生命中的超分子化学与生物模拟.pptxVIP

生命中的超分子化学与生物模拟;8.3.1 功能模拟 ;受体和底物：;底物：酶所作用和催化的化合物。底物为参与生化反应的物质，可为化学元素、分子或化合物，经酶作用可形成产物。 ;生物模拟采取的策略;8.3.1.2酶的特征; 酶的结构可以划分成一级，二级和三级特征。一级结构是多肽链上氨基酸残基的顺序，它是由合成酶的方式决定的；二级和三级结构与不连续单元或片段（例如，α-螺旋和β-层，见图8.22）链的排列顺序有关，而三级结构则是二级结构的特征单元排列产生完全的球状蛋白质的方式。它是通过氢键、堆积作用和疏水作用形成的，通常涉及到酶的深处埋藏的水分子的参与，在那里，水分子填充小的空穴，起到了连接二级特征单元的“黏合剂”的作用。正是酶的三级结构决定了结合点的有序性；而且，它还是酶结构中最为灵活的部分，允许结合点因客体的结合而发生扭转。然而，酶的三级结构明确，酶的结构是高度有序的，足以结晶。在一级氨基酸序列中三级结构的编码方式是一个复杂的，至今仍未解决的谜团。导致整体球形的疏水效应非常重要，正如决定大多数有序性的静电效应一样。确切地说，取向性的氢键决定了哪一小部分的球状构象更倾向于生成。;酶二级结构的特征;酶催化机制; 不仅是过渡态的稳定化导致了酶的加速反应。一般来说，在非酶化学中，由于统计学效应，分子内反应比它们对应的双分子反应要快的多；例如，琥珀酸苯酯的分子内反应比乙酸与乙酸苯酯（浓度均为1L/mol）的双分子反应快105倍（图8.24）。k1/k2的比例定义为有效摩尔数。即使它定义上代表要与分子内反应获取同样的速度多需要的浓度，它的值为105mol/L时很显然也要远远大于实际的浓度（纯的乙酸大约是17mol/L）。与双分子反应相比，单分子过程仅仅导致了内部旋转熵的降低，所以在熵方面有利了54~59kJ/mol。对于酶，如果底物和酶的结合作用足够强，那么ES复合物就如同一个分子起作用，因此可以观察到分子内的催化速度达到109。实际上，使两个反应物分子聚在一起引起的熵变，是由底物结合而不是由反应来偿付的。;酶催化机制;8.3.1.3环糊精作为酶模拟体; 环糊精的形??通常可以描述为：逐渐变细的花托或者截去尖端的漏斗。环糊精有两个不同的平面：主面和次面。主面是花托的窄面，由伯羟基组成，较宽的次面由仲羟基组成，包含CH2OH基团。六元D-吡喃葡萄糖苷环由边对边连接而成，环面全部向内指向不同尺寸的疏水空穴中心。就是这个空穴，因亲水醇羟基官能团带来的水溶性这一特性，从而使得环糊精在水中具有独特的络合性能。。;（a）使用人工主体框架的酶模型; 环糊精是以阴离子化学为中心的，而且环糊精的一个—OH基团已经去质子化。这使得环糊精具有一个活性的、亲核的官能团而与疏水的结合空腔最接近。早期的工作表明连接在环糊精空腔内的酯基可以酰化阴离子的β-环糊精，如图（8.25）所示。相应的乙酸间硝基苯酯的水解反应速率证明比不存在环糊精时大约快100倍。当然，这个反应不是催化性的，而且与酶的标准相比，其速率的提高也是中等的。另外，这个体系的分子量在2000Da以下，所以是一个“小”分子，因此催化的过程易于表征。; 考察分子模型，我们看到，乙酰化反应过程中，被结合的底物在形成四面体的反应中间体时被部分推出环糊精的空腔。而且，过多的刚性底物在结合时旋转有一定的困难。这种旋转主要是为了使环??精羟基基团垂直于底物酯基平面，然后再旋转嵌入新酯基产物平面（见图8.25）。这些问题体现在对一些底物的考察中，如对硝基衍生物，其酯基远离空腔而突出来，以及那些有着较多旋转灵活度的底物如炔（8.2）。在这种情况下，类酶的速率加速因子可达到5900000，例如（8.3）。;（b）模拟酯酶的环糊精; 在环糊精和镧系离子共同作用下，磷酸酯的形成和水解表现在环糊精可以显著地加快反应速率。生物体系中，3′，5′-环状单磷酸腺苷（cAMP（8.4））是细胞间传递的重要二级信使。当一个细胞接受外界刺激（一级信使），化合物（8.4）cAMP由三磷酸腺苷产生（ATP），这一反应是由腺苷酸环化酶催化的。cAMP依次活化各种其他的细胞内酶来产生细胞响应，这一响应由磷酸二酯酶对cAMP的水解来结束（图8.27）。Β-环糊精与镨（Ⅲ）的组合成功地模拟了腺苷酸环化酶的这一作用。这代表了第一个在生理条件下催化这种转变的人工体系。以前的尝试一般都导致ATP水解成相应的非环状单-和双磷酸酯。cAMP随后的断裂可以被γ-CD与铈（IV）极好地催化。在生理PH和30℃下，cAMP转化为腺苷单磷酸酯（AMP）的半衰期只有6S，而未催化条件下估计可达到3000000年。这表明速率提高因子达到了1013。;（c）功能化环糊精; 在主面上衍生的环糊精也已经被用作酶模拟，