酶工程7催化抗体-课件

第七章 抗体酶或催化抗体 抗体抗体酶酶：20世世纪纪80年代以来出年代以来出现现的的一种具有催化活性的蛋白一种具有催化活性的蛋白质质，是利用，是利用生物学和化学的成果在分子水平上交生物学和化学的成果在分子水平上交叉渗透研究的叉渗透研究的产产物；物；其本其本质质上是免疫上是免疫球蛋白，只是在其易球蛋白，只是在其易变变区被区被赋赋予了予了酶酶的属性，因此抗体的属性，因此抗体酶酶又称又称为为催化抗体催化抗体（Catalytic Antibody)。Pauling过过渡渡态态理理论论和和预预言言抗体若能与化学反抗体若能与化学反抗体若能与化学反抗体若能与化学反应应应应的的的的过过过过渡渡渡渡态态态态结结结结合，合，合，合，则这样则这样则这样则这样的抗体必具有催的抗体必具有催的抗体必具有催的抗体必具有催化性能的化性能的化性能的化性能的观观观观点点点点抗体一旦能与抗体一旦能与抗体一旦能与抗体一旦能与过过过过渡渡渡渡态结态结态结态结合，它就具有合，它就具有合，它就具有合，它就具有酶酶酶酶在温和条件下高效、在温和条件下高效、在温和条件下高效、在温和条件下高效、转转转转移地催化化移地催化化移地催化化移地催化化学反学反学反学反应应应应的性的性的性的性质质质质，依此，依此，依此，依此类类类类推，抗体若能推，抗体若能推，抗体若能推，抗体若能与与与与过过过过渡渡渡渡态态态态相似物相似物相似物相似物结结结结合，合，合，合，则则则则它也会与化它也会与化它也会与化它也会与化学反学反学反学反应过应过应过应过程中的程中的程中的程中的过过过过渡渡渡渡态结态结态结态结合，合，合，合，这样这样这样这样的的的的抗体亦具有催化性能抗体亦具有催化性能抗体亦具有催化性能抗体亦具有催化性能JencksJencks于于于于19691969年提出年提出年提出年提出意意意意义义义义Pauling和Jencks的理论催化抗体难单克隆技术19861986年，年，年，年，LernerLerner和和和和SchultzSchultz分分分分别别别别成功成功成功成功催化抗体的实现Lerner(1984)提出：若以提出：若以过过渡渡态类态类似物似物为为半抗原，半抗原，则则其其诱发产诱发产生的抗体生的抗体应该应该与与该类该类似物具有互似物具有互补补构象；构象；这这种抗体与底物种抗体与底物结结合后，就能合后，就能够诱导够诱导底物底物进进入入过过渡渡态态结结构，从而引起催化作用。构，从而引起催化作用。1986年年Lerner研究研究组组在在Science上上发发表了抗表了抗体体酶酶研究的研究的实验结实验结果，果，标标志着抗体志着抗体酶酶的研究的研究进进入入了一个新了一个新阶阶段。段。催化抗体自1986年诞生之日起，就一直是科学界高度关注的对象，催化抗体的研究是当今科学前沿的多学科交汇点之一 研究的范围不断拓宽，研究成果层出不穷，采用的技术日益先进 突破了传统的胶束、大分子、配位化合物等模拟酶研究的框框，开创了催化剂研究和制备的崭新领域 在催化化学、反应动力学、医学、制药学等诸多领域的无可限量的应用前景催化抗体的定义抗体抗体酶酶或或催化抗体催化抗体通通过过一系列化学与生物一系列化学与生物技技术术方法制方法制备备出的具有出的具有催化活性的抗体催化活性的抗体该该该该抗体除了具有相抗体除了具有相抗体除了具有相抗体除了具有相应应应应免疫免疫免疫免疫学性学性学性学性质质质质外，外，外，外，还还还还具有具有具有具有类类类类似于似于似于似于酶酶酶酶能催化某些反能催化某些反能催化某些反能催化某些反应应应应的特性的特性的特性的特性催化抗体与酶的共同点催化抗体与酶的共同点抗体与抗体与酶酶都是蛋白都是蛋白质质分子分子酶酶与底物的与底物的结结合及抗体合及抗体与抗原的与抗原的结结合都是高度合都是高度专专一性一性能高能高能高能高选择选择选择选择性地与性地与性地与性地与靶分子靶分子靶分子靶分子结结结结合合合合催化抗体与酶的不同点催化抗体与酶的不同点酶与高能态的过渡态分子酶与高能态的过渡态分子相结合相结合抗体则与抗原抗体则与抗原（基态分子）相结合（基态分子）相结合 大大降低化学反应的活化能，高大大降低化学反应的活化能，高选择性、高效率地催化化学反应，使选择性、高效率地催化化学反应，使之能在温和条件下得以实现之能在温和条件下得以实现 抗体特异性地结合抗抗体特异性地结合抗原并帮助巨噬细胞摄入且原并帮助巨噬细胞摄入且摧毁抗原摧毁抗原半抗原与催化性抗体半抗原与催化性抗体半抗原：半抗原：是一是一类类小分子化合物，本身不能小分子化合物，本身不能诱导诱导免免疫疫应应答，只有当共价答，只有当共价结结合到具有免疫性的蛋白合到具有免疫性的蛋白质质后，注射后，注射动动物才能物才能诱导诱导出与半抗原特异性出与半抗原特异性结结合的合的抗体。