1、第八章第八章 酶的人工模拟或模拟酶酶的人工模拟或模拟酶第一节第一节 模拟酶的理论基础和策略模拟酶的理论基础和策略模拟酶的概念模拟酶的概念 二十世纪的大部分时期，科二十世纪的大部分时期，科学家一直在利用化学模拟作为阐学家一直在利用化学模拟作为阐明自然界中生物体行为的基础。明自然界中生物体行为的基础。早在二十世纪中叶，人们就早在二十世纪中叶，人们就已认识到研究和模拟生物体系是已认识到研究和模拟生物体系是开辟新技术的途径之一，并自觉开辟新技术的途径之一，并自觉地把生物界作为各种技术思想、地把生物界作为各种技术思想、设计原理和发明创造的源泉。设计原理和发明创造的源泉。通过对生物体系的结构与功通过对生物
2、体系的结构与功能的研究，为设计和建造新的技能的研究，为设计和建造新的技术提供新的思想、新原理、新方术提供新的思想、新原理、新方法和新途径。法和新途径。设计一种象酶那样的高效催设计一种象酶那样的高效催化剂是科学家们一直追求的目标。化剂是科学家们一直追求的目标。而对酶功能的模拟是当今自然科而对酶功能的模拟是当今自然科学领域中的前沿课题之一。学领域中的前沿课题之一。在过去的在过去的2020年里，化学家对年里，化学家对利用简单的分子模型构建酶的特利用简单的分子模型构建酶的特征进行了深入的研究。征进行了深入的研究。经过长期的努力，新的催化经过长期的努力，新的催化剂剂 模拟酶就逐渐被研制和开模拟酶就逐渐被
3、研制和开发出来。发出来。模拟酶又称人工酶或酶模型。模拟酶又称人工酶或酶模型。生物有机化学的一个分支。生物有机化学的一个分支。由于天然酶的种类繁多，模由于天然酶的种类繁多，模拟的途径、方法、原理和目的不拟的途径、方法、原理和目的不同，对模拟酶至今没有一个公认同，对模拟酶至今没有一个公认的定义。的定义。一般说来，一般说来，模拟酶是在分子模拟酶是在分子水平上模拟酶活性部位的形状、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及酶的作用机理和立体化学等特性的一门科学。性的一门科学。模拟酶的研究就是吸收酶中模拟酶的研究就是吸收酶中那些起主
4、导作用的因素利用有机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合成一些较天然酶简单的非蛋白分子或蛋白质分子，以这些分子分子或蛋白质分子，以这些分子作为模型来模拟酶对其作用底物作为模型来模拟酶对其作用底物的结合和催化过程。的结合和催化过程。因此，模拟酶是从分子水平因此，模拟酶是从分子水平上模拟生物功能的一门边缘科学。上模拟生物功能的一门边缘科学。迄今为止，已经有了多种类型的模拟酶：迄今为止，已经有了多种类型的模拟酶：小分子仿酶体系有环糊精、冠醚、环小分子仿酶体系有环糊精、冠醚、环 番、环芳烃和卟啉等大环化合物等。番、环芳烃和卟
5、啉等大环化合物等。大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分 子印迹酶模型和胶束酶模型等。子印迹酶模型和胶束酶模型等。利用化学修饰、基因突变等手段改造利用化学修饰、基因突变等手段改造 天然酶产生了具有新的催化活性的半天然酶产生了具有新的催化活性的半 合成人工酶。合成人工酶。其中，抗体酶就是一个典型其中，抗体酶就是一个典型的例子，抗体酶的出现和快速发的例子，抗体酶的出现和快速发展为酶的人工模拟又开辟了一条展为酶的人工模拟又开辟了一条新的道路。新的道路。二、模拟酶的理论基础二、模拟酶的理论基础 1模拟酶的酶学基础模拟酶的酶学基础 酶是如何发生效力的？对酶酶是如何发生效力的？对
6、酶的催化机制，人们提出了很多理的催化机制，人们提出了很多理论，试图从不同角度阐述酶发挥论，试图从不同角度阐述酶发挥高效率的原因。高效率的原因。在众多的假说中，在众多的假说中，Pauling在在1946年提出的的过渡态理论得到年提出的的过渡态理论得到了广泛的认同。了广泛的认同。基于基于Pauling稳定过渡态理论，稳定过渡态理论，目前对酶的催化机制解释是酶先目前对酶的催化机制解释是酶先与底物结合，进而选择性稳定某与底物结合，进而选择性稳定某一特定反应的过渡态一特定反应的过渡态(TS)，降低反，降低反应的活化能，从而加快反应速度。应的活化能，从而加快反应速度。设计模拟酶：设计模拟酶：基于酶的作用机
7、制，基于酶的作用机制，基于对简化的人工体系中识基于对简化的人工体系中识别、结合和催化的研究。别、结合和催化的研究。要想得到一个真正有效的模要想得到一个真正有效的模拟酶，这两方面就必须统一结合。拟酶，这两方面就必须统一结合。在设计模拟酶时除具备催化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基团之外，还要考虑到与底物定向结合的能力。模拟酶要和酶一向结合的能力。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、键的扭曲及变形来物的定向化、键的扭曲及变形来降低反应的活化能。降低反应的活化能。酶模型的催化基团和底物之酶模型的催化基团和底物之间必须具有相互匹配的立
