模拟酶

模拟酶研究展望
在自然界的发展和生命进化中,动植物为了生
存,进化出了酶的高效催化,激素的精密调控等 无数绝妙的生物机能。通过自然的启发引导 和科学工作者探索，以及新技术的使用将大 大加快模拟酶研究的发展,对酶结构及作用机 理的进一步了解,在化学家及生物学家共同协 作下,不断改进合成手段和采用新技术,必将有 更多更好的酶模型和模拟酶问世。
模拟酶
model enzyme
生命科学学院 生物技术0501班 吉忠忠
什么是模拟酶？
模拟酶是人工合成或经过人工修饰的用来 模拟酶的结构、特性、作用原理以及酶在生 物体内的化学反应过程的高分子。 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。 天然酶易变性失活,提纯困难,价格昂贵,给储 藏及使用带来不便，也不能用天然酶广泛取 代工业催化剂。为了解决酶的以上缺点就出 现了对模拟酶的研究。

预计今后国内外有关模拟酶的研究将呈现几个方向： (1)由简单模拟向高级模拟发展：既模拟天然酶活 性中心的催化部位又模拟其结合部位,以提高模拟酶 的催化活性。 (2)将组合库技术,分子印迹等现代手段用于构造模 拟酶体系,研制出各种选择性强,灵敏度高且易于制 备的模拟酶传感器以适用于苛刻条件,复杂体系中重 要生化组分的快速检测。 (3)开发出更多可多部位结合且具有多重识别功能 的模拟酶,采用体外方法研究生物体内酶催化信息, 探讨生物体系的生命现象的真谛。 总之,通过生物化学手段研究生命科学,揭示生命的 奥秘是目前发展的重要趋势。在生物学,仿生学及计 算机等学科的推动下,有关模拟酶的研究及其在分析 中的应用将日臻完善。
单核及双核配合物模拟酶
已知的酶有1000多种,其中1/3以上含有金属
离子。大多数情况下金属离子是金属酶的活 性中心,它是进行电子转移,键合外来分子和进 行催化反应的部位。其成键方式,配位环境和 空间结构与配位化合物极为类似。通过对配 体的设计和剪裁可合成出与天然酶活性中心 结构相似的配合物,用以模拟酶的结构和功能, 这对没有获得单晶结构和功能及反应机理尚 不完全清楚的金属酶特别有用。
印迹高分子( MIP)模拟酶
分子印迹是指制备对某一特定分子(印迹分子)
具有选择性的聚合物的过程。首先选定具备 互补作用的印迹分子和单体,并在印迹分子单 体复合物周围发生聚合反应；然后用抽提法 除去印迹分子,可对该分子进行识别,从而制备 出催化聚合物。根据印迹分子的选取可分为: 底物印迹高分子，过渡态印迹高分子，产物 印迹高分子和与其它催化剂共同作用的助催 化印迹高分子。
另外，如超氧化物歧化酶(SOD)是以铜为辅
基的蛋白质配合物,而铜的某些氨基酸或羟基 配合物,可用作模拟物,它们具有一定程度的 SOD活性.尽管模拟物的作用机理,选择性及 反应效率不同或者相似于原来的酶,但因可大 量合成,材料来源方便廉价，仍有实用价值。
模拟酶的活性功能基
酶分子中直接与酶催化反应有关的部分称活性中心， 通常是由几个活性功能基组成。例如牛胰核糖核酸 酶的催化中心是肽链序列中第12位和第119位的两 个组氨酸。 研究人员根据胰凝乳蛋白酶的催化中心与丝氨酸的 羟基、组氨酸的咪唑基和天冬氨酸的羧基有关的事 实，用乙烯基苯酚与乙烯基咪唑进行共聚合，制得 带有羟基和咪唑基的-胰凝乳蛋白酶模型(b)用这个 模型聚合物作为3-乙酰氧基－N－三甲基碘化苯胺(c) 水解的催化剂，当pH为9.1时,其活性比单一的乙烯 基咪唑高63倍。

模拟酶研究的主要内容

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。目前模拟酶 的研究主要有以下几方面
模拟酶研究的主要内容
模拟酶的金属辅基
模拟酶的活性功能基
模拟酶的高分子作用方式
模拟酶与底物的作用 模拟酶的性状
模拟酶的金属辅基

