現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶課件

現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶第一節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略1現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶第一節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略2第一節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略2

模擬酶的概念

二十世紀(jì)的大部分時期，科學(xué)家一直在利用化學(xué)模擬作為闡明自然界中生物體行為的基礎(chǔ)。3

模擬酶的概念

二十世紀(jì)的大部分時期，科學(xué)家一直在早在二十世紀(jì)中葉，人們就已認(rèn)識到研究和模擬生物體系是開辟新技術(shù)的途徑之一，并自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計原理和發(fā)明創(chuàng)造的源泉。

通過對生物體系的結(jié)構(gòu)與功能的研究，為設(shè)計和建造新的技術(shù)提供新的思想、新原理、新方法和新途徑。4早在二十世紀(jì)中葉，人們就已認(rèn)識到研究和模擬生物設(shè)計一種象酶那樣的高效催化劑是科學(xué)家們一直追求的目標(biāo)。而對酶功能的模擬是當(dāng)今自然科學(xué)領(lǐng)域中的前沿課題之一。5設(shè)計一種象酶那樣的高效催化劑是科學(xué)家們一直追求在過去的20年里，化學(xué)家對利用簡單的分子模型構(gòu)建酶的特征進行了深入的研究。

經(jīng)過長期的努力，新的催化劑—模擬酶就逐漸被研制和開發(fā)出來。6在過去的20年里，化學(xué)家對利用簡單的分子模型構(gòu)建酶的模擬酶又稱人工酶或酶模型。

——生物有機化學(xué)的一個分支。7模擬酶又稱人工酶或酶模型。

——生物有機化學(xué)的一個分支。由于天然酶的種類繁多，模擬的途徑、方法、原理和目的不同，對模擬酶至今沒有一個公認(rèn)的定義。8由于天然酶的種類繁多，模擬的途徑、方法、原理和一般說來，模擬酶是在分子水平上模擬酶活性部位的形狀、大小及其微環(huán)境等結(jié)構(gòu)特征，以及酶的作用機理和立體化學(xué)等特性的一門科學(xué)。9一般說來，模擬酶是在分子水平上模擬酶活性部位模擬酶的研究就是吸收酶中那些起主導(dǎo)作用的因素利用有機化學(xué)、生物化學(xué)等方法，設(shè)計和合成一些較天然酶簡單的非蛋白分子或蛋白質(zhì)分子，以這些分子作為模型來模擬酶對其作用底物的結(jié)合和催化過程。10模擬酶的研究就是吸收酶中那些起主導(dǎo)作用的因素利因此，模擬酶是從分子水平上模擬生物功能的一門邊緣科學(xué)。11因此，模擬酶是從分子水平上模擬生物功能的一門邊

迄今為止，已經(jīng)有了多種類型的模擬酶：

——小分子仿酶體系有環(huán)糊精、冠醚、環(huán)

番、環(huán)芳烴和卟啉等大環(huán)化合物等。

——大分子仿酶體系有聚合物酶模型，分

子印跡酶模型和膠束酶模型等。

——利用化學(xué)修飾、基因突變等手段改造

天然酶產(chǎn)生了具有新的催化活性的半

合成人工酶。12

迄今為止，已經(jīng)有了多種類型的模擬酶：

——小分子仿酶體系其中，抗體酶就是一個典型的例子，抗體酶的出現(xiàn)和快速發(fā)展為酶的人工模擬又開辟了一條新的道路。13其中，抗體酶就是一個典型的例子，抗體酶的出現(xiàn)和二、模擬酶的理論基礎(chǔ)14二、模擬酶的理論基礎(chǔ)141．模擬酶的酶學(xué)基礎(chǔ)

酶是如何發(fā)生效力的？對酶的催化機制，人們提出了很多理論，試圖從不同角度闡述酶發(fā)揮高效率的原因。151．模擬酶的酶學(xué)基礎(chǔ)

酶是在眾多的假說中，Pauling在1946年提出的的過渡態(tài)理論得到了廣泛的認(rèn)同。16在眾多的假說中，Pauling在1946年提基于Pauling穩(wěn)定過渡態(tài)理論，目前對酶的催化機制解釋是酶先與底物結(jié)合，進而選擇性穩(wěn)定某一特定反應(yīng)的過渡態(tài)(TS)，降低反應(yīng)的活化能，從而加快反應(yīng)速度。

17基于Pauling穩(wěn)定過渡態(tài)理論，目前對酶的催化機制解釋設(shè)計模擬酶：

——基于酶的作用機制，

——基于對簡化的人工體系中識別、結(jié)合和催化的研究。

要想得到一個真正有效的模擬酶，這兩方面就必須統(tǒng)一結(jié)合。18設(shè)計模擬酶：

——基于酶的作用機制，

——基于對簡化的人工在設(shè)計模擬酶時除具備催化基團之外，還要考慮到與底物定向結(jié)合的能力。模擬酶要和酶一樣，能夠在底物結(jié)合中，通過底物的定向化、鍵的扭曲及變形來降低反應(yīng)的活化能。19在設(shè)計模擬酶時除具備催化基團之外，還要考慮到與底物定向結(jié)酶模型的催化基團和底物之間必須具有相互匹配的立體化學(xué)特征，這對形成良好的反應(yīng)特異性和催化效力是相當(dāng)重要的。20酶模型的催化基團和底物之間必須具有相互匹配的立體化學(xué)特征

2.超分子化學(xué)

Pederson和Cram報道了一系列光學(xué)活性冠醚的合成方法。這些冠醚可以作為主體而與伯銨鹽客體形成復(fù)合物。21

2.超分子化學(xué)

Pederson和Cram把主體與客體通過配位鍵或其它次級鍵形成穩(wěn)定復(fù)合物的化學(xué)領(lǐng)域稱為“主-客體”化學(xué)(host-guestchemistry)。22Cram把主體與客體通過配位鍵或其它次級鍵形成穩(wěn)定復(fù)合物主-客體化學(xué)的基本意義來源于酶和底物的相互作用，體現(xiàn)為主體和客體在結(jié)合部位的空間及電子排列的互補，這種主客體互補與酶和它所識別的底物結(jié)合情況近似。23主-客體化學(xué)的基本意義來源于酶和底物的相互作用，體現(xiàn)為主

