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1、第八章 生命中的超分子化学与生物模拟(2),8.3 生物模拟,8.3.1 功能模拟,8.3.1.1功能模拟生物模型的特征,要进行生物模拟，首先就要选择好合适的生物模型并了解它的特征。生物体系，特别是酶，展现了大量需要在功能模拟模型体系中重现的典型特征： 酶可以在温和的条件下引发快速的反应； 酶展现出对底物具有高度的结构和手性识别； 每个酶分子可以催化大量底物分子的反应而本身不被破坏（高的转化数）； 对于那些与酶结合，但自身不反应的化合物，酶很容易受到它们竞争性的抑制。,令人可喜的是，仿生体液显示了一些生物酶没有的性质。例如，分子量小于20003000Da，极少的手性元素，即使在高温下处理也很稳
2、定，在很多种溶剂中的可溶性等。在试图模拟生物分子的过程中，期望会产生一个能同时模仿自然过程所有结构的，结合的以及催化的特点的生物体系是不合理的。自然界耗费了数百万年来进化高度复杂的生物过程，而人工技术和探索还不具有相当的水平 。,受体和底物：,受体：细胞膜上或细胞内能特异识别生物活性分子并与之结合，进而引起生物学效应的特殊蛋白质。 受体在细胞生物学中是一个很泛的概念，意指任何能够同激素、神经递质、药物或细胞内的信号分子结合它能把识别和接受的信号正确无误地放大并传递到细胞内部，进而引起生物学效应。 受体的两个基本功能： （1） 识别特异的信号物质-配体，识别的表现在于两者结合； （2）把识别和接
3、受的信号准确无误的放大并传递到细胞内部，启动一系列胞内生化反应，最后导致特定的细胞反应。使得胞间信号转换为胞内信号。,底物：酶所作用和催化的化合物。底物为参与生化反应的物质，可为化学元素、分子或化合物，经酶作用可形成产物。,配体是与大分子物质结合的原子、离子或分子。如在抗原与抗体的结合，激素与受体的结合以及底物与酶的结合中，抗原、激素及底物为特异的配体。,生物模拟采取的策略,体系体现底物或简单对照物的有效键合特征，或展现生物反应过度态 的对照，这被称为结构模型； 在没有酶键合特征的情况下进行反应（通常指分子间的）体系，这被 称为功能模型。这两种方法形成了最初的模型体系。如果这种模型体 系进行了
4、期望的生物学反应，无论是反应速度还是反应的选择性都比 自然酶和受体差。随模型体系的不断发展，体系趋向于满足Dugas （1989）列出的许多基本要求： 模型应为底物提供一个疏水 键合点； 模型应为那些底物补充提供氢键或静电键合点； 适当的催化基团应与模型连接； 模型的结构应是刚性的，并被很好地界定； 模型应该是水溶性的，在生理条件下具有催化活性的。,8.3.1.2酶的特征,（a）定义和结构 酶是动态大分子，分子量一般超过10000Da。它们由多肽链也就是蛋白质氨基酸的聚合物组成。这些多肽链折叠成独特构象，产生结合了表面裂缝的球状结构。酶催化的底物结合发生在这些裂缝中，称为活化点。最初的结合是热
5、力学控制的平衡过程，具有高度选择性，通常在诱导适配基础上进行的。结合是通过酶与底物的三维接触发生的，包括疏水效应，氢键，盐桥（离子-离子）和其他形式的分子内作用。结合底物经历了化学转换，有时可以接近扩散极限。式（8.1）代表了全过程，而E、S和P分别代表酶、底物和产物。注意，正如催化过程所要求的，酶在反应后又重新产生。,一种特定酶对于竞争底物的专一性和选择性取决于每种底物的反应速率常数k1和k-1以及kcat。通常以总的特定常数kcat/k11来表示。因此，最专一的酶可以迅速地进行催化，而不需要特别强的结合。,酶的结构可以划分成一级，二级和三级特征。一级结构是多肽链上氨基酸残基的顺序，它是由合
