第十一章抗體酶

1、第十一章第十一章 抗體酶（抗體酶（Abzyme) 生物催化劑生物催化劑（Biocatalyst）蛋白質(zhì)類：天然酶蛋白質(zhì)類：天然酶 enzyme 極端酶極端酶 extremozyme 抗體酶抗體酶 abzyme 生物工程酶生物工程酶其它：模擬酶其它：模擬酶核酸類核酸類:克隆酶克隆酶遺傳修飾酶遺傳修飾酶蛋白質(zhì)工程新酶蛋白質(zhì)工程新酶、RibozymeDeoxyribozymev抗體酶的概念抗體酶的概念v抗體酶的催化特征抗體酶的催化特征v作用機理作用機理v抗體酶的制備抗體酶的制備v抗體酶的催化反應抗體酶的催化反應v抗體酶的應用抗體酶的應用v當人體（以及其它高等動物）受到外來抗原的當人體（以及其它高等動

2、物）受到外來抗原的刺激時，其免疫系統(tǒng)會刺激時，其免疫系統(tǒng)會根據(jù)抗原的特點根據(jù)抗原的特點（抗原（抗原表面決定簇）產(chǎn)生特定抗體。一般來說，一種表面決定簇）產(chǎn)生特定抗體。一般來說，一種抗原可以刺激產(chǎn)生抗原可以刺激產(chǎn)生10-8種抗體，并且所產(chǎn)生的種抗體，并且所產(chǎn)生的抗原均具備抗原均具備極高的特異性極高的特異性，即與抗原強烈結合。，即與抗原強烈結合。什么是抗體？什么是抗體？v酶的催化機制酶的催化機制過渡態(tài)理論假說過渡態(tài)理論假說酶催化的實質(zhì)：酶催化的實質(zhì)：能特異性結合并穩(wěn)定化學反應的能特異性結合并穩(wěn)定化學反應的過渡態(tài)過渡態(tài)(底物激態(tài)底物激態(tài))，從而降低反應能級。酶通過某種，從而降低反應能級。酶通過某種方式

3、與高能、短壽命的方式與高能、短壽命的過渡態(tài)結合過渡態(tài)結合而起催化作用。這而起催化作用。這個過渡態(tài)構型中某些鍵在形成，另一些鍵在斷裂，存?zhèn)€過渡態(tài)構型中某些鍵在形成，另一些鍵在斷裂，存在時間極短，半衰期約為在時間極短，半衰期約為10 10 s，實際中極難捕獲。，實際中極難捕獲。什么是酶？什么是酶？抗體與酶的異同：抗體與酶的異同：相同點：相同點：都是蛋白質(zhì)，都有特異性。都是蛋白質(zhì)，都有特異性。不同點：不同點：1）抗體無催化活力，酶有催化活力。）抗體無催化活力，酶有催化活力。2）本質(zhì)差別：酶是能與）本質(zhì)差別：酶是能與反應過渡態(tài)選擇結合反應過渡態(tài)選擇結合的的催化物質(zhì)，催化物質(zhì)，抗體是和基態(tài)緊密結合抗體是

4、和基態(tài)緊密結合的物質(zhì)。的物質(zhì)。3）酶的活性和合成受到代謝調(diào)節(jié)，種類有限。）酶的活性和合成受到代謝調(diào)節(jié)，種類有限?？贵w只有在抗原存在時才產(chǎn)生，種類無限?？贵w只有在抗原存在時才產(chǎn)生，種類無限。v過渡態(tài)分子難以捕獲，而過渡態(tài)分子難以捕獲，而過渡態(tài)類似物過渡態(tài)類似物是能夠模擬一個是能夠模擬一個酶催化反應過渡態(tài)的結構的穩(wěn)定物質(zhì)，于是設想，只要酶催化反應過渡態(tài)的結構的穩(wěn)定物質(zhì)，于是設想，只要尋找到與反應中決定性步驟的相應酶緊密結合的尋找到與反應中決定性步驟的相應酶緊密結合的酶競爭酶競爭性抑制劑性抑制劑，就等于發(fā)現(xiàn)了過渡態(tài)類似物；，就等于發(fā)現(xiàn)了過渡態(tài)類似物；v這種類似物這種類似物也能根據(jù)化學反應機制推測設計

