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1、第十一章第十一章 人工模拟酶人工模拟酶q 理论基础和策略理论基础和策略q 合成酶合成酶q 印迹酶印迹酶一、模拟酶的理论基础和策略一、模拟酶的理论基础和策略1、模拟酶的概念、模拟酶的概念 模拟酶又称人工酶或酶模型，是生物有模拟酶又称人工酶或酶模型，是生物有机化学的一个分支。机化学的一个分支。模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部位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性的一门科学。的作用机理和立体化学等特性的一门科学。2、模拟酶的理论基础、模拟酶的理论基础1)模拟酶的酶学基础模拟酶的酶学基础：酶的催化机制酶
2、的催化机制稳定过渡态理论稳定过渡态理论 人工体系的识别、结合和催化人工体系的识别、结合和催化具有与底物具有与底物/过渡态定向结合的能力过渡态定向结合的能力催化基团与底物催化基团与底物/过渡态之间具有相互匹配的立体过渡态之间具有相互匹配的立体化学特征化学特征2 2)超分子化学：超分子化学：主主-客体化学客体化学(host-guest chemistry):host-guest chemistry):主体与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。学领域。超分子化学超分子化学(supramolecularsupramolecular ch
3、emistry)chemistry):当当接受体与络和离子或分子通过非共价键相互作用，接受体与络和离子或分子通过非共价键相互作用，结合成具有稳定结构和性质的超分子，超分子具有结合成具有稳定结构和性质的超分子，超分子具有分子识别、催化和选择性输出的功能。分子识别、催化和选择性输出的功能。模拟基础：模拟基础：酶活性中心酶活性中心-底物复合物的结构底物复合物的结构酶的专一性及其同底物结合方式酶的专一性及其同底物结合方式反应的动力学及各中间物的知识反应的动力学及各中间物的知识模拟原则：模拟原则：为底物提供良好的微环境、以便非共价相互作用为底物提供良好的微环境、以便非共价相互作用催化基团必须相对于结合点
4、尽可能同底物的功能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团相接近应具有足够应具有足够的水溶性，并在接近生理条件下保持的水溶性，并在接近生理条件下保持其催化活性其催化活性二、合成酶二、合成酶 主主-客体酶客体酶 胶束酶胶束酶 肽酶肽酶 抗体酶抗体酶 半合成酶半合成酶按照模拟酶的属性按照模拟酶的属性:1 1、主、主-客体酶客体酶环糊精酶模型环糊精酶模型水解酶的模拟水解酶的模拟胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶核糖核酸酶的模拟核糖核酸酶的模拟核糖核酸酶的模拟核糖核酸酶的模拟合成的主合成的主-客体酶模型客体酶模型 用人工合成的冠醚、穴醚、环番、杯芳烃用人工合成的冠醚、穴醚、环番、杯芳烃等大环多齿配体
5、构筑酶模型。等大环多齿配体构筑酶模型。首先优化对底物的结合，其次是催化基首先优化对底物的结合，其次是催化基团的定位。团的定位。2 2、胶束模拟酶、胶束模拟酶 胶束在水溶液中提供了疏水微环境，可胶束在水溶液中提供了疏水微环境，可对底物进行束缚，将催化基团和辅酶共价对底物进行束缚，将催化基团和辅酶共价或非共价连接或吸附在胶束上，就可能形或非共价连接或吸附在胶束上，就可能形成活性中心部位，使胶束成为具有酶活力成活性中心部位，使胶束成为具有酶活力或部分酶活力的胶束模拟酶。或部分酶活力的胶束模拟酶。3 3、肽性酶、肽性酶 肽性酶（肽性酶（pepzymepepzyme）就是模拟天就是模拟天然酶活性部位而人
6、工合成的具有然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽。催化活性的多肽。4 4、半合成酶、半合成酶 半合成酶是以天然蛋白质或酶为母体，用半合成酶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，从而形成新的人工化基团，或改变其结构，从而形成新的人工酶。酶。化学诱变法化学诱变法 引入辅酶引入辅酶又称为催化抗体又称为催化抗体(catalytic antibody)(catalytic antibody)，是，是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力结合抗体的高度选择性和酶的高效催化能力结合的产物，本质上是一类具有催化活力的免疫
