《酶的模拟》PPT课件.pptVIP

第七章 模拟酶 模拟酶 n又称人工合成酶，是一类利用有机化学方法 合成的，比天然酶简单的非蛋白质分子或蛋 白质分子，以这些分子作为模型来模拟酶对 其作用底物的结合和催化过程。 n化学人工酶是在分子水平上模拟酶活性部位 的形状、大小及其微环境等结构特征，以及 酶的作用机理和立体化学等特性的一门科学 。 模拟酶 n在结构和必须具有两个特殊部位: 底物结合位点，催化位点。 n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 开设计。 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。 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。 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 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 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 保持其催化活性。 第一节 模拟酶的分类 n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： n聚合物酶模型、分子印迹酶模型、胶束酶模型 等 一.根据Kirby分类法 q单纯酶模型：化学方法通过天然酶活性的模拟 来重建和改造酶活性 q机理酶模型：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 计和合成 q单纯合成的酶样化合物：化学合成的具有酶样 催化活性的简单分子 二.按照模拟酶的属性 q主-客体酶模型 q胶束酶模型 q肽酶 q抗体酶 q分子印迹酶模型 q半合成酶 环糊精结构示意 水解酶模型 -Benzyme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。 由-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）， 且处在恰当位置上。 该全合成酶是非蛋白分子，比天然酶稳定。 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 2、胶束酶模型 3、肽酶 n就是模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催 化活性的多肽。 4、半合成酶 n它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基 团，或改变其结构从而形成一种新的 “人 工酶”。 n1.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。 n如：钌(Rn)电子传递催化剂Rn(BH3)53+ 与巨头鲸肌红蛋 白结合半合成无机生物酶 n2.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。 n例：人工合成寡聚核苷酸链经化学法连接到RNA酶的166位 的Cys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RNA链特定位点的水解作用，不同于DNA 限制性内切酶的天然来源的RNA限制性内切酶。 黄素木瓜蛋白酶著名的人工酶 n将辅酶引入蛋白质上制备半合成酶： nE.T.Kaiser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Cys25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 酶相比拟。 n其他的辅酶(如维生素Bl、吡哆醛、卟啉等)都可 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。 第二节 印迹酶 一、分子印迹技术概述 n模拟生物分子的分子识别和功能是当今最富 挑战的课题之一。 n在分子水平上模拟酶对底物的识别与催化功 能已引起各国科学工作者的广泛关注。 n自然界中，分子识别在生物体如酶、受体和 抗体的生物活性方面发挥着重要作用，这种 高选择性来源于与底物相匹配的结合部位的 存在。 分子印迹 n这样的类似于抗体和酶的结合部位能否在聚合 物中产生呢？ n如果以一种分子充当模板，其周围用聚合物交 联，当模板分子除去后，此聚合物就留下了与 此分子相匹配的空穴。如果构建合适，这种聚 合物就像锁”一样对钥匙具有选择性识别作用 ，这种技术被称为分子印迹。 n所谓分子印迹(molecular imprinting)是 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(print molecule，P)，也叫做模板分子(template ，T)。 分子印迹 (一)分子印迹原理 n在生物体中，分子复合物通常通过非共价键如氢 键、离子键或范德华力相互作用而形成。同共价 键相比，非共价键相互作用较弱，但几个或多个 相互作用的合力却很强，这使复合物具有很高的 稳定性。 n当模板分子(印迹分子)与带有官能团的单体分子 接触时，会尽可能同单体官能团形成多重作用点 ，待聚合后，这种作用就会被固定下来。当模板 分子被除去后，聚合物中就形成了与模板分子在 空间上互补的具有多重作用位点的结合部位，这 样的结合部位对模板分子可产生多重相互作用， 因而对此模板分子具有特异性结合能力。 分子印迹制备步骤 n选定印迹分子和功能 单体，使二者发生互补 反应； n在印迹分子-单体复合 物周围发生聚合反应； n用抽提法从聚合物中 除掉印迹分子。 用抽提法从聚合物中除去 印迹分子。则聚合物中留 有恰似印迹分子的空间， 可用于高分子高选择性分 离材料。 此技术又叫主一客体聚合 (Host-Guest Polymerization)或模板聚 合(Template Polymerization)。 n形成的聚合物（MIP）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 物能维持相对于印迹分子的互补性，因此，该聚 合物能以高选择性重新结合印迹分子。 n一般来说，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官能团的排列以 及空穴的形状。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 某种程度上是次要因素。 印迹分子与聚合单体的结合方式 n预组织法：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 方法中结合部位的官能团预先与印迹分子定向 排列。 n自组织法：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， 聚合后这种作用保持下来。 影响印迹分子选择性识别的因素 底物结构和互补性：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 向。 聚合物与模板分子间作用力：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 力。 交联剂的类型和用量：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 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。 聚合条件：低温聚合较好 n从人工酶角度来看，若用过渡态类似物作 为印迹分子，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 。 n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拟酶。 分子印迹酶 n通过分子印迹技术可以产生类似于酶的活性中 心的空腔，对底物产生有效的结合作用，更重 要的是利用此技术可以在结合部位的空腔内诱 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 适的印迹分子是相当重要的。目前，所选择的 印迹分子主要有底物、底物类似物、酶抑制剂 、过渡态类似物以及产物等。 n1.印迹分子的选择： n研究表明以产物为印迹分子的印迹聚合物表现 出最高的酶催化效率。 n2.催化基团的定位： n将催化基团定位在印迹空腔的合适位置对印迹 酶发挥催化效率相当重要。通常引入催化基团 的方法为诱导法，即通过相反电荷等的相互作 用引入互补基