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第六章 人工酶模拟酶 模拟酶就是根据酶的作用原理，模拟酶的活性中心和催化机制，用化学合成方法制成的高效、高选择性、结构比天然酶简单、具有催化活性、稳定性较高的非蛋白质分子的一类新型催化剂，也称酶的合成类似物。或者叫酶模型或者叫人工酶。一、模拟酶的概念1、模拟酶的酶学基础q 酶的作用机制：过渡态理论q 对简化的人工体系中识别、结合和催化的研究2、超分子化学q 主-客体化学：主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补q 超分子：该分子形成源于底物和受体的结合，这种结合基于非共价键相互作用，当接受体与络合离子或分子结合形成稳定的，具有稳定结构和性质的实体，形成超分子q 功能：分子识别、催化、选择性输出3、设计要点设计前：q 酶活性中心-底物复合物的结构q 酶的专一性及其同底物结合方式的能力q 反应的动力学及各中间物的知识 设计中：q 为底物提供良好的微环境q 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q 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一个很好的酶模型应满足天然酶催化的基本准则Stoddort提出几个原则作为衡量标准:(1)底物选择性，(2)与底物能迅速结合，(3)与产物能迅速分离，(4)反应结束后(至少其活性部位) ，能够再生(5)有较高的转换数。其中45是必备条件，而13最好能满足二、模拟酶的分类和制备根据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 半合成酶q 抗体酶q 分子印迹酶模型人工酶制备：半合成酶和全合成酶半合成酶 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。全合成酶 通过将催化基团并入有机化合物，控制空间构象，选择性地催化化学反应。全合成酶包括小分子有机物(大多为金属络合物)、抗体酶(催化抗体)、人工聚合物酶。模拟酶的制备：1、半合成酶 （1）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。 Gray与Margalit将电子传递催化剂Rn(NH3)53+，与巨头鲸肌红蛋白结合，产生半合成的无机生物酶。肌红蛋白传递氧气， Rn(NH3)53+能氧化各种有机物(如抗坏血酸)。这种人工酶的催化效率是钙-咪唑复合物的200倍，接近天然的抗坏血酸氧化酶的活力。（2）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。 美国Schultz小组 寡聚核苷酸链连接到RNA酶的Cys166上利用寡聚核苷酸链的碱基互补关系，显示出对RNA链特定位点的水解作用。第一个不同于DNA限制性内切酶的RNA限制性内切酶。 Kaiser小组 黄素木瓜蛋白酶(FP) 木瓜蛋白酶Cys25的巯基参与蛋白质水解反应。8-溴乙酰黄素与此巯基结合后，丧失水解活性，FP催化效率是黄素（黄素氧化还原酶的辅酶）的 1000倍，达到了天然黄素氧化还原酶的活性。2、全合成酶小分子有机物全合成酶：利用各种有机分子(如-环糊精、卟啉等)和金属离子而制备的具有水解、氧化还原、转氨等功能的全合成酶：(1)氨肽酶全合成酶：三乙撑四胺(Trien)的Co ()络合物。(2)转氨全合成酶：Gly与Ala的西佛氏碱的Cu()络合物。(3)ATP水解全合成酶：CoEdda(H2O2)2-等。 -Benzyme人工酶能模拟-胰凝乳蛋白酶活性（最成功的）由环糊精制成的人工转氨酶能催化a-酮酸与磷酸吡哆胺专一性地合成氨基酸。模拟酶的展望 模拟酶的研究近年来进展比较大，但现阶段模似酶无论在催化效率，还是在专一性上都还比较差，要达到实际应用还要有大的技术和理论突破。 但是，最终的结果必定是发展了酶学理论，指导了生产实践。解决了人类遇到的难题，造福了全人类。三、分子印迹酶1、分子印迹：制备对某一化合物具有选择性的聚合物的过程。2、其过程包括:1)选定印迹分子和单体，让它们之间发生互补作用。2)在印迹分子-单体复合物周围发生聚合反应。3)用抽提法等从聚合物中除去印迹分子，聚合物中留有恰似印迹分子的空间。分子印迹可遵照如下两种方法:1) 印迹分子被共价、可逆结合在单体分子上；2) 单体与印迹分子之间的最初作用是非共价的。 分子印迹技术在有机合成中被用作催化剂和拆分剂。与以过渡态(TS)类似物法制备抗体酶的原理相同，若用TS类似物作印迹分子，所得聚合物具有相应的催化活性，只是以人工聚合物代替了抗体。分子印迹技术原理：n 竞争性抑制剂诱导酶活性中心构象发生变化，形成一种高活性的构象形式，而此种构象形式在除去抑制剂后，因酶在有机介质中的高度刚性而得到保持。n 酶蛋白分子在有机相中具有对配体的“记忆”功能。 q 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，并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。q 性质：遵循米氏方程，催化活力依赖反应速度常数。表面分子印迹n 无机物为载体的表面印迹n 固