酶的人工模拟讲稿.ppt

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1、关于酶的人工模拟第一页，讲稿共一百零八页哦一、模拟酶的理论基础和策略 酶酶是是高高效效的的催催化化剂剂，它它的的应应用用日日趋趋广广泛泛。由由于于酶酶容容易易受受到到多多种种物物理理、化化学学因因素素的的影影响响而而变变性性失失活活，所所以以不不能能用用酶酶广广泛泛取取代代工工业业催催化化剂剂。模模拟拟酶酶是是人人工工合合成成的的高高分分子子化化合合物物，它它模模拟拟酶酶的的结结构构和和催催化化特特性性，并并且且能能耐耐较较恶恶劣劣的的环环境，活性稳定而持久。境，活性稳定而持久。1.1.模拟酶的概念模拟酶的概念第二页，讲稿共一百零八页哦研制模拟酶的基础 20世世纪纪70年年代代以以来来，由由于

2、于对对蛋蛋白白质质结结晶晶学学、X射射线线衍衍射射技技术术及及光光谱谱技技术术的的发发展展，人人们们对对许许多多酶酶的的结结构构有有了了较较深深入入的的了了解解，对对酶酶的的结结构构及及其其作作用用机机理理能能够够在在分分子子水水平平上上作作出出解解释释。动动力力学学方方法法的的发发展展以以及及对对酶酶活活性性中中心心、酶酶抑抑制制剂剂复复合合物物和和催催化化反反应应过过渡渡态态等等结结构构的的描描述述，促促进进了了对对酶酶作作用用机机制制的的研研究究，从从而而为为人人工工模模拟拟酶酶的的发发展提供了理论基础。展提供了理论基础。第三页，讲稿共一百零八页哦模拟酶的概念 模模拟拟酶酶就就是是根根据

3、据对对酶酶催催化化作作用用起起主主导导作作用用的的因因素素，利利用用有有机机化化学学、生生物物化化学学等等方方法法设设计计和和合合成成一一些些较较天天然然酶酶简简单单的的非非蛋蛋白白质质分分子子或或蛋蛋白白质质分分子子，在在分分子子水水平平上上模模拟拟酶酶活活性性部部位位的的形形状状、大大小小及及微微环环境境等等结结构构特特征征，以以及及酶酶作作用用机机理理和和立立体体化化学学特特性性，以以这这些些分分子子作作为为模模型型来来模模拟拟酶酶对对其其底底物物的的结结合合和和催催化化过过程程，以以求求模模拟拟酶酶保留酶的高效性和专一性，克服其稳定性差等缺点。保留酶的高效性和专一性，克服其稳定性差等缺

4、点。第四页，讲稿共一百零八页哦“主客体”化学 Pederson和和Cram报报道道了了一一系系列列光光学学活活性性冠冠醚醚的的合合成成方方法法。这这些些冠冠醚醚可可以以作作为为主主体体而而与与伯伯铵铵盐盐客客体体形形成成复复合合物物。Cram把把主主体体与与客客体体通通过过配配位位键键或或其其他他次次级级键键形形成成稳稳定定复复合合物物的的化化学学领领域域称称为为“主主客客体体”化化学学（host-guest chemistry）。主主客客体体化化学学的的基基本本意意义义来来源源于于酶酶与与底底物物的的相相互互作作用用，体体现现为为主主体体和和客客体体在在结结合合部部位位的的空空间间及及电电子

5、子排排列列的互补，这种主客体互补与酶和它的底物结合情况相似。的互补，这种主客体互补与酶和它的底物结合情况相似。第五页，讲稿共一百零八页哦超分子化学 另另一一位位法法国国的的著著名名科科学学家家LehnLehn也也在在这这方方面面作作出出了了非非凡凡的的贡贡献献，他他在在研研究究穴穴醚醚及及大大环环化化合合物物与与配配体体络络合合过过程程中中，提提出出了了超超分分子子化化学学（supermolecular chemistry）的的概概念念，并并在在此此理理论论指指导导下下，合合成成了了更更为为复复杂杂的的主主体体分分子子。他他提提出出，超超分分子子的的形形成成源源于于底底物物和和受受体体的的结结

6、合合，这这种种结结合合基基于于非非共共价价键键的的作作用用。当当受受体体与与络络合合离离子子或或分分子子结结合合成成具具有有稳稳定定结结构构和和性性质质的的实实体体，即即形形成成了了“超超分分子子”，它它兼兼具具分分子子识识别别、催催化化和选择性输出的功能。和选择性输出的功能。第六页，讲稿共一百零八页哦1987年诺贝尔化学奖获得者 由由于于Cram、Pederson和和Lehn在在合合成成与与天天然然蛋蛋白白质质功功能能一一样样的的有有机机化化合合物物方方面面取取得得了了开开拓拓性性成成果果，他他们们获获得得了了19871987年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。Cram Pederson L

7、ehn 第七页，讲稿共一百零八页哦模拟酶设计的前提 在在设设计计模模拟拟酶酶之之前前，应应当当对对酶酶的的结结构构和和酶酶学学性性质质有有深入的了解：深入的了解：酶活性中心底物复合物的结构；酶活性中心底物复合物的结构；酶的专一性及其与底物结合的方式与能力；酶的专一性及其与底物结合的方式与能力；反应的动力学及各中间物的知识。反应的动力学及各中间物的知识。第八页，讲稿共一百零八页哦模拟酶设计时应考虑的因素 设设计计模模拟拟酶酶时时应应考考虑虑如如下下因因素素：非非共共价价键键相相互互作作用用是是生生物物酶酶柔柔韧韧性性、可可变变性性和和专专一一性性的的基基础础，故故模模拟拟酶酶应应为为底底物物提提