主-客體化學(xué)和超分子化學(xué)已成為酶人工模擬的重要理論基礎(chǔ)，是人工模擬酶研究的重要理論武器。

根據(jù)酶催化反應(yīng)機理，若合成出能識別底物又具有酶活性部位催化基團的主體分子，就能有效地模擬酶的催化過程。24

主-客體化學(xué)和超分子化學(xué)已成為酶人工模擬的重要理論基礎(chǔ)通常，在設(shè)計模擬酶之前，應(yīng)當(dāng)對酶的結(jié)構(gòu)和酶學(xué)性質(zhì)有深入的了解：

——(1)酶活性中心-底物復(fù)合物的結(jié)

構(gòu)；

——(2)酶的專一性及其同底物結(jié)合的

方式與能力；

——(3)反應(yīng)的動力學(xué)及各中間物的知

識。25通常，在設(shè)計模擬酶之前，應(yīng)當(dāng)對酶的結(jié)構(gòu)和酶學(xué)性質(zhì)有深入的了解設(shè)計人工酶模型應(yīng)考慮如下因素：

——非共價相互作用是生物酶柔韌性、可變性和專一性的基礎(chǔ)，故酶模型應(yīng)為底物提供良好的微環(huán)境，便于與底物，特別是反應(yīng)的過渡態(tài)以離子鍵、氫鍵等結(jié)合；

——精心挑選的催化基團必須相對于結(jié)合點盡可能同底物的功能團相接近，以促使反應(yīng)定向發(fā)生；

——模型應(yīng)具有足夠的水溶性，并在接近生理條件下保持其催化活性。26設(shè)計人工酶模型應(yīng)考慮如下因素：

——非共價相互作用是生物酶在設(shè)計模擬酶方面，盡管有上述理論做指導(dǎo)，但是，目前尚缺乏系統(tǒng)的定量的理論體系。27在設(shè)計模擬酶方面，盡管有上述理論做指導(dǎo)，但是，目前尚缺乏令人欣喜的是，大量的實踐證明，酶的高效性和高選擇性并非天然酶所獨有，人們利用各種策略發(fā)展了多種人工酶模型。

目前，在眾多的模擬酶中，已有部分非常成功的例子，它們的催化效率和高選擇性已能與生物酶相媲美。28令人欣喜的是，大量的實踐證明，酶的高效性和高選擇性并非天

第二節(jié)模擬酶的分類

29

第二節(jié)模擬酶的分類

29根據(jù)Kirby分類法，模擬酶可分為：

——(1)單純酶模型(enzyme-basedmimics)，即以化學(xué)方法通過天然酶活性的模擬來重建和改造酶活性；

——(2)機理酶模型(mechanism-basedmimics)，即通過對酶作用機制諸如識別、結(jié)合和過渡態(tài)穩(wěn)定化的認(rèn)識，來指導(dǎo)酶模型的設(shè)計和合成；

——(3)單純合成的酶樣化合物(synzyme)，即一些化學(xué)合成的具有酶樣催化活性的簡單分子。30根據(jù)Kirby分類法，模擬酶可分為：

——(1)單純酶模型(按照模擬酶的屬性，模擬酶可分為：

——(1)主—客體酶模型，包括環(huán)糊精、冠醚、穴醚、雜環(huán)大環(huán)化合物和卟啉類等；

——(2)膠束酶模型；

——(3)肽酶；

——(4)抗體酶；

——(5)分子印跡酶模型；

——(6)半合成酶等。31按照模擬酶的屬性，模擬酶可分為：

——(1)主—客體酶模型，近年來又出現(xiàn)了雜化酶和進化酶。對酶的模擬已不是僅限于化學(xué)手段，基因工程、蛋白質(zhì)工程等分子生物學(xué)手段正在發(fā)揮越來越大的作用。化學(xué)和分子生物學(xué)方法的結(jié)合使酶模擬更加成熟起來。32近年來又出現(xiàn)了雜化酶和進化酶。對酶的模擬已不一、主客體酶模型

1．環(huán)糊精酶模型

環(huán)糊精(Cyclodextrin簡稱CD)是由多個D-葡萄糖以α(1,4)糖苷鍵結(jié)合而成的一類環(huán)狀低聚糖。33一、主客體酶模型

1．環(huán)糊精酶模型

環(huán)糊精每個葡萄糖殘基均呈現(xiàn)無扭曲變形的椅式構(gòu)象，整個分子組成類似輪胎的環(huán)柱形分子，分子內(nèi)有空穴，其大小、形狀是由組成環(huán)的葡萄糖殘基數(shù)目而定的環(huán)糊精根據(jù)葡萄糖單元的數(shù)量不同可分為α(6個)，β(7個)及γ(8個)環(huán)糊精三種34每個葡萄糖殘基均呈現(xiàn)無扭曲變形的椅式構(gòu)象，整個分子組成類似輪CD略呈錐形的圓筒，

其伯羥基（C6）和仲羥基（C2、C3）分別位于圓筒

較小和較大開口端。

這樣，CD分子外側(cè)是親水的，其羥基可與多種客體形成氫鍵，其內(nèi)側(cè)是C-3，C-5上的氫原子和糖苷氧原子組成的空腔，故具有疏水性，因而能包結(jié)多種客體分子，很類似酶對底物的識別。35CD略呈錐形的圓筒，

其伯羥基（C6）和仲羥基（C2、C3）作為人工酶模型的主體分子雖有若干種，但迄今被廣泛采用且較為優(yōu)越的當(dāng)屬環(huán)糊精。36作為人工酶模型的主體分子雖有若干種，但迄今被廣

CD分子和底物的結(jié)合常數(shù)不及某些酶對底物的結(jié)合常數(shù)大，因此以CD為主體的仿酶研究工作過去主要集中在對CD的修飾上，即在CD的兩面引入催化基團，通過柔性或剛性加冕引入疏水基團，以改善CD的疏水結(jié)合和催化功能。

