生物制药技术-第六章-酶工程制药(4,5,6,7)技术分析.pptx

第六章 酶工程制药 --第四节，第五节，第六节，第七节 第四节酶的人工模拟 一、模拟酶的概念 酶是自然界经过长期进化而产生的高效生物催化剂，它能在温和条件下高效专一地催化某些化学反应，所以它的应用日趋广泛。但是，酶对热敏感、稳定性差和来源有限等缺点限制了它 的大规模开发和利用。设计一种像酶那样的高效催化剂是科学家们一 直追求的目标之一，于是，新的催化剂 人工模拟酶就逐渐被研制和开发了。 所谓人工模拟酶就是指根据酶的作用原理，用各种方法人为制造的具有酶性质的催化剂，简 称人工酶或模拟酶。它们一般具有高效和高适应性的特点，在结构上比天然酶相对简单。模拟酶研究吸收了酶中起主导作用的因素，利用有机化学、生物化学等方法，设计和一些比天然酶简单的非蛋白分子或蛋白质分子，以这些分子作为模型来模拟酶对其作用底物的结合和催化过程，也就是说在分子水平上模拟酶活性部位的形状、大小及其微环境等结构特征，以及酶的作用机制和立体化学等特性。 二、模拟酶的理论基础 1 .模拟酶的酶学基础 在关于酶作用机制的众多假说中，Pauling的稳定过渡态理论得到了 广泛的承认，这个理论对酶是如何发生效力的解释是：酶先与底物结合，进而选择性地稳定某一特定反应的过渡态 （TS)，降低反应活化能，从而加快反应速度。 设计模拟酶一伞方面要基于酶的作用机制，另一方面 则基于对简化的人体系中识别、结合和催化的研究。要想得到一个真正有效的模拟酶，这两个方面就必须统一结合。 在设计模拟酶时除具备催化基团之外，还要考虑与底物定向结合的能力。模拟酶要和酶一样，能够在结合底物的过程中，通过底物的定向化、键的扭曲及变形来降低反应的活化能。此外， 酶模型的催化基团和底物之间必须具有相互匹配的立体化学特征，这对形成良好的反应特异性 和催化效力是相当重要的。 2主-客体化学和超分子化学 关同化学家Pederson和Cram报道了一系列光学活性冠醚的合成方法。这些冠谜可以作为主体而与伯铵盐客体形成复合物。Cram把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。本质上，主-客体化学的基本意义来源于酶和底物的相互作用，体现为主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补。这种主-客体互补与酶和它所识别的底物结合情况近似。另一位著名的法国科学家Lehn也在这方面做出了非凡的贡献，他在研究穴醚和大环化合物与配体络合过程中，提出了超分子化学的概念，并在此理论的指导下，合成了更为复杂的主体分子。他在发表的《超分子化学》 一文中阐明：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，如静电作用、氢键和范德华力等，当接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时，即形成了超分子。它兼具分子识别、催 化和选择性输出的功能。 主-客体化学和超分子化学已经成为酶人工模拟的重要理论基础，是人工模拟酶研究的重要理论武器。根据酶的催化反应机制，若合成既能识别底物又具有酶活性部位催化基因的主体分子，就能有效地模拟酶的催化过程。 虽然在设计模拟酶方面目前还缺乏系统的定量的理论作指导，但大量的实践证明，酶的高效性和高选择性并非天然酶所独有，人们利用各种策略发展了多种模拟酶模型，目前在众多的模拟酶中，已有部分非常成功的例子，而且它们的催化效率和高选择性能可与生物酶相媲美。例如丝氨酸蛋白水解酶已可用小分子化合物来模拟；另外，能同时结合两个底物分子的反应模板也已被设计并合成出来；在合成的聚乙烯亚胺上引入十二炕基和咪唑基，所形成的芳香硫酸酯酶比天然 酶活力高100倍。 三、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机制酶模型，即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生产。 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。 按照模拟酶的属性可分为： ①主-客体酶，包括环糊粉、冠隧、穴醚、杂环大环化合物和卟啉类等。 ②胶束酶。 ③肽酶。 ④半合成酶。 ⑤分子印迹酶等。 1.主-客体酶模型 这一类模拟酶中最具代表性的是环糊精(cyclodcxtrin， CD)。它是一种优良的模拟酶，可提供一个琉水的结合部位并能与一些无机和有机分子形成包结络合物，以此影响和催化一些反应， 因此正在引起人们越来越大的兴趣。 环糊精分子是由多个D-(十)-吡喃葡萄糖残基通过α-1，4糖苷键连接而成。根据葡萄糖残基的数量不同时分为α(6个)、β(7个)、γ(8个)和δ(9个)环糊精4种，每个葡萄糖残基呈现无扭曲变形的椅式构象(图6 - 4a)，整个分子组成略呈锥形的圆筒(图6 -4b)，分子内有空穴。葡萄 糖残基的伯羟基和仲羟基分别位于圆筒较小和较大的开口端，这样CD分子外侧是