-酶的人工模拟-酶工程课件

Enzyme Engineering酶工程酶工程第六章第六章 酶的人工模拟酶的人工模拟第一节第一节 模拟酶的理论基础和策略模拟酶的理论基础和策略第二节第二节 模拟酶的分类和制备模拟酶的分类和制备第三节第三节 印迹酶印迹酶第一节第一节 模拟酶的理论基础和策略模拟酶的理论基础和策略一模拟酶的概念二模拟酶的理论基础三设计要点一模拟酶的概念酶是由蛋白质构成,一般对酸、碱、热不稳定,容易失活变性,这限制了它们的广泛应用。模仿天然酶对底物的分子识别和高效催化的模拟酶研究是一个很有意义的研究领域,也是近十多年来生物化学和有机化学的重要课题。模拟酶的概念模拟酶又称为人工酶或酶模型。对模拟酶至今没有一个公认的定义。一般来说，它的研究就是吸收酶中那些起主导作用的因素，利用有机化学、生物化学等方法设计和合成一些较天然酶简单的非蛋白质分子或蛋白质分子，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。模拟酶是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，以及酶的作用机理和立体化学等特性的一门科学。二模拟酶的理论基础.模拟酶的酶学基础酶的作用机制：过渡态理论对简化的人工体系中识别、结合和催化的研究。在设计模拟酶时除具备催化基团之外，在设计模拟酶时除具备催化基团之外，还要考虑到与底物定向结合的能力。模拟酶还要考虑到与底物定向结合的能力。模拟酶要和酶一样，能够在底物结合中，通过底物要和酶一样，能够在底物结合中，通过底物的定向化，键的扭曲及变形来降低反应的活的定向化，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成良好的反应特异性和催化效力是相当重要的。的。2.超分子化学主-客体化学：主要研究主体（通常为较大的有机配体）和客体（通常为较小的分子和离子）的结构、性能及相互作用。主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补主体和客体通过配位键或其他次级键形成稳定复合物。主客体化学是超分子化学的雏形，它与超分子主客体化学是超分子化学的雏形，它与超分子化学之间并没有绝对的界限和区分。化学之间并没有绝对的界限和区分。2.超分子化学超分子：是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，保持一定的完整性，使它具有明确的微观结构和宏观特性。超分子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形成稳定的，具有稳定结构和性质的实体，形成超分子。2.超分子化学分子识别和自组装是超分子形成的两个重要方面形成超分子时，要求分子间达到能量和空间结构的匹配，称之为识别识别有一定方向性和选择性的强作用力，成为分子识别和有一定方向性和选择性的强作用力，成为分子识别和自组装的主要作用力自组装的主要作用力举例：拆分剂应用于消旋体的手性拆分：手性拆分剂举例：拆分剂应用于消旋体的手性拆分：手性拆分剂与消旋体混合物中的一个对映体最少同时有三个相互与消旋体混合物中的一个对映体最少同时有三个相互作用，这些作用中至少一个是由立体化学决定的。拆作用，这些作用中至少一个是由立体化学决定的。拆分剂与两种对映体形成的复合物在许多物理性质上分剂与两种对映体形成的复合物在许多物理性质上（如溶解度、熔点等）存在差异，因此，利用这些差（如溶解度、熔点等）存在差异，因此，利用这些差异可将两复合物分开，从而达到拆分的目的。异可将两复合物分开，从而达到拆分的目的。2.超分子化学1987年诺贝尔化学奖由三位科学家共同获得。C.Pedersen:发现冠醚化合物发现冠醚化合物J-M.Lehn：发现穴醚化合物并提出超分子概念：发现穴醚化合物并提出超分子概念D.Gram：主客体化学先驱者：主客体化学先驱者三设计要点设计前需要具备的知识：酶活性中心-底物复合物的结构酶的专一性及其同底物结合方式的能力反应的动力学及各中间物的知识 三设计要点设计中：为底物提供良好的微环境，便于与底物或过渡态以离子键、氢键结合。