人工模拟酶(精选)
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生物技术制药名词
生物技术制药：采用现代生物技术，借助某些微生物、植物、动物生产医药品。
生物技术药物: 采用DNA 重组技术或其他生物技术研制蛋白质或核酸类药物。
接触抑制：每个细胞与其周围的细胞相互接触时，细胞就停止增殖。
包含体：培养基的营养状况好，诱导表达的时间短，降低表达效率都有利于可溶性表达产物的形成。
反之则容易形成不可溶性的表达产物即包含体。
单克隆抗体：由单一克隆的淋巴细胞产生的抗单一抗原决定簇的高度特异性抗体B生产技术：淋巴细胞杂交瘤技术单链抗体：是由一段弹性连接肽把抗体可变区重链与轻链相连而成，是具有亲代抗体全部抗原结合特异性的最小功能结构单位。
抗体：机体的免疫系统在抗原刺激下，由B淋巴细胞或记忆细胞增殖分化成的浆细胞所产生的、可与相应抗原发生特异性结合的免疫球蛋白。
主要分布在血清中，也分布于组织液及外分泌液中。
单域抗体：抗体的Vh和Vl 是具有结合抗原特异性的小抗体片段又称单域抗体。
原代细胞：直接取自动物组织、器官,经过粉碎消化而获得的细胞悬液。
两步培养法：第一个反应器用于细胞生物量的累积---生长培养基第二个反应器用于次级代谢产物的生产---生产培养基涉及成批培养诱导子：是能够诱导植物细胞中一种或几种反应，并形成特征性自身防御反应的分子。
如触发形成植物抗毒素信号的物质。
分类：按形成部位：内源性诱导子、外源性诱导子按来源分：生物诱导子、非生物诱导子前体饲喂：是增加次级代谢产物产率的重要方法。
三种主要的前体：莽草酸，氨基酸，乙酸。
两相培养法：加入固相或疏水液相，形成两相培养系统，从而达到收集分泌物的目的固定化酶：是指限制或者固定于特定空间位置的酶，具体来说，就是指经过物理化学方法处理，使酶变成不易随水流失的固定化催化剂。
人工模拟酶：根据酶的作用原理，采用人工方法合成的，具有活性中心和催化反应作用的、非蛋白质结构的化合物，称为人工模拟酶。
（环糊精，冠醚等）按属性分类：1主客体酶（环糊精）2胶束酶3肽酶4半合成酶5分子印记酶。
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。
纳米酶研究进展
纳米酶用于肿瘤细胞的检测
4.3 环境监测
利用汞离子与纳米材料之间相互作用 抑制纳米酶活性的特点， 基于铂纳米颗粒、 金纳米簇以及铂-金双金属纳米颗粒的汞离 子检测系统检测限都低于10 nmol/L，且初 步应用于饮用水、化妆品、生活用水源头 水(自来水、河流、湖泊)中汞含量的检测。
纳米酶检测汞离子
模拟过氧化物酶的应用范围非常广泛，通常与抗体或者其他生物分子偶联用 于信号放大，并形成可检测的电信号或者颜色信号，用于血糖检测、血清免疫检 测、疾病检测等方面。
纳米酶用于轮状病毒免疫检测
2.2 非铁金属纳米酶
（1）其它金属氧化物纳米酶 除铁基纳米酶以外，其他许多类型的金属 氧化物纳米材料也体现出模拟酶性能。如氧化 铈具有模拟过氧化物酶，模拟超氧化物歧化酶 (SOD)的特性。四氧化三钴材料具有双重模拟 酶活性，既可以表现过氧化物酶活性还可以表 现过氧化氢酶活性，且其催化反应不受高浓度 过氧化氢抑制，可应用于谷胱甘肽检测、 葡萄 糖检测、 免疫检测等。此外，研究者还发现五 氧化二钒、氧化锰等也具有模拟酶特性，使得 它们具有许多潜在的应用价值。
新一代人工模拟酶：纳米酶
汇报人： 研究方向： 汇报时间：
目录
01、纳米酶的发现及优点 02、纳米酶的种类 03、纳米酶活性的影响因素 04、纳米酶的应用
1
纳米酶的发现 Fe3O4纳米颗粒本具有内在类似辣根过氧化物酶的催化 活性，无需在其表面修饰任何催化基团 。 磁纳米颗粒在过氧化氢存在时，可催 化 HRP 的多种底物发生氧化反应，并产生与 HRP 催化完全相同的颜色。
纳米酶是模拟酶领域的新成员
Fe3O4催化底物被氧化并产生相应的显色反应
1.2 纳米酶的特点
制备简单
性质稳定
4.3 环境监测
利用汞离子与纳米材料之间相互作用 抑制纳米酶活性的特点， 基于铂纳米颗粒、 金纳米簇以及铂-金双金属纳米颗粒的汞离 子检测系统检测限都低于10 nmol/L，且初 步应用于饮用水、化妆品、生活用水源头 水(自来水、河流、湖泊)中汞含量的检测。
