第四章 酶化学5-9

第四章酶化学第四章酶化学4.1酶——生物催化剂4.2酶的非蛋白组分——辅酶和金属离子4.3酶促反应的速率和影响因素4.4酶的结构和酶的催化作用机制4.5酶的抑制作用和抑制剂4.6人工合成酶的新进展4.7酶在化学研究中的应用4.8非水溶剂中的酶促反应4.9酶工程4.5酶的抑制作用和抑制剂有些物质能与酶分子上某些必需基团结合（作用）,使酶的活性中心的化学性质发生改变，导致酶活力下降或丧失，这种现象称为酶的抑制作用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制剂。

抑制作用与变性作用是不同的。抑制剂只能使酶的催化活性降低或丧失，而不引起酶蛋白变性。酶蛋白变性而引起酶活力丧失的作用称为变性作用。

酶的抑制剂一般具备两个方面的特点：

a.

在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过渡状态相似。

b.

能够与酶的活性中心以非共价或共价的方式形成比较稳定的复合体或结合物。4.5酶的抑制作用和抑制剂竟争性抑制4.5.1抑制剂的作用方式不可逆的抑制作用：这一类抑制剂通常以比较牢固的共价键与酶蛋白中的基团结合，而使酶分子失活。不能用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。可逆的抑制作用：这类抑制剂与酶蛋白的结合是可逆的,可用透析、超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性。–竞争性抑制(competitiveinhibition)–非竞争性抑制(noncompetitiveinhibition)

不可逆的抑制作用有机磷化合物：与胆碱酯酶结合，使乙酰胆碱不能分解为乙酸和胆碱，引起神经中毒，称为神经毒剂。

对硫磷、敌百虫、敌敌畏2.有机汞、有机砷化合物：与含巯基的酶或含硫辛酸辅酶的酶结合，从而使酶失活。

氯汞苯甲酸、路易斯毒气（CHCl＝CHAsCl2）3.重金属盐(Ag＋,Pb2＋,Hg2＋)：使酶蛋白失活。4.烷化剂：使酶中-SH烷化，失活。

碘乙酸、2、4－二硝基氟苯5.氰化物、硫化物和CO：与酶中的金属离子络合。

氰化物与铁卟啉中的Fe2+络合，阻抑细胞呼吸。6.青霉素：与糖肽转肽酶的Ser结合，使酶失活。可逆的抑制作用竟争性抑制某些抑制剂的化学结构与底物相似，因而能与底物竟争与酶活性中心结合。当抑制剂与活性中心结合后，底物被排斥在反应中心之外，其结果是酶促反应被抑制了。竟争性抑制通常可以通过增大底物浓度，即提高底物的竞争能力来消除。可逆的抑制作用竟争性抑制磺胺类药物作用机理某些药物或体内代谢物对酶的竞争性抑制作用药物（抑制剂）被抑制的酶竞争底物临床应用及机理磺胺药二氢叶酸合成酶（细菌）苯甲酸抗菌作用（抑制四氢叶酸）氨基蝶呤二氢叶酸还原酶二氢叶酸抗白血病5-氟尿嘧啶尿嘧啶核苷磷酸化酶尿嘧啶（胸腺嘧啶）抗癌作用（抑制核苷酸合成）别嘌呤醇黄嘌呤氧化酶黄嘌呤，次黄嘌呤抗通风（抑制尿酸生成）6-氨基已酸纤溶酶-赖氨酸-氨基酰止血，抗纤溶（抑制纤溶酶）苯丙胺（麻黄素）单胺氧化酶肾上腺素（去甲肾上腺素）中枢兴奋，抗哮喘抑制剂与药物开发不可逆抑制剂的专一性程度很强，前景广阔底物类似物型的竞争性抑制剂最易开发过渡态底物类似物型药物最具价值(高效\特异)过渡态底物类似物型药物可逆的抑制作用非竟争性抑制

酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变化，并导至酶活性下降。由于这类物质并不是与底物竞争与活性中心的结合，所以称为非竞争性抑制剂。底物和抑制剂可以同时与酶结合，但是，中间的三元复合物ESI不能进一步分解为产物，因此，酶的活性降低。抑制剂与酶活性中的以外的基团结合，其结构可能与底物无关不能通过增加底物的浓度的办法来消除非竞争性抑制作用

