酶的模拟
酶的人工模拟或模拟酶
第一节 酶促反应动力学
对许多酶的性质的观察和研究得知，在低的底物浓度[S]下，反应速度（v）直接 与底物浓度[S]成正比；在高底物浓度[S]下，速度趋向于最大值（Vmax），此时反应 速度与底物浓度[S]无关（如图2-1）。
（2-7）除以（2-8），并整理得
（2-9）
这就是米-曼氏方程（Michaelis-Menten equation），又称为米氏方程，式中 的Km是一常数值，称为米氏常数。在特殊情况下，当v = Vmax时，米氏方程可转化 为下式：
第一节 酶促反应动力学
整理上式可得 Km= [S] 由此可以看出，Km的物理意义就是当酶反应速度达到最大反应速度的一半时的 底物浓度，其单位与物质摩尔浓度单位相同，用mol/L表示。Km数值大小与酶的浓 度无关，是酶反应的特性常数。不同酶的Km值不同，且同一酶在不同的底物下， 其Km值也不同。米氏常数可由实验测得，也可用下面的公式求得：
一般说来，模拟酶是在分子 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。
模拟酶的研究就是吸收酶中 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 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。
图2-1 单底物酶促反应的反应速度与底物浓度的关系
第一节 酶促反应动力学
1913年前后，米彻利斯（Michaelis）和曼吞（Menten）在前人工作的基础上， 通过大量的定量研究，提出了酶促动力学基本原理，并推导出了著名的米-曼氏方 程，推导过程如下：
酶工程8模拟酶
Tabushi等人将催化基团氨基引入CD得到 模拟酶。乙二胺旳引入不但使反应加速2023倍 以上，还为氨基酸旳形成造就了一种极强旳手 性环境。接近乙二胺一面旳质子转移受到克制， 从而体现出很好旳立体选择性。
N CH3
S
OH NH2 NH
NH2
转氨7酶模型
Han等人合成了一系列含核糖旳环糊 精酶模型，它兼具核酸酶、连接酶、磷酸 脂酶和磷酸化酶旳活性
研究表白，核糖中旳相临二羟基对催 化起着关键作用。它水解环状磷酸脂旳速 率提升33倍。
④ 桥联环糊精仿酶模型
桥联CD是近年来发展起来旳一类新 型仿酶模型，它旳两个CD及桥基上旳功 能基构成了具有协同包结和多重辨认功能 旳催化活性中心，能更加好旳模拟酶对底 物旳辨认与催化功能。
Breslow研究小组发展了一种新措施，试图利用 组合化学技术筛选与环糊精客体具有高选择性结合旳 小肽分子，以便取得高活性旳催化水解肽酶模型。他 们制备了含镍旳水扬酚环糊精复合物 。
在设计模拟酶方面，尽管有 上述理论做指导，但是，目前尚 缺乏系统旳定量旳理论体系。
令人欣喜旳是，大量旳实践证明， 酶旳高效性和高选择性并非天然酶所 独有，人们利用多种策略发展了多种 人工酶模型。
目前，在众多旳模拟酶中，已经 有部分非常成功旳例子，它们旳催化 效率和高选择性已能与生物酶相媲美。
第二节 模拟酶旳分类
根据Kirby分类法，模拟酶可分为：
——(1)单纯酶模型(enzyme-based mimics)，即 以化学措施经过天然酶活性旳模拟来重建和改 造酶活性； ——(2)机理酶模型(mechanism-based mimics)， 即经过对酶作用机制诸如辨认、结合和过渡态 稳定化旳认识，来指导酶模型旳设计和合成； ——(3)单纯合成旳酶样化合物(synzyme)，即某 些化学合成旳具有酶样催化活性旳简朴分子。
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。
酶催化反应的动力学模拟及其在工业中的应用
酶催化反应的动力学模拟及其在工业中的应用酶催化反应是一种重要的生物化学反应过程，具有许多优点，如高效、特异性强、反应条件温和等。
酶催化反应的动力学模拟可以帮助我们更好地理解酶的催化作用以及酶反应的机理，为工业生产、药物研发以及基础研究等领域提供了有力的工具和技术支撑。
一、酶反应与动力学模拟酶反应是指酶作为催化剂 catalyze 的生物化学反应过程，具有高效、特异性强、反应条件温和等优点。