8、体化学间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特征，这对形成良好的反应特异性和催化效力是相当重要的。性和催化效力是相当重要的。2.超分子化学超分子化学 Pederson和和Cram报道了一系报道了一系列光学活性冠醚的合成方法。这列光学活性冠醚的合成方法。这些冠醚可以作为主体而与伯铵盐些冠醚可以作为主体而与伯铵盐客体形成复合物。客体形成复合物。Cram把主体与客体通过配位把主体与客体通过配位键或其它次级键形成稳定复合物键或其它次级键形成稳定复合物的化学领域称为的化学领域称为“主主-客体客体”化学化学(host-guest chemistry)。主主-客体化学的基本意义来源客体化学
9、的基本意义来源于酶和底物的相互作用，体现为于酶和底物的相互作用，体现为主体和客体在结合部位的空间及主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补，这种主客体互电子排列的互补，这种主客体互补与酶和它所识别的底物结合情补与酶和它所识别的底物结合情况近似。况近似。主主-客体化学和超分子化学已客体化学和超分子化学已成为酶人工模拟的重要理论基础，成为酶人工模拟的重要理论基础，是人工模拟酶研究的重要理论武是人工模拟酶研究的重要理论武器。器。根据酶催化反应机理，若合根据酶催化反应机理，若合成出能识别底物又具有酶活性部成出能识别底物又具有酶活性部位催化基团的主体分子，就能有位催化基团的主体分子，就能有效地模拟酶的
10、催化过程。效地模拟酶的催化过程。通常，在设计模拟酶之前，应当对酶通常，在设计模拟酶之前，应当对酶的结构和酶学性质有深入的了解：的结构和酶学性质有深入的了解：(1)酶活性中心酶活性中心-底物复合物的结底物复合物的结构；构；(2)酶的专一性及其同底物结合的酶的专一性及其同底物结合的方式与能力；方式与能力；(3)反应的动力学及各中间物的知反应的动力学及各中间物的知识。识。设计人工酶模型应考虑如下因素：设计人工酶模型应考虑如下因素：非共价相互作用是生物酶柔韧性、可非共价相互作用是生物酶柔韧性、可变性和专一性的基础，故酶模型应为底物变性和专一性的基础，故酶模型应为底物提供良好的微环境，便于与底物，特别是
11、提供良好的微环境，便于与底物，特别是反应的过渡态以离子键、氢键等结合；反应的过渡态以离子键、氢键等结合；精心挑选的催化基团必须相对于结合精心挑选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，以促使点尽可能同底物的功能团相接近，以促使反应定向发生；反应定向发生；模型应具有足够的水溶性，并在接近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。生理条件下保持其催化活性。在设计模拟酶方面，尽管有在设计模拟酶方面，尽管有上述理论做指导，但是，目前尚上述理论做指导，但是，目前尚缺乏系统的定量的理论体系。缺乏系统的定量的理论体系。令人欣喜的是，大量的实践证明，令人欣喜的是，大量的实践证明，
12、酶的高效性和高选择性并非天然酶所酶的高效性和高选择性并非天然酶所独有，人们利用各种策略发展了多种独有，人们利用各种策略发展了多种人工酶模型。人工酶模型。目前，在众多的模拟酶中，已有目前，在众多的模拟酶中，已有部分非常成功的例子，它们的催化效部分非常成功的例子，它们的催化效率和高选择性已能与生物酶相媲美。率和高选择性已能与生物酶相媲美。第二节第二节 模拟酶的分类模拟酶的分类 根据根据Kirby分类法，模拟酶可分为：分类法，模拟酶可分为：(1)单纯酶模型单纯酶模型(enzyme-based mimics)，即，即以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活
13、性；造酶活性；(2)机理酶模型机理酶模型(mechanism-based mimics)，即通过对酶作用机制诸如识别、结合和过渡态即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；稳定化的认识，来指导酶模型的设计和合成；(3)单纯合成的酶样化合物单纯合成的酶样化合物(synzyme)，即一，即一些化学合成的具有酶样催化活性的简单分子。些化学合成的具有酶样催化活性的简单分子。按照模拟酶的属性，模拟酶可分为：按照模拟酶的属性，模拟酶可分为：(1)主主客体酶模型，包括环糊精、客体酶模型，包括环糊精、冠醚、穴醚、杂环大环化合物和卟啉冠醚、穴醚、杂环大环化合物和卟啉类等；类
