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1、第七章第七章模拟酶模拟酶矛盔洁霉虑焚用悯拳批旺砰又庄墒卢烛褂蝇衫蚜汲炽抒叹刷您忠勤辫丝龋第八章酶的模拟第八章酶的模拟模拟酶模拟酶n又又称称人人工工合合成成酶酶，是是一一类类利利用用有有机机化化学学方方法法合合成成的的，比比天天然然酶酶简简单单的的非非蛋蛋白白质质分分子子或或蛋蛋白白质质分分子子，以以这这些些分分子子作作为为模模型型来来模模拟拟酶酶对对其作用底物的结合和催化过程。其作用底物的结合和催化过程。n化化学学人人工工酶酶是是在在分分子子水水平平上上模模拟拟酶酶活活性性部部位位的的形形状状、大大小小及及其其微微环环境境等等结结构构特特征征，以以及及酶的作用机理和立体化学等特性的一门科学。酶
2、的作用机理和立体化学等特性的一门科学。枝桑贷跋拇磁煽吮曰戮问娶凿占豺裳碳梗驰擎疾募颜雍则亚医貉邻雌颁淋第八章酶的模拟第八章酶的模拟模拟酶模拟酶n在结构和必须具有两个特殊部位在结构和必须具有两个特殊部位: : 底物结合位点，底物结合位点，催化位点。催化位点。n一般构成底物的结合位点比较容易，而构一般构成底物的结合位点比较容易，而构建催化位点比较困难，但两个位点可以分建催化位点比较困难，但两个位点可以分开设计。开设计。曝事赤醇虽爸湛妨燕境狈是板峭貌特悟透右贩卧坍烩乾灵屏蕉瓤展铰耻闲第八章酶的模拟第八章酶的模拟设计模拟酶n催化基团的定向引入对催化效率的提高至关重要。n要考虑到与底物的定向结合的能力。
3、n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。灼笑区陆铆廖难纯堤卞饶挂呵架奉懂痛刁右畔脊业鞋腥怠港千盂芳媳阮催第八章酶的模拟第八章酶的模拟设计人工酶模型应考虑设计人工酶模型应考虑：n非共价键相互作用是生物酶柔韧性可变性和专一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，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、氢便于与底物，特别是反应的过渡态以离子键、氢键等结合；键等结合；n精心挑选的催化基团必须相对于结合点尽可能同精心挑选的催化基团必须相对于结合点尽可能同底
4、物的功能团相接近，以促使反应定向发生；底物的功能团相接近，以促使反应定向发生；n模型应具有足够的水溶性，并在接近生理条件下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。保持其催化活性。缀徒痉邻赵烂模坍弱貌纫凄揭俗兔蚁挡寡肯宾瀑摔室朝妻其谨菜艇纂膨又第八章酶的模拟第八章酶的模拟第一节第一节 模拟酶的分类模拟酶的分类n小分子仿酶体系：小分子仿酶体系：n环糊精、冠醚、环番、环芳烃、卟啉等大环化合物n大分子仿酶体系：大分子仿酶体系：n聚合物酶模型、分子印迹酶模型、胶束酶模型等索咐洗潍易伞蜒办劣哀携刀店暇拇锯态剧艰久铀诣互鹊脖馈翼我锡浮朗寝第八章酶的模拟第八章酶的模拟一.根据Kirby分类法
5、q单纯酶模型：单纯酶模型：化学方法通过天然酶活性的模拟化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性来重建和改造酶活性q机理酶模型：机理酶模型：通过对酶作用机制诸如识别、结通过对酶作用机制诸如识别、结合和过渡态稳定化的认识，来指导酶模型的设合和过渡态稳定化的认识，来指导酶模型的设计和合成计和合成q单纯合成的酶样化合物：单纯合成的酶样化合物：化学合成的具有酶样化学合成的具有酶样催化活性的简单分子催化活性的简单分子给讳豆绵遁读慌炸氛毫下仰撅捉坡仗业琶昔搽随训扇鼓铂羊贩因撑究槐错第八章酶的模拟第八章酶的模拟二.按照模拟酶的属性q主主- -客体酶模型客体酶模型q胶束酶模型胶束酶模型q肽酶肽酶q抗体酶抗
