人工模拟酶.ppt

1、第六章 人工模拟酶,Chapter 6 Artifical Enzyme,模拟酶的概念及理论基础 模拟酶的分类 抗体酶 印迹酶,Contents,一、模拟酶的概念,人工（模拟）酶：根据酶的催化原理，模拟酶的生物催化功能，用有机化学和生物学的方法合成具有专一催化功能的物质。,酶学基础：酶的结构和酶学性质。 “主-客体”化学：主体有选择地识别客体并与之通过弱相互作用力形成稳定复合物的化学领域。 超分子化学：研究两种或两种以上的化学物通过分子间力（静电作用、氢键、范德华力等非共价键）相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。,二、模拟酶的理论基础,美国加州大学洛杉矶分校的克拉姆(Don

2、ald James Cram)教授和法国路易巴斯德大学的莱恩(JeanMarie Lehn)教授由于分别创立了“主客体化学”(HostGuest Chemistry)和“超分子化学”(Supra molecular Chemistry)而荣获1987年的诺贝尔化学奖。 克拉姆的“主客体化学”的基本思想是：具有显著“识别能力”的某些冠醚可以作为“主体”，有选择性地与作为“客体”的底物发生配合。克拉姆的意图旨在模拟酶和底物的作用。,莱恩的“超分子化学”的主要内容是：首先要求合成具有特定结构的分子作为接受体。接受体应具有选择络合离子和分子结构形式的能力，又使底物可借各种分子内作用（电性作用、磁性作用

3、、氢键、范德华力以及各种近距离子）与受体结合，这样，就导致“分子的聚集”，这种聚集后的分子莱恩称其为“超分子”。 “超分子化学”就是分子内键合和分子聚合的化学。“超分子”兼有分子设别，分子催化和选择性迁移等功能。“主客体化学”和“超分子化学”的共同意图就是说明酶和底物这间的作用就象一把钥匙开一把锁一样。,催化剂是一种选择性极强的反应中的第三者。催化剂与反应物及产物之间有一种严格的微妙的关系。首先，催化剂与反应物之间必须建立起“主客体”关系。“主客体”关系的建立需要苛刻的条件，不仅要从电子结构上去考虑，而且还要从空间结构上去考虑。“主客体”关系一旦得到建立，就说明催化剂这把“钥匙”已经识别了反应

4、物这把“锁”了。但如何去开这把“锁”，并把“钥匙”原封不动地抽出来，还需要“超分子”。,简单模拟：模拟物只含有与生物活性酶相同的因子。 模拟酶活性中心结构：空腔的大环化合物作为底物识别部位，在边缘衍生催化基团。 整体模拟：高级模拟，需要考虑识别和催化部位的协同性。,模拟酶的研究内容,三、模拟酶的分类,1. 根据Kirby分类法,以模拟酶活性中心为基础的酶模型：化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性； 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； 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。,主-客体模拟酶 胶束酶 肽酶 半合

5、成酶 聚合物人工酶 分子印迹酶 抗体酶,2. 按照模拟酶的属性,（1）主-客体模拟酶,环糊精酶 合成的主-客体酶,天然存在的、类似酶的理想宿主分子，本身具有酶模型的特性。略呈锥形的圆筒结构，外侧亲水，其羟基可与多种客体形成氢键，内侧的空腔具有疏水性，能包结多种客体分子，类似酶对底物的识别。,人工合成的宿主分子，具有酶模型的特性。如冠醚、穴醚、环番、杯芳烃等大环多齿配体。具有底物识别能力和催化基团。,冠醚最大的特点就是能与正离子，尤其是与碱金属离子络合，并且随环的大小不同而与不同的金属离子络合。 例如，安息香在水溶液中的缩合反应产率极低，如果在该水溶液中加入7的冠醚，则可得到产率为78的安息香；

6、若上一反应在苯（或乙腈）中进行。如果加入18冠6，产率可高达95。,1942年金克(Zinke，奥地利)首次合成得到，因其结构像一个酒杯而被古奇(C.D.Gutscht，美国)称为杯芳烃。 绝大多数的杯芳烃熔点较高，在250以上。在常用的有机溶剂中的溶解度很小，几乎不溶于水。杯芳烃具有大小可调节的“空腔”，能够形成主-客复合物，与环糊精、冠醚相比，是一类更具广泛适应性的模拟酶，被称为继冠醚和环糊精之后的第三代主体化合物。,杯芳烃,作为第三代主体超分子化合物，杯芳烃具有独特的空穴结构，与冠醚和环糊精相比具有如下特点： 它是一类合成的低聚物，它的空穴结构大小的调节具有较大的自由度； 通过控制不同反

7、应条件及引入适当的取代基，可固定所有需要的构象； 杯芳烃的衍生化反应，不仅在杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位，而且连接苯环单元的亚甲基都能进行各种选择性功能化，这不仅能改善杯芳烃自身水溶性差的不足，而且还可以改善其分子络合能力和模拟酶活力；, 杯芳烃的热稳定性及化学稳定性好，可溶性虽较差，但通过衍生化后，某些衍生物具有很好的溶解性； 杯芳烃能与离子和中性分子形成主一客体包结物，这是集冠醚和环糊精两者之长； 杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为廉价的产品，事实上现在已有多种杯芳烃商品化。,表面活性剂分子在水溶液中超过一定浓度可聚集成胶束。胶束在水溶液中提供了疏水微环境 ，可对底物进行包络 ，类似