5、出來。然也能根據(jù)化學反應機制推測設計出來。然后，以后，以過渡態(tài)類似物為半抗原過渡態(tài)類似物為半抗原，利用哺乳動物的免疫，利用哺乳動物的免疫系統(tǒng)，系統(tǒng)，誘導與其互補構象的抗體產(chǎn)生誘導與其互補構象的抗體產(chǎn)生，這種抗體即具，這種抗體即具有催化活性；有催化活性；Kohler和和Milstein于于1975年發(fā)明了單克年發(fā)明了單克隆技術，使抗體酶的生產(chǎn)成為可能。隆技術，使抗體酶的生產(chǎn)成為可能。v1984年年Lerner進一步推測：以進一步推測：以過渡態(tài)類似物作為半抗過渡態(tài)類似物作為半抗原原，則其誘發(fā)出的抗體即與該類似物有著互補的構象，則其誘發(fā)出的抗體即與該類似物有著互補的構象，這種這種抗體與底物結合后抗體

6、與底物結合后，即可誘導底物進入過渡態(tài)構即可誘導底物進入過渡態(tài)構象，從而引起催化作用。象，從而引起催化作用。v根據(jù)這個猜想根據(jù)這個猜想Lerner和和PCSchultz分別領導各自分別領導各自的研究小組獨立地證明了：的研究小組獨立地證明了：針對羧酸酯水解的過渡態(tài)針對羧酸酯水解的過渡態(tài)類似物產(chǎn)生的抗體類似物產(chǎn)生的抗體，能催化相應的羧酸酯和碳酸酯的，能催化相應的羧酸酯和碳酸酯的水解反應。水解反應。1986年美國年美國Science雜志同時發(fā)表了他雜志同時發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，并將這類具有催化能力的免疫球蛋白稱為們的發(fā)現(xiàn)，并將這類具有催化能力的免疫球蛋白稱為抗體酶（抗體酶（abzyme）或催化抗體（）或催

7、化抗體（catalyticantibody）。）?？贵w酶又稱催化抗體（抗體酶又稱催化抗體（catalytic antibody） 一種新型一種新型人工酶制劑人工酶制劑，是一種具有，是一種具有催化功能的抗體催化功能的抗體分子分子。是抗體的高度選擇性和酶的高效催化能力巧妙。是抗體的高度選擇性和酶的高效催化能力巧妙結合的產(chǎn)物，本質(zhì)上是一類具有催化活力的免疫球蛋結合的產(chǎn)物，本質(zhì)上是一類具有催化活力的免疫球蛋白，在其可變區(qū)賦予了酶的屬性。白，在其可變區(qū)賦予了酶的屬性。本質(zhì)：本質(zhì)：是對抗原是對抗原(antigen) 作出應答的產(chǎn)物，這種抗作出應答的產(chǎn)物，這種抗原分子被有目的地改造成某種反應的轉換態(tài)中間物。

8、原分子被有目的地改造成某種反應的轉換態(tài)中間物。一、概念一、概念1、與天然酶相比抗體酶的特點、與天然酶相比抗體酶的特點 能催化一些天然酶不能催化的反應能催化一些天然酶不能催化的反應 有更強的專一性和穩(wěn)定性有更強的專一性和穩(wěn)定性 催化作用機制不同催化作用機制不同2、抗體酶和非催化性抗體作用的比較、抗體酶和非催化性抗體作用的比較 更高的反應特異性更高的反應特異性 反應的可逆性反應的可逆性 反應的量效性反應的量效性 反應過程反應過程酶酶與與底物形成過渡態(tài)理論底物形成過渡態(tài)理論 酶的催化在于能結合底物產(chǎn)生過渡態(tài)，降低能酶的催化在于能結合底物產(chǎn)生過渡態(tài)，降低能障（反應的活化能）。障（反應的活化能）。 以過

