第九章模拟酶人工酶
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酶工程_08-人工酶
NH2 N N N S O OH O OH P P O O OH R1 N S R2 R3 R1 N S R2 R3
H3C
thiamine pyrophosphate
♫
1972年，Breslow 提出了“biomimetic chemistry (仿生化学)” 的概念
Enzyme Engineering
人 工 酶
♫
Artificial Enzymes
人工酶的研究简史
♫
“仿生”与“模拟酶”
♫ ♫
1970年，第一个以环糊精为基本结构的模拟酶诞生 从 1970s 开始， Breslow 课题组对模拟酶进行了大量研究，取得 丰硕的成果，为人工酶的设计和应用作出了巨大贡献
Ronald Breslow (1931-)
♫
♫
Enzyme Engineering
人 工 酶
♫
Artificial Enzymes
人工酶的理论基础
♫
人工酶的分类 —— Kirby 分类法
♫
单纯酶模型（enzyme-based mimics）
♫
以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（mechanism-based mimics）
Enzyme Engineering
人 工 酶
♫
Artificial Enzymes
主－客体酶模型
♫
环糊精酶模型 —— 酰基水解酶（acyl-hydrolase）
♫
1970 年，Breslow 设计出第一个环糊精酶模型，能催化对硝基乙 酰苯酯的水解，反应速率比无催化剂时快 103 倍
O N O OH O O OH O HO O O O OH O OH O OH O O N O O Ni N OHOHO O N O N
H3C
thiamine pyrophosphate
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1972年，Breslow 提出了“biomimetic chemistry (仿生化学)” 的概念
Enzyme Engineering
人 工 酶
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Artificial Enzymes
人工酶的研究简史
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“仿生”与“模拟酶”
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1970年，第一个以环糊精为基本结构的模拟酶诞生 从 1970s 开始， Breslow 课题组对模拟酶进行了大量研究，取得 丰硕的成果，为人工酶的设计和应用作出了巨大贡献
Ronald Breslow (1931-)
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Enzyme Engineering
人 工 酶
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Artificial Enzymes
人工酶的理论基础
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人工酶的分类 —— Kirby 分类法
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单纯酶模型（enzyme-based mimics）
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以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性
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机理酶模型（mechanism-based mimics）
Enzyme Engineering
人 工 酶
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Artificial Enzymes
主－客体酶模型
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环糊精酶模型 —— 酰基水解酶（acyl-hydrolase）
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1970 年，Breslow 设计出第一个环糊精酶模型，能催化对硝基乙 酰苯酯的水解，反应速率比无催化剂时快 103 倍
O N O OH O O OH O HO O O O OH O OH O OH O O N O O Ni N OHOHO O N O N
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。
模拟酶
酶的模拟工作可分为 整体模拟， 包括微环境在 内的整个酶活 性部位的化学 模拟。 模拟。
合成有类似 酶活性中心 酶活性的简单 模拟 络合物
2.模拟酶的理论基础 2.
1.主客体化学： 主客体化学： 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。 主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补。 配位键或其他次级键连接。 配位键或其他次级键连接。
金属卟啉
是卟吩及其衍生物卟啉与金 属离子形成的配位化合物。 属离子形成的配位化合物。 卟啉是一类由四个吡咯类 亚基的α-碳原子通过次甲基 亚基的 碳原子通过次甲基 桥（=CH-）互联而形成的大 ） 分子杂环化合物， 分子杂环化合物，其主体骨架 是卟吩。 是卟吩。当主体中两个吡咯质 子被金属取代后即成金属卟啉 。
模拟酶
目录
模拟酶的概念 模拟酶的理论基础 2种模拟酶 分子印迹技术
1.模拟酶的概念 1.
