第6章 酶工程制药(二).pptVIP

第四节 酶的人工模拟 一、模拟酶的概念： 人工模拟酶就是根据酶的作用原理，用人工的方法合成的具有活性中心和催化作用的蛋白或非蛋白质结构的化合物。 模拟酶用合成高分子来模拟酶的结构、特性、作用原理以及酶在生物体内的化学反应，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。 模拟酶不仅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，更重要的是它能摸拟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 Pauling稳定过渡态理论：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。 模拟酶要和酶一样，能够在结合底物过程中，通过底物的定向化、键的扭曲及变形来降低反应的活化能。 2. 主-客体化学和超分子化学 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客间及电子排列的互补。 超分子的形成源于底受和受体的结合，这种结合基于非共价键相互作用，超分子兼具分子识别、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。 三、模拟酶的分类 根据Kirby分类法，模拟酶可分为： 单纯酶模型：以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性。 机制酶模型：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生产。 单纯合成的酶样化合物：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： 主-客体酶（环糊精、冠醚、穴醚、杂环大环化合物和卟啉类等） 胶束酶 肽酶 半合成酶 分子印迹酶 1. 主 - 客体酶模型 优良的模拟酶—环糊精（cyclodextrin，CD）。能提供一个疏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。 由几个D-(+)-吡喃葡萄糖残基通过α-1，4糖苷键连接而成。每个葡萄糖残基呈现椅式构象，整个分子类似环柱形分子，由于环糊精分子空穴边缘有许多羟基，能溶于水，空穴内基本是疏水的。 环糊精催化的特点是：参与反应的底物分子先被环糊精分子包接，再于其发生反应，与酶促反应十分相似，已模拟了转氨酶、核糖核酸酶、碳酸苷酶等。 除了环糊精等天然存在的宿主酶模型外，人们还合成了冠醚、穴醚、环番、环芳烃等大环多齿配体来构建酶模型。 2.胶束模拟酶 胶束在水溶液中提供了疏水微环境，可以对底物束缚，如果再在胶束上共价或非共价结合了催化基团和一些辅酶后，就有可能提供“活性中心”部位，使胶束成为具有酶活力或部分酶活力的胶束模拟酸。 目前比较重要的胶束酶模型有： 模拟水解酶的胶束酶模型 辅酶的胶束酶模型 金属胶束酶模型 3.肽酶 肽酶就是模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽。 5. 印迹酶 分子印迹：制备对某一特定分子具有选择性的聚合物的过程。该特定分子称为印迹分子或模板。 （1）分子印迹的原理 分子印迹的过程： 1、选定印迹分子和功能单位，让它们之间发生互补作用，形成印迹分子功能单位复合物。 2、用交联剂在印迹分子功能单位复合物周围发生聚合反应，形成交联的聚合物。 3、从聚合物中除去印迹分子，得到对印迹分子具有选择性的聚合物。 （2）印迹分子与单体相互作用的类型 印迹方法：共价分子印迹和非共价分子印迹。 非共价分子印迹：首先是印迹分子与功能单位相混合，二者以非共价键发生反应，然后功能单位与交联剂发生共聚合，形成高交联的刚性聚合物，最后使印迹分子从聚合物上脱离，并留下一个在形状和功能基团位置上与印迹分子相互补的识别部位。 共价 分子印迹：印迹分子与功能基团形成共价键，在与交联剂发生共聚合后，用化学方法将印迹分子从这个高度交联的聚合物上除去。 （3）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，利用此技术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。 应用范围：分子印迹聚合物可作为剪裁分离物质的材料；在酶技术和有机合成中，可作为模拟抗体、 模拟酶或具有催化活性的聚合物；在生物传感器的构建中作为传感器。 制备具有酶活性的分子印迹酶，要选择合适的印迹分子，目前所选择的印迹分子主要有底物、底物类似物、酶抑制剂、过渡态类似物和产物等。 催化活性基团的引入：将催化基团定位在印迹空腔的合适位置对印迹酶发挥催化效率相当重要。通常引入催化基团的方法为诱导法，即通过相反电荷等相互作用引入互补基团。 （4）生物印迹酶 生物印迹是分子印迹的一种形式，它以天然的生物材料，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。 用这种方法可以制备生物印迹酶。 以蛋白质为基础制备生物印迹酶的主要过程为：①使蛋白质部分变性； ②加