14、等；(2)胶束酶模型；胶束酶模型；(3)肽酶；肽酶；(4)抗体酶；抗体酶；(5)分子印迹酶模型；分子印迹酶模型；(6)半合成酶等。半合成酶等。近年来又出现了杂化酶和进化酶。近年来又出现了杂化酶和进化酶。对酶的模拟已不是仅限于化学手段，对酶的模拟已不是仅限于化学手段，基因工程、蛋白质工程等分子生物学基因工程、蛋白质工程等分子生物学手段正在发挥越来越大的作用。化学手段正在发挥越来越大的作用。化学和分子生物学方法的结合使酶模拟更和分子生物学方法的结合使酶模拟更加成熟起来。加成熟起来。一、主客体酶模型一、主客体酶模型 1 1环糊精酶模型环糊精酶模型 环糊精环糊精(Cyclodextrin(Cyclod
15、extrin 简称简称 CD)CD)是由多个是由多个D-D-葡萄糖以葡萄糖以(1,4)(1,4)糖苷键糖苷键结合而成的一类环状低聚糖。结合而成的一类环状低聚糖。根据葡萄糖单元的数量不同可分为(6个)，(7个)及(8个)环糊精三种 CD略呈锥形的圆筒，略呈锥形的圆筒，其伯羟基（其伯羟基（C6）和仲羟基（）和仲羟基（C2、C3）分别位于圆筒）分别位于圆筒较小和较大开口端。较小和较大开口端。这样，这样，CD分子外侧是亲水的，分子外侧是亲水的，其羟基可与多种客体形成氢键，其羟基可与多种客体形成氢键，其内侧是其内侧是C-3，C-5上的氢原子和上的氢原子和糖苷氧原子组成的空腔，故具有糖苷氧原子组成的空腔，
16、故具有疏水性，因而能包结多种客体分疏水性，因而能包结多种客体分子，很类似酶对底物的识别。子，很类似酶对底物的识别。作为人工酶模型的主体分子虽有作为人工酶模型的主体分子虽有若干种，但迄今被广泛采用且较为优若干种，但迄今被广泛采用且较为优越的当属环糊精。越的当属环糊精。CD分子和底物的结合常数不及某分子和底物的结合常数不及某些酶对底物的结合常数大，因此以些酶对底物的结合常数大，因此以CD为主体的仿酶研究工作过去主要为主体的仿酶研究工作过去主要集中在对集中在对CD的修饰上，即在的修饰上，即在CD的两的两面引入催化基团，通过柔性或刚性加面引入催化基团，通过柔性或刚性加冕引入疏水基团，以改善冕引入疏水基
17、团，以改善CD的疏水的疏水结合和催化功能。结合和催化功能。这样得到的修饰这样得到的修饰CD通常只有单通常只有单包结部位和双重识别作用。包结部位和双重识别作用。由于酶是通过对底物的多部位包由于酶是通过对底物的多部位包结并具有多重识别位点来实现酶促反结并具有多重识别位点来实现酶促反应的高效性和高选择性的。为了增加应的高效性和高选择性的。为了增加环糊精的仿酶效果，近年来相继出现环糊精的仿酶效果，近年来相继出现了桥联环糊精和聚合环糊精。以它们了桥联环糊精和聚合环糊精。以它们为仿酶模型可以得到双重或多重疏水为仿酶模型可以得到双重或多重疏水结合作用和多重识别作用。结合作用和多重识别作用。利用环糊精为酶模型
18、已对多种酶利用环糊精为酶模型已对多种酶的催化作用进行了模拟。的催化作用进行了模拟。在水解酶、核糖核酸酶、转氨酶、在水解酶、核糖核酸酶、转氨酶、氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和氧化还原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羟醛缩合酶等方面都取得了很大的进羟醛缩合酶等方面都取得了很大的进展。展。水解酶的模拟水解酶的模拟 -胰凝乳蛋白酶是一种蛋白水解酶。胰凝乳蛋白酶是一种蛋白水解酶。它具有疏水性的环状结合部位，能有它具有疏水性的环状结合部位，能有效包结芳环，催化部位中含有效包结芳环，催化部位中含有57号组号组氨酸咪唑基，氨酸咪唑基，102号天冬氨酸羧基及号天冬氨酸羧基及195号丝氨酸羟基，三者共同组成了号丝氨酸羟
19、基，三者共同组成了所谓的所谓的“电荷中继系统电荷中继系统”，在催化底，在催化底物水解时起关键作用。物水解时起关键作用。-胰凝乳胰凝乳蛋白酶蛋白酶 -胰凝乳蛋白酶的模拟胰凝乳蛋白酶的模拟:在在-环状糊精的侧链环状糊精的侧链上接上一些基团，合成出了如下图的模拟酶。利用上接上一些基团，合成出了如下图的模拟酶。利用-环状糊精作为酶的结合部位，使羧基、咪唑基以环状糊精作为酶的结合部位，使羧基、咪唑基以及环糊精自身的羟基共同构成了催化中心，由此实现及环糊精自身的羟基共同构成了催化中心，由此实现了了-胰凝乳蛋白酶的全模拟。胰凝乳蛋白酶的全模拟。-胰凝乳蛋白酶的模拟酶胰凝乳蛋白酶的模拟酶 Bender等人将实