這樣得到的修飾CD通常只有單包結(jié)部位和雙重識別作用。37

CD分子和底物的結(jié)合常數(shù)不及某些酶對底物的結(jié)由于酶是通過對底物的多部位包結(jié)并具有多重識別位點來實現(xiàn)酶促反應(yīng)的高效性和高選擇性的。為了增加環(huán)糊精的仿酶效果，近年來相繼出現(xiàn)了橋聯(lián)環(huán)糊精和聚合環(huán)糊精。以它們?yōu)榉旅改Ｐ涂梢缘玫诫p重或多重疏水結(jié)合作用和多重識別作用。38由于酶是通過對底物的多部位包結(jié)并具有多重識別

利用環(huán)糊精為酶模型已對多種酶的催化作用進行了模擬。

在水解酶、核糖核酸酶、轉(zhuǎn)氨酶、氧化還原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羥醛縮合酶等方面都取得了很大的進展。39

利用環(huán)糊精為酶模型已對多種酶的催化作用進行了模擬。①水解酶的模擬

α-胰凝乳蛋白酶是一種蛋白水解酶。它具有疏水性的環(huán)狀結(jié)合部位，能有效包結(jié)芳環(huán)，催化部位中含有57號組氨酸咪唑基，102號天冬氨酸羧基及195號絲氨酸羥基，三者共同組成了所謂的“電荷中繼系統(tǒng)”，在催化底物水解時起關(guān)鍵作用。40①水解酶的模擬

α-胰凝乳蛋白酶是一種蛋白水解酶α-胰凝乳

蛋白酶41α-胰凝乳

蛋白酶41

α-胰凝乳蛋白酶的模擬:在β-環(huán)狀糊精的側(cè)鏈上接上一些基團，合成出了如下圖的模擬酶。利用β-環(huán)狀糊精作為酶的結(jié)合部位，使羧基、咪唑基以及環(huán)糊精自身的羥基共同構(gòu)成了催化中心，由此實現(xiàn)了α-胰凝乳蛋白酶的全模擬。α-胰凝乳蛋白酶的模擬酶42α-胰凝乳蛋白酶的模擬:在β-環(huán)狀糊精的側(cè)鏈上接上一Bender等人將實現(xiàn)了電荷中繼系統(tǒng)的?；复呋课灰隒D的第二面，成功地制備出人工酶β-Benzyme。β-Benzyme43Bender等人將實現(xiàn)了電荷中繼系統(tǒng)的?；甫?Benzyme催化對叔丁基苯基醋酸酯(p-NPAc)的水解比天然酶快一倍以上，kcat/Km也與天然酶相當(dāng)。

β-Benzyme曾以實現(xiàn)了天然酶的高效催化作用機理而聞名于世。44β-Benzyme催化對叔丁基苯基醋酸酯(p組氨酸咪唑基在酶催化中起著重要作用，將咪唑與環(huán)糊精相連結(jié)會獲得更理想的模擬酶。45組氨酸咪唑基在酶催化中起著重要作用，將咪唑與環(huán)糊精相Rama等人將咪唑在N上直接與β-CD的C-3相連，所得的模型2催化p-NPAc的水解比天然酶快一個數(shù)量級。46Rama等人將咪唑在N上直接與β-CD的C-著名科學(xué)家Breslow在環(huán)糊精仿酶領(lǐng)域做了大量而出色的工作。

——認(rèn)為模擬酶增加催化效率的關(guān)鍵是要增加環(huán)糊精對底物過渡態(tài)的結(jié)合能力。47著名科學(xué)家Breslow在環(huán)糊精仿酶領(lǐng)域做了最簡單的方法是修飾底物來增加底物同CD的結(jié)合，從而可能增加對過渡態(tài)的結(jié)合。

設(shè)計了一系列以二茂鐵(二環(huán)戊二烯基合鐵)、金剛烷(三環(huán)癸烷)為結(jié)合位點的硝基苯酯，以CD本身為催化劑可加速酯水解達105~106倍。

48最簡單的方法是修飾底物來增加底物同CD的結(jié)②核糖核酸酶的模擬

核糖核酸酶有兩個組氨酸咪唑基及一個質(zhì)子化賴氨酸氨基處于活性中心，在它的催化下RNA的磷酸酯水解分兩步進行，兩個咪唑基交替起著廣義酸和廣義堿的作用，使基團質(zhì)子化或增加親核基團的親核性。49②核糖核酸酶的模擬

核糖核酸酶有兩個組氨酸咪唑基及 Breslow等人以β-環(huán)狀糊精為基礎(chǔ)，引入其它的化學(xué)基團可以合成出如圖的兩種修飾環(huán)狀糊精模擬酶A和B，這兩種修飾環(huán)狀糊精能夠催化磷酸二酯的水解，被認(rèn)為是很好的核糖核酸酶模型．50 Breslow等人以β-環(huán)狀糊精為基礎(chǔ)，引入其它的化學(xué)基團當(dāng)環(huán)狀磷酸二酯在堿性條件下水解時，可同時產(chǎn)生產(chǎn)物C和D，而在模擬酶A的催化下水解反應(yīng)只生成C，在模擬酶B的催化下水解反應(yīng)只生成D。修飾環(huán)狀糊精模擬核糖核酸酶催化的水解反應(yīng)51當(dāng)環(huán)狀磷酸二酯在堿性條件下水解時，可同時產(chǎn)生產(chǎn)③轉(zhuǎn)氨酶的模擬

磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是許多涉及氨基酸的酶促轉(zhuǎn)化的輔酶。其中最重要的是轉(zhuǎn)氨酶催化的酮酸與氨基酸之間的相互轉(zhuǎn)化。吡哆醛(胺)本身亦能實現(xiàn)轉(zhuǎn)氨作用，但由于輔酶本身無底物結(jié)合部位，反應(yīng)速度遠(yuǎn)不如酶存在時快。顯然，有效的轉(zhuǎn)氨酶模型除了具有輔酶體系外，還應(yīng)有特定的結(jié)合部位，這種結(jié)合部位能夠選擇性地與底物形成復(fù)合物。52③轉(zhuǎn)氨酶的模擬