如果半抗原是抗体。如果半抗原是酶酶的的过过度度态结态结构构类类似物，似物，则则有可能有可能获获得具有催化活性的抗体，也就是抗体得具有催化活性的抗体，也就是抗体酶酶。实实 例：例：以一以一羧羧基基酯酯和和酰酰胺的水解胺的水解为为例，根据反例，根据反应应机理，其机理，其过过渡渡态应该为态应该为一个四面体一个四面体结结构，以具构，以具有四面体有四面体结结构的高能中构的高能中间类间类似物作似物作为为半抗原，均半抗原，均能能获获得得预预期的抗体期的抗体酶酶；该该抗体抗体酶酶与与过过渡渡态类态类似物似物具有完全互具有完全互补补的立体的立体结结构。构。半抗原半抗原设计设计中中应应考考虑虑的的问题问题：产产生的抗体是否具有生的抗体是否具有预预期的催化活性；期的催化活性；能否刺激机体能否刺激机体产产生免疫生免疫应应答。答。半抗原半抗原结结构与催化抗体之构与催化抗体之间间的关系：的关系：半抗原半抗原结结构中构中应应含有芳香含有芳香结结构：含芳香构：含芳香结结构的半构的半抗原具有抗原具有较较强强的免疫原性；的免疫原性；催化抗体与半抗原的催化抗体与半抗原的亲亲和力：一般和力：一般认为结认为结合常数合常数Ki应应小于小于10-6mol/L，容易容易获获得高效催化抗体；得高效催化抗体；诱导羧诱导羧酸酸酯酯、酰酰胺水解的催化抗体，可以利用具胺水解的催化抗体，可以利用具有四面体有四面体结结构的构的过过渡渡态类态类似物作似物作为为半抗原；半抗原；半抗原的半抗原的设计应设计应考考虑虑催化反催化反应应的的环环境与反境与反应应机制。机制。自从抗体自从抗体酶酶制制备备成功以来，迄今已成成功以来，迄今已成功地开功地开发发出天然出天然酶酶所催化的六种所催化的六种酶酶促反促反应应和数十种和数十种类类型的常型的常规规反反应应的抗体的抗体酶酶。包括包括酯酯、羧羧酸和酸和酰酰胺胺键键的水解反的水解反应应、酰酰胺形成、光胺形成、光诱导诱导裂解和聚合、裂解和聚合、酯酯交交换换、内内酯酯化、化、Claisen重排反重排反应应、金属螯合、金属螯合、环环氧化反氧化反应应、氧化、氧化还还原反原反应应、化学上不利的、化学上不利的环环化反化反应应、肽键肽键形成反形成反应应、脱、脱羧羧反反应应、过过氧化反氧化反应应、周、周环环反反应应等。等。抗体抗体酶酶催化的反催化的反应专应专一性相当于一性相当于或超或超过过酶酶反反应应的的专专一性，催化速度有一性，催化速度有的可达到的可达到酶酶催化的水平。催化的水平。但一般来但一般来说说，抗体，抗体酶酶催化反催化反应应的速度的速度比非催化反比非催化反应应快快102106倍，仍比天然倍，仍比天然酶酶催催化反化反应应速度慢速度慢102104倍。因此，开倍。因此，开发发制制备备高活力抗体高活力抗体酶酶的方法仍是世界各国科学家的方法仍是世界各国科学家的的奋奋斗目斗目标标。抗体抗体酶酶的的发现发现不不仅仅提供了研究提供了研究生物催化生物催化过过程的新途径，而且能程的新途径，而且能为为生物学、化学和医学提供具有生物学、化学和医学提供具有高度特异性的人工生物催化高度特异性的人工生物催化剂剂，并可以根据需要使人并可以根据需要使人们获们获得具有得具有某些不能被某些不能被酶酶催化或催化或较难较难催化的催化的化学反化学反应应催化催化剂剂。抗体抗体酶酶的出的出现现，意味着有可能，意味着有可能出出现简单现简单有效的方法，从而人有效的方法，从而人们们可凭主可凭主观观愿望来愿望来设计设计蛋白蛋白质质。这这一一发现发现是利用生物学与化学成果在是利用生物学与化学成果在分子水平上交叉渗透研究的分子水平上交叉渗透研究的产产物。由于抗物。由于抗体体酶酶对对于多学科展示了于多学科展示了较较高的理高的理论论和和实实用用价价值值，已引起科学界广泛的关注。