6、成酶的方式决定的；二级和三级结构与不连续单元或片段（例如，-螺旋和-层，见图8.22）链的排列顺序有关，而三级结构则是二级结构的特征单元排列产生完全的球状蛋白质的方式。它是通过氢键、堆积作用和疏水作用形成的，通常涉及到酶的深处埋藏的水分子的参与，在那里，水分子填充小的空穴，起到了连接二级特征单元的“黏合剂”的作用。正是酶的三级结构决定了结合点的有序性；而且，它还是酶结构中最为灵活的部分，允许结合点因客体的结合而发生扭转。然而，酶的三级结构明确，酶的结构是高度有序的，足以结晶。在一级氨基酸序列中三级结构的编码方式是一个复杂的，至今仍未解决的谜团。导致整体球形的疏水效应非常重要，正如决定大多数有序
7、性的静电效应一样。确切地说，取向性的氢键决定了哪一小部分的球状构象更倾向于生成。,酶的结构,酶二级结构的特征,酶催化机制,酶催化的反应能够取得如此大的催化速率的关键在于酶是它催化的反应的过渡态的结构互补分子。 这种简单却深刻的论断涉及到化学反应中的整体过渡理论，图8.23所示的不同类型的反应配位剖面图例证了这一点。酶催化的作用是降低活化的酶底物络合物ES2+的能量，从而降低活化自由能。 G2+cat（与未催化反应活化底物的能量相比，S2+）。,因此，酶与活化的底物必须比对其基态物种更加互补。实际上，涉及底物结合的非共价键作用足以扭曲底物，使其可以沿着反应络合物从左向右继续一段距离。也就是说，它
8、变的更像是过渡态，因此降低了形成ES2+所需的活化能。,图8.23 催化（）和未催化（）的化学反应势能图,不仅是过渡态的稳定化导致了酶的加速反应。一般来说，在非酶化学中，由于统计学效应，分子内反应比它们对应的双分子反应要快的多；例如，琥珀酸苯酯的分子内反应比乙酸与乙酸苯酯（浓度均为1L/mol）的双分子反应快105倍（图8.24）。k1/k2的比例定义为有效摩尔数。即使它定义上代表要与分子内反应获取同样的速度多需要的浓度，它的值为105mol/L时很显然也要远远大于实际的浓度（纯的乙酸大约是17mol/L）。与双分子反应相比，单分子过程仅仅导致了内部旋转熵的降低，所以在熵方面有利了5459kJ
9、/mol。对于酶，如果底物和酶的结合作用足够强，那么ES复合物就如同一个分子起作用，因此可以观察到分子内的催化速度达到109。实际上，使两个反应物分子聚在一起引起的熵变，是由底物结合而不是由反应来偿付的。,图8.24 分子内反应（a）比双分子等价反应（b）要快的多,（b）酶催化机制,酶催化机制,酶速率催化的最后一个关键因素是，结合底物的解溶剂化需要再次偿还络合的能量。酶的功能化基团和表面的作用有效地置换了原来围绕在底物周围的水分子。和酶相连的活性基团是这些溶剂化部位之一，因此，反应物被带入又一个最初的溶剂球，形成高亲和力的接触对，保持足够长的时间使得反应可以发生。这通常称为时空理论。 酶已经进
10、化到以高度选择性的方式执行这些特定的任务。与它们特别的任务相比，尽管酶具有相同的氨基酸构筑单元，但每类酶都有别与其他类。 酶的共同特点是它们都是非常大的复杂的分子。这一因素使得几乎没有可能利用模型体系来完全理解酶的作用，因为小分子的模型不能简单地接近真正物种的复杂性。很有可能酶的大小仅仅是通过折叠肽的相互作用获得所需结合点的缺陷的立体构型和方位需要最小的尺寸。与此同时，结合点需具有一些可控的明确的灵活性，以适应底物在经历化学转变中的运动，这就是它使用延展性的蛋白质三级结构来构建的原因之一。也许在酶的表面远离结合点的大量官能团也很重要，这些官能团可以用来捕获潜在的底物，提高它们向活化点扩散的速度
11、。,8.3.1.3环糊精作为酶模拟体,环糊精是环状寡糖，通常含有68个D-吡喃葡萄糖苷结构单元，由1,4-糖苷键连接形成的。最重要的3种环糊精是-环糊精（-CD），-环糊精，-环糊精。它们分别含有6、7、8个吡喃葡萄糖苷结构单元。此外，还有几种少量存在的环糊精：-CD和-CD（分别有9个和10个结构单元），以及含有5个单元的前-CD。,环糊精的形状通常可以描述为：逐渐变细的花托或者截去尖端的漏斗。环糊精有两个不同的平面：主面和次面。主面是花托的窄面，由伯羟基组成，较宽的次面由仲羟基组成，包含CH2OH基团。六元D-吡喃葡萄糖苷环由边对边连接而成，环面全部向内指向不同尺寸的疏水空穴中心。就是这个