• 指利用有机化学的方法合成一些比酶简单的非蛋白质分 子，可以模拟酶对底物的络合和催化过程，既可达到酶 可以模拟酶对底物的络合和催化过程， 催化的高效性，又可以克服酶的不稳定性。 催化的高效性，又可以克服酶的不稳定性。 模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部位的形状、大小及 模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部位的形状、 其微环境等结构特征、 其微环境等结构特征、酶作用的机理和立体化学等特征 的一门科学。 的一门科学。 分子水平上模拟生物功能的一门边缘科学。 分子水平上模拟生物功能的一门边缘科学。
• 从分子印迹聚合物的形成来看,一般其过程 从分子印迹聚合物的形成来看, 分为3 分为3步:
1)将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合, 1)将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合, 将功能单体和模板分子按一定的比例进行混合 使其通过自由组装形成共价配合物或形成非共价 的加成产物; 的加成产物; 2)通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应 通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应, 2)通过加入交联剂使其引发聚合进行聚合反应,形 成聚合物; 成聚合物; 3)通过洗脱以除去模板分子得到目标产物 通过洗脱以除去模板分子得到目标产物。 3)通过洗脱以除去模板分子得到目标产物。
模拟酶
应用：模拟氧化酶、碱性磷酸酯酶、羧肽酶A 等
例子：氧化酶的模拟
带长链的金属卟 啉位于胶束体系 中，使苯乙烯发 生环氧化反应。
细胞色素P-450单加氧酶模拟酶模型
底物结合部位： 疏水内核 催化部位： 金属中心
长链烷氧取代基的锰卟琳
胶束模拟酶模型缺陷
胶束在模拟酶的多功能催化基团方 面，还不能按协同作用的机理进行。
胶束在水溶液中提供了疏水微环境（类似于 酶的底物结合位点），可以对底物束缚。 将催化基团如咪唑、硫醇、羟基和一些辅酶共 价或非共价地连接或吸附在胶束上，使其成为具有 酶活力或部分酶活力的胶束模拟酶。
下面将介绍几种重要的胶束酶模型。
1.模拟水解酶的胶束酶模型
（ 1）
天然水解酶活性中心必需基团：组氨酸 的咪唑基 设计思路：在表面活性剂分子上连接上 组氨酸残基或咪唑基团上，就可能形成模 拟水解酶的胶束
S
C CH2 NH3+ O
O O O O O O CH2 O O CH2 O O SH O S
+ C CH2 NH C CH2 NH3
O
3. 超氧化物歧化酶的模拟
超氧化物歧化酶（SOD）生理作用： 通过 催化超氧阴离子自由基的歧化反应，有效控制 体内活性氧数量，避免细胞与组织受到过量活 性氧的损伤。
第七节
研究热点
目前模拟酶主要有以下几个研 究热点：
固氮酶的模拟
纤维素酶类的模拟 大环化合物 小分子配合物
结束语
虽然现在模拟酶的催化活性仅有少量 能达到天然酶的活性，但是，随着蛋白质 结构学和化学技术的发展，一定会有更好 的模拟酶替代天然酶应用于工业生产，那 时人们就可以用化学的方法随心所欲地构 造出各种性能高效的模拟酶，为生产和生 活服务。
例子：氧化酶的模拟
带长链的金属卟 啉位于胶束体系 中，使苯乙烯发 生环氧化反应。
细胞色素P-450单加氧酶模拟酶模型
底物结合部位： 疏水内核 催化部位： 金属中心
长链烷氧取代基的锰卟琳
胶束模拟酶模型缺陷
胶束在模拟酶的多功能催化基团方 面，还不能按协同作用的机理进行。
胶束在水溶液中提供了疏水微环境（类似于 酶的底物结合位点），可以对底物束缚。 将催化基团如咪唑、硫醇、羟基和一些辅酶共 价或非共价地连接或吸附在胶束上，使其成为具有 酶活力或部分酶活力的胶束模拟酶。
下面将介绍几种重要的胶束酶模型。
1.模拟水解酶的胶束酶模型
（ 1）
天然水解酶活性中心必需基团：组氨酸 的咪唑基 设计思路：在表面活性剂分子上连接上 组氨酸残基或咪唑基团上，就可能形成模 拟水解酶的胶束
S
C CH2 NH3+ O
O O O O O O CH2 O O CH2 O O SH O S
+ C CH2 NH C CH2 NH3
O
3. 超氧化物歧化酶的模拟
超氧化物歧化酶（SOD）生理作用： 通过 催化超氧阴离子自由基的歧化反应，有效控制 体内活性氧数量，避免细胞与组织受到过量活 性氧的损伤。
第七节
研究热点
目前模拟酶主要有以下几个研 究热点：
固氮酶的模拟
纤维素酶类的模拟 大环化合物 小分子配合物
结束语
虽然现在模拟酶的催化活性仅有少量 能达到天然酶的活性，但是，随着蛋白质 结构学和化学技术的发展，一定会有更好 的模拟酶替代天然酶应用于工业生产，那 时人们就可以用化学的方法随心所欲地构 造出各种性能高效的模拟酶，为生产和生 活服务。
