模拟酶人工酶
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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。
5
• 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,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:化学合成的 具有酶样催化活性的简单分子
6
• 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。
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。
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。
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。
9
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。
10
ห้องสมุดไป่ตู้
• 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。
16
• 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。
• 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。
• 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。
17
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,
• 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。
12
• 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。
13
• 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。
1
• 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。
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。
4
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。
20
• 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,
• 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。
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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,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: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。
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。
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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。
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• 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。
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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。
10
ห้องสมุดไป่ตู้
• 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。
16
• 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。
• 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。
• 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,
• 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。
12
• 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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• 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。
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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• 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,