8、于酶结合部位。若再将一些催化基团如：咪唑、硫醇、羟基和一些辅酶共价或非共价地连接或附着在胶束上 ，相当于酶活性中心 ，就构成具有催化活性的胶束模拟酶。,（2）胶束酶,胶束模拟酶一方面利用增溶、增稳的增效作用，使酶活性呈现“超级活性” 。另一方面，利用胶束介质（尤其是反相胶束介质）模拟天然酶在生物体内活体细胞中的微环境。,X,X,胶束酶,X,X,X,X,X,X,X,（3）肽酶,模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽。 1977年Dhar等人报道，人工合成的GluPheAlaGluGluAlaSerPhe八肽具有溶菌酶的活性。其活性为天然溶菌酶的50%.,（4）半合成酶,具有催化活性的金

9、属或金属有机物与具有特异性的蛋白质相结合。 具有特异性的物质与具有催化活力的酶相结合。,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。 具有特异性的物质与具有催化活力的酶相结合。,合成高分子作为支撑物构筑酶的活性中心。,（5）聚合物人工酶,一、什么是分子印迹技术？,分子印迹技术是二十世纪八十年代迅速发展起来的一种化学分析技术，属于泛分子化学研究范畴，通常被人们描述为创造与识别“分子钥匙”的人工“锁”技术。,（6）印记酶,分子印记技术是在分子识别基础上开展的。 分子识别本质上是指主体分子(受体)对客体分子(底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程。如：酶与底物、抗原与抗体、糖与蛋白质

10、等的相互作用。,以一种分子充当模板，其周围用聚合物交联，当模板分子出去后，此聚合物就留下了此分子相匹配的空穴，这种聚合物就像“锁”一样对模板分子具有选择性识别作用，这种技术被称为分子印记。,二、分子印记的原理,特定分子（印迹分子或称模板）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，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，因而对此印记分子具有特异性结合能力。,分子印迹原理图,（1）分子印记的概念,分子印记（molecular imprinting）是指

11、制备对某一化合物具有选择性的聚合物的过程。 这个化合物叫印记分子（ print molecule，P） ，或称为模板分子（ template，T） 。,四、影响分子印迹选择性识别的因素,底物结构和印记分子的互补性：底物必须与印记分子的结构、大小相似，否则影响分辨率。 聚合物与印记分子之间的作用力：作用力是影响分辨率的重要因素，若能产生多种相互作用力，且键的数目有多，则分辨率提高。,交联剂的类型和用量：一般80%以上交联度。交联度小，则难限定负责选择部位的形状和其中的基团取向，导致分辨率下降。 聚合条件：低温聚合可稳定印记分子和单体间的复合物。,五、分子印记聚合物的制备方法,选定印迹分子和功能单

12、体，使二者发生互补反应； 在印迹分子-单体复合物周围发生聚合反应； 用抽提法从聚合物中除掉印迹分子。,一般来说，聚合物空穴对印记分子的特异性结合主要由官能团的排列决定，空穴的形状处于次要地位。,（3）分子印记的类型,在某些载体表面产生分子印记空腔或进行表面修饰产生印记结合部位的过程称为表面分子印记。,表面分子印迹,表面分子印迹包括：,1无机物为载体的表面印迹 2固体材料的表面修饰 3蛋白质的表面印迹,蛋白质表面印迹在聚合物涂层的硅石上的示意图,生物印记,指以天然的生物材料，如蛋白质和糖类物质为骨架，在其上进行分子印迹而产生对印迹分子具有特异性识别空腔的过程。,天然生物材料（如蛋白质）含有丰富的

13、氨基酸残基，它们与印记分子能产生很好的识别作用。,2. 生物印迹,1生物印迹：指以天然的生物材料，如蛋白质和糖类物质为骨架，在其上进行分子印迹而产生对印迹分子具有特异性识别空腔的过程。 2有机相生物印迹酶,能不能利用分子印记技术来制备人工酶呢？,（5）分子印记酶,通过分子印记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。,定义,六、分子印迹酶,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。 性质：遵循米氏方程，催化活力依赖反应速

14、度常数。,选择底物、底物类似物、抑制剂、过渡态类似物等作为印记分子。,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。 酶蛋白分子在有机相中具有对配体的“记忆”功能。,分子印记酶的原理：,主-客体酶模型,影响分子印记酶选择性识别的因素,底物结构和印记分子的互补性； 聚合物与印记分子之间的作用力；,交联剂的类型和用量：一般80%以上交联度。 聚合条件,1. 色谱分离 最广泛的应用之一是利用其特异的识别功能去分离混合物。其适用的印迹分子范围广，无论是小分子(如氨基酸、药品和碳氢化合物等)还是大分子(如蛋白质等)已

15、被应用于各种印迹技术中。,应用：,2 固相萃取 通常样品的制备都包括溶剂萃取，由于分子印迹技术的出现，这可以用固相萃取代替，并且可利用分子印迹聚合物选择性富集目标分析物。由于印迹聚合物即可在有机溶剂中使用，又可在水溶液中使用，故与其他萃取过程相比，具有独特的优点。,印迹分子的强度与选择性在一定程度上可以和抗原与抗体之间的作用相媲美，因而可用于抗体模拟,这种模拟抗体制备简单、成本低，在高温、酸碱及有机溶剂中具有较好的稳定性，此外还可以重复使用。,3.天然杭体模拟,缺乏酶的柔性，催化效率不高； 单体与模板之间形成的次级作用力小，影响聚合物对反应底物的识别能力。,分子印记酶的局限性,酶蛋白分子在有机相中具有对配体的“记忆”功能。,生物印记酶的原理：,（6）生物印记酶,生物大分子在有机溶剂中刚性增强，保持其在水溶液中与底物结合 的活性构象。