，已引起科学界广泛的关注。抗体抗体抗体抗体是由是由B细细胞受抗原刺胞受抗原刺激后所分泌的蛋白激后所分泌的蛋白质质抗体分子：抗体分子：由四由四条条肽链肽链所所组组成，成，两条重两条重链链（H链链）两条两条轻链轻链（L链链）结结结结 合合合合 区：区：区：区：抗体分子抗体分子抗体分子抗体分子上有两个抗原上有两个抗原上有两个抗原上有两个抗原结结结结合合合合区区区区可可可可变变变变区（区（区（区（V V区）区）区）区）稳稳稳稳定区（定区（定区（定区（C C区）区）区）区）抗体的结构单单克隆抗体克隆抗体单单克隆抗体克隆抗体(monoclonal antibody，简简称称McAb)将能将能够产够产生抗体的生抗体的B淋巴淋巴细细胞和具有无限增殖力胞和具有无限增殖力的骨髓瘤的骨髓瘤细细胞融合在一起，形成胞融合在一起，形成杂杂交瘤交瘤细细胞。胞。杂杂交瘤交瘤细细胞既能在体外快速生胞既能在体外快速生长长，又能持，又能持续续分分泌成分泌成分单单一的特异性抗体。一的特异性抗体。这这种种单单一一类类型的只型的只针对针对某一特定抗原决定簇的抗体分子，就是某一特定抗原决定簇的抗体分子，就是单单克隆抗体克隆抗体单单克隆抗体的制克隆抗体的制备过备过程程细细胞融合：淋巴胞融合：淋巴细细胞胞杂杂交瘤的制交瘤的制备备动动物免疫与物免疫与亲亲本本细细胞的胞的选择选择杂杂交瘤交瘤细细胞的胞的筛选筛选：有限稀：有限稀释释法等法等单单克隆抗体的克隆抗体的纯纯化化催化抗体的例子Haynes等在等在3.0水平上水平上测测定了具定了具有分支酸有分支酸变变位位酶酶活力的抗体活力的抗体酶酶1F7与与其其过过渡渡态类态类似物的复合物的三似物的复合物的三维结维结构。构。晶体晶体结结构数据表明，构数据表明，过过渡渡态类态类似似物是物是结结合在可合在可变变区区6个个CDR(Complem-entarity determinative region,互互补补决定域决定域)的的顶顶端，主要是和重端，主要是和重链结链结合，有合，有7个残个残基与其基与其结结合，而合，而轻链轻链只有只有1个残基与个残基与之之结结合。合。这这同其他的抗体是一致的。同其他的抗体是一致的。抗体与半抗原的抗体与半抗原的识别识别包括了疏水、包括了疏水、静静电电和和氢键氢键等的相互作用。半抗原在等的相互作用。半抗原在抗体抗体结结合部位中的取向是由它的合部位中的取向是由它的2个个羧羧基的特异相互作用决定的。基的特异相互作用决定的。C10羧羧基与基与Tyr-L94的酚基形成的酚基形成氢键氢键而固定；而固定；而而C11羧羧基基则则是半抗原被包埋得是半抗原被包埋得较较多多的部分。它可能与水分子形成的部分。它可能与水分子形成氢键氢键，这这个水分子再同个水分子再同ASP-H97主主链羧链羧基氧基氧形成形成氢键氢键。过过渡渡态类态类似物同似物同1F7(A)和分支酸和分支酸变变位位酶酶(B)之之间间的有关的有关侧链侧链的相互作用示意的相互作用示意图图 Arg-95H侧链处侧链处于于C-11羧羧基的上基的上面，面，这这个位置也使它靠近个位置也使它靠近过过渡渡态类态类似似物的物的醚醚氧基，以提供静氧基，以提供静电电互互补补，同，同时时该该残基残基还还部分地保部分地保护护了配体同溶了配体同溶剂剂的的接触。因接触。因为为已有分枝酸已有分枝酸变变位位酶酶与上述与上述同一同一过过渡渡态类态类似物的复合物的似物的复合物的2.2 晶晶体体结结构，因而有可能构，因而有可能对对酶酶复合物与抗复合物与抗体体酶酶复合物复合物进进行行结结构比构比较较。结结果表明，二者的催化机理完全果表明，二者的催化机理完全类类似，但抗体似，但抗体酶酶的活性部位是在相的活性部位是在相邻邻两个两个亚亚基的界面上，从而与所基的界面上，从而与所结结合的合的过过渡渡态类态类似物形成了广泛的疏水似物形成了广泛的疏水键键、离子离子键键和极性和极性键键。过过渡渡态类态类似物与似物与酶酶结结合的解离常合的解离常数数Ki为为3mol，比，比1F7(Ki=0.6mol)大大约约高高5倍，倍，说说明明酶酶与与过过渡渡态类态类似物之似物之间间的匹配更的匹配更为为精确，其精确，其间间有更多的静有更多的静电电相互作用，包括相互作用，包括2个精氨酸的正个精氨酸的正电电荷和一个谷氨酸的荷和一个谷氨酸的负电负电荷，荷，这这可能就可能就是抗体是抗体酶酶活力比相活力比相应应天然天然酶酶活力低活力低104倍的原因。