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1、酶 工 程 Enzyme Engineering第第 八八 课课人 工 酶Artificial EnzymesArtificial EnzymesEnzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes什么是人工酶（artificial enzyme）科学界曾经的难题：能不能用最简单的结构模型来代替 结构庞大而稳定性差的酶？酶催化反应的本质是什么？酶的活性中心在整个酶分子中仅占据很小的比例，活性中心之外 的部分对酶的催化而言是否多余？仅保留酶的活性中心而去除酶分子的其他部分，酶还具有催化能 力吗？能不能设计出比酶催化效率更高，而结构
2、简单的催化剂？?Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes什么是人工酶（artificial enzyme）An artificial enzyme is a synthetic, organic molecule prepared to recreate the active site of an enzyme.Enzyme catalysis of chemical reactions occur with high selec- tivity and rate in a small part of the enz
3、yme macromolecule known as the active site. There, the binding of a substrate close to functional groups in the enzyme causes catalysis by so-called proximity effects. It is therefore possible to create similar catalysts from small molecule mimics of enzyme active sites by combining, in a small mole
4、cule, the ability to bind substrate with catalytic functional groups. Since the artificial enzymes need to bind molecules, they are made based on a host- molecule such as a cyclodextrin, crown ethers or calixarene etc.?Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的研究简史“仿生”与“模拟酶”1960
5、年，美国科学家 Steele 首先提出“Bionics (仿生学)”的概念1956年起，R. Breslow 课题组在研究以焦磷酸硫胺素为辅酶的羧 化酶催化机理时，发现在催化过程中存在稳定的碳烯负离子中间 体，对阐明结构活性的关系起到重要作用1972年，Breslow 提出了“biomimetic chemistry (仿生化学)”的 概念Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的研究简史“仿生”与“模拟酶”1970年，第一个以环糊精为基本结构的模拟酶诞生从 1970s 开始， Breslow 课题组对模拟酶进
6、行了大量研究，取得 丰硕的成果，为人工酶的设计和应用作出了巨大贡献Ronald Breslow (1931-)Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的研究简史超分子化学与人工酶1967 年，Pedersen 报道了冠醚与碱金属离子的配合物1973 年，Cram 提出“主客体化学”的概念1978 年，Lehn 引入术语“超分子化学”来定义“分子间组装体和 分子间作用力的化学” 1987 年，上述三人共同获得诺贝尔化学奖Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artifi
7、cial Enzymes人工酶的研究简史分子印迹技术与人工酶1972 年，Wulff 研究组制备出第一个分子印迹聚合物1987 年，Mosbach 研究组制备出第一个分子印迹酶，用于对硝 基苯基酯类的水解目前对人工酶的研究已经涵盖了六大类酶，已设计并制备出的人 工酶多达数千种Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的特点人工合成的小分子，分子量一般不大人工酶的稳定性较好，不易被降解人工酶的结构和催化机制类似于酶有底物结合区域，也具有能识别底物的拓扑学结构一般具有催化中心可以从分子水平上模拟酶活性部位的各种特征，
8、用于探 索酶催化机制和立体化学选择性Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的理论基础酶学基础 Pauling 稳定过渡态理论酶先与底物结合，进而选择性地稳定某一特 定反应的过渡态（TS），降低反应活化能， 从而加快反应速率模拟酶的设计，一方面要基于酶的作用机制 ，另一方面基于对简化的人工体系中识别、 结合和催化的研究需考虑底物与模拟酶定向结合的能力，通过 底物定向，构象变化导致化学键扭曲、变形 ，降低活化能模拟酶和底物之间必须具有相互匹配的立体 化学特征Enzyme EngineeringEnzyme Eng