分子酶学
核糖核酸酶有两个组氨酸咪唑基及一个质子化赖氨酸 氨基处于活性中心，在它的催化下RNA的磷酸酯水解分两 步进行，两个咪唑基交替起着一般酸和一般碱的作用，使 离去基团质子化或增加亲核基团的亲核性。
Breslow等人设计合成了两种环糊精，用来催化环状磷酸二 酯的水解，这两种修饰CD被认为是很好的核糖核酸酶模型。
3 定义
由于天然酶的种类繁多，模拟的途径、方法、原理和 目的不同，至今对模拟酶没有一个公认的定义，目前公认 的是以下说法。 人工模型酶又称模拟酶，是生物有机化学的一个分支， 是在分子水平上模拟酶的活性部位的形状、大小及其微环 境等结构特征，以及酶的作用机理的立体化学等特征而设 计的一种具有催化作用的人工物质。
现在，人们已用环糊精模型模拟了水解酶、核糖核 酸酶、转氨酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羟 醛缩合酶等。
1水解酶
胰凝乳蛋白酶：具有疏水性环状结合部位能包结芳环； 催化部位中57号为组氨酸咪唑基、102号天冬氨酸羧基和 195号丝氨酸羟基，三者共同组成了所谓的“电荷中继系 统”，在催化底物水解时起关键作用。 引入羟基、咪唑 基和羧基组
N CH3 OH NH2 NH NH2
S
7
Han等人合成了一系列含核糖的环糊精酶模型，它兼 具核酸酶、连接酶、磷酸脂酶和磷酸化酶的活性。
研究表明，核糖中的相临二羟基对催化起着关键 作用。它水解环状磷酸脂的速率提高33倍。
四、主客体酶模型— 环糊精酶模型
环糊精( cyclodextrin, 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的总称， 是迄今所发现的类似于酶的理想天然宿主分子， 本身就具有酶模型的特性，可提供一个疏水的结 合部位并能与一些分子包接形成络合物，以此影 响和催化一些反应。葡萄糖单元数为6、7、8个三 种（分别称α-、β-、γ-环糊精）。
Breslow等人设计合成了两种环糊精，用来催化环状磷酸二 酯的水解，这两种修饰CD被认为是很好的核糖核酸酶模型。
3 定义
由于天然酶的种类繁多，模拟的途径、方法、原理和 目的不同，至今对模拟酶没有一个公认的定义，目前公认 的是以下说法。 人工模型酶又称模拟酶，是生物有机化学的一个分支， 是在分子水平上模拟酶的活性部位的形状、大小及其微环 境等结构特征，以及酶的作用机理的立体化学等特征而设 计的一种具有催化作用的人工物质。
现在，人们已用环糊精模型模拟了水解酶、核糖核 酸酶、转氨酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羟 醛缩合酶等。
1水解酶
胰凝乳蛋白酶：具有疏水性环状结合部位能包结芳环； 催化部位中57号为组氨酸咪唑基、102号天冬氨酸羧基和 195号丝氨酸羟基，三者共同组成了所谓的“电荷中继系 统”，在催化底物水解时起关键作用。 引入羟基、咪唑 基和羧基组
N CH3 OH NH2 NH NH2
S
7
Han等人合成了一系列含核糖的环糊精酶模型，它兼 具核酸酶、连接酶、磷酸脂酶和磷酸化酶的活性。
研究表明，核糖中的相临二羟基对催化起着关键 作用。它水解环状磷酸脂的速率提高33倍。
四、主客体酶模型— 环糊精酶模型
环糊精( cyclodextrin, 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的总称， 是迄今所发现的类似于酶的理想天然宿主分子， 本身就具有酶模型的特性，可提供一个疏水的结 合部位并能与一些分子包接形成络合物，以此影 响和催化一些反应。葡萄糖单元数为6、7、8个三 种（分别称α-、β-、γ-环糊精）。
酶的模拟
? 一般构成底物的结合位点比较容易，而构 建催化位点比较困难，但两个位点可以分 开设计。
设计模拟酶
? 催化基团的定向引入对催化效率的提高至关重 要。
? 要考虑到与底物的定向结合的能力。 ? 催化基团和底物之间必须具有相互匹配的立体
化学特征，这对形成良好的反应特异性和催化 效力是相当重要的。
设计人工酶模型应考虑：
? 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
二.按照模拟酶的属性
? 主-客体酶模型 ? 胶束酶模型 ? 肽酶 ? 抗体酶 ? 分子印迹酶模型 ? 半合成酶
环糊精结构示意
水解酶模型
?-Benzyme 人工酶，能模拟胰凝乳蛋白酶活 性，催化速度达天然酶同一数量级。 由?-环糊精和催化侧链组成，催化侧链含天 然酶的三种基团（羟基、咪唑基和羧基）， 且处在恰当位置上。 该全合成酶是非蛋白分子，比天然酶稳定。
模拟酶
? 又称人工合成酶，是一类利用有机化学方法 合成的，比天然酶简单的非蛋白质分子或蛋 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。