20、现了电荷中继系统的酰基酶催化部位引入CD的第二面，成功地制备出人工酶-Benzyme。COOHOHNNH1S-Benzyme -Benzyme催化对叔丁基苯基醋酸酯(p-NPAc)的水解比天然酶快一倍以上，kcat/K m也与天然酶相当。-Benzyme曾以实现了天然酶的高效催化作用机理而闻名于世。组氨酸咪唑基在酶催化中起着重组氨酸咪唑基在酶催化中起着重要作用，将咪唑与环糊精相连结会获要作用，将咪唑与环糊精相连结会获得更理想的模拟酶。得更理想的模拟酶。Rama等人将等人将咪唑在咪唑在N上直接与上直接与-CD的的C-3相连，相连，所得的模型所得的模型2催化催化p-NPAc的水解比的水解比天然酶快
21、一个数量天然酶快一个数量级。级。NN2 2 著名科学家著名科学家Breslow在环糊精仿在环糊精仿酶领域做了大量而出色的工作。酶领域做了大量而出色的工作。认为模拟酶增加催化效率的关键认为模拟酶增加催化效率的关键是要增加环糊精对底物过渡态的结合是要增加环糊精对底物过渡态的结合能力。能力。最简单的方法是修最简单的方法是修饰底物来增加底物同饰底物来增加底物同 CD的结合，从而可能增的结合，从而可能增加对过渡态的结合。加对过渡态的结合。设计了一系列以二设计了一系列以二茂铁茂铁(二环戊二烯基合铁二环戊二烯基合铁)、金刚烷金刚烷(三环癸烷三环癸烷)为结合为结合位点的硝基苯酯，以位点的硝基苯酯，以CD本身为
22、催化剂可加速酯本身为催化剂可加速酯水解达水解达105106倍。倍。FeCOOPNP3 3核糖核酸酶的模拟核糖核酸酶的模拟 核糖核酸酶有两个组氨酸咪唑基及一核糖核酸酶有两个组氨酸咪唑基及一个质子化赖氨酸氨基处于活性中心，在它个质子化赖氨酸氨基处于活性中心，在它的催化下的催化下RNARNA的磷酸酯水解分两步进行，的磷酸酯水解分两步进行，两个咪唑基交替起着广义酸和广义碱的作两个咪唑基交替起着广义酸和广义碱的作用，使基团质子化或增加亲核基团的亲核用，使基团质子化或增加亲核基团的亲核性。性。Breslow等人以等人以-环状糊精为基础，环状糊精为基础，引入其它的化学基团可以合成出如图的两引入其它的化学基团
23、可以合成出如图的两种修饰环状糊精模拟酶种修饰环状糊精模拟酶A和和B，这两种修，这两种修饰环状糊精能够催化磷酸二酯的水解，被饰环状糊精能够催化磷酸二酯的水解，被认为是很好的核糖核酸酶模型认为是很好的核糖核酸酶模型 当环状磷酸当环状磷酸二酯在碱性条件二酯在碱性条件下水解时，可同下水解时，可同时产生产物时产生产物C和和D，而在模拟酶，而在模拟酶A的催化下水解的催化下水解反应只生成反应只生成C，在模拟酶在模拟酶B的催的催化下水解反应只化下水解反应只生成生成D。修饰环状糊精模拟核糖核酸酶催化的水解反应修饰环状糊精模拟核糖核酸酶催化的水解反应 转氨酶的模拟转氨酶的模拟 磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是许多涉及氨基
24、磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是许多涉及氨基酸的酶促转化的辅酶。其中最重要的是转氨酶酸的酶促转化的辅酶。其中最重要的是转氨酶催化的酮酸与氨基酸之间的相互转化。吡哆醛催化的酮酸与氨基酸之间的相互转化。吡哆醛(胺胺)本身亦能实现转氨作用，但由于辅酶本身本身亦能实现转氨作用，但由于辅酶本身无底物结合部位，反应速度远不如酶存在时快。无底物结合部位，反应速度远不如酶存在时快。显然，有效的转氨酶模型除了具有辅酶体系外，显然，有效的转氨酶模型除了具有辅酶体系外，还应有特定的结合部位，这种结合部位能够选还应有特定的结合部位，这种结合部位能够选择性地与底物形成复合物。择性地与底物形成复合物。1980年报道了第一个人工转
25、氨酶模型年报道了第一个人工转氨酶模型。在它的存在下，苯并咪唑基酮酸转氨基酸在它的存在下，苯并咪唑基酮酸转氨基酸速度比吡哆胺单独存在时快速度比吡哆胺单独存在时快200倍，而且倍，而且表现出良好的底物选择性。表现出良好的底物选择性。S N NH 2 HO CH 3 6 6 转氨酶模型转氨酶模型 由于由于-CD-CD本身具有手性，可以预料本身具有手性，可以预料产物氨基酸亦应该具有光学活性，事实上产物氨基酸亦应该具有光学活性，事实上产物中产物中D D，L L异构体的含量确实不同，说明异构体的含量确实不同，说明该人工酶有一定的立体选择性。该人工酶有一定的立体选择性。Tabushi Tabushi等人将催
26、化基团氨基引入等人将催化基团氨基引入CDCD得到得到模拟酶。乙二胺的引入不仅使反应加速模拟酶。乙二胺的引入不仅使反应加速20002000倍倍以上，还为氨基酸的形成造就了一个极强的手以上，还为氨基酸的形成造就了一个极强的手性环境。靠近乙二胺一面的质子转移受到抑制，性环境。靠近乙二胺一面的质子转移受到抑制，从而表现出很好的立体选择性。从而表现出很好的立体选择性。N NH 2 CH 3 OH S NH NH 2 7 7 转氨酶模型转氨酶模型 Han Han等人合成了一系列含核糖的环糊等人合成了一系列含核糖的环糊精酶模型，它兼具核酸酶、连接酶、磷酸精酶模型，它兼具核酸酶、连接酶、磷酸脂酶和磷酸化酶的活
