第六章人工酶第一节人工酶的理论基础和策略第一节人工酶的理论基础和策略通过对生物体系的结构与功能的研究,为设计和建造新的技术提供新思想、新原理、新方法和新途径。利用化学模拟作为阐明自然界中生物体行为的基础。人们认识到研究和模拟生物体系是开辟新技术的途径之一。一、人工酶概念：人工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、人工酶的理论基础1、人工酶的酶学基础酶是如何发生效力的？Pauling的稳定过渡态理论：酶先对底物结合，进而选择性稳定某一特定反应的过渡态（TS）,降低反应的活化能，从而加快反应速度。广义的酸碱催化、邻近与定向、变形与张力等等，都是酶催化高效性的重要原因。设计人工酶应考虑：（1）酶的作用机制，（2）模拟体系中的识别、结合和催化。这两方面必须统一结合。2、“主-客体”化学Pederson和Cram研究冠醚时发现：冠醚（主体）与伯胺盐（客体）形成复合物。把主体与客体通过配位键或其他次级键形成稳定复合物的化学领域称为“主-客体”化学。3.超分子化学Lehn在研究穴醚和大环化合物与配体络合过程中，提出了超分子化学的概念。超分子的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（静电作用、氢键和范德华力等），形成具有稳定结构和性质的实体，即形成了“超分子”，兼具分子识别、催化和选择性输出的功能。与酶和它所识别的底物结合情况近似。1987年Cram、Pederson和Lehn获诺贝尔化学奖。主-客体化学和超分子化学为人工模拟酶提供了理论基础。第二节人工酶的分类按照属性,人工酶可分为：①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;②胶束酶模型；③肽酶；④抗体酶;⑤分子印迹酶模型⑥半合成酶等。不限于化学手段，基因工程、蛋白质工程也发挥了重要作用。一、主-客体酶模型环糊精酶模型环糊精(cyclodextrin,简称CD)1、由D-葡萄糖以1，4-糖苷键结合的环状低聚糖。2、有6个（α-CD）、7个（β-CD）及8个（γ-CD）环糊精3种，3、呈锥形的圆筒，伯羟基位于较小口、仲羟基位于较大开口端。特点：1、CD分子外侧是亲水的，其羟基可与多种客体形成氢键。2、其内侧是C3，C5上的氢原子和糖苷氧原子组成的空腔，具有疏水性。因而能包结多种客体分子，类似酶对底物的识别。1、水解酶的模拟组氨酸咪唑基在酶催化中起着重要作用。Rama等人将咪唑在N上直接与CD的C3相连，所得的（图6-2）催化p－NPAc的水解比天然酶快一个数量级。“强中自有强中手”2、转氨酶的模拟Tabushi等将催化基团氨基引入CD。乙二胺的引入（1）使反应加速2000倍以上，（2）创造了一个极强的手性环境，（3）表现出很好的立体选择性。3.桥联环糊精仿酶模型它的两个CD及桥基上的功能基构成了具有协同包结和多重识别功能的催化活性中心，能更好地模拟酶对底物的识别与催化功能。Matsui等将乙二胺偶联到CD上，然后与铜盐作用形成桥联环糊精（A部分）它催化糠偶姻（B部分）氧化成糠偶酰的反应，比没有催化剂时大20倍。二、肽酶肽酶（pepzyme）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。Atassi和Manshouri利用化学和晶体图像数据有关信息，采用“表面刺激”合成法合成了两个29肽。模拟α－胰凝乳蛋白酶活性部位模拟胰蛋白酶的活性部位，水解蛋白的活力分别与其模拟的酶相同三、半合成酶以天然蛋白质或酶为母体，用化学或生物学方法引进适当的活性部位或催化基团，或改变其结构从而形成一种新的“人工酶”。1、选择性修饰氨基酸侧链（化学诱变法）Bender等首次成功地将枯草杆菌蛋白酶活性部位的丝氨酸（Ser）残基，经PMSF活化后．再用巯基化合物取代，将丝氨酸转化为半胱氨酸。特点：对肽或酯没有水解活力，但能水解高度活化的底物（如硝基苯酯）2、将辅酶引入到结构已知的蛋白质上。例如：黄素木瓜蛋白酶黄素的溴酰衍生物可与木瓜蛋白酶的Cys25共价结合成黄素木瓜蛋白酶。特点：酶活力可与老黄素酶相当。其他的辅酶（如维生素B1、吡哆醛、卟啉等）都可以共价偶联到某些酶的结合部位，从而产生新的实用催化剂。3、在抗体结合...
