环糊精模拟酶的研究进展.pdf

粮油食品科技 第l 3 卷 2 0 0 5 年 第4 期 粮 油食品 环 糊 精 模 拟 酶 的研 究 进展 陆冬梅 ， 罗志刚 ， 杨 连生 ， 高群 玉 ( 华南理工大学 食 品与 生物工程学院 ， 广 东 广州5 1 0 6 4 0 ) 摘 要 ： 由 于环糊精 分 子 空腔 能 与客 体 分 子 形 成 包络物 ， 对 客 体 分 子 具有 一 定 的选 择 识 别 能 力 ， 使 它具 有模 拟酶 的功 能 。对 环糊 精单 体 、 修饰环糊精和环糊精聚合物模拟酶的情况进行 了综述 。 关键 词 ： 环糊精 ； 修 饰环 糊精 ； 环 糊精 聚合 物 ； 模 拟酶 中图 分类 号 ： T S 2 3 6 9文献标 识 码 ： A文章 编 号 ： 1 0 0 77 5 6 1 ( 2 0 0 5 ) 0 4 2 70 2 Re s e a r c h d e v e l o p me n t o n c y c l o d e x t r i n s I mi t a t i n g e n z y me L U D o n g m e i ， L U 0 Z h i g a n g ， Y A N G L i a n s h e n g ， G A 0 Q u n - y u ( F o o d& B i o l o g y E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ) Ab s t r a c t ： Cy c l o d e x t r i n mo l e c u l e c a v i t y c a n ma k e i n c l u s i o n c o mp l e x wi t h g u e s t mo l e c u l e a n d s e l e c t a n d r e e o g n i z e gu e s t mo l e c u l e d e fin i t e l y，S O c y c l o d e x t r i n c a n i mi t a t e n z y meT h e p a p e r i l l u s t r a c t e d t h e r e s e a r c h d e v e l o p - me n t o n c y e l o d e x t r i n，mo d i fie d c y c l o d e x t r i n an d c y c l o d e x t r i n p o l y me r 、 Ke y wo r d s： c y c l o d e x t r i n； mo d i fie d c y c l o d e x t r i n； c y e l o d e x t r i n p o l y me r ； i mi t a t i n g e n z y me 环 糊 精 ( c y c l o d e x t r i n s ， C D) 是 由 环 糊 精 糖 基 转 移 酶 作 用 于 淀 粉 或 直 链 糊 精 生 成 的 一 种 由 D 吡 喃 型 葡 萄 糖 通 过 a一1 ， 4糖 苷 键 连 接 的 环 状 糖 ， 其 中 葡 萄 糖 残 基 的 个 数 一 般 为 6、 7、 8， 分 别 称 为 G t ， 8 ， 7一环 糊 精 。环 糊 精 自 1 8 9 1年 由 V i l l i e m 发 现 以来 ， 对 其 研 究 已 有1 0 0 多 年 的 历 史 ， 而 其 大 量 应 用 于 食 品 工 业 【 2 、 药 品 工 业 【 、 环 保 工 业 等 领 域 则 是 近 1 0来 年 的 事 。 由 于 环 糊 精 分 子 特 殊 的 “ 内 疏 水 ， 外 亲 水 ” 的 分 子 结 构 使 得C D 能 作 为 “ 宿 主 ”， 通 过 分 子 间 相 互 作 用 包 络 不 同 “ 客 体 ”化 合 物 ， 形 成 包 络 物( I n c l u s i o n C o m p l e x ) ， 完 成 彼 此 间 的 识 别 过 程 。 近 年 来 ， 关 于 环 糊 精 模 拟 酶 的 研 究 越 来 越 引 起 广 大 科 研 工 作 者 的 关 注 。 