8、供供良良好好的的微微环环境境，便便于于底底物物、特特别别是是反反应应的的过过渡渡态态中中间间物物以以离离子子键键、氢氢键键等等结结合合；催催化化基基团团必必须须相相对对于于结结合合点点尽尽可可能能同同底底物物的的反反应应基基团团接接近近，以以促促使使反反应应定定向向发发生生；模模拟拟酶酶应应有有足足够够的的水水溶溶性性，并并在在接接近近生生理理条条件件下保持其催化活性。下保持其催化活性。第九页，讲稿共一百零八页哦二、模拟酶的分类模拟酶可分为：模拟酶可分为：主主客客体体酶酶模模型型，包包括括环环糊糊精精、冠冠醚醚、穴穴醚醚、杂环大环化合物和卟啉类等；杂环大环化合物和卟啉类等；胶束酶模型；胶束酶模

9、型；肽酶；肽酶；抗体酶；抗体酶；分子印迹酶；分子印迹酶；半合成酶；半合成酶；杂合酶；杂合酶；进化酶。进化酶。第十页，讲稿共一百零八页哦1主客体酶模型 环环糊糊精精（cyclodextrin，CD）是是由由多多个个葡葡萄萄糖糖以以1,4糖糖苷苷键键连连接接而而成成的的一一类类环环状状低低聚聚糖糖，可可以以含含有有6、7、8个个葡葡萄萄糖糖单单位位。它它们们均均是是略略呈呈锥锥形形的的圆圆筒筒，其其伯伯羟羟基基和和仲仲羟羟基基分分别别位位于于圆圆筒筒较较小小和和较较大大的的开开口口端端。这这样样，CD分分子子外外侧侧是是亲亲水水的的，其其羟羟基基可可与与多多种种客客体体形形成成氢氢键键；其其内内侧

10、侧是是C3、C5上上的的氢氢原原子子和和糖糖苷苷氧氧原原子子组组成成的的空空腔腔，这这个个空空腔腔具具有有疏疏水水性性，能能够够包包接接多多种种客客体体分分子子，类类似似于于酶酶对对底底物物的的结结合合。在在CD分分子子的的两两面面引引入入催催化化基基团团，就就可可能能具具有有酶的结合底物和催化反应的作用。酶的结合底物和催化反应的作用。（1 1）环糊精酶模型）环糊精酶模型 第十一页，讲稿共一百零八页哦环糊精的结构第十二页，讲稿共一百零八页哦A水解酶的模拟 胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶是是一一种种蛋蛋白白水水解解酶酶。它它的的活活性性部部位位有有His的的咪咪唑唑基基、Asp的的羧羧基基及及Ser的

11、的羟羟基基组组成成电电荷荷中中继继系系统统，参参与与催催化化底底物物的的水水解解反反应应。Bender等等在在环环糊糊精精上上引引入入这这三三种种基基团团，成成功功地地制制备备出出了了模模拟拟酶酶Benzyme（图图中中的的A），此此酶酶催催化化对对叔叔丁丁基基苯苯基基乙乙酸酸酯酯水水解解比比天天然然酶酶快快一一倍倍以以上上。Rama等等人人将将咪咪唑唑基基的的N直直接接与与CD的的C3相相连连，所所得得的的模模拟拟酶酶（图图中中的的B）催催化化对对叔叔丁丁基基苯苯基基乙乙酸酸酯酯水水解解比比天然酶快一个数量级。天然酶快一个数量级。第十三页，讲稿共一百零八页哦以环糊精为主体的模拟水解酶 A B

12、 C第十四页，讲稿共一百零八页哦水解酶的模拟 Breslow在在环环糊糊精精模模拟拟酶酶领领域域做做了了大大量量而而出出色色的的工工作作，他他认认为为模模拟拟酶酶增增加加催催化化效效率率的的关关键键是是要要增增加加环环糊糊精精对对底底物物过过渡渡态态的的结结合合能能力力，最最简简单单的的办办法法是是修修饰饰底底物物来来增增加加底底物物同同CD的的结结合合，从从而而可可能能增增加加CD对对底底物物过过渡渡态态的的结结合合，他他们们设设计计了了一一系系列列以以二二茂茂铁铁、金金刚刚烷烷为为结结合合位位点点的的硝硝基基苯苯酯酯（图图中中的的C），以以CD为为催催化化剂剂可可以以加加速速这这些些酯酯水

13、水解解达达105106倍。倍。第十五页，讲稿共一百零八页哦B核糖核酸酶的模拟 核核糖糖核核酸酸酶酶有有2个个His咪咪唑唑基基及及1个个质质子子化化的的赖赖氨氨酸酸氨氨基基处处于于活活性性中中心心，这这2个个咪咪唑唑基基在在催催化化反反应应中中交交替替起起着着广广义义酸酸碱碱的的作作用用。Breslow等等人人设设计计合合成成了了两两种种环环糊糊精精A和和B模模拟拟酶酶来来催催化化环环状状磷磷酸酸二二酯酯的的水水解解，A催催化化生生成成，而而B催催化化生生成成。这这里里环环糊糊精精底底物物复复合合物物的的几几何何形形状状和和催催化化基基团团的的位位置置对对被被水水解解键键的的选选择择性性起起了