酶催化反应遵循的是受体-配体模型，即酶与底物在反应过程中形成一个“酶-底物复合物”（EI复合物）并经历一定的过渡态，最终生成产物（E-P复合物）和释放底物。
酶的催化作用主要体现在它降低了化学反应的活化能，从而加速了反应速率。
为了更好地理解酶的催化作用，可以进行酶反应的动力学模拟。
动力学模拟是指模拟大量试验数据，获得反应过程中的关键参数，并从中推导出反应过程的动力学规律。
通常采用计算机模拟等手段进行，可以减少试验数据的浪费以及实验时间的延长。
酶反应的动力学模拟主要涉及到动力学参数的测定，包括反应速率常数、基质浓度、酶浓度、温度等。
其中，反应速率常数是酶反应中一个非常重要的参数，它可以用来评价酶反应的速率和反应条件的效果。
反应速率常数的测定可以通过多种方法，如酶动力学实验、浓度-时间关系测定等。
二、酶催化反应在工业中的应用酶催化反应在工业生产中具有广泛的应用前景，主要包括制药、食品加工、酶工程等方面。
1. 制药制药领域是酶催化反应的主要应用领域之一。
酶催化反应可以用于合成、分离、精制药物、以及药物废水的净化等方面。
以合成药物为例，其反应一般具有高选择性、高效率的特点，有利于大规模生产。
2. 食品加工在食品加工中，酶的催化作用被广泛应用于乳制品、水果、蔬菜和肉制品等方面，如牛奶发酵、面团发酵、果汁压榨、肉制品酿造等。
酶反应可以改善产品品质，提高产量，降低成本，减少环境污染等。
3. 酶工程酶工程是运用生物反应器和生化反应技术生产酶类产品的学科。
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。
实验研究：金属酶的模拟及其催化性能研究
实验研究：金属酶的模拟及其催化性能研究金属酶的模拟及其催化性能研究是一个非常有意义的实验研究课题。
以下是一个可能的实验方案：一、实验目的本实验旨在通过模拟金属酶的结构和性质，探究金属酶的催化机制，并通过实验数据比较金属酶与非金属酶的催化性能差异。
二、实验原理金属酶是一类含有金属离子的酶，它们在生物体内发挥着重要的催化作用。
金属酶的催化机制通常涉及到金属离子的配位和氧化还原过程，以及酶活性中心的构象变化。
通过对金属酶的模拟，我们可以深入了解金属酶的催化机制，为设计和优化具有更高催化性能的金属酶提供理论依据。
三、实验步骤1. 酶的选取与纯化：选择一种已知的金属酶，如血红蛋白酶或过氧化氢酶，并进行纯化。
2. 模拟酶的制备：通过化学合成或生物工程方法制备模拟酶。
可以选择与天然金属酶相似的金属离子作为活性中心，并在模拟酶中加入相应的配体或辅基。
3. 酶活性测试：利用已知的底物和产物，通过比色法、荧光法或质谱法等手段测定模拟酶的活性。
同时，也需要对天然金属酶进行活性测试，以进行比较。
4. 催化机制研究：通过对比模拟酶和天然金属酶的活性数据，分析金属离子在催化过程中的作用。
可以采用光谱分析、质谱分析、同位素标记等方法进一步探究金属离子的配位和氧化还原过程。
5. 数据分析与总结：对实验数据进行处理和分析，得出结论。
比较模拟酶与天然金属酶的催化性能差异，并探讨其原因。
四、实验结果与讨论通过本实验，我们可以得到以下结果：1. 模拟酶与天然金属酶的活性数据；2. 金属离子在催化过程中的作用；3. 模拟酶与天然金属酶的催化性能差异；4. 对金属酶催化机制的理解。
五、结论与展望本实验通过模拟金属酶的结构和性质，探究了金属酶的催化机制，并通过实验数据比较了金属酶与非金属酶的催化性能差异。
实验结果表明，金属离子在金属酶的催化过程中起着重要作用。
未来，我们可以进一步优化模拟酶的设计，提高其催化性能，为设计和开发具有实际应用价值的金属酶提供理论依据。
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。
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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) 。
第一节 模拟酶的分类
? 小分子仿酶体系：
? 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：
? 聚合物酶模型、分子印迹酶模型、胶束酶模型 等