倍的原因。Zhou等由等由N-酰酰基氨基酸苯基氨基酸苯酯酯的的过过渡渡态类态类似物似物诱导产诱导产生抗体生抗体17E8，能催，能催化甲化甲酰酰甲硫氨酸（或正亮氨酸）苯甲硫氨酸（或正亮氨酸）苯酯酯水解生成甲水解生成甲酰酰甲硫氨酸或甲甲硫氨酸或甲酰酰正亮氨酸正亮氨酸 抗体抗体酶酶17E8催化氨基酸催化氨基酸酯酯的反的反应应 他他们们在在2.5 水平上水平上测测定了定了17E8与与其半抗原的三其半抗原的三维维空空间结间结构。构。17E8 Fab的的总结总结构与其它抗体很构与其它抗体很类类似。半抗原似。半抗原4结结合在合在轻链轻链和重和重链链CDR3之之间间的裂的裂缝缝中，其中，其羧羧基位于裂基位于裂缝缝入口入口处处，并被，并被5个个Tyr所包所包围围。半抗原和抗体之。半抗原和抗体之间间有有14个氨基酸个氨基酸发发生相互作用，包含生相互作用，包含6个个氢键氢键和范德和范德华键华键。结结构和构和动动力学数据都力学数据都说说明抗体明抗体酶酶的的水解机理与水解机理与丝丝氨酸蛋白氨酸蛋白酶酶极极为为相似。相似。抗体抗体酶酶结结合部位含有一个合部位含有一个Ser-His二二体体结结构，靠近构，靠近结结合抗原的磷原子，合抗原的磷原子，这这与与丝丝氨酸蛋白水解氨酸蛋白水解酶酶的的电电荷中荷中继继系系统统Ser-His-ASP成分中的二个相似。成分中的二个相似。抗体抗体结结合部位中合部位中还还含有含有Lys残基，残基，用于用于稳稳定定负负氧离子形成和氧离子形成和识别识别底物的底物的疏水口袋。疏水口袋。催化抗体催化抗体-半抗原复合物的高分辨半抗原复合物的高分辨结结构构证证明，抗体能明，抗体能够够把把经过经过天然天然酶酶进进化而出化而出现现的活性部位的活性部位结结构会聚到一起。构会聚到一起。Schultz小小组组制制备备了水解甲基了水解甲基对对硝硝基苯基碳酸基苯基碳酸酯酯的抗体的抗体48G7与其半抗原与其半抗原p-硝基苯基硝基苯基-4-羧羧丁基磷酸丁基磷酸酯酯的复合物的复合物的晶体，并的晶体，并对对其其进进行了行了X-射射线线衍射分衍射分析，析，发现发现抗体抗体结结合部位的共有模合部位的共有模块块含含有碱性残基，它能与磷酸氧有碱性残基，它能与磷酸氧发发生静生静电电相互作用相互作用产产生所生所谓谓氧阴离子洞氧阴离子洞(Oxyanion hole)。稳稳定半抗原是通定半抗原是通过过下列因素下列因素实现实现的：的：带带正正电电的的Arg-L96与与带负电带负电的磷的磷氧基靠近，形成静氧基靠近，形成静电电吸引；由吸引；由His-H35，Tyr-H33和和Tyr-L94与磷氧基的与磷氧基的氧形成的氧形成的氢键氢键。抗体抗体酶酶48G7(右右侧侧)与它的与它的磷酸磷酸酯酯半抗原半抗原(左左侧侧)相互作用示意相互作用示意图图 Charbonnier等等对对未配位的催化未配位的催化Fab(结结合抗原的抗体片断合抗原的抗体片断)D2.3，它与底物，它与底物类类似物的复合物以及它与磷酸似物的复合物以及它与磷酸酯酯半抗原的复半抗原的复合物的合物的X-射射线线晶体晶体结结构构进进行了比行了比较较，结结果果完全完全阐阐明了催化机理，明了催化机理，发现发现漏斗形的沟槽漏斗形的沟槽使水很容易使水很容易扩扩散至深埋抗体中的反散至深埋抗体中的反应应中心。中心。反反应应中心在碱性中心在碱性pH下通下通过优过优先先稳稳定定带负带负电电的氧阴离子中的氧阴离子中间间体而起作用，中体而起作用，中间间体是体是由由羟羟基化物基化物进进攻攻p-硝基苯基硝基苯基酯酯底物底物产产生的。生的。Lerner小小组组用定点突用定点突变变技技术术将金属离子引将金属离子引入抗入抗荧荧光素抗体的光素抗体的结结合部位。半抗原合部位。半抗原-抗体的晶抗体的晶体体结结构构显显示，示，轻链轻链互互补补决定区中的决定区中的3个残基在相个残基在相对对几何学上几何学上类类似于碳酸似于碳酸酐酐酶酶中中锌结锌结合部位上的合部位上的3个个组组氨酸残基，因此，用氨酸残基，因此，用组组氨酸取代抗体残基氨酸取代抗体残基Arg34L、Ser89L和和Ser91L。为为避免避免对对金属金属结结合合部位的可能的空部位的可能的空间间障碍，用亮氨酸取代障碍，用亮氨酸取代Tyr36L。