选择的催化基团必须相对于结合点尽可能同底物的功能团相接近，以促使反应定向发生。模型应具有足够的水溶性，并在接近生理条件下保持其催化活性三设计要点模拟酶的设计主要包括两大类：.利用现有的酶或蛋白质为母体，引入相应的催化基团，形成酶的化学修饰物。2.以合成的高分子聚合物为母体，根据酶的活性部位结构，连接上所需的功能基团或金属配合物。三设计要点模拟酶的设计举例：(1)模拟酶只含有与生物活性酶相同的金属离子第一级近似。如超氧化物歧化酶(SOD)是以铜为辅基的蛋白质配合物,而铜的某些氨基酸或羟基配合物,可用作模拟物,它们具有一定程度的SOD 活性。尽管模拟物的作用机理、选择性及反应效率不同于原来的酶,但因可大量合成,仍有实用价值。三设计要点模拟酶的设计举例：(2)模拟活性中心结构。人们用三亚乙基四胺合成铁()配合物来模拟过氧化氢酶。用该化合物来进行如催化机理的研究显得很方便。结果证明该铁()配合物催化分解过氧化氢的速度相当接近过氧化氢酶的速度。三设计要点模拟酶的设计举例：(3)整体模拟。活性中性必须处在一个特定的微环境和整体结构之中,所以高级模拟是包括微环境在内的整个活性部分。Collman 等合成了围栅型铁()卟啉用以模拟血红蛋白的可逆载氧,效果良好。第一节结束点击返回第二节第二节 模拟酶的分类和制备模拟酶的分类和制备一.根据Kirby分类法二.按照模拟酶的属性三.制备举例水解酶的模拟四.研究热点一.根据Kirby分类法单纯酶模型：化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性机理酶模型：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合成单纯合成的酶样化合物：化学合成的具有酶样催化活性的简单分子二.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类等胶束酶模型肽酶抗体酶分子印迹酶模型半合成酶胶束酶模型胶束在水溶液中提供了疏水微环境（类似于酶的结合部位），可以对底物束缚。如果将催化基团如咪磋基、硫醇、羟基和一些辅酶共价或非共价地连接或吸附在胶束上，就可能提供“活性中心”部位，使胶束成为具有酶活性或部分酶活性的胶束模拟酶。胶束酶模型三种重要的胶束酶模型模拟水解酶的胶束酶模型：组氨酸的咪唑基常常是水解酶的活性中心必需的催化基团。如果将表面活性剂分子上连接上组氨酸残基或咪唑基团上，就有可能形成模拟水解酶的胶束。辅酶的胶束酶模型金属胶束酶模型：金属胶束是指带疏水键的金属配合物单独或与其他表面活性剂共同形成的胶束体系，其作用是模拟金属酶的活性中心结构和疏水性的微环境。胶束酶模型举例：有人利用组氨酸的衍生物十四酰组氨酸与十六酰烷基三甲基溴化铵组成两种分子的混合微胶束，来催化乙酸对硝基苯酯的水解，其速率比组氨酸增加了100倍。胶束酶模型三.制备举例水解酶的模拟1a-胰凝乳蛋白酶简介2环糊精结构示意水解酶模型四 研究热点CD分子原来：在CD的两面引入催化基团，通过柔性或刚性加冕引入疏水基团，改善CD的疏水结合和催化功能现在，桥联环糊精和聚合环糊精，可得到双重或多重疏水结合作用和多重识别作用第二节结束点击返回第三节 印迹酶一 分子印迹技术概述二 分子印迹酶二 分子印迹酶1分子印迹概念：制备对某一化合物具有选择性的聚合物的过程2分子印迹技术内容选定印迹分子和功能单体，使二者发生互补反应在印迹分子-单体复合物周围发生聚合反应用抽提法从聚合物中除掉印迹分子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，并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。性质：遵循米氏方程，催化活力依赖反应速度常数。三表面分子印迹1无机物为载体的表面印迹2固体材料的表面修饰3蛋白质的表面印迹 蛋白质表面印迹在聚合物涂层的硅石上的示意四生物印迹1生物印迹：指以天然的生物材料，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。2有机相生物印迹酶非水相生物印迹酶制备示意图3水相生物印迹酶第三节结束点击返回