? 化学人工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
? 在结构和必须具有两个特殊部位: ①底物结合位点，②催化位点。
分子印迹制备步骤
? ①选定印迹分子和功能 单体，使二者发生互补 反应；
? ②在印迹分子-单体复合 物周围发生聚合反应；
? ③用抽提法从聚合物中 除掉印迹分子。
Байду номын сангаас
用抽提法从聚合物中除去 印迹分子。则聚合物中留 有恰似印迹分子的空间， 可用于高分子高选择性分 离材料。 此技术又叫主一客体聚合 (Host-Guest Polymerization) 或模板聚 合(Template Polymerization) 。
设计模拟酶
? 催化基团的定向引入对催化效率的提高至关重 要。
? 要考虑到与底物的定向结合的能力。 ? 催化基团和底物之间必须具有相互匹配的立体
化学特征，这对形成良好的反应特异性和催化 效力是相当重要的。
设计人工酶模型应考虑：
? 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
二.按照模拟酶的属性
? 主-客体酶模型 ? 胶束酶模型 ? 肽酶 ? 抗体酶 ? 分子印迹酶模型 ? 半合成酶
环糊精结构示意
水解酶模型
?-Benzyme 人工酶，能模拟胰凝乳蛋白酶活 性，催化速度达天然酶同一数量级。 由?-环糊精和催化侧链组成，催化侧链含天 然酶的三种基团（羟基、咪唑基和羧基）， 且处在恰当位置上。 该全合成酶是非蛋白分子，比天然酶稳定。
模拟酶
? 又称人工合成酶，是一类利用有机化学方法 合成的，比天然酶简单的非蛋白质分子或蛋 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。
? 化学人工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
? 在结构和必须具有两个特殊部位: ①底物结合位点，②催化位点。
分子印迹制备步骤
? ①选定印迹分子和功能 单体，使二者发生互补 反应；
? ②在印迹分子-单体复合 物周围发生聚合反应；
? ③用抽提法从聚合物中 除掉印迹分子。
Байду номын сангаас
用抽提法从聚合物中除去 印迹分子。则聚合物中留 有恰似印迹分子的空间， 可用于高分子高选择性分 离材料。 此技术又叫主一客体聚合 (Host-Guest Polymerization) 或模板聚 合(Template Polymerization) 。
模拟酶的概念
酶工程电子教案第八章酶的人工模拟教学目标了解抗体酶、印迹酶等人工酶（模拟酶）等新型酶的设计、原理和典型应用。
教学重点抗体酶的制备原理和应用；生物印迹酶的原理和应用。
教学方法以课堂讲授为主，课前布置学生自学和准备。
引入模拟酶就是根据酶的作用原理，模拟酶的活性中心和催化机制，用化学合成方法制成的高效、高选择性、结构比天然酶简单、具有催化活性、稳定性较高的非蛋白质分子的一类新型催化剂，也称酶的合成类似物。
或者叫酶模型或者叫人工酶。
一、模拟酶的概念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2、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、选择性输出二、模拟酶的分类和制备根据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分子。
按照模拟酶的属性：❑主-客体酶模型❑胶束酶模型❑肽酶❑半合成酶❑抗体酶分子印迹酶模型2.1 主-客体模型 2.2.1 环糊精模拟酶环糊精由淀粉通过环糊精葡萄糖基转移酶降解制得；是由D-吡喃葡萄糖单元以α-1，4-糖苷键相互结合成互为椅式构象的环状低聚糖，其分子通常含有6～12个吡喃葡萄糖单元。
有实用意义的是含6、7、8个吡喃葡萄糖单元的α、β、γ-环糊精，但α-环糊精空腔较小，γ-环糊精价格昂贵，常用的是β-环糊精。
①水解酶的模拟Bender 等人将实现了电荷中继系统的酰基酶催化部位引入CD 的第二面，成功地制备出人工酶β-Benzyme 。
催化对叔丁基苯基醋酸酯(p-NPAc)的水解比天然酶快一倍以上；kcat/K m 也与天然酶相当。
模拟酶核酶极端酶
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能。
适应环境的比较
极端酶在极端环境下具有稳定的结 构和活性，而核酶则通常在温和的 生理条件下发挥催化作用。
催化机制的差异
核酶的催化机制涉及RNA特定结构 的形成和变化，而极端酶的催化机 制则是通过蛋白质的特定结构和功 能来实现的。
三种酶的未来发展前景
模拟酶的发展前景
核酶的发展前景
极端酶的发展前景