7、的产物，本质上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。球蛋白，在其可变区赋予了酶的属性。5 5、抗体酶、抗体酶 abzymeabzyme三、印三、印 迹迹 酶酶q 分子印迹与分子印迹酶分子印迹与分子印迹酶q 生物印迹与生物印迹酶生物印迹与生物印迹酶1、分子印迹与分子印迹酶、分子印迹与分子印迹酶分子印迹分子印迹(molecular imprintingmolecular imprinting)是制备对是制备对某一化合物具有选择性的聚合物的过程。这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个化合物叫印迹分子(print molecule,Pprint molecul
8、e,P)或或模板分子模板分子(template,Ttemplate,T)，制得的聚合物简称，制得的聚合物简称MIPMIP。分子印迹原理分子印迹原理印迹分子与单体相互作用类型印迹分子与单体相互作用类型 可逆共价结合可逆共价结合 苯基苯基-D-D-甘露吡喃糖苷为印迹分子，甘露吡喃糖苷为印迹分子，2 2分子分子的的4-4-乙烯基苯基硼酸为单体，乙烯基苯基硼酸为单体，EDMA(EDMA(乙二醇二甲乙二醇二甲丙烯酸酯丙烯酸酯)为交联剂，四氧呋喃为交联剂，四氧呋喃/乙氰为惰性溶剂，乙氰为惰性溶剂，得到印迹聚合物可以拆分这个糖的外消旋混合物。得到印迹聚合物可以拆分这个糖的外消旋混合物。非共价结合非共价结合可
9、逆共价进行的分子印迹可逆共价进行的分子印迹非共价结合进行的分子印迹非共价结合进行的分子印迹分子印迹聚合物的制备方法分子印迹聚合物的制备方法1)选定印迹分子和单体，让二者充选定印迹分子和单体，让二者充分作用分作用2)在印迹分子周围发生聚合反应在印迹分子周围发生聚合反应3)将印迹分子从聚合物中抽提出去将印迹分子从聚合物中抽提出去表面分子印迹表面分子印迹 所谓表面分子印迹，就是采取一定的措施把几乎所所谓表面分子印迹，就是采取一定的措施把几乎所有的结合位点局限在具有良好可接近性的表面上，从有的结合位点局限在具有良好可接近性的表面上，从而有利于模板分子的脱除和再结合，因此该方法尤其而有利于模板分子的脱除
10、和再结合，因此该方法尤其适合于对生物大分子的印迹。适合于对生物大分子的印迹。分子印迹酶分子印迹酶 通过分子印迹技术产生类似于酶的活性中通过分子印迹技术产生类似于酶的活性中心的空腔，对底物产生有效结合；并利用此心的空腔，对底物产生有效结合；并利用此技术在结合空腔内诱导产生催化基团，与底技术在结合空腔内诱导产生催化基团，与底物定向排列。物定向排列。印迹分子包括：底物、底物类似物、酶抑印迹分子包括：底物、底物类似物、酶抑制剂、过渡态类似物及产物等。制剂、过渡态类似物及产物等。生物印迹（生物印迹（bioimprintingbioimprinting）是分子印迹是分子印迹的一种形式，它是以天然的生物材料
11、如蛋白的一种形式，它是以天然的生物材料如蛋白质和糖类物质为骨架，在其上进行分子印迹质和糖类物质为骨架，在其上进行分子印迹而产生对印迹分子具有特异性识别空腔的过而产生对印迹分子具有特异性识别空腔的过程。程。2 2、生物印迹和生物印迹酶、生物印迹和生物印迹酶原理：原理：生物分子构象的柔性在无水有机相生物分子构象的柔性在无水有机相中被消除，其构象被固定，因而模板中被消除，其构象被固定，因而模板分子与生物分子在水溶液中相互作用分子与生物分子在水溶液中相互作用后产生的构象变化移入无水有机相后后产生的构象变化移入无水有机相后才能得以保持。才能得以保持。生物印迹酶生物印迹酶有机相生物印迹酶：脂肪酶有机相生物
12、印迹酶：脂肪酶水相生物印迹酶水相生物印迹酶1 1）酯水解生物印迹酶）酯水解生物印迹酶用吲哚乙酸印迹牛胰核糖核酸酶，用戊用吲哚乙酸印迹牛胰核糖核酸酶，用戊二醛交联固定印迹蛋白的构象，透析去二醛交联固定印迹蛋白的构象，透析去除印迹分子后得到具有酯水解能力的生除印迹分子后得到具有酯水解能力的生物印迹酶。物印迹酶。2 2）HFHF水解生物印迹酶水解生物印迹酶 以底物类似物印迹核糖核酸酶，采用长链二酰亚胺以底物类似物印迹核糖核酸酶，采用长链二酰亚胺固定被印迹的蛋白构象固定被印迹的蛋白构象3 3）具有谷胱甘肽过氧化物酶活性的生物印迹酶）具有谷胱甘肽过氧化物酶活性的生物印迹酶 用疏水基团用疏水基团2,4-2,4-二硝基苯修饰的二硝基苯修饰的GSHGSH印迹卵清蛋白产印迹卵清蛋白产生了生了GSHGSH的特异性结合部位，在结合部位引入催化基团的特异性结合部位，在结合部位引入催化基团硒代半胱氨酸，形成了具有硒代半胱氨酸，形成了具有GPXGPX活性的印迹酶活性的印迹酶