27、性脂酶和磷酸化酶的活性 研究表明，核糖中的相临二羟基对催研究表明，核糖中的相临二羟基对催化起着关键作用。它水解环状磷酸脂的速化起着关键作用。它水解环状磷酸脂的速率提高率提高3333倍。倍。桥联环糊精仿酶模型桥联环糊精仿酶模型 桥联桥联CD是近年来发展起来的一类新是近年来发展起来的一类新型仿酶模型，它的两个型仿酶模型，它的两个CD及桥基上的功及桥基上的功能基构成了具有协同包结和多重识别功能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，能更好的模拟酶对底物的催化活性中心，能更好的模拟酶对底物的识别与催化功能。的识别与催化功能。Breslow研究小组发展了一种新方法，试图利用研究小组发展了一种
28、新方法，试图利用组合化学技术筛选与环糊精客体具有高选择性结合的组合化学技术筛选与环糊精客体具有高选择性结合的小肽分子，以便获得高活性的催化水解肽酶模型。他小肽分子，以便获得高活性的催化水解肽酶模型。他们制备了含镍的水扬酚环糊精复合物们制备了含镍的水扬酚环糊精复合物。以它们为受体在三肽库中进行筛选。此库含有氨以它们为受体在三肽库中进行筛选。此库含有氨基酸编码基酸编码AA3-AA2-AA1-NH（CH2）2-TentaGel,库库容为容为293（24389）。筛选结果表明，含有）。筛选结果表明，含有L-Phe-D-Pro X和和D-Phe-L-Pro X结构的三肽对环糊精具有非结构的三肽对环糊精具
29、有非常显著的选择性结合能力。这为获得高活性的肽催化常显著的选择性结合能力。这为获得高活性的肽催化水解酶模型开辟了一条新路。水解酶模型开辟了一条新路。胡罗卜素是人体所需的重要营养物胡罗卜素是人体所需的重要营养物质。其正中的双键被氧化后得到两分子的质。其正中的双键被氧化后得到两分子的视黄醛，它是维生素视黄醛，它是维生素A 的前体。胡罗卜素的前体。胡罗卜素氧化酶氧化酶(CDOs)可选择性地氧化可选择性地氧化C15=C15 键，从而将胡罗卜素转化为视黄醛。键，从而将胡罗卜素转化为视黄醛。为了模拟这一立体选择性的系统，为了模拟这一立体选择性的系统，French 等人合成了含卟啉的桥联等人合成了含卟啉的桥
30、联CD，可，可以选择性地氧化以选择性地氧化C15=C15 键。键。他们的设计思路是：他们的设计思路是：（1 1）合成的桥联）合成的桥联CDCD对底物胡罗卜素的结合远对底物胡罗卜素的结合远 大于产物视黄醛，这样避免了产物抑大于产物视黄醛，这样避免了产物抑 制；制；（2 2）引入能催化双键的金属卟啉作为活性中）引入能催化双键的金属卟啉作为活性中 心。心。实验证明，尽管实验证明，尽管2 2、9 9位双键也被氧化，位双键也被氧化，但是选择性催化但是选择性催化C15=C15 C15=C15 键是主要的。键是主要的。同天然酶相比，模拟物催化底物中心双键同天然酶相比，模拟物催化底物中心双键的可能性相当，均为
31、的可能性相当，均为20-25%20-25%。细胞色素是机体内重要的抗氧化酶。细胞色素是机体内重要的抗氧化酶。人们对它进行了多种模拟。以环糊精为主人们对它进行了多种模拟。以环糊精为主体分子合成了很多模型系统。体分子合成了很多模型系统。最主要的模型系统是最近最主要的模型系统是最近Breslow研究小组研究小组合成的四桥联环糊精模拟合成的四桥联环糊精模拟P-450酶模型。酶模型。它的设计别巨匠心，它将它的设计别巨匠心，它将P-450活性活性中心的金属卟啉分子与四个环糊精分子相中心的金属卟啉分子与四个环糊精分子相连构成了既具有底物结合部位又有催化基连构成了既具有底物结合部位又有催化基团的小分子酶模型。
32、团的小分子酶模型。为了催化甾体为了催化甾体C-9 C-9 的特异性羟化，他们设的特异性羟化，他们设计了与环糊精空腔特异计了与环糊精空腔特异性结合的底物。此底物性结合的底物。此底物分子是经甾体与叔丁基分子是经甾体与叔丁基苯衍生物酯化，引入与苯衍生物酯化，引入与环糊精特异结合的叔丁环糊精特异结合的叔丁基苯。研究发现在亚碘基苯。研究发现在亚碘酰基苯（酰基苯（PhIOPhIO）氧化下，氧化下，四桥联环糊精酶模型将四桥联环糊精酶模型将底物底物2 2完全转化为完全转化为C-6C-6羟羟基基5 5，表现出相当高的立，表现出相当高的立体选择性。体选择性。谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶(GPX，EC.1.
