酶学及酶工程课章

酶学及酶工程课章第五章酶学新概念:几种特殊形态的酶第2页,共34页，2024年2月25日，星期天一、核酶Ribozyme

核酶指一类具有酶催化功能的核酸。核酶的发现打破了酶都是蛋白质的传统概念。早期发现的核酶都是RNA。1981年美国科罗拉多大学Cech等发现四膜虫rRNA中I型内含子具有自我剪接功能。1983年Altman等发现一种RNA可催化tRNA前体为成熟tRNA，具有RNaseP的活性。核酶的发现打破了只有蛋白质才可能有酶催化功能的概念。为此获得1989年度诺贝尔奖。

第3页,共34页，2024年2月25日，星期天核酶的催化类型核酶分为催化分子内反应和分子间反应二大类。催化分子内反应核酶又可分为自我剪接（Self-splicing）和自我剪切（Self-cleavage）二类。已发现的RNA核酶有几十种。其中的植物病毒、拟病毒、卫星RNA均为以RNA为模板，以滚动环方式复制的RAN，自我切割是其RNA生命周期中不可缺少的一环。第4页,共34页，2024年2月25日，星期天内含子的自我剪接

四膜虫26SrRNA转录产物可在几秒钟内自动切除413nt的内含子。游离G亲核攻击内含子剪接点，切开后外显子接在一起。内含子切除19nt后可自身环化，还可形成能分子间催化的核酶。第5页,共34页，2024年2月25日，星期天分子间催化反应第6页,共34页，2024年2月25日，星期天底物专一性

第7页,共34页，2024年2月25日，星期天类病毒的自体剪切

类病毒环状220-400nt小分子RNA不编码蛋白，复制依赖宿主，为RNA到RNA途径，滚环状复制模式。环状类病毒进入宿主后，由正链类病毒转录出多个负链复制中间物。负链中间物自我剪切后环化，再转录出多个正链复制中间物。正链中间物剪切并环化后成为有感染性的类病毒。其剪切通过锤头状二级结构进行。第8页,共34页，2024年2月25日，星期天锤头状二级结构锤头状二级结构中有13个核苷酸保守序列，其中11个不变时剪切反应即可发生。第9页,共34页，2024年2月25日，星期天核酶的应用前景1）作为高特异性RNA限制性内切酶；2）作为抗病因子：根据特定生物来源的靶RNA序列为底物设计Ribozyme，合成其序列，进行克隆或转入体内表达，可用于抑制靶RNA，实现抗病。这也为艾滋病治疗提供了可能的新途径。3）生命起源探索。第10页,共34页，2024年2月25日，星期天发现脱氧核酶1997年Joyce等获得两种具有催化活性的DNA。这使酶的概念进一步扩大。这种有酶活性的DNA称为脱氧核酶。把锤头核酶转换为DNA，合理变化后可以得到有催化活性的锤头脱氧核酶。锤头脱氧核酶的体外转录物中发现有锤头核酶活性。这种核酶和脱氧核酶的相互转换可能对生命起源有重要的意义。第11页,共34页，2024年2月25日，星期天“酶分子环”假说因此人们在关注核酶是否能翻译出有活性的酶。目前已有初步结果发现这是可能的，并称这种酶为“肽酶”。有科学家提出“酶分子环”假说，提出在生命起源的早期，存在的是均具有催化活性的脱氧核酶、核酶和肽酶，它们可以相互衍生组成酶分子环。在循环往复的进化过程中逐渐演化成主要由DNA携带遗传信息，由蛋白质实现催化生化反应的格局。第12页,共34页，2024年2月25日，星期天二、抗体酶Abzyme1986年Lemer和Schultz分别在Science上发表了具有酶催化功能的抗体的研究报告，称为Abzyme。抗体酶基质为免疫球蛋白，在易变区具有酶的功能。

