模拟酶的分类
模拟酶的名词解释
模拟酶的名词解释模拟酶，顾名思义，是一种能模仿酶的功能并具有相似催化效果的化合物。
酶是生物体内的特殊蛋白质，能够催化生物体内化学反应，加速反应速度，起到重要的生化调节作用。
但是，从酶的发现至今，已知的酶种类相对较少，且制备过程繁琐，限制了酶的广泛应用。
因此，科学家们希望能够设计出一种能够模拟酶的功能，与酶具有类似的催化效果，却能克服酶的局限性，从而达到更广泛的应用。
模拟酶的核心思想是基于天然酶催化机制的仿制。
酶的催化作用通常是通过活性位点上的特定氨基酸残基与底物发生特异性作用，从而促进反应的进行。
模拟酶的设计与合成就是基于这样的原理，将某种特定的有机分子与金属离子、辅助配体等组合起来，形成具备相似催化机理的化合物。
模拟酶的分类较为复杂，可分为金属有机框架酶、蛋白质酶样仿生体系和有机小分子仿酶等。
其中，金属有机框架酶（MOFs）是一类由金属离子与有机配体组装而成的结晶材料。
它们具有高度的结构多样性和可调性，通过调控其微观结构，可以实现对催化活性和选择性的调节。
蛋白质酶样仿生体系则是以蛋白质为基础构建的模拟酶体系，具备与天然酶相似的催化活性和底物特异性，但其合成难度相对较大。
有机小分子仿酶是指一类以金属离子为中心，由有机配位基团和辅助基团构成的化合物，其结构简单、容易合成，但催化活性和特异性相对较低。
模拟酶的应用领域广泛，可用于水环境净化、生物传感器、药物合成等方面。
例如，在环境科学中，模拟酶可用于水体中有机废物的降解，通过模拟酶的氧化性能，将有机物转化为无害的物质，以达到水体净化的目的。
在药物合成领域，模拟酶可以模拟天然酶的催化反应，实现人工合成复杂化合物的目标。
此外，模拟酶还被广泛应用于生物传感器的制备，用于检测生物体内的分子标志物，如葡萄糖、DNA等。
尽管模拟酶的研究在近年来取得了重要进展，但与天然酶相比，其催化活性和特异性仍有待进一步提高。
同时，模拟酶的设计与合成仍然是一个复杂而庞大的课题，需要充分理解酶与底物之间的作用机制，并寻找适合的有机分子或金属配体，优化催化条件，以期达到与天然酶相较接近的催化效果。
模拟酶
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。
8.模拟酶
三、设计要点
1.设计前
酶活性中心的结构及酶一底物络合物的结
构；
酶的专一性及其同底物结合的方式与能力；
反应的动力学及各中间物的知识。
2 设计中
为底物提供良好的微环境 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
四、酶模拟工作的3个层次
合成有类似酶活性的简单络合物 酶活性中心模拟
整体模拟，即包括微环境在内的 整个酶活性部位的化学模拟
五、模拟酶应具备的品质
能为底物提供良好的微环境；
催化基团同底物的功能团尽可能接近；
结构应是确定的，且具有一定的柔韧性或 半刚性；
在接近生理条件下保持催化活性y分类法
二、模拟酶的理论基础
一、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
模拟酶在结构上必须具有两个特殊部位——底物结合 位点和催化位点。
二、主-客体化学和超分子化学
Cram提出主-客体化学：主体与客体通过配位键或 其他次级键形成稳定复合物的化学；体现为主体和 客体在结合部位的空间及电子排列的互补。 Lehn提出超分子化学：该分子的形成源于底物和受 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
3.分子印迹的方法
①非共价分子印迹
首先是印迹分子与功能单体相混合
然后功能单体与交联剂发生共聚合
最后使印迹分子从聚合物上脱离
非共价分子印迹方法已经用于对下列物
质具有选择性的聚合物的制备：染料、 二胺类、维生素、氨基酸衍生物、肽、 β—肾上腺素阻断剂、茶碱(1，3—二甲 基嘌呤)、核苷酸碱基、安定和萘普生(消 痛灵)等。
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
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。