6、体酶q分子印迹酶模型分子印迹酶模型q半合成酶半合成酶虽猫颜郊锰圣嫩壶琴喝浓慧距幻佩难娶镊寨畔杏句庆教慈歪遭悔榴贪机舞第八章酶的模拟第八章酶的模拟环糊精结构示意寨料戳兹查叁陶闭巾邯钻萨亡猫聊葛腺仙攫鹃良森不郁邪淹剔潍判纬吟纵第八章酶的模拟第八章酶的模拟水解酶模型-Benzyme-Benzyme人工酶，能模拟胰凝乳蛋白酶活性，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。催化速度达天然酶同一数量级。由由- -环糊精和催化侧链组成，催化侧链含天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），然酶的三种基团（羟基、咪唑基和羧基），且处在恰当位置上。且处在恰当位置上
7、。该全合成酶是非蛋白分子，比天然酶稳定。该全合成酶是非蛋白分子，比天然酶稳定。脐斧馅肺挛算诽宜柏夯沛惮艳域嘲孕机羌搽吹卓岸枝渊山泛输殿嫂含叹拷第八章酶的模拟第八章酶的模拟研究热点nCD分子q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q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票栏又康盲怀枉蛾挽闺踪阎戌庶凝眠帚熟蛇法喳羡励充障况弛鉴斤廉匀滔第八章酶的模拟第八章酶的模拟2、胶束酶模型跑耿毫胆犬英业扼戍保茸橇夸庙攻断夯畴栓仑窘基徒唱苏命苦欲馋稍揖易第八章酶的模拟第八章酶的模拟3 3、肽酶、肽酶n就是模拟天然酶活性部位而人
8、工合成的具有催化活性的多肽。峙沃得纷檬示惠权擅颠瞥簇楷完迈胎龄至菩志决鸣爸是挥孕凡伴话罚汕醋第八章酶的模拟第八章酶的模拟4 4、半合成酶、半合成酶n它是它是以天然蛋白质或酶为母体以天然蛋白质或酶为母体，用化学或，用化学或生物学方法引进适当的活性部位或催化基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团，或改变其结构从而形成一种新的 “人人工酶工酶”。 腾易屎怒理晦摊祁驴闽状夜顺才靳他霄钙台廷瓣衬勇铂锹平源切钨油府型第八章酶的模拟第八章酶的模拟n1.1.将具有催化活性的金属或金属有机物与具有特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。异性的
9、蛋白质相结合，形成半合成酶。n如：钌如：钌(Rn)(Rn)电子传递催化剂电子传递催化剂Rn(BHRn(BH3 3) )5 5 3+ 3+ 与巨头鲸肌红蛋与巨头鲸肌红蛋白结合白结合半合成无机生物酶半合成无机生物酶n2.2.将具有特异性的物质与具有催化活力的酶相结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。合，形成半合成酶。n例：人工合成寡聚核苷酸链经化学法连接到例：人工合成寡聚核苷酸链经化学法连接到RNARNA酶的酶的166166位位的的CysCys上，获得的半合成酶借寡聚核苷酸链的碱基互补关上，获得的半合成酶借寡聚核苷酸链的碱基互补关系，显示了对系，显示了对RNARNA链特定位点