根据诱导契合理论，酶与过渡态互补，是酶催化机理之一。酶和抗体的不同在于酶结合过渡态，抗体结合的是基态。如果抗体能结合过渡态，就可能有催化能力。

第13页,共34页，2024年2月25日，星期天抗体酶的制备第14页,共34页，2024年2月25日，星期天引入法将催化基因引入已有底物结合能力的抗体的抗原结合位点上。1）用定点突变技术将特定氨基酸引入抗原结合部位。2）用选择性化学修饰方法将催化基团引入抗原结合部位。应用的条件是事先对抗体结构要有所了解。第15页,共34页，2024年2月25日，星期天诱导法以过渡态类似物为半抗原，和载体（如牛血清白蛋白）偶联，再用单克隆技术制备、分离、筛选抗体酶。第16页,共34页，2024年2月25日，星期天例：诱导法产生磷酸酯水解抗体酶磷酸二酯键是最稳定的键之一。Janda等用稳定的五配位氧代铼络合物模拟RNA水解时的环形氧代正膦中间物，产生抗体酶催化水解磷酸二酯键。第17页,共34页，2024年2月25日，星期天发展前景理论研究：验证过渡态和过渡态理论。应用：可能按特定需要设计及制造新的“酶”，如专一性分解病毒特有蛋白的抗体酶可能成为抗特定病毒的药物。一些天然酶不能催化的反应，可能研制特定抗体酶进行催化。抗体酶和固定化技术等结合可能有广泛酶工程应用前景。第18页,共34页，2024年2月25日，星期天尚需解决的问题1）催化效率目前比天然酶低2-3个数量级。大多数抗体酶尚未达到实用阶段。2）抗体酶筛选是通过与半抗原结合力大小进行的，而不是根据催化活性。但二者并不是完全相同的。3）底（产）物抑制。底物、产物结构与过渡态类似时会有强的底（产）物抑制。第19页,共34页，2024年2月25日，星期天三、模拟酶（enzymemimics）

模拟酶：比天然酶结构简单但具有酶催化活性的非蛋白质的人工合成酶。酶的模拟工作经历的三个层次：

1）合成有一定酶活性的简单络合物；

2）模拟活性中心；

3）酶的整体模拟：以模拟酶活性部位空间结构为基础，连接上特定的催化集团。目前常用的模拟酶：环糊精模拟酶和冠醚模拟酶。第20页,共34页，2024年2月25日，星期天1.环糊精模拟酶第21页,共34页，2024年2月25日，星期天环糊精：6-8个D（+）葡萄糖，通过1，4糖苷键首尾连接成环状。全部为无变形椅式构象。

第22页,共34页，2024年2月25日，星期天环糊精

无还原端，不被淀粉酶水解。醇羟基位于洞穴外边缘，具亲水性，洞穴内壁为氢和糖甙链氧，有疏水性。一定大小的分子可部分埋入环糊精洞内，其余在洞外，可形成结合部位。其侧链上接上特定基因，配合本身具有的羟基，可形成催化中心，从而模拟全酶。

第23页,共34页，2024年2月25日，星期天模拟丝氨酸蛋白酶

β环糊精为结合部位，侧链上接含羧基和味唑基化合物，加上糖基的羟基，形成类似丝氨酸蛋白酶活性中心的催化功能。以α或γ环糊精为结合部位，则具有不同的底物选择性。

第24页,共34页，2024年2月25日，星期天第25页,共34页，2024年2月25日，星期天模拟核糖核酸酶

A和B为不同修饰的环糊精，催化环状磷酸二酯水解，模拟核糖核酶水解RNA的磷酸二酯键。

第26页,共34页，2024年2月25日，星期天模拟转氨酶转氨酶催化酮酸和氨基酸的转换反应。整个过程是一个多步骤反应，磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺为辅酶参加反应。单独磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺也可实现转氨，但因缺底物结合部位，反应很慢。将吡哆胺接在环糊精上，模拟转氨酶，使反应加快200倍。第27页,共34页，2024年2月25日，星期天模拟转氨酶第28页,共34页，2024年2月25日，星期天2.冠醚模拟酶

冠醚水解酶：冠醚环为结合部位，侧臂为立体识别部位；侧臂未端为催化部位。第29页,共34页，2024年2月25日，星期天冠醚模拟水解酶第30页,共34页，2024年2月25日，星期天3.三（2－氨乙基胺）化合物

模拟超氧化物歧化酶功能具有清除活性氧功能的模拟物第31页,共34页，2024年2月25日，星期天模拟超氧化物歧化酶还在不断制造出新的模拟酶，很具应用前景。第32页,共34页，2024年2月25日，星期天有关考试的说明考试安排：时间：5月9日(周五)8:00至9:40

地点：阶一6教室。考试方式：课堂开卷。可带笔记、讲义、参考书等，但不要用电脑。必须个人独立完成，不能交流，不能互相参看答案，不能用手机（请考试前关闭）。希望提前上洗手间。到时准时收卷。（后面还有人上课）第33页,共34页，2024年2月25日，星期天考试范围：以上课内容为限。

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