1环 糊 精 模 拟 酶 的 可 能 性 分 子 识 别 的 主 客 体 化 学 理 论 即 通 过 对 生 物 体 内 各 种 信 息 的 传 递 及 酶 与 底 物 相 结 合 过 程 的 研 究 ， 发 现 主 体 分 子 对 客 体 分 子 具 有 高 度 的 分 子 识 别 能 力 ， 由 此 设 计 合 成 出 像 细 胞 膜 、 酶 等 具 有 特 殊 功 能 的 人 工 受 体 、 人 工 酶 ， 应 用 于 各 个 领 域 。酶 是 一 种 复 杂 蛋 白 质 ， 有 时 还 要 求 特 殊 的 辅 因 子 或 辅 酶 提 高 它 的 活 性 。 如 果 仅 从 物 理 化 学 观 点 考 虑 ， 具 有 催 化 活 性 的 氨 基 酸 残 基 以及 辅 酶 因 子 都 隐 藏 在 由 蛋 白 质 构 成 的 疏 水 或 缺 水 区 域 内 ， 以 使 自 己 与 大 体 积 水 相 隔 离 并 在 热 力 学 上 处 于 稳 定 状 态 。 酶 是 高 效 、 专 一 的 生 物 催 化 剂 ， 以 其 高 度 的 选 择 性 及 在 低 浓 度 下 能 催 化 底 物 反 应 的 能 力 ， 在 化 学 领 域 中 具 有 广 泛 的 应 用 价 值 ， 但 其 对 环 境 过 于 敏 感 ， 对 操 作 条 件 要 求 苛 刻 ， 易 失 收稿 日期 ： 2 0 0 3 0 9一o 8 活 ， 价 格 昂 贵 ， 故 而 人 工 模 拟 酶 的 开 发 成 为 当 今 化 学 领 域 的 重 要 课 题 之 一 。 环 糊 精 作 为 超 分 子 化 合 物 ， 之 所 以 能 用 于 酶 的 模 拟 ， 其 主 要 原 因 有 ： ( 1 ) C t ， 8 ， 一环 糊 精 系 列 有 良好 的 水 溶 性 ； 分 布 在 空 腔 两 侧 的 伯 、 仲 羟 基 ， 作 为 质 子 供 体 很 活 跃 ， 而 且 这 些 立 体 地 分 布 在 空 腔 周 边 的 羟 基 与 底 物 配 合 容 易 达 到 有 利 配 置 状 态 。 ( 2) 伯 、 仲 羟 基 有 不 同 的 反 应 活 性 ， 可 以 通 过 化 学 方 法 引 入 催 化 基 ， 建 立 电 荷 和 质 子 传 递 体 系 。 ( 3)分 子 内 空 腔 由 葡 萄 糖 基的c 一 3一 H， c一5一H和1 ， 4苷 键 氧 构 成 ， 是 一 个 相 对 刚 性 的 疏 水 空 穴 ， 有 利 于 对 有 机 分 子 的选 择 结 合 和 定 位 ； 而 疏 水 环 境 能 促 进 某 些 有 机 反 应 的 进 行 。 2环 糊 精 模 拟 酶 2 1环 糊 精 单 体 模 拟 酶 母 体 本 身 就 具 有 构 筑 人 工 酶 模 型 基 本 骨 架 的 性 能 。 在 分 子 内 疏 水 “口袋 ” 的 周 围 配 置 了 多 个 不 同 取 向 的 羟 基 ， 它 们 中 仲 羟 基 的p K a值 在l 2l 2 5之 间 ， 因 而 其 活 性 阴 离 子 浓 度 比氢 氧 离 子 高 。B e n d e r l 5 J 发 现 环 糊 精 能 催 化 水 解 乙 酸 硝 基 酚 酯 ， 而 且 具 有 选 择 性 。F o ma s i e r - 6 等 报 到 ， 当 潜 手 性 酮 和 8一环 糊 精 以 1 ： 1包 结 后 ， 悬 浮 在 N a B H 4的 碱 性 溶 液 中 ， 可 以 产 生 不 对 称 诱 导 ， 得 到 还 原 产 物 。 研 究 表 明 ， 口一环 糊 精 对 潜 手 性 酮 的 不 对 称 诱 导 作 用 主 要 有 两 点 ： 0一环 糊 精 的疏 水 空 腔 对 底 物 进 行 包 结 ， 即 疏 水 作 用 ； 包 结 后 的 底 物 ， 由 于 羰 基 处 于 C D 的 边 缘 ， 可 与 口一C D 上 的 仲 羟 基 生 成 氢 键 ， 使 羰 基 定 位 产 生 方 向性 ， 即 氢 键 作 用 。此 外 ， 还 原 产 物 的 构 型 及 旋 光 方 向 ， 与 底 物 中 R基 团 的 结 构 有 关 。 当 R进 入 0一C D 疏 水 腔 时 ， 还 原 得 到 左 旋 产 物 ； 当 R 处 于 疏 水 腔 时 ， 则 得 到 右 旋 产 物 。