9、渡態(tài)類似物作為以過渡態(tài)類似物作為半抗原，誘導與其互補構象半抗原，誘導與其互補構象的抗體的抗體，使其具有催化活性，可觀察到抗體催化相應，使其具有催化活性，可觀察到抗體催化相應底物發(fā)生化學反應。底物發(fā)生化學反應。 v抗體向酶轉變的抗體向酶轉變的關鍵關鍵：抗原能誘導已具有酶活性的抗體；：抗原能誘導已具有酶活性的抗體；v使抗體具有酶的結構，就必須在使抗體具有酶的結構，就必須在抗原的結構上進行改造抗原的結構上進行改造；v利用利用某一反應過渡態(tài)的模擬物某一反應過渡態(tài)的模擬物作為抗原，則可得到催化該反應的作為抗原，則可得到催化該反應的抗體。抗體。v抗體設計的原則就是酶的催化機制，故免疫學原理以及過渡態(tài)理抗體

10、設計的原則就是酶的催化機制，故免疫學原理以及過渡態(tài)理論是抗體酶設計的主要依據(jù)。論是抗體酶設計的主要依據(jù)。v制備抗體酶的關鍵在于制備抗體酶的關鍵在于設計半抗原設計半抗原，只有這種特定的抗原才能誘，只有這種特定的抗原才能誘導具有酶樣結構與功能的抗體。導具有酶樣結構與功能的抗體。原原 則則制備抗體酶的常用方法制備抗體酶的常用方法單克隆抗體技術單克隆抗體技術 用用設計好的半抗原設計好的半抗原，通過與載體蛋白（如牛血清白蛋白）偶，通過與載體蛋白（如牛血清白蛋白）偶聯(lián)聯(lián)制成抗原制成抗原。然后對此抗原進行免疫，使宿主有機體針對抗原產(chǎn)。然后對此抗原進行免疫，使宿主有機體針對抗原產(chǎn)生抗體，產(chǎn)生生抗體，產(chǎn)生抗體的

11、脾臟細胞與骨髓細胞相融合抗體的脾臟細胞與骨髓細胞相融合。融合得到的雜。融合得到的雜交細胞既能產(chǎn)生抗體又能在體外培養(yǎng)。將雜交體克隆化，即能產(chǎn)交細胞既能產(chǎn)生抗體又能在體外培養(yǎng)。將雜交體克隆化，即能產(chǎn)生單一均勻的抗體。生單一均勻的抗體。 用用酶作為抗原免疫動物酶作為抗原免疫動物得到抗酶的抗體，再將此抗得到抗酶的抗體，再將此抗體免疫動物并進行單克隆化，獲得單克隆的抗體。對抗體免疫動物并進行單克隆化，獲得單克隆的抗體。對抗抗體進行篩選，獲得具有原來酶活性的抗體酶?？贵w進行篩選，獲得具有原來酶活性的抗體酶。缺點：缺點：具有一定的盲目性和偶然性，并且不能產(chǎn)生新酶。具有一定的盲目性和偶然性，并且不能產(chǎn)生新酶。

12、 抗體酶和酶一樣也可以用化學修飾法加以改造?？贵w酶和酶一樣也可以用化學修飾法加以改造。對抗體酶進行結構修飾的關鍵是找到一種溫和的方對抗體酶進行結構修飾的關鍵是找到一種溫和的方法在抗體結合位置或附近引入具有催化功能的基因。法在抗體結合位置或附近引入具有催化功能的基因。 游離巰基游離巰基就是適合的基團之一，它具有高親核就是適合的基團之一，它具有高親核性，易于氧化，及能通過二硫化物進行交換反應或性，易于氧化，及能通過二硫化物進行交換反應或親電反應而選擇性修飾的特點。親電反應而選擇性修飾的特點。 很多天然酶活性中心都含有金屬離子。很多天然酶活性中心都含有金屬離子。Lerner等將金屬離子引等將金屬離子