经过这样经过这样改造后的抗体不改造后的抗体不仅仅仍能仍能结结合合荧荧光素，光素，而且而且还还能能结结合合Cu(ll)、Zn(ll)和和Cd(ll)。这这种将金种将金属属结结合部位引入抗体的能力十分重要，因合部位引入抗体的能力十分重要，因为为金金属离子可催化各种属离子可催化各种类类型的反型的反应应。定点突定点突变变法作法作为为蛋白蛋白质质工程的基本工程的基本手段之一可精确改手段之一可精确改变变蛋白蛋白质肽链质肽链上的上的任一氨基酸残基，因此，可用来任一氨基酸残基，因此，可用来阐阐明明某一氨基酸残基在抗体某一氨基酸残基在抗体结结合和催化中合和催化中的作用。的作用。从鼠骨髓瘤从鼠骨髓瘤细细胞胞产产生的一系列能生的一系列能和磷酸胆碱和磷酸胆碱结结合的抗体已被广泛研究合的抗体已被广泛研究过过，有的，有的还还做做过过X-射射线线衍射衍射结结构分析，构分析，发现发现重重链链上的两个氨基酸残基上的两个氨基酸残基Arg-52H及及Tyr-33H在所有的能在所有的能结结合磷酸胆合磷酸胆碱的抗体中都存在，所以碱的抗体中都存在，所以认为这认为这两个两个残基残基对对抗体的抗体的结结合及催化作用起关合及催化作用起关键键作用。作用。Jackson等在研究能等在研究能结结合磷酸胆碱合磷酸胆碱的抗体的抗体S107时时，对对Tyr-33H和和Arg-52H都做了突都做了突变变，分，分别获别获得得4个个Tyr-33突突变变体和体和3个个Arg-52突突变变体。体。一般来一般来说说，Tyr-33 的突的突变变体催化体催化活力没有活力没有变变化；而化；而Arg-52的突的突变变体由体由于于丧丧失了失了带带正正电侧链电侧链，催化活力，催化活力显显著著降低。降低。这说这说明，静明，静电电相互作用相互作用对对S107的催化作用至关重要，也的催化作用至关重要，也说说明将有催明将有催化作用的残基引入到抗体中，可以增化作用的残基引入到抗体中，可以增加抗体加抗体酶酶的催化活性。的催化活性。有意思的是有意思的是Tyr-33H的突的突变变体体(Y33H)可使抗体活性提高可使抗体活性提高50倍倍(kcat=5.7min-1，Km=1.6mM)，引入的，引入的组组氨酸可能起广氨酸可能起广义义的酸碱催化作用。的酸碱催化作用。用用烷烷基磷基磷酰酰胺胺(phosphonamidate)半抗原半抗原诱导产诱导产生的生的单单抗抗NPN43C9是是动动力学和催化机制研究的最多的抗体力学和催化机制研究的最多的抗体酶酶之一，很适合作之一，很适合作为为突突变变的模型用于研的模型用于研究抗体究抗体酶酶结结构与功能的关系。构与功能的关系。Roberts等等为为了了检测检测NPN43C9的的催化机理，用抗体催化机理，用抗体结结构数据构数据库库(ASD)构建了构建了该该抗体可抗体可变变区的三区的三维维模型。模型。该该模型模型显显示示ArgL96的胍基的胍基处处于抗于抗原原结结合部位的底部，并与抗原的磷合部位的底部，并与抗原的磷酰酰胺基（胺基（该该基基团团模模拟拟四面体四面体过过渡渡态态的的负负电电荷）形成荷）形成盐桥盐桥。因此。因此该该模型模型预计预计ArgL96与抗体的与抗体的结结合与催化功能相关。合与催化功能相关。计计算机模算机模拟拟和和实验结实验结果都果都证实证实，催化，催化抗体抗体NPN43C9的催化机理是的催化机理是稳稳定催化定催化作用中的高能作用中的高能过过渡渡态态。催化抗体制备方法催化抗体催化抗体制制备备方法方法拷贝法拷贝法单克隆技术单克隆技术天然来源分离法天然来源分离法基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程化学修饰化学修饰新的方法和技新的方法和技术术不断出不断出现现 稳稳定定过过渡渡态态法法 1 稳稳定定过过渡渡态态法法 1986年年发发表的两篇在抗体表的两篇在抗体酶酶的的实实践上有重要突破的工作，践上有重要突破的工作，标标志着抗体志着抗体酶酶的研究的研究进进入一个入一个崭崭新的新的阶阶段。起初段。起初的的设计设计思想是以思想是以Pauling的的稳稳定定过过渡渡态态理理论为论为指指导导，即利用反，即利用反应应的的过过渡渡态类态类似物作似物作为为半抗原半抗原产产生抗体生抗体酶酶的。