14、了决决定定性性的的作作用用。这这两两种种模模拟拟酶酶的的最最适适pH都都在在6左左右右，说说明明这这两两个个咪咪唑唑基基也也是是分分别别以以广广义义酸酸碱参与催化的，与天然酶的催化机理一致。碱参与催化的，与天然酶的催化机理一致。第十六页，讲稿共一百零八页哦以环糊精为主体的模拟核糖核酸酶第十七页，讲稿共一百零八页哦C转氨酶的模拟 磷磷酸酸吡吡哆哆醛醛和和磷磷酸酸吡吡哆哆胺胺是是许许多多涉涉及及氨氨基基酸酸反反应应的的辅辅酶酶，其其中中最最重重要要的的是是转转氨氨酶酶催催化化的的转转氨氨反反应应。吡吡哆哆醛醛本本身身也也有有催催化化此此反反应应的的作作用用，但但由由于于它它本本身身无无底底物物结结

15、合合部部位位，反反应应速速度度远远不不如如转转氨氨酶酶催催化化时时快快。在在环环糊糊精精上上连连接接吡吡哆哆胺胺（A），它它催催化化苯苯并并咪咪唑唑基基酮酮酸酸转转氨氨基基的的速速度度比比吡吡哆哆胺胺单单独独催催化化时时快快200倍倍，产产物物中中D型型和和L型型异异构构体体的的含含量量不不同同，说说明明该该模模拟拟酶酶具具有有一一定定的的立立体体选选择择性性。Tabushi等等将将催催化化基基团团乙乙二二胺胺引引入入吡哆胺基环糊精（吡哆胺基环糊精（B），使得反应加速了），使得反应加速了2000倍以上。倍以上。第十八页，讲稿共一百零八页哦以环糊精为主体的模拟转氨酶第十九页，讲稿共一百零八页哦D

16、含核糖的环糊精酶模型 Han等等合合成成了了一一系系列列含含核核糖糖的的环环糊糊精精酶酶模模型型，它它兼兼具具核核酸酸酶酶、连连接接酶酶、磷磷酸酸酯酯酶酶和和磷磷酸酸化化酶酶的的活活性性。核核糖糖中中的的邻二羟基对催化起着关键的作用。邻二羟基对催化起着关键的作用。R0 R1 R3 R12第二十页，讲稿共一百零八页哦E桥联环糊精酶模型 桥桥联联CD是是近近年年发发展展起起来来的的一一类类新新型型酶酶模模型型，它它的的两两个个CD及及桥桥基基上上的的功功能能基基构构成成了了具具有有协协同同包包接接和和多多重重识识别别功功能能的的催催化化活活性性中中心心，能能更更好好地地模模拟拟酶酶对对底底物物的的

17、识识别别和和催催化化作作用用。Matsui等等将将乙乙二二胺胺偶偶联联到到CD上上，然然后后与与铜铜盐盐作作用用形形成成桥桥联联环环糊糊精精，它它催催化化糠糠偶偶姻姻氧氧化化成成糠糠偶偶酰酰的的反反应应，比比没没有有催催化化剂剂时时大大20倍倍。图图中中A的的两两个个CD协协同同包包接接糠糠偶偶姻姻的的两两个个呋呋喃喃环环，同同时时糠糠偶偶姻姻的的烯烯醇醇负负离离子子通通过过与与桥桥基基铜铜离子的静电或配离子的静电或配位作用得以稳定，从而加速了反应。位作用得以稳定，从而加速了反应。第二十一页，讲稿共一百零八页哦桥联 CD 酶模型第二十二页，讲稿共一百零八页哦桥联CD水解酶模型 Breslow近

18、近年年来来在在桥桥联联CD方方面面做做了了较较多多工工作作，不不仅仅报报道道了了一一系系列列桥桥联联CD的的合合成成方方法法及及其其疏疏水水结结合合能能力力，还还成成功功地地将将图图中中的的C用用于于催催化化双双疏疏水水基基酯酯的的水水解解反反应应。底底物物被被两两个个CD包包接接后后，配配位位于于桥桥基基的的Cu2+正正好好处处于于底底物物的的酯酯基基附附近近，有有利利于于OH对对酯酯基基的的进进攻攻。其其催催化化速速率率比比无无催化剂时提高了催化剂时提高了2.2105倍。倍。第二十三页，讲稿共一百零八页哦桥联CD胡萝卜素氧化酶模型 French等等合合成成了了含含卟卟啉啉的的桥桥联联CD，

19、它它可可以以选选择择性性地氧化地氧化C15=C15键。他们的设计思路是：键。他们的设计思路是：合合成成的的桥桥联联CD对对底底物物胡胡萝萝卜卜素素的的结结合合远远大大于于对对产产物视黄醛的结合，这样避免了产物抑制；物视黄醛的结合，这样避免了产物抑制；引入能催化双键反应的金属卟啉作为活性中心。引入能催化双键反应的金属卟啉作为活性中心。第二十四页，讲稿共一百零八页哦桥联CD胡萝卜素氧化酶模型胡萝卜素胡萝卜素视黄醛视黄醛第二十五页，讲稿共一百零八页哦四桥联CD酶模型 细细胞胞色色素素是是一一类类含含血血红红素素辅辅基基的的电电子子传传递递蛋蛋白白质质的的总总称称，它它们们参参与与氧氧化化还还原原反反