一.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
? 将辅酶引入蛋白质上制备半合成酶：
? E.T.Kaiser 等构建的黄素木瓜蛋白酶。黄素的溴 酰衍生物可与木瓜蛋白酶的 Cys25共价结合成黄素 木瓜蛋白酶。此半合成酶的酶活力可与天然黄素 酶相比拟。
? 其他的辅酶 (如维生素 Bl、吡哆醛、卟啉等 )都可 以共价偶联到某些酶的结合部位．从而产生新的 实用催化剂。
? 形成的聚合物（MIP）内保留有与印迹分子的形 状、大小完全一样的孔穴，也就是说印迹的聚 合物能维持相对于印迹分子的互补性，因此， 该聚合物能以高选择性重新结合印迹分子。
? 一般来说，聚合物空穴对印迹分子的选择性结
合作用来源于空穴中起结合作用的官能团的排 列以及空穴的形状。大量研究表明官能团的排
第二节 印迹酶
一、分子印迹技术概述
? 模拟生物分子的分子识别和功能是当今最富 挑战的课题之一。
? 在分子水平上模拟酶对底物的识别与催化功 能已引起各国科学工作者的广泛关注。
? 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的 存在。
分子印迹
? 这样的类似于抗体和酶的结合部位能否在聚合 物中产生呢？
? 如果以一种分子充当模板，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 合物就像‘‘锁”一样对钥匙具有选择性识别 作用，这种技术被称为分子印迹。
分子印迹
? 所谓分子印迹(molecular imprinting) 是 制备对某一化合物具有选择性的聚合物的 过程，这个化合物叫印迹分子 (print molecule ，P)，也叫做模板分子 (template ，T)。
? 2.将具有特异性的物质与具有催化活力的酶相结
合，形成半合成酶。
? 例：人工合成寡聚核苷酸链经化学法连接到RNA 酶的166 位的Cys 上，获得的半合成酶借寡聚核苷酸链的碱基互补 关系，显示了对RNA 链特定位点的水解作用，——不同 于DNA 限制性内切酶的天然来源的RNA 限制性内切酶。
黄素木瓜蛋白酶 ——著名的人工酶
? 它是以天然蛋白质或酶为母体，用化学或 生物学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”。
? 1.将具有催化活性的金属或金属有机物与具有特 异性的蛋白质相结合，形成半合成酶。
? 如：钌(Rn) 电子传递催化剂[Rn(BH 蛋白结合——半合成无机生物酶
3)5]3+ 与巨头鲸肌红
? 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，故酶模型应为底物提供良好的微环境， 便于与底物，特别是反应的过渡态以离子键、氢 键等结合；
? 精心挑选的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，以促使反应定向发生；
? 模型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。
(一)分子印迹原理
? 在生物体中，分子复合物通常通过非共价键如氢 键、离子键或范德华力相互作用而形成。同共价 键相比，非共价键相互作用较弱，但几个或多个 相互作用的合力却很强，这使复合物具有很高的 稳定性。
? 当模板分子 (印迹分子 )与带有官能团的单体分子 接触时，会尽可能同单体官能团形成多重作用点 ，待聚合后，这种作用就会被固定下来。当模板 分子被除去后，聚合物中就形成了与模板分子在 空间上互补的具有多重作用位点的结合部位，这 样的结合部位对模板分子可产生多重相互作用， 因而对此模板分子具有特异性结合能力。
研究热点
? CD分子
? 原来：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
? 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
2、胶束酶模型
3、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。
4、半合成酶