纳米酶检测汞离子
模拟过氧化物酶的应用范围非常广泛，通常与抗体或者其他生物分子偶联用 于信号放大，并形成可检测的电信号或者颜色信号，用于血糖检测、血清免疫检 测、疾病检测等方面。
纳米酶用于轮状病毒免疫检测
2.2 非铁金属纳米酶
（1）其它金属氧化物纳米酶 除铁基纳米酶以外，其他许多类型的金属 氧化物纳米材料也体现出模拟酶性能。如氧化 铈具有模拟过氧化物酶，模拟超氧化物歧化酶 (SOD)的特性。四氧化三钴材料具有双重模拟 酶活性，既可以表现过氧化物酶活性还可以表 现过氧化氢酶活性，且其催化反应不受高浓度 过氧化氢抑制，可应用于谷胱甘肽检测、 葡萄 糖检测、 免疫检测等。此外，研究者还发现五 氧化二钒、氧化锰等也具有模拟酶特性，使得 它们具有许多潜在的应用价值。
新一代人工模拟酶：纳米酶
汇报人： 研究方向： 汇报时间：
目录
01、纳米酶的发现及优点 02、纳米酶的种类 03、纳米酶活性的影响因素 04、纳米酶的应用
1
纳米酶的发现 Fe3O4纳米颗粒本具有内在类似辣根过氧化物酶的催化 活性，无需在其表面修饰任何催化基团 。 磁纳米颗粒在过氧化氢存在时，可催 化 HRP 的多种底物发生氧化反应，并产生与 HRP 催化完全相同的颜色。
纳米酶是模拟酶领域的新成员
Fe3O4催化底物被氧化并产生相应的显色反应
1.2 纳米酶的特点
制备简单
性质稳定
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
酶八章-酶的人工模拟或模拟酶
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
N N N N
N N S N N S
4 CD-1
CD-2
5
当A在碱性条件下水解时，同时产生B和C 两种产物，而在模拟酶CD-1的催化下水解反应 只生成C；相反CD-2催化水解反应只生成B。
最简单的方法是修 饰底物来增加底物同 CD的结合，从而可能 增加对过渡态的结合。 设计了一系列以二 茂铁、金刚烷为结合位 点的硝基苯酯，以CD 本身为催化剂可加速酯 水解达105~106倍。
Fe
COOPNP
3
②核糖核酸酶的模拟 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。
因此，模拟酶是从分子水平 上模拟生物功能的一门边缘科学。
迄今为止，已经有了多种模拟酶： ——小分子仿酶体系有环糊精、冠醚、环 番、环芳烃和卟啉等大环化合物等。 ——大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分 子印迹酶模型和胶束酶模型等。 ——利用化学修饰、基因突变等手段改造 天然酶产生了具有新的催化活性的半 合成人工酶。
在设计模拟酶时除具备催化 基团之外，还要考虑到与底物定 向结合的能力。模拟酶要和酶一 样，能够在底物结合中，通过底 物的定向化、键的扭曲及变形来 降低反应的活化能。
酶模型的催化基团和底物之 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。
2. 超分子化学 Pederson和Cram报道了一系 列光学活性冠醚的合成方法。这 些冠醚可以作为主体而与伯铵盐 客体形成复合物。
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
模拟酶
O
于催化双疏水部位酯底物11
O
NO2
2+ 的水解反应。底物11被两个CD包结后，配位于桥基的Cu 正好处于底物酯基的附近，有利于OH-对酯基的进攻，因而 显著地加速了水解反应。其催化速率比无催化剂时提高 2.2×10 5 倍。
退出
谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC1.11.9)为含硒酶，是 生物体内重要的抗氧化物酶，能有效消除体内的自由 基，同超氧化歧化酶和过氧化氢酶共同作用，防止脂 质过氧化。因而在治疗和预防克山病、心血管病、肿 瘤等疾病具有明显效果。但是，此酶的来源有限、稳 定性差，以及分子质量大等缺点，限制了它的实际应 用，因此，人们把注意力集中在对此酶的工人模拟上。 为克服以往GPX模拟物如PZ51无底物结合部位的缺点， 罗贵民等利用环糊精为底物结合部位，硒为催化基团， 制备出双硒桥联环糊精（12）。