20、应应。Breslow等等合合成成的的四四桥桥联联环环糊糊精精模模拟拟P-450酶酶模模型型，是是将将P-450酶酶活活性性中中心心的的金金属属卟卟啉啉分分子子与与4个个环环糊糊精精分分子子相相连连，构构成成了了既既具具有有底底物物结结合部位又有催化基团的小分子酶模型。合部位又有催化基团的小分子酶模型。第二十六页，讲稿共一百零八页哦四桥联环糊精模拟P-450酶模型第二十七页，讲稿共一百零八页哦底物的修饰 为为了了使使该该模模拟拟酶酶催催化化甾甾体体分分子子的的羟羟基基化化，先先给给底底物物引引入入能能与与环环糊糊精精特特异异结结合合的的叔叔丁丁基基苯苯。在在四四桥桥联联环环糊糊精精模模拟拟P-4

21、50酶酶模模型型催催化化下下，此此底底物物能能被被亚亚碘碘酰酰基基苯苯（PhIO）氧氧化化，在在C6位羟基化。此反应表现出相当高的立体特异性。位羟基化。此反应表现出相当高的立体特异性。在在C6位位羟羟基基上上引引入入第第3个个叔叔丁丁基基苯苯，这这样样3个个叔叔丁丁基基苯苯与与酶酶模模型型中中的的3个个环环糊糊精精形形成成3点点结结合合复复合合物物，可可以以催催化化甾甾体体C9位位氧氧化化成成羟羟基基。由由于于羟羟基基化化后后的的甾甾体体可可转转化化成成重要的药物中间体，因此该酶模型具有很大的应用潜力。重要的药物中间体，因此该酶模型具有很大的应用潜力。第二十八页，讲稿共一百零八页哦四桥联CD模

22、拟酶催化的甾体羟基化反应第二十九页，讲稿共一百零八页哦（二）合成的主客体酶模型 除除了了使使用用天天然然存存在在的的主主体体来来构构建建模模拟拟酶酶外外，人人们们还还合合成成了了冠冠醚醚、穴穴醚醚、环环番番、杯杯芳芳烃烃等等大大环环多多齿齿化化合合物物来来构建酶模型。构建酶模型。冠醚冠醚 穴醚穴醚 杯芳烃杯芳烃 第三十页，讲稿共一百零八页哦环番和杯芳烃的结构特点 环环番番（cyclophane）和和杯杯芳芳烃烃（calixarene）是是一一类类具具有有共共同同的的结结构构和和功功能能特特征征的的芳芳香香主主体体化化合合物物，它它们们通通常常拥拥有有两两个个或或两两个个以以上上的的芳芳香香环环

23、，通通过过亚亚甲甲基基或或醚醚氧氧链链连连接接成成空空间间的的环环状状结结构构，由由芳芳香香环环构构成成的的疏疏水水空空腔腔具具有有适适当当的的尺尺寸寸，可可以以与与另另外外一一些些小小分分子子通通过过非非共共价价键键结结合合。为为了了使使这这类类芳芳香香主主体体化化合合物物在在水水溶溶液液中中具具有有一一定定的的溶溶解解度度，一一般般在其外层引入一些亲水性基团。在其外层引入一些亲水性基团。第三十一页，讲稿共一百零八页哦三种不同大小的杯芳烃杯（杯（4）芳烃）芳烃 杯（杯（6）芳烃）芳烃 杯（杯（8）芳烃）芳烃 第三十二页，讲稿共一百零八页哦杯（6）芳烃的杯状结构第三十三页，讲稿共一百零八页哦杯

24、芳烃与杯芳烃与C60的包合物的直接观察的包合物的直接观察第三十四页，讲稿共一百零八页哦环番结构式第三十五页，讲稿共一百零八页哦以冠醚为主体的模拟酶 日日本本学学者者Koga等等采采用用冠冠醚醚为为主主体体，合合成成了了带带有有巯巯基基的的仿仿酶酶模模型型，利利用用此此酶酶可可在在分分子子内内实实行行“准准双双分分子子反反应应”以以合合成成多多肽肽。此此模模型型具具有有结结合合两两个个氨基酸的能力。氨基酸的能力。第三十六页，讲稿共一百零八页哦以冠醚为主体的模拟酶 Lehn等等人人合合成成了了一一种种优优异异的的穴穴状状配配体体24冠冠N6O2。它它能能利利用用静静电电引引力力和和氢氢键键结结合合

25、多多聚聚磷磷酸酸阴阴离离子子。研研究究表表明明此此模模拟拟酶酶在在pH2.58.5之之间间可可明明显显水水解解ATP生生成成ADP或或AMP，在在催催化化过过程程中中形形成成磷磷酰酰胺胺中中间间体体。在在pH7时可加速时可加速ATP水解水解500倍。倍。第三十七页，讲稿共一百零八页哦杯芳烃作为催化剂的优点 在在第第一一代代和和第第二二代代超超分分子子化化合合物物中中，冠冠醚醚在在溶溶液液中中通通常常表表现现为为环环状状结结构构，而而不不是是穴穴状状结结构构，不不能能为为底底物物提提供供有有效效的的结结合合空空腔腔；环环糊糊精精是是一一类类半半天天然然产产物物，其其空空腔腔骨骨架架过过于于刚刚性