磷酸吡哆醛和磷酸1980年報道了第一個人工轉(zhuǎn)氨酶模型。在它的存在下，苯并咪唑基酮酸轉(zhuǎn)氨基酸速度比吡哆胺單獨存在時快200倍，而且表現(xiàn)出良好的底物選擇性。轉(zhuǎn)氨酶模型531980年報道了第一個人工轉(zhuǎn)氨酶模型。在它的由于β-CD本身具有手性，可以預(yù)料產(chǎn)物氨基酸亦應(yīng)該具有光學(xué)活性，事實上產(chǎn)物中D，L異構(gòu)體的含量確實不同，說明該人工酶有一定的立體選擇性。

54由于β-CD本身具有手性，可以預(yù)料產(chǎn)物氨基酸亦應(yīng)該具Tabushi等人將催化基團氨基引入CD得到模擬酶。乙二胺的引入不僅使反應(yīng)加速2000倍以上，還為氨基酸的形成造就了一個極強的手性環(huán)境?？拷叶芬幻娴馁|(zhì)子轉(zhuǎn)移受到抑制，從而表現(xiàn)出很好的立體選擇性。轉(zhuǎn)氨酶模型55Tabushi等人將催化基團氨基引入CD得到模擬酶。Han等人合成了一系列含核糖的環(huán)糊精酶模型，它兼具核酸酶、連接酶、磷酸脂酶和磷酸化酶的活性

研究表明，核糖中的相臨二羥基對催化起著關(guān)鍵作用。它水解環(huán)狀磷酸脂的速率提高33倍。56Han等人合成了一系列含核糖的環(huán)糊精酶模型，它兼具核④橋聯(lián)環(huán)糊精仿酶模型

橋聯(lián)CD是近年來發(fā)展起來的一類新型仿酶模型，它的兩個CD及橋基上的功能基構(gòu)成了具有協(xié)同包結(jié)和多重識別功能的催化活性中心，能更好的模擬酶對底物的識別與催化功能。57④橋聯(lián)環(huán)糊精仿酶模型

橋 Breslow研究小組發(fā)展了一種新方法，試圖利用組合化學(xué)技術(shù)篩選與環(huán)糊精客體具有高選擇性結(jié)合的小肽分子，以便獲得高活性的催化水解肽酶模型。他們制備了含鎳的水揚酚環(huán)糊精復(fù)合物。

以它們?yōu)槭荏w在三肽庫中進行篩選。此庫含有氨基酸編碼AA3-AA2-AA1-NH（CH2）2-TentaGel,庫容為293（24389）。篩選結(jié)果表明，含有L-Phe-D-Pro–X和D-Phe-L-Pro–X結(jié)構(gòu)的三肽對環(huán)糊精具有非常顯著的選擇性結(jié)合能力。這為獲得高活性的肽催化水解酶模型開辟了一條新路。58 Breslow研究小組發(fā)展了一種新方法，試圖利用組合化學(xué)技胡羅卜素是人體所需的重要營養(yǎng)物質(zhì)。其正中的雙鍵被氧化后得到兩分子的視黃醛，它是維生素A的前體。胡羅卜素氧化酶(CDOs)可選擇性地氧化C15=C15’鍵，從而將胡羅卜素轉(zhuǎn)化為視黃醛。59胡羅卜素是人體所需的重要營養(yǎng)物質(zhì)。其正中的為了模擬這一立體選擇性的系統(tǒng)，F(xiàn)rench等人合成了含卟啉的橋聯(lián)CD，可以選擇性地氧化C15=C15’鍵。60為了模擬這一立體選擇性的系統(tǒng)，F(xiàn)rench他們的設(shè)計思路是：

（1）合成的橋聯(lián)CD對底物胡羅卜素的結(jié)合遠(yuǎn)

大于產(chǎn)物視黃醛，這樣避免了產(chǎn)物抑

制；

（2）引入能催化雙鍵的金屬卟啉作為活性中

心。61他們的設(shè)計思路是：

（1）合成的橋聯(lián)CD對底物胡羅卜素的結(jié)實驗證明，盡管2、9位雙鍵也被氧化，但是選擇性催化C15=C15’鍵是主要的。同天然酶相比，模擬物催化底物中心雙鍵的可能性相當(dāng)，均為20-25%。62實驗證明，盡管2、9位雙鍵也被氧化，但是選擇性催化C細(xì)胞色素是機體內(nèi)重要的抗氧化酶。人們對它進行了多種模擬。以環(huán)糊精為主體分子合成了很多模型系統(tǒng)。63細(xì)胞色素是機體內(nèi)重要的抗氧化酶。人們對它進行了多種模最主要的模型系統(tǒng)是最近Breslow研究小組合成的四橋聯(lián)環(huán)糊精模擬P-450酶模型。64最主要的模型系統(tǒng)是最近Breslow研究小組它的設(shè)計別巨匠心，它將P-450活性中心的金屬卟啉分子與四個環(huán)糊精分子相連構(gòu)成了既具有底物結(jié)合部位又有催化基團的小分子酶模型。65它的設(shè)計別巨匠心，它將P-450活性中心的金為了催化甾體C-9的特異性羥化，他們設(shè)計了與環(huán)糊精空腔特異性結(jié)合的底物。此底物分子是經(jīng)甾體與叔丁基苯衍生物酯化，引入與環(huán)糊精特異結(jié)合的叔丁基苯。研究發(fā)現(xiàn)在亞碘酰基苯（PhIO）氧化下，四橋聯(lián)環(huán)糊精酶模型將底物2完全轉(zhuǎn)化為C-6羥基5，表現(xiàn)出相當(dāng)高的立體選擇性。66為了催化甾體C-9的特異性羥化，他們設(shè)計了與環(huán)糊精谷胱甘肽過氧化物酶(GPX，EC.1.11.1.9)為含硒酶，是生物體內(nèi)重要的抗氧化物酶，能有效消除體內(nèi)的自由基，同超氧化物歧化酶和過氧化氫酶共同作用，防止脂質(zhì)過氧化。因而在治療和預(yù)防克山病、心血管病、腫瘤等疾病具有明顯效果。67谷胱甘肽過氧化物酶(GPX，EC.1.11.但是，此酶的來源有限，穩(wěn)定性差，以及分子量大等缺點，限制了它的實際應(yīng)用，因此，人們把注意力集中在對此酶的人工模擬上。68但是，此酶的來源有限，穩(wěn)定性差，以及分子量大 羅貴民等利用環(huán)糊精為底物結(jié)合部位，硒為催化基團，制備出系列雙硒（碲）橋聯(lián)環(huán)糊精)。硒（碲）化環(huán)糊精均表現(xiàn)很高的GPX活性，為世界上最好的GPX模擬物PZ51的4.3、7.5倍和46倍。69 羅貴民等利用環(huán)糊精為底物結(jié)合部位，硒為催化基團，制備出系列2、合成的主-客體酶模型