C o l o n n a 9 3 等 在 C D存 在 下 ， 分 别 在 水 溶 液 或 有 机 溶 剂 中 ， 对 反 一查 耳 酮 及 其 衍 生 物 进 行 We i t z一 固 维普资讯 粮油 食品 粮油 食品科技 第l 3 卷 2 0 0 5 年 第4 期 S c h e ff e r环 氧 化 反 应 ， 光 学 收 率 只 有 l l ； 此 后 ， 他 们 用 v 及 其 类 似 物 于 碱 性 缓 冲 液 或DMF 固 体 N a 2 C O3 作 为 反 应 介 质 ， 进 一 步 对 we i t z S e h e ff e r 环 氧 化 反 应 进 行 了研 究 ， 使 光 学 收 率 达 到 了 4 8 。 研 究 结 果 表 明 ， 口一C D催 化 效 率 之 所 以 不 同 ， 是 由 于 在 不 同 的介 质 中 底 物 与 环 糊 精 包 结 存 在 较 大 的 差 异 。 2 2修 饰 环 糊 精 模 拟 酶 尽 管 环 糊 精 单 体 有 催 化 作 用 ， 但 其 对 大 多 数 底 物 的催 化 效 果 还 是 很 低 ， 而 且 催 化 反 应 的 数 量 有 限 ， C D分 子 与 底 物 结 合 常 数 为 11 0 ， 不 及 某 些 酶 对 底 物 结 合 常 数 大 。 为 了 达 到 高 效 率 和 催 化 其 它 反 应 的 酶 模 型 ， 常 引 入 催 化 基 得 到 各 种 修 饰 环 糊 精 ， 研 究 它 们 的类 酶 催 化 反 应 。所 有 催 化 反 应 都 是 通 过 底 物 与 环 糊 精 空 腔 生 成 复 合 体 进 行 ， 像 分 子 内 反 应 一 样 ， 表 现 出很 大 的 加 速 效 果 ， 同 时 由 于 修 饰 环 糊 精 能 提 供 化 学 的 立 体 特 异 反 应 场 ， 因 而 能 使 反 应 有 选 择 性 地 提 高 。 在 环 糊 精 的 伯 或 仲 羟 基 直 接 引 入 咪 唑 基 模 拟 酶 的 功 能 是 研 究 得 最 早 的 。 当 底 物 是 乙 酸 对 硝 基 酚 酯 时 ， 单 体 环 糊 精 只 在 碱 性 溶 液 中 有 催 化 水 解 活 性 ， 一 个 咪 唑 基 直 接 修 饰 环 糊 精 的 伯 羟 基 仅 有 很 小 的催 化 活 性 ， 而 相 应 的 仲 羟 基 修 饰 环 糊 精 在 p H 7 5比 单 体 环 糊 精 加 速 作 用 大 1 0 0 0倍 ， 这 2种 修 饰 环 糊 精 催 化 活 性 比 大 于 7 0 】 J 。 活 性 差 别 如 此 大 的 原 因 是 两 者 活 性 基 与 反 应 中 心 ( 底 物 中羰 基 碳 ) 之 间 的 方 向 不 同 ， 底 物 从 仲 羟 基 一 侧 以 硝 基 为 头 进 入 空 腔 ， 因 此 对 后 者 来 说 是 适 宜 的 。 当 将 两 个 咪 唑 基 引 入 到 环 糊 精 的 伯 羟 基 一 侧 ( 第 一 面 ) 时 ， 由 于 两 个 基 团 的 协 同 作 用 ， 形 成 电 荷 替 续 体 系 ， 从 而 收 到 选 择 性 催 化 水 解 效 果 。 沈 静 茹 等 】 用 0一环 糊 精 二 间 羧 基 苯 磺 酸 酯 同 三 氯 化 铁 形 成 的 配 合 物 ， 与 过 氧 化 氢 形 成 复 合 物 构 筑 模 拟 抗 坏 血 酸 氧 化 酶 ， 将 抗 坏 血 酸 催 化 脱 氢 生 成 脱 氢 抗 坏 血 酸 ， 求 得 模 拟 抗 坏 血 酸 氧 化 酶 的 米 氏 常 数 K m =1 1 1 2 mmo l L， 并 研 究 了 实 验 条 件 对 模 拟 抗 坏 血 酸 氧 化 酶 催 化 能 力 的 影 响 。 此 外 ， 他 们 还 采 用 一环 糊 精 二 间 羧 基 苯 磺 酸 酯 同 三 氯 化 铁 形 成 的 配 合 物 构 筑 模 拟 葡 萄 糖 氧 化 酶 ， 与 过 氧 化 氢 形 成 酶 一 底 复 合 物 ， 将 葡 萄 糖 催 化 氧 化 生 成 葡 萄 糖 酸 。 丁 学 刚 等 】 研 究 了 0一C D 与 间 羧 基 苯 磺 酰 氯 及 F e 3 构 筑 氧 化 还 原 酶 、 双 ( 6一间 一羧 基 苯 磺 酰 基 ) pC D F e 模 拟 过 氧 化 物 酶 。 