26、性，对对底底物物的的结结合合能能力力受受到到一一定定限限制制。杯杯芳芳烃烃是是完完全全通通过过实实验验室室合合成成的的大大环环化化合合物物，与与冠冠醚醚和和环环糊糊精精相相比比具具有有内内在在优优势势：其其疏疏水水的的空空穴穴可可通通过过简简单单地地改改变变单单元元数数目目而而调调节节尺尺寸寸、构构象象易易变变并并可可受受到到调调控控、边边缘缘可可以以引引入入功功能能基基团团进进行行修修饰饰和和衍衍生生化化。因因此此，杯杯芳芳烃及其衍生物已经被成功地用作催化剂和模拟酶。烃及其衍生物已经被成功地用作催化剂和模拟酶。第三十八页，讲稿共一百零八页哦杯芳烃的催化活性举例 Taniguchi和和Nomu

27、ra研研究究了了杯杯芳芳烃烃159对对苯苯酚酚与与二二氯氯甲甲烷烷的的Willimson成成醚醚反反应应的的催催化化作作用用，在在催催化化剂剂存存在在的的情情况况下下，反反应应24小小时时后后转转化化率率为为100%，而而没没有有催催化化剂剂时的转化率仅有时的转化率仅有0.3%。杯芳烃杯芳烃159叔丁基叔丁基第三十九页，讲稿共一百零八页哦杯芳烃159催化的Wiilimson成醚反应第四十页，讲稿共一百零八页哦酶催化1 1-苄基-1,41,4-二氢烟酰胺的加水反应 酶酶催催化化1-苄苄基基-1,4-二二氢氢烟烟酰酰胺胺的的加加水水反反应应如如下下，酶酶为为底底物物提提供供质质子子，同同时时以以带

28、带负负电电荷荷的的基基团团稳稳定定生生成成的正电荷中间体。的正电荷中间体。第四十一页，讲稿共一百零八页哦杯芳烃模拟酶 杯杯芳芳烃烃162下下端端的的羧羧基基可可以以为为此此反反应应提提供供质质子子，上上端端的的磺磺酸酸负负离离子子稳稳定定正正电电荷荷中中间间体体，从从而而使使第第一一步步（限限速速步步骤骤）加加快快而而催催化化反反应应。杯杯芳芳烃烃163也也能能加加速速上上述述反反应应，但但比比杯杯芳芳烃烃162效效果果差差，可可能能是是因因为为羧羧酸酸与与磺磺酸酸相比不易形成负离子，对正电荷的稳定作用较差。相比不易形成负离子，对正电荷的稳定作用较差。第四十二页，讲稿共一百零八页哦杯芳烃季铵盐

29、164164的水解酶活性 杯杯芳芳烃烃季季铵铵盐盐164能能催催化化十十二二烷烷基基对对硝硝基基苯苯酯酯的的水水解解。杯杯芳芳烃烃季季铵铵盐盐164对对乙乙酸酸酯酯的的甲甲醇醇解解在在没没有有金金属属离离子子存存在在时时反反应应极极慢慢，但但加加入入少少量量Ba2+后后可可以以使使反反应应加加速速一一百百万万倍倍以以上上，效效率率已已与与转转酰酰化化酶酶相相当当。其其原原因因是是主主客客体体配配合合物物中中的的Ba2+能能稳稳定定亲亲核核加加成成时时产产生生的的负负离离子子中中间间体体。使使亲亲核核加加成成限限速速步步骤的反应速率显著提高。骤的反应速率显著提高。第四十三页，讲稿共一百零八页哦杯

30、芳烃165165的水解酶活性 杯杯芳芳烃烃165在在被被Ba2+活活化化后后，在在中中等等强强度度的的碱碱性性条条件件下下能能作作为为有有效效的的酰酰化化转转移移催催化化剂剂，它它可可使使对对硝硝基基苯苯基基乙乙酸酸酯酯（pNPOAc）的水解速度增加）的水解速度增加10倍。倍。第四十四页，讲稿共一百零八页哦核酸模拟酶 Reinhoudt等等合合成成了了一一系系列列吡吡啶啶基基修修饰饰的的杯杯4芳芳烃烃锌锌配配合合物物（166）和和咪咪唑唑基基修修饰饰的的杯杯4芳芳烃烃铜铜配配合合物物（167），将将它它们们作作为为核核酸酸模模拟拟酶酶。这这些些化化合合物物在在合合适适的的pH下下可可以以显显著

31、著催催化化RNA模模型型底底物物2-羟羟基基丙丙基基-对对硝硝基基苯苯基基磷磷酸酸二二酯酯的的环环化化反反应应，其其中中166使使反反应应加加速速2300倍倍，167使使反反应应加加速速10000倍倍，大大于于所所有有其其他他核核酸酸模模拟拟酶酶对对该该底底物的催化活性。物的催化活性。第四十五页，讲稿共一百零八页哦杯芳烃166166和167167的结构式第四十六页，讲稿共一百零八页哦杯芳烃166166和167167的催化机理第四十七页，讲稿共一百零八页哦2 2胶束模拟酶胶束的结构胶束的结构 球状球状 板层状板层状 圆柱状圆柱状第四十八页，讲稿共一百零八页哦模拟水解酶的胶束酶模型 在在水水溶溶液