主客體化學(xué)和超分子化學(xué)的迅速發(fā)展極大地促進了人們對酶催化的認(rèn)識，同時也為構(gòu)建新的模擬酶創(chuàng)造了條件。除天然存在的宿主酶模型(如環(huán)糊精)外，人們合成了冠醚、穴醚、環(huán)番、環(huán)芳烴等大環(huán)多齒配體用來構(gòu)筑酶模型。

——目前，科學(xué)家們已經(jīng)獲得了很多較成功的人工模擬酶。702、合成的主-客體酶模型

主客合理的人工酶的設(shè)計首先是優(yōu)化對底物的結(jié)合，其次是催化基團的定位。早期以冠醚和環(huán)番為宿主的模擬酶，盡管沒有獲得高效催化，但卻明顯加速了反應(yīng)速度。71合理的人工酶的設(shè)計首先是優(yōu)化對底物的結(jié)合，其次Lehn等人制備了一個含有半胱氨酸殘基的大環(huán)手性模擬酶。它具有與伯銨鹽的絡(luò)合能力，分子內(nèi)的巰基將結(jié)合的二肽酯巰解。72Lehn等人制備了一個含有半胱氨酸殘基的大環(huán)手性模擬酶。它具例如它對甘氨酰苯甲氨酸對硝基苯酯鹽L-異構(gòu)體有較大的選擇催化能力。伯銨鹽在冠醚孔穴中的絡(luò)合以及半胱氨酸巰基的參與可以生成S-?；虚g體，致使酯的水解速率提高103-104倍。

——這種人工模擬酶兼具分子絡(luò)合作用、手性識別作用和催化作用，與天然酶十分類似。73例如它對甘氨酰苯甲氨酸對硝基苯酯鹽L-異構(gòu)體有較大的含氮大環(huán)聚胺質(zhì)子化可以作為陰離子受體模擬酶的模型。74含氮大環(huán)聚胺質(zhì)子化可以作為陰離子受體模擬酶的模型。7Lehn等人合成了一種優(yōu)異的穴狀配體[24]-冠-N6O2。

——它可利用電性作用力和氫鍵結(jié)合多聚磷酸陰離子。研究表明此酶模型在pH2.5~8.5之間可明顯水解ATP生成ADP或AMP，在催化過程中形成磷酰胺中間體，當(dāng)pH=7時可加速ATP水解500倍。75Lehn等人合成了一種優(yōu)異的穴狀配體[24] 最出色的合成配體可能是Cram等人制備的球狀配體，它由環(huán)狀尿素連結(jié)而成孔穴狀結(jié)構(gòu)。球狀配體是Cram等人合成的α-胰凝乳蛋白酶模擬物。它催化的目標(biāo)為?；D(zhuǎn)移反應(yīng)。盡管它還不能模擬脫?；^程，這種模擬酶的催化效率已與天然酶相當(dāng)。76 最出色的合成配體可能是Cram等人制備的球狀配體，它由環(huán)狀模擬酶的成功因素之一是結(jié)合作用。如果能將兩種底物結(jié)合在同一結(jié)合部位就能很好地發(fā)揮作用。77模擬酶的成功因素之一是結(jié)合作用。如果能將兩種Sanders等人制備了系列低聚卟啉，它能將適當(dāng)?shù)牡孜锝Y(jié)合在同一空腔內(nèi)而催化二者反應(yīng)。結(jié)合控制著反應(yīng)的立體化學(xué)，在Diels-Alder反應(yīng)中，反式產(chǎn)物是順式產(chǎn)物的103倍。78Sanders等人制備了系列低聚卟啉，它能

Rebek等人以氫鍵為驅(qū)動力，設(shè)計了酯的酰胺化酶模型。

它以嘌呤（adenine）衍生物為底物催化對硝基苯酯的酰胺化。79

Rebek等人以氫鍵為驅(qū)動力，設(shè)計了酯的酰在室溫下氯仿溶液中催化雙底物，提高催化效率160倍。80在室溫下氯仿溶液中催化雙底物，提高催化效率1冠醚化合物的模擬酶

冠醚具有和金屬離子、銨離子以及有機伯銨離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物的獨特性質(zhì)，通過巧妙的設(shè)計，可將一些具有催化活性的基團連接到冠醚分子上，就能很好地模擬酶的催化作用。

由于手性冠醚分子在絡(luò)合氨基酸酯時具有很高的選擇性，也為模擬酶的活性部位設(shè)計提供了良好的基礎(chǔ)。81冠醚化合物的模擬酶

冠醚具有和金屬離子、銨離子以及1）水解酶的模擬

以冠醚化合物分子的冠醚環(huán)作為結(jié)合部位，含醚側(cè)臂或亞甲基為立體識別部位，側(cè)臂末端為催化部位，可以合成出一系列冠醚水解酶模擬物.821）水解酶的模擬

以冠醚化冠醚水解酶模擬物

A、B、C等三種模擬酶83冠醚水解酶模擬物A、B、C等三種模擬酶83冠醚模擬酶可有效模擬水解酶的催化能力

表氨基-對-硝基苯酯釋放對硝基苯酚的速率常數(shù)在冠醚模擬酶A、B、C存在時，各種氨基酸的鹽與冠醚環(huán)結(jié)合使在-SH附近底物有較高的濃度，可使反應(yīng)速度加快。84冠醚模擬酶可有效模擬水解酶的催化能力

表氨基-對-硝基苯2）肽合成酶的模擬模擬肽合成酶的含巰基冠醚化合物

模擬肽合成酶的冠醚化合物

852）肽合成酶的模擬模擬肽合成酶的含巰基冠醚化合物模擬肽合二、膠束模擬酶

在模擬生物體系的研究中，膠束模擬酶是近年來比較活躍的領(lǐng)域之一。它不僅涉及簡單的膠束體系，而且對功能化膠束、混合膠束、聚合物膠束等體系也進行了深入的探索。86二、膠束模擬酶