v T D S o u z a l 】 将 黄 素 辅 酶 分 别 引 入 0一C D 的 伯 羟 基 和 仲 羟 基 ， 研 究 它 们 催 化 氧 化 对 氯 苯 基 甲 硫 醇 生 成 SS键 的活 性 ， 与 黄 素 本 身 在 水 介 质 中 的 二 级 反 应 速 度 常 数 相 比 ， 分 别 增 加 2 1和 5 3倍 。 计 算 ( 机 ) 化 学 和 催 化 反 应 动 力 学 研 究 结 果 表 明 只 有 当 底 物 位 于 空 腔 内 ， 而 且 具 有 正 确 方 向 ， 才 有 可 能 使 催 化 反 应 具 有 饱 和 动 力 学 性 质 ， 使 反 应 表 现 出 高 效 率 。 烟 酰 胺 腺 嘌 呤 二 核 苷 酸 及 其 还 原 型 ( NA D+ ， N AD H) 作 为 辅 酶 存 在 于 大 量 酶 的 氧 化 一还 原 反 应 中 。 T o d a等 l 加 】 将 二 氢 尼 克 酰 胺 共 价 键 合 到 0一C D 的 伯 羟 基 处 得 到 脱 氧 酶 和 氢 转 移 酶 模 型 。 在 p H7 O还 原 茚 三 酮 比 二 氢 烟 酰 胺 自身 快 4 0 0倍 ， 原 因 是 空 腔 内 结 合 茚 三 酮 提 高 了 还 原 基 附 近 的 底 物 浓 度 ( 8 一 C D 结 合 茚 三 酮 囫 K d：2 11 0mo l L) ， 同 时 增 加 了 二 氢 烟 酰 胺 的 稳 定 性 。 2 3环 糊 精 聚 合 物 模 拟 酶 环 糊 精 聚 合 物 作 为 酶 模 型 的 研 究 正 日益 受 到 关 注 ， 由 于 C D聚 合 物 具 有 多 重 识 别 功 能 ， 同 时 其 单 体 C D 间 具 有 独 特 的 协 同 作 用 ， 因 此 作 为 一 类 新 型 仿 酶 模 型 ， C D聚 合 物 能 更 好 地 模 拟 酶 对 底 物 的识 别 与 催 化 功 能 。 酶 对 底 物 可 多 部 位 结 合 且 具 多 重 识 别 功 能 以 实 现 酶 促 反 应 的 高 效 性 和 高 选 择 性 。 将 两 个 C D 以 适 当 基 团 桥 联 或 二 聚 起 来 ， 则 具 有 双 重 疏 水 结 合 和 多 重 识 别 功 能 ， 较 单 C D仿 酶 模 型 具 更 高 效 率 和 选 择 性 。 双 C D协 同 包 结 底 物 常 数 可 高 达1 1 0 。或 更 高 ， 相 当 于 中 等 亲 和 力 抗 原 抗 体 结 合 常 数 】 ， 超 过 单 C D仿 酶 模 型 和 某 些 酶 对 底 物 结 合 常 数 ， 可 望 得 到 广 泛 应 用 。 桥 联 环 糊 精 的 合 成 由单 体 环 糊 精 或 它 的 简 单 衍 生 物 通 过 酯 化 、 酰 胺 或 二 硫 化 等 桥 联 得 到 ， C D 磺 酸 酯 和 碘 代 物 是 重 要 中 间 体 。 可 通 过 选 取 适 当 亲 核 试 剂 反 应 合 成 桥 基 上 具 不 同 功 能 结 构 的 单 或 双b fi C D， 迄 今 已 合 成 了 3 0余 种 。刘 俊 秋 等 将 8一环 糊 精 2位 羟 基 选 择 性 磺 酰 化 后 ， 再 用 N a H S e处 理 使 谷 胱 甘 肽 过 氧 化 物 酶 ( GP X) 的 催 化 基 团 一S e H 引 人0 一 C D 的 2位 上 ， 经 空 气 氧 化 得 到 了 G P X 模 拟 物 双 硒 桥 联 8一环 糊 精 ， 利 用 元 素 分 析 、 核 磁 共 振 、 红 外 光 谱 对 此 模 拟 物 进 行 了 表 征 。 测 定 结 果 表 明 模 拟 物 的 G P X 活 性 是 P Z 5 1的 7 5倍 。 K u r t a等 用 桥 联 C D夹 心 式 卟 啉 的 F e (1 I) 络 合 物 作 催 化 剂 ， 以 亚 碘 酰 苯 氧 化 环 己 烯 ， 由 于 C D 对 环 己 烯 或 亚 碘 酰 苯 的 疏 水 结 合 ， 使 氧 化 产 率 达 5 5 ， 而 无 C D 的 铁 卟 啉 ( F e T P P s ) 催 化 则 产 率 不 到 2 。 具 双 包 结 部 位 的 b r i C D 比单 一 C D 对 客 体 分 子 具 有 更 好 的 识 别 功 能 和 协 同包 结 作 用 ， 其 强 弱 主 要 取 决 于 b r i C D 和 底 物 在 结 构 上 的 匹 配 程 度 。 它 们 在 分 子 尺 寸 、 构 型