13、引入抗體酶，成功地催化了肽鍵的選擇性水解。入抗體酶，成功地催化了肽鍵的選擇性水解。 他們用三乙酸胺鹽作為金屬離子輔因子，所用的半抗原分子帶他們用三乙酸胺鹽作為金屬離子輔因子，所用的半抗原分子帶有一肽鍵；通過羧根及仲胺基與金屬離子相連；將此半抗原通過共有一肽鍵；通過羧根及仲胺基與金屬離子相連；將此半抗原通過共價鍵連接在載體蛋白免疫動物產(chǎn)生的抗體上，在金屬離子復合物作價鍵連接在載體蛋白免疫動物產(chǎn)生的抗體上，在金屬離子復合物作為輔因子的參與下，這些抗體酶能選擇性水解甘氨酸和丙氨酸之間為輔因子的參與下，這些抗體酶能選擇性水解甘氨酸和丙氨酸之間的肽鍵的肽鍵 。五、五、 抗體酶的催化反應抗體酶的催化反應v

14、1?；D移反應?；D移反應 v2、重排反應、重排反應3、氧化還原反應、氧化還原反應 4、金屬螯和合反應、金屬螯和合反應 5、磷酸酯水解反應、磷酸酯水解反應 6、磷酸酯閉環(huán)反應、磷酸酯閉環(huán)反應 7、光誘導反應、光誘導反應 a.光聚合反應（二聚作用）光聚合反應（二聚作用） b.光裂解反應光裂解反應7、光誘導反應、光誘導反應 六、抗體酶的應用六、抗體酶的應用 1、戒毒、戒毒: 用可卡因水解的過渡態(tài)類似物磷酸單酯為半抗原，用可卡因水解的過渡態(tài)類似物磷酸單酯為半抗原，產(chǎn)生的單克隆抗體能催化可卡因的分解，水解后的可卡產(chǎn)生的單克隆抗體能催化可卡因的分解，水解后的可卡因片斷失去可卡因刺激功能。因片斷失去可卡因

15、刺激功能。 2、腫瘤治療腫瘤治療抗體介導前藥治療技術抗體介導前藥治療技術:將能水解前藥釋放出腫瘤細胞毒劑的將能水解前藥釋放出腫瘤細胞毒劑的酶和腫瘤專一性抗體相偶聯(lián)酶和腫瘤專一性抗體相偶聯(lián)，則酶通過和腫瘤結合的抗體，則酶通過和腫瘤結合的抗體存存在于細胞的表面在于細胞的表面。靜脈給藥后，當。靜脈給藥后，當藥物擴散至腫瘤細胞的表藥物擴散至腫瘤細胞的表面或附近面或附近，抗體酶將前藥迅速水解釋放出抗腫瘤藥物。從而，抗體酶將前藥迅速水解釋放出抗腫瘤藥物。從而提高腫瘤細胞局部藥物濃度，增強對腫瘤的殺傷力，達到提提高腫瘤細胞局部藥物濃度，增強對腫瘤的殺傷力，達到提高腫瘤化療效果的目的。高腫瘤化療效果的目的。 3、定量分析、定量分析酶聯(lián)免疫吸附分析（酶聯(lián)免疫吸附分析（enzyme-linked immunosorbent assay ELISA）將酶作為標記物質(zhì)，使之和抗原（或抗體）結合形成酶與抗將酶作為標記物質(zhì)，使之和抗原（或抗體）結合形成酶與抗原（或抗體）復合物，然后再根據(jù)待測抗體（或抗原）與復原（