在模擬生物體系的研長鏈的疏水尾巴+“頭部”基團87長鏈的疏水尾巴+“頭部”基團87單體單層膠束臨界膠束濃度88單體單層膠束臨88膠束在水溶液中提供了疏水微環(huán)境，可以對底物束縛，類似于酶的結(jié)合部位。如果將催化基團如咪唑、硫醇、羥基和一些輔酶共價或非共價地連接或吸附在膠束上，就有可能提供“活性中心”部位，使膠束成為具有酶活性或部分酶活性的膠束模擬酶。89膠束在水溶液中提供了疏水微環(huán)境，可以對底物束縛摸擬水解酶的膠束酶模型

組氨酸的咪唑基常常是水解酶的活性中心必需的催化基團。如將表面活性劑分子上連接上組氨酸殘基或咪唑基團上，就有可能形成模擬水解酶的膠束。90摸擬水解酶的膠束酶模型

組氨酸的咪唑基常常是水解例如，N-十四酰基組氨酸所形成的膠束催化對硝基苯酚乙酸酯的水解，其催化效率比不能形成膠束的N-乙酰基組氨酸高3300倍。91例如，N-十四?；M氨酸所形成的膠束催化對硝基苯酚乙如果將上述含咪唑基的膠束中加入帶羥基的表面活性劑N,N-二甲基-N-(2-羥乙基)十八烷基氨溴化物，讓它們共同催化對硝基苯酚乙酸酯(PNPA)的水解，則發(fā)現(xiàn)這個酰基咪唑中間體形成后又分解，酰基從咪唑基上又轉(zhuǎn)移到羥基上，與α-胰凝乳蛋白酶水解一些底物很相似。92如果將上述含咪唑基的膠束中加入帶羥基的表面活人們將表面活性劑利用化學(xué)反應(yīng)偶聯(lián)在一起，制備出單分子膠束模擬酶，這種模擬酶比一般膠束模擬酶優(yōu)越，它既具備酶的疏水特性，同時又可以使催化基團引入疏水空腔，其催化效率提高了105倍。

93人們將表面活性劑利用化學(xué)反應(yīng)偶聯(lián)在一起，制備2、輔酶的膠束酶模型

將疏水性維生素B6長鏈衍生物與陽離子膠束混合形成的泡囊體系中，在Cu2+存在下可將酮酸轉(zhuǎn)化為氨基酸，有效地模擬了以維生素B6為輔酶的轉(zhuǎn)氨基作用，氨基酸的收率達52%。942、輔酶的膠束酶模型

將疏水性維生素B63、金屬膠束酶模型

金屬膠束是指帶疏水鏈的金屬配合物單獨或與其他表面活性劑共同形成的膠束體系，其作用是模擬金屬酶的活性中心結(jié)構(gòu)和疏水性的微環(huán)境。該體系的研究目前已取得引人注目的成績，特別是在模擬羧肽酶A、堿性磷酸酯酶、氧化酶、轉(zhuǎn)氨酶等方面取得了很大成功。953、金屬膠束酶模型

金屬膠束是指帶Tonellato等人以α-吡啶甲酸對硝基苯酚酯(PNPP)為底物，研究了不同表面活性劑配體在Cu2+或Zn2+存在時催化PNPP水解的性能。發(fā)現(xiàn)Cu2+、Zn2+的存在可使PNPP的水解速度顯著增大，當(dāng)Cu2+與相應(yīng)的表面活性劑形成1：1配合物時，水解反應(yīng)速度達到最大。

96Tonellato等人以α-吡啶甲酸對硝基苯三、肽酶(pepzyme)

肽酶就是模擬天然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽，這是多肽合成的一大熱點。97三、肽酶(pepzyme)

Johnsson等人為克服苯丙氨酸工業(yè)合成的關(guān)鍵步驟草酰乙酸脫羧反應(yīng)中所用酶需金屬輔酶的不便，想探尋與此不同反應(yīng)機理的不需金屬輔酶的脫羧酶。98Johnsson等人為克服苯丙氨酸工業(yè)合成的可借鑒的認(rèn)識只有：胺可以催化草酰乙酸脫羧，其歷程是先形成烯胺，進而脫去CO2。

然而尚未發(fā)現(xiàn)采用烯胺歷程的天然脫羧酶，全新合理設(shè)計就成了唯一可行的方法。99可借鑒的認(rèn)識只有：胺可以催化草酰乙酸脫羧，其基于胺催化脫羧的六大特征和α-螺旋在催化活性中的重要性的認(rèn)識，以烯胺機理設(shè)計出兩個多肽。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其催化效率比丁胺高3~4個數(shù)量級，但比天然酶活性低得多。100基于胺催化脫羧的六大特征和α-螺旋在催化活性Atassi和Manshouri利用化學(xué)和晶體圖象數(shù)據(jù)所提供的主要活性部位殘基的序列位置和分隔距離，采用“表面刺激”合成法將構(gòu)成酶活性部位位置相鄰的殘基以適當(dāng)?shù)目臻g位置和取向通過肽鍵相連，而分隔距離則用無側(cè)鏈取代的甘氨酸或半胱氨酸調(diào)節(jié)，這樣就能模擬酶活性部位殘基的空間位置和構(gòu)象。101Atassi和Manshouri利用化學(xué)和晶設(shè)計合成的兩個29肽ChPepz和TrPepz分別模擬了α-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別與其模擬的酶相同；在水解2個或2個以上串聯(lián)的賴氨酸和精氨酸殘基的化學(xué)鍵時，TrPepz比胰蛋白酶的活性更強。

對于苯甲酰酪氨酸乙酯的水解，ChPepz比α-胰凝乳蛋白酶的活性稍小，而TrPepz則無活性。對于對甲苯磺酰精氨酸甲酯的水解，TrPepz比胰蛋白酶的活性稍小，而ChPepz則無催化活性。102設(shè)計合成的兩個29肽ChPepz和TrPep四、半合成酶

它是以天然蛋白質(zhì)或酶為母體，用化學(xué)或生物學(xué)方法引進適當(dāng)?shù)幕钚圆课换虼呋鶊F，或改變其結(jié)構(gòu)從而形成一種新的“人工酶”。