某些金属离子（Cu2+、Ag+、Hg2+）以及EDTA等，通常能与酶分子的调控部位中的-SH基团作用，改变酶的空间构象，引起非竞争性抑制可逆的抑制作用4.5.2可逆抑制作用的动力学特征竞争性抑制作用的动力学特征竞争性抑制作用的动力学特征可通过增加底物浓度而使整个反应平衡向生成产物的方向移动，因而能削弱或解除这种抑制作用。非竞争性抑制作用的动力学特征4.6人工合成酶的新进展抗体酶杂化酶酶模型4.6.1抗体酶抗体酶又称催化抗体,是由与酶反应中底物过渡态类似物作为半抗原刺激免疫系统产生的一类能够专一识别和催化酶反应中的底物反应过渡态的一类抗体。抗体酶是一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋予了酶的属性，是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的产物。抗体酶是一种新型人工酶制剂，是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研究的成果，4.6.1抗体酶抗体的概念

免疫系统是由中枢免疫组织（骨髓、胸腺、消化系统免疫组织）和外周淋巴组织（淋巴结和脾脏）的免疫活性细胞（B淋巴细胞、浆细胞），以及由它们产生的多种淋巴因子和抗体所组成。当外源物性物质，如蛋白质、毒素、糖蛋白、脂蛋白、核酸、多糖、颗粒（细菌、细胞、病毒）进入人或动物体内时，机体的免疫系统便产生相应的免疫球蛋白，并以之结合，以消除异物的毒害。此反应称为免疫反应，此异物便是抗原，此球蛋白便是抗体。4.6.1抗体酶抗体的概念完全抗原是指能够直接诱导机体产生特异性免疫应答的一类物质。半抗原能与抗体特异性结合，但不能激发机体产生抗体，必须与蛋白质（载体）结合后进入机体，才能产生有效的免疫应答。抗体（antibody，Ab)是在抗原刺激下机体免疫应答的产物。所有抗体都具有与抗原特异性结合的能力。抗体的化学本质是免疫球蛋白（Immunoglobulin，Ig

）即γ－球蛋白。不过只有当免疫球蛋白针对已知抗原时，才能够称这种免疫球蛋白为抗体。4.6.1抗体酶四肽链结构

，链间二硫键连接两条重链（H）和两条轻链（L）氨基端和羧基端。

4.6.1抗体酶抗体与酶的异同：相同点：都是蛋白质，都有特异性。不同点：1）抗体无催化活力，酶有催化活力。2）本质差别：酶是能与反应过渡态选择结合的催化物质，抗体是和基态紧密结合的物质。3）酶的活性和合成受到代谢调节，种类有限。抗体只有在抗原存在时才产生，种类无限。以过渡态类似物作为半抗原，诱导与其互补构象的抗体，使其具有催化活性，可观察到抗体催化相应底物发生化学反应。4.6.1抗体酶过渡态碳酸酯碳酸酯硝基苯磷酰胆碱脂（a）合成aa与牛血清蛋白形成抗原抗原注入动物体内，产生抗体MOPC167（抗体酶）提取抗体MOPC167，催化碳酸酯水解抗体酶的催化反应类型1、转酰基反应2、水解反应3、Claisen重排反应4、酰胺合成反应5Diels-Alder反应6、转酯反应7、光诱导反应8、氧化还原反应9、脱羧反应10、顺反异构化反应抗体酶的制备合成半抗原偶联适当载体免疫动物，诱导抗体筛选抗体酶1.诱导法用设计好的半抗原（过渡态类似物），通过与载体蛋白（如牛血清白蛋白）偶联制成抗原。然后对动物进行免疫，使宿主有机体针对抗原产生抗体，产生抗体的脾脏细胞与骨髓细胞相融合。融合得到的杂交细胞既能产生抗体又能在体外培养。将杂交体克隆化，即能产生单一均匀的抗体酶。抗体酶的制备2、抗体结合位点化学修饰法：抗体酶和酶一样也可以用化学修饰法加以改造。对抗体酶进行结构修饰的关键是找到一种温和的方法在抗体结合位置或附近引入具有催化功能的基因。游离巯基就是适合的基团之一，它具有高亲核性，易于氧化，及能通过二硫化物进行交换反应或亲电反应而选择性修饰的特点抗体酶的制备3.拷贝法用酶作为抗原免疫动物得到抗酶的抗体，再将此抗体免疫动物并进行单克隆化，获得单克隆的抗抗体。对抗抗体进行筛选，获得具有原来酶活性的抗体酶。抗体酶的应用抗体酶在化学研究的作用抗体酶在有机合成上的应用抗体酶阐明化学反应机制抗体酶在生物医学上的应用戒毒治疗肿瘤治疗定量分析——酶联免疫吸附分析戒毒治疗Landry等用可卡因水解的过渡态类似物-磷酸单酯为半抗原，产生的单克隆抗体能催化可卡因的分解，其催化活性和血液中催化可卡因的丁酰胆碱酯酶差不多，水解后的可卡因片断失去可卡因刺激功能。因此，用人工抗体酶的被动免疫也许能阻断可卡因上瘾，达到戒毒目的。肿瘤治疗抗体介导前药治疗（ADEPT）技术将能水解前药释放出肿瘤细胞毒剂的酶和肿瘤专一性抗体相偶联，这样酶就会通过和肿瘤结合的抗体而存在于细胞的表面。静脉给药后，当药物扩散至肿瘤细胞的表面或附近，抗体酶就会将前药迅速水解释放出抗肿瘤药物，从而提高肿瘤细胞局部药物浓度，增强对肿瘤的杀伤力，达到提高肿瘤化疗效果的目的。定量分析酶联免疫吸附分析（enzyme-linkedimmunosorbentassayELISA）将酶作为标记物质，使之和抗原（或抗体）结合形成酶与抗原（或抗体）复合物，然后再根据待测抗体（或抗原）与复合物专一且定量的结合关系，通过测定待测抗体（或抗原）结合的标记酶活力，从而计算出抗原或抗体的量。4.6.2杂化酶以天然蛋白质为母体，经化学方法引进适当的活性部分，形成新的“人工酶”。类型（1）以具有特异性识别功能的蛋白为母体，引进催化功能部分。如：抗体杂化酶（2）以具有催化活性的蛋白为母体，引进特殊识别功能部分。如：核酸水解杂化酶结合部分+选择性融合催化部分杂化酶4.6.3酶模型根据酶作用原理，摸拟酶的活性中心和催化机理，用化学方法制备结构较简单、高效、高选择性、稳定性能好的新型催化剂，可以是无机化合物、有机化合物或小肽。特点：分子小；结构简单；具有酶的主要活性基团；活性中心相似的空间结构；可模拟酶的关键性功能。