5第五章人工模拟酶
- 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
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。
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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。
2.2.1模拟水解酶的胶束酶模型
组氨酸的咪唑基常常是水解酶的活性中心必需的催化基团。
如将表面活性剂分子连接上组氨酸残基或咪唑基团，就有可能形成模拟水解酶的胶束。
这种酶模型比一般胶束酶优越，它既具备酶的疏水特性，同时又可以将催化基团引入疏水空腔，结果催化效率提高了100000倍。
2.2.2赴美的胶束酶模型
疏水性维生素B6长链衍生物与阳离子胶束混合形成的泡囊体系中，在铜离子存在下可转化为氨基酸，可有效地模拟以维生素B6为辅酶的转氨基作用，氨基酸的收率达52%。
2.2.3金属胶束酶模型
金属胶束是指带疏水键的金属配合物单独或其他表面活性剂共同形成的胶束体系，其作用是模拟金属酶的活性中心结构和疏水性的微环境。
该体系模拟羧肽酶A、碱性磷酸酯酶、氧化酶、转氨酶等方面取得很大成功。
胶束能够提供类似酶的疏水微环境。
将金属酶的简单模型引入胶束体系，利用金属离子的特殊作用催化水解反应，而胶束所具有的疏水性微环境则对底物起包结作用。
2.3肽酶
肽酶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，是多肽合成的一大热点。
Atassi和Manshouri利用已有酶主要活性部位残基的序列位置和分隔距离，采用“表面刺激”合成法将构成酶活性部位位置相邻的残基以适当的空间位置和取向通过肽键相连，而分隔距离则用无侧链取代的甘氨酸或半胱氨酸调节，这样就能模拟酶活性部位残基的空间位置和构象。
2.4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。
通过选择性修饰氨基酸侧链将一种氨基酸侧链化学转化为另一种氨基酸侧链，称为化学诱变法。
将辅酶引入已明了的蛋白质上是制备半合成酶的另一策略。
利用半合成酶方法不仅可以
制造新酶，还可以获得关于蛋白质结构和催化活性间关系的详细信息。
在抗体结合部位附近适当位置引入催化活性基团是构建半合成抗体的有效途径。
2.5抗体酶
抗体酶又称催化抗体，是一种新型人工酶制剂，是抗体的高度选择性和酶的高度催化能力巧妙结合的产物，本质上它是一类具有催化活力的免疫球蛋白，在其可变区赋予了酶的属性。
它是利用现代生物学与化学理论与技术交叉研究的成果。
迄今已成功开发出抗体酶的催化反应类型有转酰基反应、水解反应、Claisen 重排反应、酰胺合成反应、转酯反应、Diels-Alder反应、光诱导反应、氧化还原反应、脱羧反应和顺反异构化反应等十种类型。
与天然酶相比较抗体酶能催化一些天然酶不能催化的反应，有更强的专一性和稳定性。
和非催化性抗体作用比较，抗体酶具有更高的反应特异性。
2.6印迹酶
在自然界中，分子识别在生物体如酶、受体和抗体的生物活性方面发挥着重要作用，这种高选择性来源于与底物相匹配的结合部位存在。
如果以一种分子充当模版其周围用聚合物交联，当模板分子除去后，此聚合物就留下了与此分子相匹配的空穴。
如果构建合适，这种聚合物对这种分子具有选择性识别作用，这种技术被称为分子印迹，也叫主客聚合作用或模板聚合作用。
这一技术一出现，人们就意识到可以用于制备人工模拟酶。
目前，已成功制备了具有水解、转氨、脱羧、酯合成、氧化还原等活性分子的印迹酶。
在人工模拟酶的研究中，印迹被证明是产生酶结合部位最好的方法。
参考文献：
【1】陈宁.酶工程【M】北京：中国轻工业出版社，2005
【2】罗贵民，曹淑桂，张今.酶工程【M】北京：化学工业出版社，2002
【3】姜涌明.分子酶学导论【M】北京：中国农业大学出版社，2000
【4】姜忠义，贾琦鹏.分子印迹技术极其应用【J】石油化工，2002，31（8）：699-671。