32、液中中，酶酶分分子子中中有有疏疏水水的的微微环环境境，模模拟拟酶酶在在这这种种微微环环境境中中的的化化学学反反应应的的特特殊殊性性质质，也也是是模模拟拟酶酶的的一一个个重重要要方方面面。有有人人利利用用组组氨氨酸酸的的衍衍生生物物十十四四酰酰组组氨氨酸酸与与十十六六烷烷基基三三甲甲基基溴溴化化铵铵组组成成两两种种分分子子的的混混合合微微胶胶束束，来来催催化化乙乙酸酸对对硝硝基基苯苯酯酯的的水水解解，其其速速率率比比用用组组氨氨酸酸催催化化增增加加了了100倍。倍。第四十九页，讲稿共一百零八页哦氧肟酸和肟在胶束模拟酶中的作用 在在胶胶束束模模拟拟酶酶中中常常用用氧氧肟肟酸酸和和肟肟代代替替羟羟基

33、基来来研研究究氧氧负负离离子子的的亲亲核核反反应应。它它们们催催化化乙乙酸酸对对硝硝基基苯苯酯酯水水解解的的速速度度常常数数比比在在非非胶胶束束中中提提高高近近万万倍倍。如如用用氧氧肟肟酸酸与与十十六六烷烷基基三三甲甲基基溴溴化化铵铵一一起起催催化化酮酮醇醇的的去去质质子子反反应应，其其反反应应速速度度提提高高300020000倍倍，是是OH催催化的化的60300倍。倍。肟肟 氧肟酸氧肟酸第五十页，讲稿共一百零八页哦（2）辅酶的胶束酶模型 将将疏疏水水性性维维生生素素B6长长链链衍衍生生物物与与阳阳离离子子胶胶束束混混合合，在在形形成成的的体体系系中中加加入入Cu2+，可可将将酮酮酸酸转转化化

34、为为氨氨基基酸，有效地模拟了以维生素酸，有效地模拟了以维生素B6为辅酶的转氨基作用。为辅酶的转氨基作用。吡吡哆哆醛醛的的长长链链衍衍生生物物可可以以使使丝丝氨氨酸酸和和吲吲哚哚合合成成色色氨氨酸。酸。第五十一页，讲稿共一百零八页哦（3）金属胶束酶模型 金金属属胶胶束束是是指指带带疏疏水水基基团团的的金金属属配配合合物物单单独独或或与与其其他他表表面面活活性性剂剂共共同同形形成成的的胶胶束束体体系系。其其作作用用是是模模拟拟金金属属酶酶的的活活性性中中心心和和疏疏水水性性的的微微环环境境。这这种种体体系系目目前前已已经经取取得得了了引引人人注注目目的的成成绩绩，特特别别是是在在模模拟拟羧羧肽肽酶

35、酶A、碱碱性性磷磷酸酸酶酶、氧氧化化酶酶、转转氨氨酶酶等等方方面面取取得得了了很很大大的的成成功功。将将金金属属酶酶的的简简单单模模型型引引入入胶胶束束体体系系，利利用用金金属属离离子子的的特特殊殊作作用用催催化化水水解解反反应，而胶束所具有的疏水性微环境则对底物起包接作用。应，而胶束所具有的疏水性微环境则对底物起包接作用。第五十二页，讲稿共一百零八页哦金属胶束水解酶 Tonellato等等 人人 以以 吡吡 啶啶 甲甲 酸酸 对对 硝硝 基基 苯苯 酯酯（PNPP）为为底底物物，研研究究了了不不同同表表面面活活性性剂剂配配体体在在Cu2+或或Zn2+存存在在时时催催化化PNPP水水解解的的能

36、能力力，发发现现Cu2+、Zn2+的的存存在在可可使使PNPP的的水水解解速速度度显显著著增增大大，当当Cu2+与与相相应应的的表面活性剂形成表面活性剂形成1:1配合物时，水解反应速度达到最大。配合物时，水解反应速度达到最大。第五十三页，讲稿共一百零八页哦3肽酶 肽肽酶酶（pepzyme）是是模模拟拟天天然然酶酶活活性性部部位位而而人人工工合合成的具有催化活性的多肽。成的具有催化活性的多肽。根根据据化化学学和和晶晶体体图图像像数数据据提提供供的的主主要要活活性性部部位位氨氨基基酸酸残残基基的的序序列列位位置置和和分分隔隔距距离离，将将构构成成酶酶活活性性部部位位的的残残基基以以适适当当的的空空

37、间间位位置置和和取取向向通通过过肽肽键键相相连连，而而分分隔隔距距离离则则用用无无侧链取代的甘氨酸或半胱氨酸调节。侧链取代的甘氨酸或半胱氨酸调节。第五十四页，讲稿共一百零八页哦模拟蛋白酶的肽酶 Atassi和和Manshouri设设计计合合成成的的两两个个29肽肽ChPepz和和TrPepz分分别别模模拟拟了了胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶和和胰胰蛋蛋白白酶酶的的活活性性部部位位，二二者者水水解解蛋蛋白白的的活活性性分分别别与与其其模模拟拟的的酶酶相相同同。在在水水解解2个个或或2个个以以上上串串联联的的赖赖氨氨酸酸和和精精氨氨酸酸残残基基的的肽肽键键时时TrPepz比比胰胰蛋蛋白白酶酶的的活活性性

38、更更强强。对对于于苯苯甲甲酰酰酪酪氨氨酸酸乙乙酯酯的的水水解解，ChPepz比比胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶的的活活性性稍稍低低，而而TrPepz则则无无活活性性。对对于于对对甲甲苯苯磺磺酰酰精精氨氨酸酸甲甲酯酯的的水水解解，TrPepz比比胰胰蛋蛋白酶的活性稍低，而白酶的活性稍低，而ChPepz则无活性。则无活性。第五十五页，讲稿共一百零八页哦4半合成酶 半半合合成成酶酶是是以以天天然然蛋蛋白白质质或或酶酶为为母母体体，用用化化学学或或生生物物学学方方法法引引进进适适当当的的活活性性部部位位或或催催化化基基团团，或或改改变变其其结结构构从从而形成一种新的而形成一种新的“人工酶人工酶”。Bende