随着生物技术的不断进步，模拟酶有 望在药物研发、生物检测和生物工程 等领域发挥更大的作用。通过改进合 成方法和优化结构，可以提高模拟酶 的稳定性和催化活性，进一步拓展其 应用范围。
模拟酶核酶极端酶
• 模拟酶 • 核酶 • 极端酶 • 比较与展望
01
模拟酶
模拟酶的定义
模拟酶是一种人工合成的酶类似物， 通过模拟天然酶的活性中心结构和催 化机制，实现与天然酶相似的催化功 能。
模拟酶通常由有机小分子、聚合物、 无机材料或复合物等组成，与天然酶 相比具有更高的稳定性和可调控性。
模拟酶的分类
根据催化机制
模拟酶可分为模拟氧化还原酶、模拟水解酶、模拟裂合酶等。
根据组成
模拟酶可分为有机模拟酶和无机模拟酶，其中有机模拟酶又可分为 小分子模拟酶和聚合物模拟酶。
根据结构
模拟酶可分为球状模拟酶、纤维状模拟酶和管状模拟酶等。
模拟酶的应用
药物设计与开发
模拟酶可用于设计具有特定催 化功能的药物，提高药物的疗
核酶是一种具有催化功能的RNA分子，通过自身折 叠成特定的三维结构来发挥催化作用。
02
核酶具有高度的特异性，能够识别并切割特定的 RNA序列，从而调控基因的表达。
03
核酶的发现对于理解生命本质和探索生命起源具有 重要意义。
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• 酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或 产物的亲和力。
抗体与酶
• 抗体具有极高的亲和力，与酶相似。 • 抗体与酶的本质差别：酶是能与反应过渡
态选择结合的催化性物质，结合过渡态降 低能障，而抗体是和基态紧密结合的物质 。 • 以过渡态类似物作为半抗原，诱导与其互 补构象的抗体，使其具有催化活性（抗体 酶）。
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。
• 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。
硝基苯酚酯）,Cu 2+、Zn2+与相应的表面活性剂 形成1：1的配合物时，水解反应速度最大。
三. 肽酶
• 肽酶(pepzyme)就是模拟天然酶活性部位而人工 合成的具有催化活性的多肽。
四.半合成酶
• 半合成酶是以天然蛋白质或酶为母体，用化学或 生物的方法引进适当的活性部位或催化基团，或 改变其结构从而形成一种新的“人工酶”。
• 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。
• 1.模拟水解酶的胶束酶模型 • 2.辅酶的胶束酶模型 • 3.金属剂分子上连接组氨酸残基或咪唑基团， 就有可能形成模拟水解酶的胶束。
• 如：N-十四酰基组氨酸所形成的胶束催化PNPA （对硝基苯酚乙酸酯）的水解，催化效率比N-乙 酰基组氨酸(无胶束)高3300倍。
• 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。
• 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。
抗体酶
• 抗体酶（Abzyme）或催化抗体（ Catalytic antibody)
– 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。
– 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。
过渡态理论与抗体酶
• 如果使抗原最大限度地接近某一特定反应 的过渡态，就可能使诱导的抗体在与之结 合时发挥催化作用。
• 如果该胶束中加入带羟基的表面活性剂N，N-二 甲基-N-（2-羟乙基）十八烷基氨溴化物，共同 催化PNPA的水解，先生成酰基咪唑基中间体， 然后酰基转移到羟基上（电荷中继系统），与α胰凝乳蛋白酶水解很相似。
辅酶的胶束酶模型
• 将疏水性VB6长链衍生物与阳离子胶束混合 形成泡囊体系中，在Cu2+存在下可将酮酸 转化为氨基酸，有效模拟了VB6为辅酶的转 氨基作用，氨基酸的收率达52%.
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。
5
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。
• 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。
• 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。
第九章 模拟酶与人工酶
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。
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。
• 本质上，是一类具有催化活性的免疫球蛋 白，在其可变的区域赋予了酶的属性。