33、11.1.9)为含硒酶，是生物体内重要的抗氧化物酶，为含硒酶，是生物体内重要的抗氧化物酶，能有效消除体内的自由基，同超氧化物歧能有效消除体内的自由基，同超氧化物歧化酶和过氧化氢酶共同作用，防止脂质过化酶和过氧化氢酶共同作用，防止脂质过氧化。因而在治疗和预防克山病、心血管氧化。因而在治疗和预防克山病、心血管病、肿瘤等疾病具有明显效果。病、肿瘤等疾病具有明显效果。但是，此酶的来源有限，稳定性差，但是，此酶的来源有限，稳定性差，以及分子量大等缺点，限制了它的实际应以及分子量大等缺点，限制了它的实际应用，因此，人们把注意力集中在对此酶的用，因此，人们把注意力集中在对此酶的人工模拟上。人工模拟上。罗贵民
34、等利用环糊精为底物结合部位，硒罗贵民等利用环糊精为底物结合部位，硒为催化基团，制备出系列双硒（碲）桥联环糊为催化基团，制备出系列双硒（碲）桥联环糊精精)。硒（碲）化环糊精均表现很高的。硒（碲）化环糊精均表现很高的GPX活性，活性，为世界上最好的为世界上最好的GPX模拟物模拟物PZ51的的4.3、7.5倍倍和和46倍。倍。OHOOH OHOOH OHSeO622、合成的主、合成的主-客体酶模型客体酶模型 主客体化学和超分子化学的迅速发展主客体化学和超分子化学的迅速发展极大地促进了人们对酶催化的认识，同时极大地促进了人们对酶催化的认识，同时也为构建新的模拟酶创造了条件。除天然也为构建新的模拟酶创造
35、了条件。除天然存在的宿主酶模型存在的宿主酶模型(如环糊精如环糊精)外，人们合外，人们合成了冠醚、穴醚、环番、环芳烃等大环多成了冠醚、穴醚、环番、环芳烃等大环多齿配体用来构筑酶模型。齿配体用来构筑酶模型。目前，科学家们已经获得了很多较成目前，科学家们已经获得了很多较成功的人工模拟酶。功的人工模拟酶。合理的人工酶的设计首先是优化对底合理的人工酶的设计首先是优化对底物的结合，其次是催化基团的定位。早期物的结合，其次是催化基团的定位。早期以冠醚和环番为宿主的模拟酶，尽管没有以冠醚和环番为宿主的模拟酶，尽管没有获得高效催化，但却明显加速了反应速度。获得高效催化，但却明显加速了反应速度。LehnLehn等
36、人制备了一个含有半胱氨酸残基的大环等人制备了一个含有半胱氨酸残基的大环手性模拟酶。它具有与伯铵盐的络合能力，分手性模拟酶。它具有与伯铵盐的络合能力，分子内的巯基将结合的二肽酯巯解。子内的巯基将结合的二肽酯巯解。例如它对甘氨酰苯甲氨酸对硝基苯酯例如它对甘氨酰苯甲氨酸对硝基苯酯盐盐L-L-异构体有较大的选择催化能力。伯铵异构体有较大的选择催化能力。伯铵盐在冠醚孔穴中的络合以及半胱氨酸巯基盐在冠醚孔穴中的络合以及半胱氨酸巯基的参与可以生成的参与可以生成S-S-酰化中间体，致使酯的酰化中间体，致使酯的水解速率提高水解速率提高10103 3-10-104 4倍。倍。这种人工模拟酶兼具分子络合作用、这种人
37、工模拟酶兼具分子络合作用、手性识别作用和催化作用，与天然酶十分手性识别作用和催化作用，与天然酶十分类似。类似。含氮大环聚胺质子化可以作为阴离子受含氮大环聚胺质子化可以作为阴离子受体模拟酶的模型。体模拟酶的模型。Lehn等人合成了一种优异的穴状配体等人合成了一种优异的穴状配体24-冠冠-N6O2。它可利用电性作用力和氢键结合多聚它可利用电性作用力和氢键结合多聚磷酸阴离子。研究表明此酶模型在磷酸阴离子。研究表明此酶模型在pH2.58.5之间可明显水解之间可明显水解ATP生成生成ADP或或AMP，在催化过程中形成磷酰胺中间，在催化过程中形成磷酰胺中间体，当体，当pH=7时可加速时可加速ATP水解水解
38、500倍。倍。最出色的合成配体可能是最出色的合成配体可能是Cram等人制备等人制备的球状配体，它由环状尿素连结而成孔穴状结的球状配体，它由环状尿素连结而成孔穴状结构。球状配体是构。球状配体是Cram等人合成的等人合成的-胰凝乳蛋白胰凝乳蛋白酶模拟物。它催化的目标为酰基转移反应。尽酶模拟物。它催化的目标为酰基转移反应。尽管它还不能模拟脱酰化过程，这种模拟酶的催管它还不能模拟脱酰化过程，这种模拟酶的催化效率已与天然酶相当。化效率已与天然酶相当。模拟酶的成功因素之一是结合作用。模拟酶的成功因素之一是结合作用。如果能将两种底物结合在同一结合部位就如果能将两种底物结合在同一结合部位就能很好地发挥作用。能