的。随着抗体随着抗体酶酶研究的深入，人研究的深入，人们们利利用了用了酶酶催化催化业业已确立的催化机理：已确立的催化机理：稳稳定定过过渡渡态态;酸碱催化；酸碱催化；亲电亲电和和亲亲核催化；核催化；邻邻近效近效应应 使抗体使抗体酶酶的制的制备备方法不断方法不断扩扩展，展，目前已开目前已开发发出数种出数种产产生抗体生抗体酶酶的方法。的方法。迄今，大多数抗体迄今，大多数抗体酶酶是通是通过过理理论设计论设计合适的与反合适的与反应过应过渡渡态类态类似似的小分子作的小分子作为为半抗原，然后半抗原，然后让动让动物免疫系物免疫系统产统产生生针对针对半抗原的抗半抗原的抗体来体来获获得的。得的。由于以反由于以反应应的的过过渡渡态类态类似物似物为为半抗原半抗原诱导诱导的抗体在几何形状和的抗体在几何形状和电电学性学性质质上与反上与反应过应过渡渡态态互互补补，因而因而稳稳定了定了过过渡渡态态，从而加速反，从而加速反应应。在在这这方面最早方面最早设计设计出的催化抗出的催化抗体是体是酰酰基基转转移反移反应应，尤其象，尤其象酯酯水水解反解反应这样应这样的具有的具有较较低活化能的低活化能的反反应应。Lerner小小组组根据金属根据金属肽肽酶酶的的研究成果，以磷酸研究成果，以磷酸酯酯中的磷酸中的磷酸酯酯为为碳酸碳酸酯酯的的过过渡渡态类态类似物，合成似物，合成了一个含有吡了一个含有吡啶啶甲酸的磷酸甲酸的磷酸酯酯化化合物作合物作为为半抗原，得到一株半抗原，得到一株单单克克隆抗体隆抗体6D4，用来催化不含吡，用来催化不含吡啶啶甲甲酸的相酸的相应应的碳酸的碳酸酯酯的水解反的水解反应应，使反使反应应加速近加速近1000倍。倍。Schultz小小组认为对组认为对硝基苯磷硝基苯磷酰酰胆胆碱是相碱是相应羧应羧酸二酸二酯酯水解反水解反应应的的过过渡渡态态类类似物。用此似物。用此类类似物作半抗原似物作半抗原诱导产诱导产生生单单克隆抗体，克隆抗体，经过筛选经过筛选，找到一株，找到一株MOPC167，它使，它使该该水解反水解反应应速度加速度加快快12000倍。倍。研究的研究的结结果表明，果表明，这这些抗体些抗体酶酶具有具有酶酶的一般特性，其催化的一般特性，其催化动动力学行力学行为满为满足米氏足米氏方程，并具有底物特异性及方程，并具有底物特异性及pH依依赖赖性等性等酶酶反反应应的特征。的特征。Shultz小小组组利用与底物扭曲构利用与底物扭曲构象相似的扭曲象相似的扭曲卟卟啉作半抗原，制啉作半抗原，制备备的抗体可催化的抗体可催化卟卟啉金属螯合反啉金属螯合反应应。亚铁亚铁螯合螯合酶酶是血是血红红素生物合成途径中的末素生物合成途径中的末端端酶酶，可催化，可催化亚铁亚铁离子插入原离子插入原卟卟啉的生物啉的生物合成。合成。N-甲基原甲基原卟卟啉由于内部甲基取代而啉由于内部甲基取代而呈扭曲呈扭曲结结构，它是此构，它是此酶酶的有力抑制的有力抑制剂剂，也，也与与酶酶催化的催化的卟卟啉金属螯合反啉金属螯合反应应的的过过渡渡态类态类似。由于甲基似。由于甲基卟卟啉的抗体可催化平面啉的抗体可催化平面结结构构原原卟卟啉的金属螯合，啉的金属螯合，这这就就为该为该反反应过应过渡渡态态扭曲扭曲结结构的作用提供了构的作用提供了证证据。据。此工作不此工作不仅说仅说明抗体明抗体结结合能可扭曲底物合能可扭曲底物结结构，而且表明可用抗体构，而且表明可用抗体检验检验催化作用机理。催化作用机理。Napper等人用一个等人用一个环环化的磷酸化的磷酸酯酯作作为过为过渡渡态类态类似物去免疫似物去免疫动动物，得到物，得到了了单单克隆抗体克隆抗体24B11，发现该发现该抗体可抗体可催化外消旋的催化外消旋的羟羟基基羧羧酸酸酯酯分子内分子内环环化化形成内形成内酯酯反反应应，加速反，加速反应应167倍，而倍，而且首次且首次观观察到抗体察到抗体酶酶催化反催化反应应的的专专一一性。反性。反应产应产物中一种物中一种对对映体的含量比映体的含量比另一种高出另一种高出94%。Pollack等人的研究也等人的研究也证证明，抗体明，抗体酶酶可以立体可以立体专专一性地催化非活化一性地催化非活化酯酯的的水解，水解，产产物中一种物中一种对对映体的含量比另映体的含量比另一种高一种高100倍。倍。