抗体
• 由抗原诱导产生的，在结构上与抗原高度 互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球 蛋白。
• 抗体的最显著的特征是
– 多样性和专一性
酶是生物催化剂
• 酶是一类具有催化功能的生物分子 • 酶反应有两个主要的特征：
– 高催化效率、高选择性
• 过渡态与反应物的能阶之差 称为活化能。
• 获得活化能的多少与反应的 速度成正比。
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--实际上是底物形成的过渡状态，
• 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。
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,
• 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。
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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
• 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。
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：
• 能与化学反应中过渡态结合的抗体，可能 具有酶的活性，催化反应的进行。
• 1986年Lerner和Schultz证实了这一设想。
抗体酶的发现
• Lerner和Schultz分别领导各自的研究小组 首次观察到了抗体具有选择性的催化活性。
• 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。
• 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。
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
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。
• 1986年美国Lerner和Schultz两个实验室 同时在Science上发表论文，报道他们成功 地得到了具有催化活性的抗体。
• 并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为催化 抗体，即抗体酶。
• 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。
• 阳离子胶束不但能活化催化基团，也能活 化辅酶的功能团。
金属胶束酶模型
• 带疏水键的金属配合物单独或与其他表面活性剂 共同形成的胶束体系。
• 模拟金属酶的活性中心结构和疏水性的微环境。 金属离子--催化水解反应，疏水性微环境--底物包 结。
• 模拟羧肽酶A、碱性磷酸酯酶、氧化酶、转氨酶。 • 如：羧肽酶A的模拟,水解PNPP（α-吡啶甲酸对
抗体与酶
• 抗体具有极高的亲和力，与酶相似。 • 抗体与酶的本质差别：酶是能与反应过渡
态选择结合的催化性物质，结合过渡态降 低能障，而抗体是和基态紧密结合的物质 。 • 以过渡态类似物作为半抗原，诱导与其互 补构象的抗体，使其具有催化活性（抗体 酶）。
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。
• 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。
硝基苯酚酯）,Cu 2+、Zn2+与相应的表面活性剂 形成1：1的配合物时，水解反应速度最大。
三. 肽酶
• 肽酶(pepzyme)就是模拟天然酶活性部位而人工 合成的具有催化活性的多肽。
四.半合成酶
• 半合成酶是以天然蛋白质或酶为母体，用化学或 生物的方法引进适当的活性部位或催化基团，或 改变其结构从而形成一种新的“人工酶”。
• 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。
• 1.模拟水解酶的胶束酶模型 • 2.辅酶的胶束酶模型 • 3.金属剂分子上连接组氨酸残基或咪唑基团， 就有可能形成模拟水解酶的胶束。
• 如：N-十四酰基组氨酸所形成的胶束催化PNPA （对硝基苯酚乙酸酯）的水解，催化效率比N-乙 酰基组氨酸(无胶束)高3300倍。
• 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。
• 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。
抗体酶