12、空穴，因亲水醇羟基官能团带来的水溶性这一特性，从而使得环糊精在水中具有独特的络合性能。,环糊精的形状,环糊精的结构剖析图,（a）使用人工主体框架的酶模型,构建小分子酶模拟需要一个体系，它一般以非共价键的形式与底物有选择性地、可逆地快速结合，并且催化那种底物的化学反应。此种化学的目标有助于理解天然酶，工业催化的发展以及生化反应的人为性规则。由此，环糊精由于具有大量的潜在酶模拟和模型的特点而吸引了众人的目光。其显著特点如下：,在生理PH下具有水溶性 水是大多数酶作用的介质； 可逆地非共价键结合体，客体释放要比结合过程慢，像酶一样； 明确的结构和客体结合模式； 大范围可得的衍生物； 羟基基团并置，这
13、样在催化中可以起活化作用以及对于客体结合具有疏水空腔； 手性的分子空腔，使得非对映体选择性的结合和催化成为可能； 真正的催化活性。,环糊精是以阴离子化学为中心的，而且环糊精的一个OH基团已经去质子化。这使得环糊精具有一个活性的、亲核的官能团而与疏水的结合空腔最接近。早期的工作表明连接在环糊精空腔内的酯基可以酰化阴离子的-环糊精，如图（8.25）所示。相应的乙酸间硝基苯酯的水解反应速率证明比不存在环糊精时大约快100倍。当然，这个反应不是催化性的，而且与酶的标准相比，其速率的提高也是中等的。另外，这个体系的分子量在2000Da以下，所以是一个“小”分子，因此催化的过程易于表征。,底物对环糊精的乙
14、酰化,图8.25 一个被结合的底物对环糊精的乙酰化,考察分子模型，我们看到，乙酰化反应过程中，被结合的底物在形成四面体的反应中间体时被部分推出环糊精的空腔。而且，过多的刚性底物在结合时旋转有一定的困难。这种旋转主要是为了使环糊精羟基基团垂直于底物酯基平面，然后再旋转嵌入新酯基产物平面（见图8.25）。这些问题体现在对一些底物的考察中，如对硝基衍生物，其酯基远离空腔而突出来，以及那些有着较多旋转灵活度的底物如炔（8.2）。在这种情况下，类酶的速率加速因子可达到5900000，例如（8.3）。,图8.25 四面体中间体及其旋转,四面体中间体及其旋转,（b）模拟酯酶的环糊精,环糊精及其衍生物已知被用
15、来催化各种类型的生化和非生化转化。未官能化的环糊精的催化基础是它具有反应活性的二级羟基直接置于分子空腔的入口处。环糊精催化的最有效的反应之一是芳基和磷酸酯的水解。环糊精作用的机理如图8.26所示。,图8.26 -环糊精对酯水解的机理,在环糊精和镧系离子共同作用下，磷酸酯的形成和水解表现在环糊精可以显著地加快反应速率。生物体系中，3，5-环状单磷酸腺苷（cAMP（8.4）是细胞间传递的重要二级信使。当一个细胞接受外界刺激（一级信使），化合物（8.4）cAMP由三磷酸腺苷产生（ATP），这一反应是由腺苷酸环化酶催化的。cAMP依次活化各种其他的细胞内酶来产生细胞响应，这一响应由磷酸二酯酶对cAMP
16、的水解来结束（图8.27）。-环糊精与镨（）的组合成功地模拟了腺苷酸环化酶的这一作用。这代表了第一个在生理条件下催化这种转变的人工体系。以前的尝试一般都导致ATP水解成相应的非环状单-和双磷酸酯。cAMP随后的断裂可以被-CD与铈（IV）极好地催化。在生理PH和30下，cAMP转化为腺苷单磷酸酯（AMP）的半衰期只有6S，而未催化条件下估计可达到3000000年。这表明速率提高因子达到了1013。,图8.27 腺苷酸环合酶/磷酸二酯酶对环糊精络合物的活性,环糊精催化磷酸酯的形成和水解,（c）功能化环糊精,仲羟基基团和疏水空腔为环糊精模拟酶提供了强有力的组合。在以环糊精为基础的酶模拟体系中，疏水空腔被设计作为具有模型酶活化点，且含有其他官能团的酶模拟的一部分。曾经被引作“人工酶的第一个化合物就包含了环糊精，它是Cu()离子通过吡啶二羧基衍生的作用位点(8.5)与其第二个面络合的化合物。这种化合物催化了客体物种的水解，这些客体既不是金属中心的配体，对于Cu()络合物的催化水解通常也不具活性。,化合物(8.6)也证明是一种非常有效的水解催化剂。对硝基芳基化合物被束缚在