39、r等等首首次次成成功功地地将将枯枯草草杆杆菌菌蛋蛋白白酶酶活活性性部部位位的的丝丝氨氨酸酸残残基基，经经苯苯甲甲基基磺磺酰酰氟氟特特异异性性活活化化后后，再再用用巯巯基基化化合合物物取取代代，将将丝丝氨氨酸酸转转化化为为半半胱胱氨氨酸酸。虽虽然然产产生生的的巯巯基基化化枯枯草草杆杆菌菌蛋蛋白白酶酶对对肽肽或或酯酯没没有有水水解解活活性性，但但能能水水解解高高度度活活化化的底物（如硝基苯酯等）。的底物（如硝基苯酯等）。第五十六页，讲稿共一百零八页哦半合成酶 Hilvert等等利利用用类类似似的的方方法法，将将枯枯草草杆杆菌菌蛋蛋白白酶酶结结合合部部位位的的特特异异性性Ser转转变变为为硒硒代代半

40、半胱胱氨氨酸酸，此此硒硒化化枯枯草草杆杆菌菌蛋蛋白白酶酶既既表表现现出出转转氨氨酶酶活活性性，又又表表现现出出含含硒硒谷谷胱胱甘甘肽肽过过氧化物酶的活性。氧化物酶的活性。利利用用半半合合成成酶酶的的方方法法不不但但可可以以制制造造新新酶酶，还还可可以以获获得得关关于于蛋蛋白白质质结结构构和和催催化化活活性性间间关关系系的的详详细细信信息息，为为构构建高效人工酶打下基础。建高效人工酶打下基础。第五十七页，讲稿共一百零八页哦三、抗体酶1 1抗体酶的原理及发展简述抗体酶的原理及发展简述 尽尽管管科科学学家家们们在在模模拟拟酶酶方方面面作作了了大大量量的的工工作作，但但人人工工合合成成的的模模拟拟酶酶

41、仍仍然然与与天天然然酶酶的的催催化化效效率率相相差差很很远远，并并且且反反应应类类型型也也极极为为有有限限，多多数数为为水水解解酶酶的的模模拟拟。由由于于逐逐渐渐认认识识到到催催化化过过程程中中关关键键的的一一步步是是酶酶与与底底物物过过渡渡态态中中间间物物的的紧紧密密结结合合，联联想想到到抗抗原原导导致致生生物物体体内内抗抗体体的的合合成成以以及及抗抗原原抗抗体体的的紧紧密密结结合合，如如果果用用某某些些人人工工合合成成的的小小分分子子底底物物过过渡渡态态中中间间物物的的类类似似物物作作为为半半抗抗原原，诱诱导导生生物物体体合合成成相相应应的的抗抗体体，这这种种抗抗体体可可能能会会有有催催化

42、化该该小小分分子子底底物物发发生生反反应应的的活活性。并将这种生物催化剂称为抗体酶性。并将这种生物催化剂称为抗体酶(abzyme)。第五十八页，讲稿共一百零八页哦抗体酶的特点 抗抗体体酶酶技技术术是是化化学学和和生生物物学学的的研研究究成成果果在在分分子子水水平平交交叉叉渗渗透透的的产产物物，是是抗抗体体的的极极其其多多样样性性和和酶酶分分子子的的巨巨大大催催化化能能力力结结合合在在一一起起的的蛋蛋白白质质分分子子设设计计的的新新方方法法。构构制制抗抗体体酶酶的的目目的的在在于于拓拓宽宽酶酶催催化化的的应应用用范范围围，产产生生能能催催化化生物体内不存在的反应的酶。生物体内不存在的反应的酶。第

43、五十九页，讲稿共一百零八页哦抗体酶研制的历史 1946年年，Linus Pauling阐阐明明了了酶酶催催化化的的实实质质，同同时时指指出出，稳稳定定的的反反应应过过渡渡态态类类似似物物可可以以竞竞争争性性地地抑抑制制酶酶活活性性。酶酶之之所所以以具具有有催催化化活活力力，是是因因为为它它和和反反应应物物的的过过渡渡态态（底底物物激激态态）发发生生特特异异性性结结合合，而而不是与反应的底物基态发生特异性结合。不是与反应的底物基态发生特异性结合。第六十页，讲稿共一百零八页哦抗体酶研制的历史 酶酶产产生生的的生生物物局局限限性性是是酶酶催催化化高高效效性性无无法法普普遍遍化化的的限限制制因因素素，

44、突突破破限限制制就就能能人人为为地地控控制制酶酶的的产产生生。高高等等动动物物的的免免疫疫系系统统为为我我们们提提供供了了可可以以利利用用的的工工具具。1969年年，Jencks提提出出通通过过免免疫疫诱诱导导产产生生抗抗底底物物激激态态的的抗抗体体，该该抗抗体体具具有有类类似似酶酶的的催催化化活活性性。这这个个抗抗体体酶酶设设想想的的提出，有可能为任何一个化学反应构制一个专一性的酶。提出，有可能为任何一个化学反应构制一个专一性的酶。第六十一页，讲稿共一百零八页哦抗体酶研制的历史 在在抗抗体体酶酶研研制制中中主主要要遇遇到到两两个个问问题题：底底物物激激态态瞬瞬间间存存在在，无无法法提提取取。