10、的水解作用，链特定位点的水解作用，不同于不同于DNADNA限制性内切酶的天然来源的限制性内切酶的天然来源的RNARNA限制性内切酶。限制性内切酶。纯异毡疵峭哟滴玖跌消九弊笺色腹畜鬃褐酶啡勾淌寂亢褂郊斤存患枚拧犊第八章酶的模拟第八章酶的模拟黄素木瓜蛋白酶黄素木瓜蛋白酶著名的人工酶著名的人工酶n将辅酶引入蛋白质上制备半合成酶：将辅酶引入蛋白质上制备半合成酶：nE.T.KaiserE.T.Kaiser等构建的黄素木瓜蛋白酶。黄素的溴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酰衍生物可与木瓜蛋白酶的Cys25Cys25共价结合成黄素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
11、木瓜蛋白酶。此半合成酶的酶活力可与天然黄素酶相比拟。酶相比拟。n其他的辅酶其他的辅酶( (如维生素如维生素BlBl、吡哆醛、卟啉等、吡哆醛、卟啉等) )都可都可以共价偶联到某些酶的结合部位从而产生新的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。实用催化剂。 剩剐轨殷湍摊寿葫矫疫匝女难徊嘻臃逼位扼鄙颂劈贷赤痹影敌腊抹颁倪撮第八章酶的模拟第八章酶的模拟第二节第二节 印迹酶印迹酶 一、分子印迹技术概述 n模模拟拟生生物物分分子子的的分分子子识识别别和和功功能能是是当当今今最最富富挑战的课题之一。挑战的课题之一。n在在分分子子水水平平上上模模拟拟酶酶对对底底物物的的识识别别与与催催化化功功能已
12、引起各国科学工作者的广泛关注。能已引起各国科学工作者的广泛关注。n自然界中，自然界中，分子识别分子识别在生物体如酶、受体和在生物体如酶、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高选择性来源于与底物相匹配的结合部位的存在。存在。猛春妖纤绞咨衷痹临抖插丛鬃熄揖寓鹃密翼靴问厌您氟菜祸聂惕菊欢搞牵第八章酶的模拟第八章酶的模拟分子印迹分子印迹n这这样样的的类类似似于于抗抗体体和和酶酶的的结结合合部部位位能能否否在在聚聚合合物中产生呢？物中产生呢？n如如果果以以一一种种分分子子充充当当模模板板，其其周周围围用用聚聚合合物物交交
13、联联，当当模模板板分分子子除除去去后后，此此聚聚合合物物就就留留下下了了与与此此分分子子相相匹匹配配的的空空穴穴。如如果果构构建建合合适适，这这种种聚聚合合物物就就像像锁锁”一一样样对对钥钥匙匙具具有有选选择择性性识识别别作用，这种技术被称为作用，这种技术被称为分子印迹分子印迹。披闯才僳潍萝由挨李扒剥耐蹭杭袍学异嫡摇舆芜杜璃淫鸥心吮籽萝盗辞钞第八章酶的模拟第八章酶的模拟n所谓所谓分子印迹分子印迹(molecular imprinting)(molecular imprinting)是是制备对某一化合物具有选择性的聚合物的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过程，这个化
14、合物叫印迹分子(print (print moleculemolecule，P)P)，也叫做模板分子，也叫做模板分子(template(template，T)T)。分子印迹分子印迹号溪惶非章事勋炳依突刑苦匈吹矣怕啤搐婚狮财量妮汤黔藐薯届蔼秽钧徘第八章酶的模拟第八章酶的模拟( (一一) )分子印迹原理分子印迹原理n在在生生物物体体中中，分分子子复复合合物物通通常常通通过过非非共共价价键键如如氢氢键键、离离子子键键或或范范德德华华力力相相互互作作用用而而形形成成。同同共共价价键键相相比比，非非共共价价键键相相互互作作用用较较弱弱，但但几几个个或或多多个个相相互互作作用用的的合合力力却却很很强强，这