这这个个结结果的重要意果的重要意义义在于，目前在于，目前还还没有一种化学方法可以没有一种化学方法可以产产生立体生立体专专一性一性酯酯解催化解催化剂剂。这类这类抗抗体可用于含有酸或醇功能基的合成中体可用于含有酸或醇功能基的合成中间间物的手性拆分，有重要的商物的手性拆分，有重要的商业业价价值值。2、抗体与半抗原互、抗体与半抗原互补补法法 抗体与其配体的相互作用是相抗体与其配体的相互作用是相当精确的，抗体常含有与配体功当精确的，抗体常含有与配体功能互能互补补的特殊功能基。已的特殊功能基。已经发现经发现，带带正正电电的配体常能的配体常能诱导诱导出出结结合部合部位位带负电带负电残基的抗体，反之亦然。残基的抗体，反之亦然。抗体与半抗原之抗体与半抗原之间间的的电电荷互荷互补补对对抗体所具有的高抗体所具有的高亲亲和力以及和力以及选选择择性性识别识别能力起着关能力起着关键键作用。作用。在开在开发诱导发诱导抗体抗体酶酶产产生的各种生的各种方法方法时时，一个重要的目，一个重要的目标标是是发发展展一个通用的一个通用的规则规则，使，使产产生的抗体生的抗体结结合部位的催化基合部位的催化基团团和半抗原的和半抗原的结结合直接相关。合直接相关。Shokat等人利用抗体与半抗等人利用抗体与半抗原之原之间间的的电电荷互荷互补补性，制性，制备备了了针针对带对带正正电电半抗原的抗体，半抗原的抗体，结结果在果在抗体抗体结结合部位上合部位上产产生生带负电带负电的的羧羧基，可作基，可作为为一般碱基催化一般碱基催化-消除反消除反应应。他他们们采用合成的季胺化合物采用合成的季胺化合物H1作半抗原，作半抗原，获获得的得的6株抗体，其株抗体，其中有中有4株具有催化活性，株具有催化活性，-氟氟酮酮底底物的半抗原，含有一个物的半抗原，含有一个带带正正电电的的烷烷基氨离子，其中一个抗体基氨离子，其中一个抗体43D4-3D3可加速反可加速反应应105倍。倍。利用抗体利用抗体-半抗原互半抗原互补补性是性是产产生抗生抗体体酶酶的一般方法，可适合各的一般方法，可适合各类类不同的反不同的反应应，如，如缩缩合、异构化和水解反合、异构化和水解反应应等。等。如果通如果通过过半抗原的最半抗原的最优优化化设计设计使使带带正正电电荷的半抗原正确地模仿荷的半抗原正确地模仿过过渡渡态态的几何的几何结结构及所有的反构及所有的反应应键键，而且半抗原和，而且半抗原和产产物及底物之物及底物之间间都没有相似之都没有相似之处处，那就有可能，那就有可能产产生高活力抗体生高活力抗体酶酶，甚至达到天，甚至达到天然然酶酶的活力水平。的活力水平。抗体催化的下一个目抗体催化的下一个目标标是在是在抗原抗原结结合部位合部位诱导诱导出两个催化基出两个催化基团团(两个酸、一酸一碱或两个碱两个酸、一酸一碱或两个碱)，进进一步增加反一步增加反应应速度。速度。3 拷拷贝贝法法用已知的用已知的酶酶作作为为抗原抗原对动对动物物进进行第一次免疫行第一次免疫,获获得抗得抗酶酶抗体抗体;再用抗再用抗酶酶抗体作抗体作为为抗原抗原进进行第二次免疫行第二次免疫获获得抗得抗抗体抗体,抗抗体抗抗体实际实际上就是具有原来上就是具有原来酶酶活性的抗体活性的抗体酶酶。酶酶第一次免疫第一次免疫抗酶抗体抗酶抗体第二次免疫第二次免疫抗体酶抗体酶拷贝法制备抗体酶拷贝法制备抗体酶4 诱导诱导法法：用用设计设计好的抗原按照一定的好的抗原按照一定的单单克隆程序，克隆程序，获获得具有催化活性的抗体。得具有催化活性的抗体。aa过过渡渡态类态类似物似物载载体蛋白体蛋白抗体抗体酶酶诱导诱导法制法制备备抗体抗体酶酶催化抗体的单克隆技术制备法（诱导法）催化抗体的单克隆技术制备法（诱导法）5 引入法引入法：是借助于基因工程和蛋白是借助于基因工程和蛋白质质工程技工程技术术，将催化基，将催化基团团引入到已有引入到已有底物底物结结合能力的抗体上的抗原合能力的抗体上的抗原结结合部合部位，如用寡核苷酸定点位，如用寡核苷酸定点诱变诱变技技术术，将，将特定的氨基酸残基引入到抗体的抗原特定的氨基酸残基引入到抗体的抗原结结合位点，使其具有催化能力；也可合位点，使其具有催化能力；也可以采用以采用选择选择性化学修性化学修饰饰法，将人工合法，将人工合成的或天然存在的催化基成的或天然存在的催化基团团引入到抗引入到抗体的抗原体的抗原结结合部位，使其具有催化活合部位，使其具有催化活性。