• 抗体酶（Abzyme）或催化抗体（ Catalytic antibody)
– 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。
– 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。
过渡态理论与抗体酶
• 如果使抗原最大限度地接近某一特定反应 的过渡态，就可能使诱导的抗体在与之结 合时发挥催化作用。
• 如果该胶束中加入带羟基的表面活性剂N，N-二 甲基-N-（2-羟乙基）十八烷基氨溴化物，共同 催化PNPA的水解，先生成酰基咪唑基中间体， 然后酰基转移到羟基上（电荷中继系统），与α胰凝乳蛋白酶水解很相似。
辅酶的胶束酶模型
• 将疏水性VB6长链衍生物与阳离子胶束混合 形成泡囊体系中，在Cu2+存在下可将酮酸 转化为氨基酸，有效模拟了VB6为辅酶的转 氨基作用，氨基酸的收率达52%.
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。
• 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。
• 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。
第九章 模拟酶与人工酶
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。
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。
• 本质上，是一类具有催化活性的免疫球蛋 白，在其可变的区域赋予了酶的属性。
抗体
• 由抗原诱导产生的，在结构上与抗原高度 互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球 蛋白。
• 抗体的最显著的特征是
– 多样性和专一性
酶是生物催化剂
• 酶是一类具有催化功能的生物分子 • 酶反应有两个主要的特征：
– 高催化效率、高选择性
• 过渡态与反应物的能阶之差 称为活化能。
• 获得活化能的多少与反应的 速度成正比。
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--实际上是底物形成的过渡状态，
• 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。
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,
• 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。
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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
• 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。
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：
• 能与化学反应中过渡态结合的抗体，可能 具有酶的活性，催化反应的进行。
• 1986年Lerner和Schultz证实了这一设想。
抗体酶的发现
• Lerner和Schultz分别领导各自的研究小组 首次观察到了抗体具有选择性的催化活性。
• 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。
• 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。
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
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。
• 1986年美国Lerner和Schultz两个实验室 同时在Science上发表论文，报道他们成功 地得到了具有催化活性的抗体。
• 并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为催化 抗体，即抗体酶。
• 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。
• 阳离子胶束不但能活化催化基团，也能活 化辅酶的功能团。
金属胶束酶模型
• 带疏水键的金属配合物单独或与其他表面活性剂 共同形成的胶束体系。
• 模拟金属酶的活性中心结构和疏水性的微环境。 金属离子--催化水解反应，疏水性微环境--底物包 结。
• 模拟羧肽酶A、碱性磷酸酯酶、氧化酶、转氨酶。 • 如：羧肽酶A的模拟,水解PNPP（α-吡啶甲酸对