有一类复合酶,除蛋白质外,还有含金属的有机小分 子或简单的金属（称为辅酶或辅基）。辅基在催化 反应中起着重要的作用。有一些研究工作就是模拟 酶分子中的金属辅基。例如，模拟过氧化氢酶分子 中的铁卟啉辅基，合成了分解过氧化氢的酶模型─ 三亚乙基四胺与三价铁离子的络合物。这个模型在 pH9.5和25℃的条件下，同样是模拟固氮酶的金属辅基
膜体系模拟酶
膜体系包括单层,胶束,微乳,有组织多层集合
体,泡囊等。作为酶模型较好的主体有胶束和 泡囊。表面活性剂分子在水溶液中超过一定 浓度可聚集成胶束。胶束在水溶液中提供了 疏水微环境,可对底物进行包络,类似于酶结合 部位。若再将一些催化基团如：咪唑,硫醇,羟 基和一些辅酶共价或非共价地连接或附着在 胶束上,相当于酶活性中心,就构成具有催化活 性的胶束模拟酶。
冠醚、环糊精及杯芳烃类模拟酶

自1962年Pederson发现冠醚以来,陆续合成了不同 结构的线型和大环型聚醚。作为第一代主体试剂,由 于其环内空腔的亲水性,根据尺寸大小借助离子偶极 作用高选择性地测定Na+,K+,Ca2 +,Mg2 +等具有生 理意义的碱金属及碱土金属离子。人们设计了含有 一个结合位和两个反应位的巯基冠醚,利用它已合成 了含Gly2Ala2Leu的三肽,较好地模拟了肽合成酶的 功能。将多种杂原子引入到冠醚环中形成了种类繁 多的衍生物如:环状多胺(cyclic polyamine),环状多硫 醚(cyclic polythioether),氮杂冠醚(azacrown ether), 氮硫杂冠醚(azathiocrown ether),穴醚(cryptand),球 苑(spherand)等。
模拟酶与底物的作用
酶分子具有一定的空间构型，它与被催化的
底物的作用在构型上有较严格的匹配关系， 体现了酶的专一性。为了模拟酶的结合功能， 近年来人们合成了许多冠醚化合物来模拟酶。 随着冠醚空穴尺寸的不同，其对底物的选择 性也不一样。
模拟酶的性状
在水溶液中，酶形成巨大的分子缔合体（胶
束），构成同一分子内的疏水和亲水微环境。 模拟酶的这种微环境中的化学反应的特殊性 质，也是模拟酶的一个重要方面。有人利用 组氨酸的衍生物十四酰组氨酸与十六酰烷 基—三甲基溴化铵组成两种分子的混合微胶 束，来催化乙酸对硝基苯酯的水解，其速率 比组氨酸增加了100倍。

底物印迹高分子的催化基团被置于印迹识别位点区 域.含氨基或羰基活性基团的印迹高分子大大促进氟、 苯基丁酮的脱HF反应。以吲哆苯甲酰胺为模板分子 制备的印迹高分子可催化茚的异构化反应及苯甲酸 酯的乙酰基转移反应。过渡态印迹高分子主要起到 稳定过渡态的作用,使反应活化能降低,从而加速反 应的进行。以磷酸酯衍生物为单体制备的MIP催化 聚碳酸酯的水解速度比无催化的水解速率快100倍。 用中间产物的类似物作印迹分子制备的MIP使狄尔 斯---阿尔德成环反应速率提高了270倍。此时最终 产物不再是印迹高分子最优识别物,从而使MIP的催 化活性尽可能不受产物的抑制。共催化印迹高分子 一般用各种辅助金属离子,辅酶的类似物作为模拟分 子来制备.如用活泼的过渡态分子与Co2 +的复合物 作模板制备的MIP模拟吲哚酶催化苯乙酮与苯甲醛 缩和,其反应速率提高了8倍。
几种模拟酶
卟啉类模拟酶
冠醚,环糊精及杯芳烃类模拟酶 印迹高分子(
MIP)模拟酶 膜体系模拟酶 单核及双核配合物模拟酶
卟啉类模拟酶

卟啉是含4个吡咯分子的大环化合物,其主体骨架是 卟吩.自然界中卟啉化合物主要是原卟啉Ⅸ,酞菁等。 当主体中两个吡咯质子被取代后即成金属卟啉或金 属酞菁。金属卟啉具有以共轭大π电子体系及金属 价态可变为基础的氧化还原性质,中心金属对轴向配 体有较强的配位能力。有报道用铁和锰的四苯基卟 啉配合物模拟单加氧酶细胞色素P450 ,在常温常压 下催化PhIO,NaClO,H2O2等氧化剂将烷烃和烯烃分 别氧化成醇和环氧化物。

模拟酶的高分子作用方式

酶是一类由氨基酸组成，以多肽链为骨架的生物大 分子。人们利用高分子化合物作为模型化合物的骨 架，引入活性功能基来模拟酶的高分子作用方式。 例如，用分子量为40000～60000的聚亚乙基亚胺 作为模型化合物的骨架，引入10％摩尔的十二烷基 和15％摩尔的咪唑基，合成一个硫酸酯酶模型， 用这个模型聚合物催化苯酚硫酸酯类化合物的水解， 其活性比天然的Ⅱ型芳基硫酸酯酶高100倍。