性。6 催化抗体的化学修饰制备法催化抗体的化学修饰制备法 时至今日，已有数百种催化抗体问世四、抗体四、抗体酶酶的的应应用用 对对于任何分子，几乎都可通于任何分子，几乎都可通过过免疫系免疫系统产统产生相生相应应的抗体，而且的抗体，而且专专一性很一性很强强。抗体的。抗体的这这种多种多样样性性标标志着抗体志着抗体酶酶的的应应用潜力是巨大用潜力是巨大的。的。抗体抗体酶酶制制备备技技术术的开的开发预发预示着示着可以人可以人为为生生产产适适应应各种用途的，各种用途的，特特别别是自然界不存在的高效生物是自然界不存在的高效生物催化催化剂剂，展，展现现出在生物学、医学、出在生物学、医学、化学和生物工程上会有广泛的和化学和生物工程上会有广泛的和令人鼓舞的令人鼓舞的应应用前景。用前景。1、抗体、抗体酶酶在有机合成中的在有机合成中的应应用用 各各类类精精细细化工化工产产品和合成材料品和合成材料的工的工业业生生产产需要具有精确底物需要具有精确底物专专一性和立体一性和立体专专一性的催化一性的催化剂剂，而，而这这正是催化抗体的突出特点。特正是催化抗体的突出特点。特别别是那些天然是那些天然酶酶不能催化的反不能催化的反应应，可通可通过设计过设计定作抗体定作抗体酶酶来弥来弥补补天天然然酶酶的不足。的不足。应应用：用：抗体抗体酶酶能催化立体能催化立体专专一性的反一性的反应应；能区分能区分动动力学上的外消旋混合物；力学上的外消旋混合物；能催化内消旋底物合成相同手性能催化内消旋底物合成相同手性(homochiral)的的产产物。物。近年来，抗体催化的不同近年来，抗体催化的不同类类型型的反的反应应越来越多。已越来越多。已经证经证明，抗明，抗体体酶酶可以反相胶可以反相胶团团和固定化的形和固定化的形式在有机溶式在有机溶剂剂中起作用，中起作用，这为这为抗抗体体酶酶的商的商业应业应用开辟了前景。完用开辟了前景。完全有理由相信，抗体全有理由相信，抗体酶酶会在有机会在有机合成中合成中发挥发挥越来越大的作用。具越来越大的作用。具有有酯酯解活力的抗体解活力的抗体酶酶已已经经用于生用于生物物传传感器的制造上。感器的制造上。2.用于用于阐阐明化学反明化学反应应机制机制 N-甲基原甲基原卟卟啉由于内部甲基取啉由于内部甲基取代而呈扭曲代而呈扭曲结结构，但由它作构，但由它作为为半半抗原抗原诱导产诱导产生的抗体可催化原生的抗体可催化原卟卟啉的金属螯合反啉的金属螯合反应应，这这就就证证明了明了亚铁亚铁螯合螯合酶酶催化催化亚铁亚铁离子插入原离子插入原卟卟啉的反啉的反应过应过渡渡态态是一个原是一个原卟卟啉啉的扭曲的扭曲结结构，平面构，平面结结构的原构的原卟卟啉啉经经扭曲后，才能螯合金属离子。扭曲后，才能螯合金属离子。3 抗体抗体酶酶在医在医疗疗上的上的应应用用 抗体抗体酶酶既能既能标记标记抗原靶目抗原靶目标标，又能，又能执执行一定的催化功能。行一定的催化功能。这这两种性两种性质质的的结结合使抗体合使抗体酶酶在体内的在体内的应应用用实际实际上是上是没有限制的。例如，可以没有限制的。例如，可以设计设计抗体抗体酶酶杀杀死特殊的病原体，也可用抗体死特殊的病原体，也可用抗体酶酶活活化化处处于靶部位的于靶部位的药药物前体，以降低物前体，以降低药药物毒性，增加其在体内的物毒性，增加其在体内的稳稳定性。定性。Landry等用人工抗体等用人工抗体酶酶的被的被动动免疫能提供阻断可卡因上免疫能提供阻断可卡因上瘾瘾 的的治治疗疗，从而达到戒毒的目的。，从而达到戒毒的目的。如果将抗体如果将抗体酶酶与与肿肿瘤瘤专专一性抗一性抗体偶体偶联联成双特异性抗体，成双特异性抗体，则则有希有希望开望开发发成成为为特异性抗癌特异性抗癌药药物。物。这这种双特异性抗体可以避免癌症化种双特异性抗体可以避免癌症化学学疗疗法中化法中化疗药疗药物缺乏物缺乏专专一性而一性而导导致的高毒性、半寿期短以及到致的高毒性、半寿期短以及到达达肿肿瘤瘤细细胞的化胞的化疗药疗药物物浓浓度低等度低等缺点。缺点。催化抗体的巨大成就催化抗体的巨大成就预预示示一个以开一个以开发发免疫系免疫系统统分子潜力分子潜力为为核心的新学科核心的新学科抗体抗体酶酶学的学的崛起，今后无疑会有更大的崛起，今后无疑会有更大的发发展。展。谢谢