例：酯键水解酶模型环糊精酶模型酯键水解酶模型环糊精酶模型环糊精是环状低聚糖的总称。最常见的是-环糊精、-环糊精、-环糊精，分别由六个、七个和八个葡萄糖分子按照1,4连接方式形成的一种环状结构。环糊精的分子形状如同轮胎，具有园柱型立体结构特点，各葡萄糖残基的C-2和C-3原子上的羟基位于环糊精圆环的分子一端，直径稍大，而C-6上的羟基位于另一端，直径稍小。环糊精分子内部为一个呈“V”字型的疏水性空穴，可对苯环等进行包接形成复合物。环糊精酶模型OHOH4.7酶在化学研究中的应用一、酶与有机化学催化剂非水相催化手性化合物的合成与拆分酶催化有机反应的主要类型反应类型酶底物产物水解反应酯酶羧酸酯羧酸，醇脂肪酶甘油酯（脂肪）脂肪酸，甘油蛋白水解酶蛋白质，多肽氨基酸，羧酸羧酸酯，脂肪脂肪酸，甘油，醇淀粉水解酶淀粉葡萄糖纤维素酶纤维素葡萄糖溶菌酶细胞壁多糖乙酰细胞壁酸，乙酰葡萄糖胺环氧化物水解酶环氧化物醇腈水解酶腈化物酰胺，羧酸裂合反应醛缩酶多元醇醛和酮醛和酮多元醇卤化和脱卤化反应卤素过氧化物酶烯烃、炔烃等氯、溴、碘化合物，醇，环氧化物等酶催化有机反应的主要类型反应类型酶底物产物氧化还原反应脱氢酶（含NAD））醇，酚醛，酮，醌醛，酮，醌醇，酚脱氢酶（含FAD）含活泼氢烷烃烯烃活泼烯烃烷烃单加氧酶烷烃，芳烃，酚醇，酚烯烃环氧化物双加氧酶芳烃酚二酚二元羧酸氧化酶氨基酸酮酸氢水面包酵母醇，酚醛，酮，醌醛，酮，醌醇，酚含活泼氢烷烃烯烃活泼烯烃烷烃非水相催化有机介质中酶催化反应的优点:(1)

大多数有机底物在有机溶剂中有较大的溶解度;(2)

在非水介质中酶的热稳定性与储存稳定性比在水中有明显提高;(3)

使许多热力学平衡反应由加水分解转化为其逆反应过程;(4)

能抑制