半合成酶的出現(xiàn)，是近年來模擬酶領(lǐng)域中的又一突出進展。103四、半合成酶

它是以天然蛋白質(zhì)或Bender等人首次成功地將枯草桿菌蛋白酶活性部位的絲氨酸（Ser）殘基，經(jīng)苯甲基磺酰氟特異性活化后，再用巰基化合物取代，將絲氨酸轉(zhuǎn)化為半胱氨酸。

——雖然產(chǎn)生的巰基化枯草桿菌蛋白酶對肽或酯沒有水解活力，但能水解高度活化的底物，如硝基苯酯等。104Bender等人首次成功地將枯草桿菌蛋白酶活性部位的絲氨酸（Hilvert等人利用類似的方法，將枯草桿菌蛋白酶結(jié)合部位的特異性Ser突變?yōu)槲腚装彼帷４宋莶輻U菌蛋白酶既表現(xiàn)出轉(zhuǎn)氨酶的活性又表現(xiàn)出含硒谷胱甘肽過氧化物酶活性。

——化學(xué)修飾的方法為：首先用苯甲基磺酰氟特異性活化結(jié)合部位的Ser，然后用H2Se或NaHSe親核取代，則將Ser轉(zhuǎn)化為硒代半胱氨酸。105Hilvert等人利用類似的方法，將枯草桿菌將輔酶引入結(jié)構(gòu)已明了的蛋白質(zhì)上是制備半合成酶的又一策略。106將輔酶引入結(jié)構(gòu)已明了的蛋白質(zhì)上是制備半合成酶的又一策例如，Kaiser等人的黃素木瓜蛋白酶。黃素的溴酰衍生物可與木瓜蛋白酶的Cys-25共價結(jié)合成黃素木瓜蛋白酶。此半合成酶的酶活性可與老黃素酶相比擬。

——其它的輔酶，如維生素B1、吡哆醛、卟啉等都可以共價偶聯(lián)到某些酶的結(jié)合部位，從而產(chǎn)生新的實用催化劑。107例如，Kaiser等人的黃素木瓜蛋白酶。黃素人們將血紅蛋白和白蛋白修飾后產(chǎn)生了酶活性，而將細(xì)胞色素C水解后產(chǎn)生了過氧化物酶活性。108人們將血紅蛋白和白蛋白修飾后產(chǎn)生了酶活性，而

利用半合成酶方法不但可以制造新酶，還可獲得關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和催化活性間關(guān)系的詳細(xì)信息，為構(gòu)建高效人工酶打基礎(chǔ)。109

利用半合成酶方法不但可以制造新酶，還可獲得將抗體結(jié)合部位附近適當(dāng)位置引入催化活性基團是構(gòu)建半合成抗體酶的有效途徑。

——基本方法是用化學(xué)方法將一個催化活性基團引入抗原類似物中。利用抗體與抗原類似物的親和結(jié)合作用，使催化活性基團與抗體結(jié)合部位附近的氨基酸殘基共價結(jié)合，將催化活性基團與抗原類似物分離，在結(jié)合部位附近就引入了活性基團，如-SH或咪唑基。110將抗體結(jié)合部位附近適當(dāng)位置引入催化活性基團是構(gòu)建半合Schultz等人應(yīng)用此方法已成功地將-SH引入到抗體MOPC315的結(jié)合部位附近。這種半合成抗體酶可提高硫解速率達6×104倍。用同樣的方法將咪唑基引入到抗體中，其結(jié)果是使水解速率明顯提高。111Schultz等人應(yīng)用此方法已成功地將-SH

Keyes等人描述了一種原則上可能普遍適用的分子印跡方法，它可以改變酶的底物專一性并創(chuàng)造出新酶。

方法——先使酶或無活性蛋白變性，然后加入所希望酶活力的競爭性抑制劑或底物類似物印跡分子，待獲得所希望的活性構(gòu)象后，用交聯(lián)劑固定這個構(gòu)象，除去抑制劑后，就產(chǎn)生了具有新的酶活的印跡酶

112

Keyes等人描述了一種原則上可能普遍適五、印跡酶

在分子水平上模擬酶對底物的識別與催化功能已引起各國科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。自然界中，分子識別在生物體如酶、受體和抗體的生物活性方面發(fā)揮著重要作用，這種高選擇性來源于與底物相匹配的結(jié)合部位的存在。113五、印跡酶

在分子水平上模擬酶對底物的識別為獲得這樣的結(jié)合部位，科學(xué)家們應(yīng)用環(huán)狀小分子或冠狀化合物如冠醚、環(huán)番、環(huán)糊精、杯芳烴等來模擬生物體系。以一種分子充當(dāng)模板，周圍用聚合物交聯(lián)，當(dāng)除去模板分子后，此聚合物就留下了與模板分子相匹配的空穴。114為獲得這樣的結(jié)合部位，科學(xué)家們應(yīng)用環(huán)狀小分子如果構(gòu)建合適，這種聚合物就象“鎖”一樣對鑰匙具有選擇性識別作用。

通常將該技術(shù)稱為分子印跡技術(shù)115如果構(gòu)建合適，這種聚合物就象“鎖”一樣對鑰匙具有選到了二十世紀(jì)七、八十年代，分子印跡技術(shù)獲得了很大的突破，成功地制備出分子印跡聚合物。116到了二十世紀(jì)七、八十年代，分子印跡技術(shù)獲得了經(jīng)過二三十年的努力，分子印跡技術(shù)趨于成熟，并在分離提純、免疫分析、生物傳感器，特別是人工模擬酶方面顯示出廣泛的應(yīng)用前景。117經(jīng)過二三十年的努力，分子印跡技術(shù)趨于成熟，并在分離提5.1分子印跡原理

分子印跡實際上是指制備對某一化合物具有選擇性的聚合物的過程。通常將這一化合物稱為印跡分子或者模板分子。分子印跡技術(shù)包括如下內(nèi)容：

①選定印跡分子和功能單體，使二者發(fā)生

互補反應(yīng)；

②在印跡分子—單體復(fù)合物周圍發(fā)生聚合

反應(yīng)；

③用抽提法從聚合物中除掉印跡分子。1185.1分子印跡原理

分子印跡實際通過這樣處理，形成的聚合物內(nèi)保留有與印跡分子的形狀﹑大小完全一樣的空穴，也就是說印跡的聚合物能維持相對于模板分子的互補性，因此，該聚合物就能以高選擇性重新結(jié)合模板分子。