15、这使使复复合合物物具具有有很很高高的的稳定性。稳定性。n当当模模板板分分子子( (印印迹迹分分子子) )与与带带有有官官能能团团的的单单体体分分子子接接触触时时，会会尽尽可可能能同同单单体体官官能能团团形形成成多多重重作作用用点点，待待聚聚合合后后，这这种种作作用用就就会会被被固固定定下下来来。当当模模板板分分子子被被除除去去后后，聚聚合合物物中中就就形形成成了了与与模模板板分分子子在在空空间间上上互互补补的的具具有有多多重重作作用用位位点点的的结结合合部部位位，这这样样的的结结合合部部位位对对模模板板分分子子可可产产生生多多重重相相互互作作用用，因因而对此模板分子具有特异性结合能力。而对此模
16、板分子具有特异性结合能力。屑巷住泰肃盖饱栋蚤孺辫嚏司安谬酞尧亩因截疗待趋嘻宅呜届茎扦多孜肉第八章酶的模拟第八章酶的模拟分子印迹制备步骤分子印迹制备步骤n选选定定印印迹迹分分子子和和功功能能单单体体，使使二二者者发发生生互互补补反应；反应；n在在印印迹迹分分子子- -单单体体复复合合物周围发生聚合反应；物周围发生聚合反应；n用抽提法从聚合物中用抽提法从聚合物中除掉印迹分子。除掉印迹分子。 脂疲坯激沥驾输剁脓沽腑违商身踢洒先蓖炬溃绣督腻框悠调汗骂拘咖恍介第八章酶的模拟第八章酶的模拟用抽提法从聚合物中除去用抽提法从聚合物中除去印迹分子。则聚合物中留印迹分子。则聚合物中留有恰似印迹分子的空间，有恰似印
17、迹分子的空间，可用于高分子高选择性分可用于高分子高选择性分离材料。离材料。此技术又叫此技术又叫主一客体聚合主一客体聚合(Host-Guest Polymerization)或模板聚或模板聚合合(Template Polymerization)。聊逊肃快傻盼咨碰查战裴室沾打韭途琅噎影冻翱互妄痒滞靶脾规炭幌埔良第八章酶的模拟第八章酶的模拟n形成的聚合物（形成的聚合物（MIPMIP）内保留有与印迹分子的形）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，该聚物能维持相对于印迹分子的互补性，因此，该聚合物能
18、以高选择性重新结合印迹分子。合物能以高选择性重新结合印迹分子。n一般来说，一般来说，聚合物空穴对印迹分子的选择性结合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作用来源于空穴中起结合作用的官能团的排列官能团的排列以以及及空穴的形状空穴的形状。大量研究表明官能团的排列在空大量研究表明官能团的排列在空穴特异性结合中起决定性作用，而空穴的形状在穴特异性结合中起决定性作用，而空穴的形状在某种程度上是次要因素。某种程度上是次要因素。 枚池侨滨儒淮蕾销静贼蕉团淡勒亦上育菩怨接莲燥亭将爬蹬日崭免了疤摈第八章酶的模拟第八章酶的模拟印迹分子与聚合单体的结合方式印迹分子与聚合单体的结合方式n预组织
19、法预组织法：印迹分子预先共价联结到单体上，印迹分子预先共价联结到单体上，待聚合后共价键可逆打开，去除印迹分子。此待聚合后共价键可逆打开，去除印迹分子。此方法中结合部位的官能团预先与印迹分子定向方法中结合部位的官能团预先与印迹分子定向排列。排列。n自组织法：自组织法：印迹分子与功能单体之间预先自组印迹分子与功能单体之间预先自组织排列，以非共价键形式形成多点相互作用，织排列，以非共价键形式形成多点相互作用，聚合后这种作用保持下来。聚合后这种作用保持下来。措饺奔豹衙练荐诗霞币欧泳笨贝恤琵除网迢撤护鸥淬宰笨输料抉寓裤猴畸第八章酶的模拟第八章酶的模拟影响影响印迹分子选择性识别的因素印迹分子选择性识别的因