45、根根据据竞竞争争性性抑抑制制现现象象，可可以以通通过过化化学学方方法法合合成成底底物物过过渡渡态态的的稳稳定定性性类类似似物物作作为为半半抗抗原原；抗抗原原在在分分子子量量上上有有一一定定的的要要求求。由由于于抗抗原原决决定定簇簇的的多多样样性性，得得到到的的抗抗体体是是多多克克隆隆的的，其其中中真真正正需需要要的的抗抗体体酶酶含含量量小小。1975年年，Kohler和和Milstein发明了单克隆技术，使抗体酶的获得成为可能。发明了单克隆技术，使抗体酶的获得成为可能。第六十二页，讲稿共一百零八页哦抗体酶研制的历史 还还可可以以将将能能与与底底物物结结合合的的无无酶酶活活性性的的抗抗体体通通过

46、过人人工工的的方方法法引引入入催催化化基基团团，使使之之变变成成有有催催化化活活性的抗体酶。性的抗体酶。目目前前已已经经构构制制了了催催化化酰酰基基转转移移反反应应、酯酯水水解解和和酰酰胺胺水水解解反反应应、氧氧化化还还原原反反应应、光光诱诱导导聚聚合合和和光裂解反应、金属螯合反应、重排反应的抗体酶。光裂解反应、金属螯合反应、重排反应的抗体酶。第六十三页，讲稿共一百零八页哦2 2抗体酶的制备方法（1）稳定过渡态法）稳定过渡态法 迄今为止，大多数抗体酶是通过理论设计合适迄今为止，大多数抗体酶是通过理论设计合适的、与反应过渡态中间物结构类似的稳定化合物作的、与反应过渡态中间物结构类似的稳定化合物作

47、为半抗原，免疫动物后产生针对此半抗原的抗体来为半抗原，免疫动物后产生针对此半抗原的抗体来获得。获得。第六十四页，讲稿共一百零八页哦抗体酶举例 Shultz小小组组利利用用与与底底物物扭扭曲曲构构象象相相似似的的扭扭曲曲卟卟啉啉作作半半抗抗原原，制制备备的的抗抗体体可可催催化化卟卟啉啉金金属属螯螯合合反反应应。亚亚铁铁螯螯合合酶酶是是血血红红素素生生物物合合成成途途径径中中的的末末端端酶酶，可可催催化化亚亚铁铁离离子子插插入入到到原原卟卟啉啉中中。N甲甲基基原原卟卟啉啉由由于于内内部部甲甲基基取取代代而而呈呈扭扭曲曲结结构构，它它是是此此酶酶的的有有效效抑抑制制剂剂，也也与与酶酶催催化化的的卟卟

48、啉啉金金属属螯螯合合反反应应的的过过渡渡态态中中间间物物结结构构类类似似。由由于于甲甲基基卟卟啉啉的的抗抗体体可可催催化化平平面面结结构构原原卟卟啉啉的的金金属属螯螯合合反反应应，这这也证明了该反应存在扭曲的过渡态中间物。也证明了该反应存在扭曲的过渡态中间物。第六十五页，讲稿共一百零八页哦亚铁螯合抗体酶的诱导物过渡态类似物过渡态类似物 底物底物 产物产物 第六十六页，讲稿共一百零八页哦抗体酶举例 Napper等等用用一一个个环环化化的的磷磷酸酸酯酯作作为为底底物物过过渡渡态态类类似似物物，使使动动物物免免疫疫得得到到单单克克隆隆抗抗体体24B11，发发现现该该抗抗体体可可催催化化外外消消旋旋的

49、的羟羟基基羧羧酸酸酯酯分分子子内内环环化化形形成成内内酯酯，使使反反应应加加速速167倍倍，而而且且首首次次观观察察到到抗抗体体酶酶催催化化反反应应的的专专一一性性。反反应产物中一种对映体的含量比另一种高出应产物中一种对映体的含量比另一种高出94%。第六十七页，讲稿共一百零八页哦磷酸内酯抗体酶的诱导物第六十八页，讲稿共一百零八页哦（2 2）抗体与半抗原互补法 抗抗体体与与其其抗抗原原的的相相互互作作用用是是相相当当精精确确的的，抗抗体体常常含含有有与与抗抗原原结结合合的的特特异异功功能能基基团团。带带正正电电荷荷的的抗抗原原常常能能诱诱导导出出结结合合部部位位带带负负电电荷荷的的抗抗体体，反反

50、之之亦亦然然。利利用用这这个个特特点点，可可在在抗抗体体的的抗抗原原结结合合部部位位引引入入特特定定的的带带电电荷荷基基团团作作为催化基团。为催化基团。第六十九页，讲稿共一百零八页哦抗体酶举例 Shokat等等利利用用抗抗体体与与半半抗抗原原之之间间的的电电荷荷互互补补性性，用用带带正正电电荷荷的的半半抗抗原原（H1）制制备备抗抗体体，此此抗抗体体能能催催化化消消除除反反应应。其其中中一一株株单单克克隆隆抗抗体体43D43D3可可加加速速反反应应105倍倍。分分析析其其反反应应动动力力学学发发现现，kcat为为pH依依赖赖性性的的，通通过过滴滴定定证证明明这这个个位位于于抗抗原原结结合合部部位