模拟转氨酶模型1980年 被报道，磷酸吡哆胺连在β-CD 上，模拟酶的转氨反应比磷酸 吡哆胺单独存在是快200倍， CD空腔能稳定结合类似亚胺中 间体的过渡态。
• 最大特点：良好的立体选择性， β-CD的手征性，产物氨基酸也 具有光学活性。
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• Han等人合成了含核糖的CD酶模型，兼具 核酸酶、连接酶、磷酸酯酶和磷酸化酶的 活力。
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• 较为理想的小分子仿酶体系有环糊精、冠 醚、环番、环芳烃、卟啉等大环化合物；
• 大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分子印 迹酶模型、胶束酶模型。
• 化学修饰、基因工程改造天然酶产生的半 合成人工酶。
• 抗体酶
理论基础
• 主客体化学：主体和客体通过配位键或其他次级 键形成稳定复合物的化学领域。本质上，来源于 酶和底物的相互作用，主体和客体在结合部位的 空间及电子排列的互补。
• 核糖中相邻的二个羟基是关键，水解环状 磷酸酯的速率提高33倍。
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CD分子研究热点
– CD和底物的结合常数104L/mol,<酶， – 过去的工作：CD的修饰，在CD的两面引入催
化基团，通过柔性或刚性加冕引入疏水基团， 改善CD的疏水结合和催化功能，通常只有单包 结部位和双重识别作用。 – 现在，桥联环糊精和聚合环糊精，可得到双重 或多重疏水结合作用和多重识别作用，结合常 数108L/mol,
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• 四桥连的CD模拟P450酶（抗氧化酶， 细胞色素），P-450 活性中心的金属卟啉 分子与4个CD相连，