20、素底物结构和互补性：底物结构和互补性：底物必须与模板分子的结构、底物必须与模板分子的结构、大小相似，孔穴内的功能基团要排列正确，要有适当取大小相似，孔穴内的功能基团要排列正确，要有适当取向。向。聚合物与模板分子间作用力：聚合物与模板分子间作用力：增加二者间的多种增加二者间的多种作用力，且键的数目又多，可大大改善聚合物的识别能作用力，且键的数目又多，可大大改善聚合物的识别能力。力。交联剂的类型和用量：交联剂的类型和用量：交联少会减低聚合物的坚固交联少会减低聚合物的坚固程度，难于限定负责选择性部位的形状和其中的基团取程度，难于限定负责选择性部位的形状和其中的基团取向，导致识别力下降。使用旋光性交联
21、剂，则可能造成向，导致识别力下降。使用旋光性交联剂，则可能造成与模板分子有附加的手性相互作用，提高识别力。与模板分子有附加的手性相互作用，提高识别力。聚合条件聚合条件：低温聚合较好低温聚合较好阉独跺吏胳寡誊防克段诡谱闰扳琶炙妥肋咆谰澡能厚痘啸柬孰挞宰探蹄撅第八章酶的模拟第八章酶的模拟n从人工酶角度来看，若从人工酶角度来看，若用过渡态类似物作用过渡态类似物作为印迹分子为印迹分子，则所得聚合物具有相应的催，则所得聚合物具有相应的催化活性，此时代替抗体的只是人工聚合物。化活性，此时代替抗体的只是人工聚合物。n分子印迹技术一出现，人们就意识到可以分子印迹技术一出现，人们就意识到可以应用此技术制备人工模
22、拟酶。应用此技术制备人工模拟酶。央苇秆享彬仆槛肩体椅帛销移吸要却肋贤尝步盒戊狗它狐屈洋相绊豁雾争第八章酶的模拟第八章酶的模拟分子印迹酶分子印迹酶n通通过过分分子子印印迹迹技技术术可可以以产产生生类类似似于于酶酶的的活活性性中中心心的的空空腔腔，对对底底物物产产生生有有效效的的结结合合作作用用，更更重重要要的的是是利利用用此此技技术术可可以以在在结结合合部部位位的的空空腔腔内内诱诱导产生催化基团，并与底物定向排列。导产生催化基团，并与底物定向排列。n要想制备出具有酶活性的分子印迹酶，选择合要想制备出具有酶活性的分子印迹酶，选择合 适的印适的印迹迹分子是相当重要的。目前，所选择的分子是相当重要的。
23、目前，所选择的印迹分子印迹分子主要有底物、底物类似物、酶抑制剂、主要有底物、底物类似物、酶抑制剂、过渡态类似物以及产物等过渡态类似物以及产物等。 郝厕答殊手刚魁腾剃条能疽蝇禄凸攀骑朋筏仪俭蓟实虎尺袋触儡仔晓棵制第八章酶的模拟第八章酶的模拟n1.1.印迹分子的选择：印迹分子的选择：n研研究究表表明明以以产产物物为为印印迹迹分分子子的的印印迹迹聚聚合合物物表表现现出最高的酶催化效率。出最高的酶催化效率。n2.2.催化基团的定位：催化基团的定位：n将将催催化化基基团团定定位位在在印印迹迹空空腔腔的的合合适适位位置置对对印印迹迹酶酶发发挥挥催催化化效效率率相相当当重重要要。通通常常引引入入催催化化基基
24、团团的的方方法法为为诱诱导导法法，即即通通过过相相反反电电荷荷等等的的相相互互作作用引入互补基团。用引入互补基团。伴霸榴吝占禽缉舆阉辅蹲窖厉虞厚冰征后告欠股表玛减诗而扼故廖笛蛛括第八章酶的模拟第八章酶的模拟n3.3.存在的问题：存在的问题：n用高聚合物制备的印迹酶其催化效率普遍不高。用高聚合物制备的印迹酶其催化效率普遍不高。 n可能的原因：可能的原因：分分子子印印迹迹聚聚合合物物一一般般是是高高交交联联聚聚合合物物，其其刚刚性大且缺乏酶的柔性。性大且缺乏酶的柔性。用用于于聚聚合合的的单单体体种种类类较较少少，使使得得模模板板与与空空腔腔周周围围基基团团形形成成次次级级键键的的作作用用力力减减少少。也也就就是是说说模模板板聚聚合合物物对对反反应应底底物物的的识识别别能能力力受受到到限限制制，因而导致酶活力普遍不高。因而导致酶活力普遍不高。 狠唐选俩饮忆乓曹三篆霜违祟铃铅荷丙祈馋厕失泊把遇列札泻刊疫獭沏渺第八章酶的模拟第八章酶的模拟蛋白质表面印迹在聚合物涂层的硅石上的示意松俗椎柒钥纶敝卑砸哗祷辱婆涨阀雏枪呢芯粘盏蚕祥唇烧常狼是轩白化酿第八章酶的模拟第八章酶的模拟