39、很好地发挥作用。Sanders等人制备了系列低聚卟啉，等人制备了系列低聚卟啉，它能将适当的底物结合在同一空腔内而催它能将适当的底物结合在同一空腔内而催化二者反应。结合控制着反应的立体化学，化二者反应。结合控制着反应的立体化学，在在Diels-Alder反应中，反式产物是顺式产反应中，反式产物是顺式产物的物的103倍。倍。Rebek等人以氢键为驱动力，设计了酯的等人以氢键为驱动力，设计了酯的酰胺化酶模型。酰胺化酶模型。它以嘌呤（它以嘌呤（adenine）衍生物为底物催化对）衍生物为底物催化对硝基苯酯的酰胺化。硝基苯酯的酰胺化。在室温下氯仿溶液中催化双底物，提高催在室温下氯仿溶液中催化双底物，提高
40、催化效率化效率160倍。倍。冠醚化合物的模拟酶冠醚化合物的模拟酶 冠醚具有和金属离子、铵离子以及有冠醚具有和金属离子、铵离子以及有机伯铵离子形成稳定的络合物的独特性质，机伯铵离子形成稳定的络合物的独特性质，通过巧妙的设计，可将一些具有催化活性通过巧妙的设计，可将一些具有催化活性的基团连接到冠醚分子上，就能很好地模的基团连接到冠醚分子上，就能很好地模拟酶的催化作用。拟酶的催化作用。由于手性冠醚分子在络合氨基酸酯时由于手性冠醚分子在络合氨基酸酯时具有很高的选择性，也为模拟酶的活性部具有很高的选择性，也为模拟酶的活性部位设计提供了良好的基础。位设计提供了良好的基础。1）水解酶的模拟水解酶的模拟 以冠
41、醚化合物分子的冠醚环作为结合以冠醚化合物分子的冠醚环作为结合部位，含醚侧臂或亚甲基为立体识别部位，部位，含醚侧臂或亚甲基为立体识别部位，侧臂末端为催化部位，可以合成出一系列侧臂末端为催化部位，可以合成出一系列冠醚水解酶模拟物冠醚水解酶模拟物.冠醚水解酶模拟物冠醚水解酶模拟物 A、B、C等三种模拟酶等三种模拟酶 冠醚模拟酶可有效模拟水解酶的催化能力表 氨基-对-硝基苯酯释放对硝基苯酚的速率常数在冠醚模拟酶在冠醚模拟酶A、B、C存在时，各种氨基酸的盐与冠醚环结合使在存在时，各种氨基酸的盐与冠醚环结合使在-SH附近底附近底物有较高的浓度，可使反应速度加快。物有较高的浓度，可使反应速度加快。2）肽合成
42、酶的模拟模拟肽合成酶的含巯基冠醚化合物 模拟肽合成酶的冠醚化合物 二、二、胶束模拟酶胶束模拟酶 在模拟生物体系的研究中，胶束模拟在模拟生物体系的研究中，胶束模拟酶是近年来比较活跃的领域之一。它不仅酶是近年来比较活跃的领域之一。它不仅涉及简单的胶束体系，而且对功能化胶束、涉及简单的胶束体系，而且对功能化胶束、混合胶束、聚合物胶束等体系也进行了深混合胶束、聚合物胶束等体系也进行了深入的探索。入的探索。长链的疏水尾巴长链的疏水尾巴+“+“头部头部”基团基团单体单体单层单层胶束胶束临临界界胶胶束束浓浓度度 胶束在水溶液中提供了疏水微环境，胶束在水溶液中提供了疏水微环境，可以对底物束缚，类似于酶的结合部
43、位。可以对底物束缚，类似于酶的结合部位。如果将催化基团如咪唑、硫醇、羟基和一如果将催化基团如咪唑、硫醇、羟基和一些辅酶共价或非共价地连接或吸附在胶束些辅酶共价或非共价地连接或吸附在胶束上，就有可能提供上，就有可能提供“活性中心活性中心”部位，使部位，使胶束成为具有酶活性或部分酶活性的胶束胶束成为具有酶活性或部分酶活性的胶束模拟酶。模拟酶。摸拟水解酶的胶束酶模型摸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。如将表面活性剂分中心必需的催化基团。如将表面活性剂分子上连接上组氨酸残基或咪唑基团上，就子上连接上组氨酸残基或咪唑基团上，就有可能
44、形成模拟水解酶的胶束。有可能形成模拟水解酶的胶束。例如，例如，N-N-十四酰基组氨酸所形成十四酰基组氨酸所形成的胶束催化对硝基苯酚乙酸酯的水解，的胶束催化对硝基苯酚乙酸酯的水解，其催化效率比不能形成胶束的其催化效率比不能形成胶束的N-N-乙酰乙酰基组氨酸高基组氨酸高33003300倍。倍。如果将上述含咪唑基的胶束中加入带如果将上述含咪唑基的胶束中加入带羟基的表面活性剂羟基的表面活性剂N,N-二甲基二甲基-N-(2-羟乙羟乙基基)十八烷基氨溴化物，让它们共同催化十八烷基氨溴化物，让它们共同催化对硝基苯酚乙酸酯对硝基苯酚乙酸酯(PNPA)的水解，则发的水解，则发现这个酰基咪唑中间体形成后又分解，酰