退出
1980年报道了第一个人工转氨酶6。在它的存在下， 苯并咪唑基酮酸转氨基速度比吡哆胺单独存在时快200 倍，而且表现出良好的底物选择性。CD空腔能稳定结 合类似亚胺中间体的过渡态是提高催化速度的关键。 由于β-CD本身具有手性，可以预料产物氨基酸也应该 具有光学活性，事实上，产物中D、L异构体的含量确 实不同，说明该人工酶有一定的立体选择性。 6的不足之处在于它不具备催化基团。Tabushi等将催 化基团氨基引入CD得到模拟酶7。乙二胺的引入不仅 使反应加速2000倍以上，还为氨基酸的形成造就了一 个极强的手性环境。靠近乙二胺一面的质子转移受到 抑制，从而表现出很好的立体选择性。
退出
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图5.2 4和5催化环状磷酸二酯的水解反应
（3）转氨酶的模拟 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是许多涉及氨基酸的酶促转 化的辅酶，其中最重要的是转氨酶催化的酮酸与氨基 酸之间的相互转化。吡哆醛（胺）本身也能实现转氨 作用，但由于辅酶本身无底物结合部位，反应速度远 不如酶存在时快。显然，有效的转氨酶模型除了具有 辅酶体系外，还应有特定的结合部位，这种结合部位 能够选择性地与底物形成复合物。
于催化双疏水部位酯底物11
O
NO2
2+ 的水解反应。底物11被两个CD包结后，配位于桥基的Cu 正好处于底物酯基的附近，有利于OH-对酯基的进攻，因而 显著地加速了水解反应。其催化速率比无催化剂时提高 2.2×10 5 倍。
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谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC1.11.9)为含硒酶，是 生物体内重要的抗氧化物酶，能有效消除体内的自由 基，同超氧化歧化酶和过氧化氢酶共同作用，防止脂 质过氧化。因而在治疗和预防克山病、心血管病、肿 瘤等疾病具有明显效果。但是，此酶的来源有限、稳 定性差，以及分子质量大等缺点，限制了它的实际应 用，因此，人们把注意力集中在对此酶的工人模拟上。 为克服以往GPX模拟物如PZ51无底物结合部位的缺点， 罗贵民等利用环糊精为底物结合部位，硒为催化基团， 制备出双硒桥联环糊精（12）。
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1980年报道了第一个人工转氨酶6。在它的存在下， 苯并咪唑基酮酸转氨基速度比吡哆胺单独存在时快200 倍，而且表现出良好的底物选择性。CD空腔能稳定结 合类似亚胺中间体的过渡态是提高催化速度的关键。 由于β-CD本身具有手性，可以预料产物氨基酸也应该 具有光学活性，事实上，产物中D、L异构体的含量确 实不同，说明该人工酶有一定的立体选择性。 6的不足之处在于它不具备催化基团。Tabushi等将催 化基团氨基引入CD得到模拟酶7。乙二胺的引入不仅 使反应加速2000倍以上，还为氨基酸的形成造就了一 个极强的手性环境。靠近乙二胺一面的质子转移受到 抑制，从而表现出很好的立体选择性。
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图5.2 4和5催化环状磷酸二酯的水解反应
（3）转氨酶的模拟 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是许多涉及氨基酸的酶促转 化的辅酶，其中最重要的是转氨酶催化的酮酸与氨基 酸之间的相互转化。吡哆醛（胺）本身也能实现转氨 作用，但由于辅酶本身无底物结合部位，反应速度远 不如酶存在时快。显然，有效的转氨酶模型除了具有 辅酶体系外，还应有特定的结合部位，这种结合部位 能够选择性地与底物形成复合物。
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。