化学人工酶和生物酶工程

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1、化学人工酶和生物酶工程第八章主讲人　余子全第一节化学人工酶根据合成方法分类半合成酶全合成酶（如抗体酶）此外，根据有关酶和辅酶的知识，用有机化学合成的方法设计、合成比辅酶分子更小简单的辅酶模型化合物，研究其在非酶促条件下的反应活性和催化机理。化学人工酶（Artificalenzyme)：根据酶的催化原理，模拟天然酶的生物催化功能，利用有机化学和生物学的方法合成的具有专一催化功能的酶的模拟物。一、半合成酶(Semisyntheticenzyme)半合成酶：将具有一定结构和功能的物质与特异的蛋白质结合，形成的一类具

2、有新的生物催化功能的催化剂半合成酶的合成方法：1.将具有催化活性的金属或金属有机物与具有特异性的蛋白质相结合2.将具有特异性的物质与具有催化功能的酶相结合Gray与Margalit将电子传递催化剂[Rn钌(NH3)5]3+，与巨头鲸肌红蛋白结合，产生半合成的无机生物酶。肌红蛋白传递氧气，Rn(NH3)5]3+能氧化各种有机物(如抗坏血酸)。接近天然的抗坏血酸氧化酶的活力。（与蛋白结合的优势）美国Schultz小组，寡聚核苷酸链连接到RNA酶的Cys166上。利用寡聚核苷酸链的碱基互补关系，显示出对RNA链特定

3、位点的水解作用。第一个不同于DNA限制性内切酶的RNA限制性内切酶。Kaiser小组，黄素木瓜蛋白酶(FP)木瓜蛋白酶Cys25的巯基参与蛋白质水解反应。8-溴乙酰黄素与此巯基结合后，丧失水解活性，FP催化效率是黄素（黄素氧化还原酶的辅酶）的1000倍，达到了天然黄素氧化还原酶的活性。二、全合成酶这类人工酶不是蛋白质（抗体酶除外），而是一些有机化合物通过引入酶的催化基团来控制空间构象，像天然酶那样能催化特异性的化学反应。抗体酶小分子有机化合物人工聚合物酶抗体酶的理论基础半抗原与催化性抗体抗体酶的制备方法抗体酶

4、应用（一）抗体酶（Abzyme）是一种新型人工酶制剂，是20世纪80年代以来出现的一种具有催化活性的蛋白质，是利用生物学和化学的成果在分子水平交叉渗透研究的产物，其本质上是免疫球蛋白，只是在其易变区被赋予了酶的属性，是一类具有生物催化功能的抗体分子。又称为催化性抗体（CatalyticAntibody），以抗原或半抗原（过渡态类似物）制备的，并能催化其反应的抗体。抗体酶的理论基础抗原与抗体的结合具有高度专一性，这一性质和酶与底物的结合非常相似Anti-cancertumer-targettingabzymeP

5、auling(1948)过渡态理论：酶之所以具有催化活性在于其能够结合并稳定反应底物与产物之间的过渡态构型，降低了底物分子的能量障碍.SE过渡态过渡态类似物Ab底物转变为过渡态过渡态类似物合成酶作为抗原或半抗原AbAb过渡态类似物过渡态补充知识点：如果能够模拟合成出酶催化反应过渡态结构的稳定物质，该物质便能与相应的酶紧密结合，并成为酶的抑制剂，这类物质成为酶的过渡态类似物。酶的过渡态类似物：对酶催化反应过渡态结构的模拟的稳定物质，能与酶紧密结合，是酶的抑制剂。酶与抗体的不同点：酶能够结合并稳定化学反应的过渡态

6、，降低反应的活化能（催化）；而抗体结合的抗原只是一个基态分子，没有催化活性。酶与抗体的共同点：酶分子与它催化反应的过渡态互补，抗体与抗原互补；酶和抗体都是有生物活性的蛋白质。Lerner(1984)提出：若以过渡态类似物为半抗原，则其诱发产生的抗体应该与该类似物具有互补构象；这种抗体与底物结合后，能够诱导底物进入过渡态结构，从而引起催化作用。1986年Lerner在《Science》上发表有关抗体酶研究成果，标志着抗体酶研究进入了一个新阶段。发展历程W.P.Jencks(1969)认为：酶分子与其催化反应的过

7、渡态在结构和电荷两方面呈互补，即酶分子充当了反应物的模板，使底物分子转变为新的构型；如果抗体能结合过渡态，那么在理论上便能获得催化活性。优势1产生新酶2立体专一性3催化不利的反应过程应用医学药物抗病毒工业化工材料抗体酶的反应类型：碳酸盐水解、脂水解、酰胺水解、Claisen重排、酰胺化、内酯化、转酯、光分解（依赖光）、光二聚化、β-消除、顺反异构化、脱羧、金属螯合、亚胺化、氧化等40多种反应。半抗原：是一类小分子化合物，本身不能诱导免疫应答，只有当共价结合到具有免疫性的蛋白质后，注射动物才能诱导出与半抗原特异

8、性结合的抗体；如果半抗原是酶的过渡态结构类似物，则有可能获得具有催化活性的抗体，也就是抗体酶。例如：以一羧基酯和酰胺水解为例，根据反应机理，其过渡态应该为一个四面体结构，以具有四面体结构的高能中间类似物为半抗原，均能获得预期的抗体酶；该抗体酶与过渡态类似物具有完全互补的立体结构。半抗原与催化性抗体1、半抗原设计中应考虑：(1)产生的抗体能否具有预期的催化活性。(2)能否刺激机体免疫应答。2、半抗原结