45、现这个酰基咪唑中间体形成后又分解，酰基从咪唑基上又转移到羟基上，与基从咪唑基上又转移到羟基上，与-胰凝胰凝乳蛋白酶水解一些底物很相似。乳蛋白酶水解一些底物很相似。人们将表面活性剂利用化学反应偶联人们将表面活性剂利用化学反应偶联在一起，制备出单分子胶束模拟酶，这种在一起，制备出单分子胶束模拟酶，这种模拟酶比一般胶束模拟酶优越，它既具备模拟酶比一般胶束模拟酶优越，它既具备酶的疏水特性，同时又可以使催化基团引酶的疏水特性，同时又可以使催化基团引入疏水空腔，其催化效率提高了入疏水空腔，其催化效率提高了105倍。倍。2、辅酶的胶束酶模型、辅酶的胶束酶模型 将疏水性维生素将疏水性维生素B6长链衍生物与阳离
46、长链衍生物与阳离子胶束混合形成的泡囊体系中，在子胶束混合形成的泡囊体系中，在Cu 2+存在下可将酮酸转化为氨基酸，有效地模存在下可将酮酸转化为氨基酸，有效地模拟了以维生素拟了以维生素B6为辅酶的转氨基作用，氨为辅酶的转氨基作用，氨基酸的收率达基酸的收率达52%。3、金属胶束酶模型、金属胶束酶模型 金属胶束是指带疏水链的金属配合物金属胶束是指带疏水链的金属配合物单独或与其他表面活性剂共同形成的胶束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。该体系的研究目前构和疏水性的微环境。该体系的研究目前已取得引人注目的成绩，
47、特别是在模拟羧已取得引人注目的成绩，特别是在模拟羧肽酶肽酶A、碱性磷酸酯酶、氧化酶、转氨酶、碱性磷酸酯酶、氧化酶、转氨酶等方面取得了很大成功。等方面取得了很大成功。Tonellato等人以等人以-吡啶甲酸对硝基苯吡啶甲酸对硝基苯酚酯酚酯(PNPP)为底物，研究了不同表面活为底物，研究了不同表面活性剂配体在性剂配体在Cu2+或或Zn2+存在时催化存在时催化PNPP水解的性能。发现水解的性能。发现Cu2+、Zn2+的存在可使的存在可使PNPP的水解速度显著增大，当的水解速度显著增大，当Cu2+与相与相应的表面活性剂形成应的表面活性剂形成1：1配合物时，水解配合物时，水解反应速度达到最大。反应速度达
48、到最大。三、三、肽酶肽酶 (pepzyme)(pepzyme)肽酶就是模拟天然酶活性部位而人工肽酶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，这是多肽合合成的具有催化活性的多肽，这是多肽合成的一大热点。成的一大热点。Johnsson等人为克服苯丙氨酸工业合等人为克服苯丙氨酸工业合成的关键步骤草酰乙酸脱羧反应中所用酶成的关键步骤草酰乙酸脱羧反应中所用酶需金属辅酶的不便，想探寻与此不同反应需金属辅酶的不便，想探寻与此不同反应机理的不需金属辅酶的脱羧酶。机理的不需金属辅酶的脱羧酶。可借鉴的认识只有：胺可以催化草酰可借鉴的认识只有：胺可以催化草酰乙酸脱羧，其历程是先形成烯胺，进而脱乙酸脱羧，
49、其历程是先形成烯胺，进而脱去去CO2。然而尚未发现采用烯胺历程的天然脱然而尚未发现采用烯胺历程的天然脱羧酶，全新合理设计就成了唯一可行的方羧酶，全新合理设计就成了唯一可行的方法。法。基于胺催化脱羧的六大特征和基于胺催化脱羧的六大特征和-螺旋在催化活性中的重要性的认识，螺旋在催化活性中的重要性的认识，以烯胺机理设计出两个多肽。结果发以烯胺机理设计出两个多肽。结果发现，其催化效率比丁胺高现，其催化效率比丁胺高34个数量个数量级，但比天然酶活性低得多。级，但比天然酶活性低得多。Atassi和和Manshouri利用化学和晶体利用化学和晶体图象数据所提供的主要活性部位残基的序图象数据所提供的主要活性部
50、位残基的序列位置和分隔距离，采用列位置和分隔距离，采用“表面刺激表面刺激”合合成法将构成酶活性部位位置相邻的残基以成法将构成酶活性部位位置相邻的残基以适当的空间位置和取向通过肽键相连，而适当的空间位置和取向通过肽键相连，而分隔距离则用无侧链取代的甘氨酸或半胱分隔距离则用无侧链取代的甘氨酸或半胱氨酸调节，这样就能模拟酶活性部位残基氨酸调节，这样就能模拟酶活性部位残基的空间位置和构象。的空间位置和构象。设计合成的两个设计合成的两个29肽肽ChPepz和和TrPepz分别分别模拟了模拟了-胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶的活性部位，胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶的活性部位，二者水解蛋白的活性分别与其模拟的酶相同；二者