9、ineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的理论基础分子识别和选择 超分子化学（supramolecular chemistry）超分子是基于分子间非共价相互作用而形成的有序的分子聚集体构成超分子结构的分子间作用力主要有氢键、配位键、范德华力 、静电相互作用以及亲水疏水相互作用等Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的理论基础分子识别和选择 超分子化学（supramolecular chemistry）超分子化学中主体客体相互作用类似于酶和底物的相互作用， 它体现为主体和客体在结合部
10、位的空间及电子排列的互补主体与客体之间具有相互识别的能力，通过识别，主体选择特定 的客体分子与之形成复合物，这一过程类似于酶对最适底物的识 别和选择若合成既能识别客体分子，又具有酶活性部位催化基团的主体分 子，就能有效地模拟酶的催化过程Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的理论基础人工酶的分类 Kirby 分类法单纯酶模型（enzyme-based mimics）以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（mechanism-based mimics）通过对酶作用机制诸如识别、结合和过渡态稳
11、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（synzyme）化学合成的具有类似于酶催化活性的简单分子Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes人工酶的理论基础人工酶的分类 按属性分类主客体酶和酶模型由大环及带空穴的化合物构成的超分子主客体结构胶束酶模型将催化基团连接在胶束上，提供“活性中心”肽酶半合成酶分子印迹酶以某一分子为模板，周边聚合交联后，除去模板留下特定形状空穴抗体酶具有催化作用的人工构建的抗体Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial
12、 Enzymes人工酶的设计思路人工酶设计应考虑的因素设计的酶模型能为底物提供良好的微环境，便于和底物，特别是 反应的过渡态（TS）以离子键、氢键等非共价相互作用较稳定地 结合精心挑选催化基团，使之与底物的功能基团尽可能接近，以促进 底物的定向和反应的发生设计的酶模型应具有足够的水溶性或亲水性，并在一定的条件范 围内保持其催化活性Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes本章主要内容基于主客体结构的酶模型环糊精酶模型大环及穴状配合物酶模型氢键受体模拟酶胶束人工酶分子印迹酶肽酶Enzyme EngineeringEnzy
13、me Engineering人 工 酶Artificial Enzymes主客体酶模型环糊精（cyclodextrin，CD）酶模型环糊精：由环糊精葡萄糖基转移酶（CGTase，EC 2.4.1.19）作 用于淀粉而产生的一类环状低聚糖相邻葡萄糖基之间通过 -1,4-糖苷键连接常见的环糊精主要有 -、- 和 -CDEnzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes主客体酶模型环糊精酶模型环糊精的分子呈截锥形所有的羟基 OH 构成环糊精的亲水表面碳链骨架构成了环糊精的疏水内空腔Enzyme EngineeringEnzyme E
14、ngineering人 工 酶Artificial Enzymes主客体酶模型环糊精酶模型-环糊精分子能级模拟（左）及其结构的计算机模拟（右）Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes主客体酶模型环糊精酶模型：几种代表性的环糊精酶模型环糊精酰基水解酶（acyl-hydrolase）模型环糊精核糖核酸酶（ribonuclease）模型环糊精转氨酶（transaminase）模型细胞色素 P450（cytochrome P450）的环糊精模拟谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase）的环糊精模拟En
15、zyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes主客体酶模型环糊精酶模型 酰基水解酶（acyl-hydrolase）1970 年，Breslow 设计出第一个环糊精酶模型，能催化对硝基乙 酰苯酯的水解，反应速率比无催化剂时快 103 倍Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes主客体酶模型环糊精酶模型 酰基水解酶（acyl-hydrolase）胰凝乳蛋白酶的模拟 含咪唑结构的水解酶咪唑基以组氨酸（His）的形式存在于丝氨酸蛋白酶的催化中心区 域，是电荷中继网的重要组成部分，咪唑基交替起着酸和碱的作用胰凝乳蛋白酶 催化中心Enzyme EngineeringEnzyme Engineering人 工 酶Artificial Enzymes主客体酶模型环糊精酶模型 酰基水解酶（acyl-hydrolase）胰凝乳蛋白酶的模拟 含咪唑结构的水解酶在环糊精侧链引入咪唑基团，可以对丝氨酸蛋白酶进行模拟，利用 环糊精自身的 OH 和底物的酰基构成一个人工的电荷中继网催化对叔丁基苯基乙酸酯时的 kcat/Km 值与胰凝乳蛋白酶相当Enzyme EngineeringEnzyme Engineeri
