第六章酶的人工模拟讲解.ppt

第六章 酶的人工模拟 第一节 模拟酶的理论基础和策略 一、模拟酶的概念 所谓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（synthetic enzyme）。 或者叫酶模型 或者叫人工酶 二、模拟酶的理论基础 2.超分子化学 主-客体化学：主体与客体通过配位键或其他次级键形成稳定复合物的化学领域称为“主-客体”化学。 超分子化学：超分子的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。当受体与络合离子或分子结合成稳定的具有稳定结构和性质的实体，即形成了超分子，兼具分子识别、催化和选择性输出的功能。 一个很好的酶模型应满足天然酶催化的基本准则． Stoddort提出六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) (5)能够再生 (6)有较高的转换数 其中4~6是必备条件，而1~3最好能满足． 模拟酶的底物选择性可以与原酶有所不同，以适应实际反应的需要． 对酶功能模拟一般分为三个层次: (1)合成有催化活性的简单络合物。催化效率和专一性都很低，与酶催化机理不同． (2)对酶活性中心的模拟。络合物具有一定催化效率和专一性，催化机理开始接近于酶． (3)整体模拟．包括微环境在内的整个活性部位、作用机理的模拟． 近年来，酶功能的模拟多集中在第二层次上． 理想的模拟酶至少有一个主体和一个客体组成。 主----客体均可以是有机化合物或其离子。 客体常常简单一些，可以是金属离子或金属---配体的配离子． 主体分子则要精心设计。 酶高效催化底物进行转化，是因为酶能和底物结合形成活性中间络合物，变分子间效应为分子内效应，通过邻近效应、定向效应，降低反应系统的负嫡；再通过诱导契合将基态底物转变为过渡态底物，同时通过共价催化、酸碱催化等机制，降低了反应活化能，才得以使底物进行转化。 另外，酶的高效、专一，是通过特定的构象将肽链中有关的氨基酸侧链基团组织在一起，形成具有高度选择性，具有降低反应活化能的活性结构，即所谓的活性中心。 活性中心: 包括决定酶反应专一性的结合基团和直接参 与催化的催化基团。 ? 因此在构建模拟酶时，一般都要以高分子化合物、高分子聚合物或络合了金属的高分子聚合物为母体，并在适宜的部位引入相应的疏水基，作成一个能容纳底物、适于和底物结合的口袋（pocket）与网兜（basket），同时在适宜的位置引人担负催化功能的催化基团。 模拟酶做法: 1)利用现有的酶或蛋白质作为母体，在它的基础上再引人相应的催化基团。 例：在木瓜蛋白酶的Cvs一25上共价偶联溴酰黄素衍生物，结果形成产物具有很高的氧化还原活性； 例：在肌红蛋白的His-上连接钌(II)氨络合物，结果产物具有很强的氧化活性，其催化效率为钌氨咪唑的200倍，比钌氨和去掉了血红素的肌红蛋白组成的络合物高100倍。 所以，这些衍生物也可看作是酶的化学修饰产物。 第二节 模拟酶的分类 根据Kirby分类法模拟酶可分为： 1.单纯酶模型-即以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性。 2.机理酶模型-即通过对酶作用机制诸如识别、结合和过度态稳定化的认识来知道酶模型的设计和合成。 3.单纯合成的酶样化合物-即一些化学合成的具有酶样催化活性的简单分子。 按照模拟酶的属性分类 主－客体酶模型：包括环糊精、冠醚、穴醚、杂环大环化合物和卟啉等 胶束酶模型： 肽酶 抗体酶 杂化酶 进化酶 一、主客体酶模型 （一）环糊精酶模型 1.水解酶的模拟 2.核糖核酸酶的模拟 3.转氨酶的模拟 4.桥联环糊精仿酶模型 （二）合成的主－客体模型 1. 环糊精的结构和性质 环糊精（cyclodextrin,CYD） 组成：由6-12个葡萄糖分子连接 形成环状低聚糖化合物。 1.水解酶的模拟 由于具有疏水空腔和亲水性表面的环糊精（Cyclodextrin,?CD）对多种客体分子（包括GPX的底物GSH和氢过氧化物）都有包结作用，因此利用CD作为底物结合部位，通过化学法将多种形式的Se引入CD中作为催化基团，得到一系列CD的衍生物： 二位双硒桥联β环糊精（2-selenium?bridgedβ-cyclodextrin，2-SeCD）、 六位双硒桥联β环糊精（6-selenium?bridgedβ-cyclodextrin，6-Se