119通過這樣處理，形成的聚合物內(nèi)保留有與印跡分子的形狀﹑

分子印跡也叫主客聚合作用或模板聚合作用，實踐上制備選擇性聚合物并不難，僅涉及簡單的眾所周知的實驗技術(shù)，其具體步驟如圖所示，制得的聚合物就簡稱為印跡分子。120

分子印跡也叫主客聚合作用或模板聚合作用，實如果用一種純對映體作為印跡分子，就能產(chǎn)生有效手性拆分外消旋物的印跡聚合物，此時，該印跡空穴具有不對稱結(jié)構(gòu)，而這種不對稱是由于被固定的聚合物鏈的不對稱構(gòu)象所產(chǎn)生的。121如果用一種純對映體作為印跡分子，就能產(chǎn)生有效一般來說，聚合物空穴對印跡分子的選擇性結(jié)合作用來源于空穴中起結(jié)合作用的官能團的排列以及空穴的形狀，關(guān)鍵的反應(yīng)性官能團的排列在空穴特異性結(jié)合中起決定性作用，而空穴的形狀在某種程度上卻是次要因素。122一般來說，聚合物空穴對印跡分子的選擇性結(jié)合作模板分子與單體相互作用類型

模板分子與單體相互作用類型主要有兩種:

——模板分子與單體通過共價可逆結(jié)合；

——單體與印跡分子之間的最初反應(yīng)是非共價的。123模板分子與單體相互作用類型

模板分子與單體相互作用類型主要可逆共價結(jié)合可得到能拆分糖的外消旋混合物的聚合物

苯基－α－D甘露吡喃糖苷作印跡分子，與單體乙烯基苯基硼酸發(fā)生作用124可逆共價結(jié)合可得到能拆分糖的外消旋混合物的聚合物苯基－α－由于該聚合物可以可逆地、選擇性地結(jié)合印跡分子，所以可拆分外消旋混合物125由于該聚合物可以可逆地、選擇性地結(jié)合印跡分子，所以可拆分外消非共價相互作用的分子印跡

（a）Ｌ–苯丙氨酸酰苯胺（Ｒ＝Ｃ６Ｈ５）和丙稀酸之間的離子或其他相互作用決定“印跡部位”的形狀﹑大小和性質(zhì)。與ＥＭＤＡ交聯(lián)并抽提模板分子后，該聚合物對Ｌ–苯丙氨酸酰苯胺有選擇性。（b）為在此聚合物層析柱上拆分外消旋的Ｄ，Ｌ–苯丙氨酸酰苯胺。126非共價相互作用的分子印跡（a）Ｌ–苯丙氨酸酰苯胺（Ｒ＝Ｃ６影響印跡分子選擇性識別的因素

影響印跡分子選擇性識別的因素很多，主要有：

①底物結(jié)構(gòu)和互補性

②聚合物與模板分子間作用力

③交聯(lián)劑的類型和用量

④聚合條件127影響印跡分子選擇性識別的因素

影響印跡分子選擇性①底物結(jié)構(gòu)和互補性：

底物必須與模板分子的結(jié)構(gòu)﹑大小相似，否則影響分辨力。不僅要求聚合物中存在與原來印跡分子在大小和形狀上互補的部位（孔穴），更重要的是這些部位內(nèi)的功能基團要排列正確，要有適當(dāng)取向。

128①底物結(jié)構(gòu)和互補性：

底物必須與模板分子的②聚合物與模板分子間作用力：

聚合物與模板分子間的作用力強弱是影響識別力的重要因素。若能在二者間產(chǎn)生多種相互作用力，如離子鍵﹑氫鍵等。而且鍵的數(shù)目又多，則會大大改善聚合物的識別能力。129②聚合物與模板分子間作用力：

聚合物與模③交聯(lián)劑的類型和用量：

聚合物的對映體選擇性對聚合所用交聯(lián)劑的類型和用量依賴性很大。交聯(lián)少會降低聚合物的堅牢程度，難于限定負(fù)責(zé)選擇性部位的形狀和其中的基團取向，導(dǎo)致識別力下降。使用旋光性交聯(lián)劑，則可能造成與模板分子有附加的手性相互作用，提高識別力。130③交聯(lián)劑的類型和用量：

聚合物的對映體選④聚合條件：

低溫聚合可以穩(wěn)定模板分子和單體間的復(fù)合物，容許印跡熱敏分子；同時還能改變聚合物的物理性質(zhì)，可能增加制備較高分辨力聚合物的可能性。131④聚合條件：

低溫聚合可以穩(wěn)定模板分子和單體5.2分子印跡聚合物的制備方法

制備分子印跡聚合物的過程一般包括：a.選定印跡分子和單體，讓他們之間充分作用；b.在印跡分子周圍發(fā)生聚合反應(yīng)；c.將印跡分子從聚合物中抽提出去。1325.2分子印跡聚合物的制備方法

制備分子印跡聚可用于分子印跡的分子很廣泛，如藥物、氨基酸、碳水化合物、核酸、激素、輔酶等133可用于分子印跡的分子很廣泛，如藥物、氨基酸、碳水化合應(yīng)用最廣泛的聚合單體是羧酸類，如丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸，磺酸類，以及雜環(huán)弱堿類如乙烯基吡啶、乙烯基咪唑。其中最常用的體系為聚丙烯酸和聚丙烯酰胺體系分子。134應(yīng)用最廣泛的聚合單體是羧酸類，如丙烯酸、甲基丙烯酸、5.3分子印跡酶1355.3分子印跡酶135目前，人們已經(jīng)利用分子印跡技術(shù)制備出了人工模擬酶，通過分子印跡技術(shù)可以產(chǎn)生類似于酶的活性中心的空腔，對底物產(chǎn)生有效的結(jié)合作用，同時在結(jié)合部位的空腔內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生催化基團，并與底物定向排列。136目前，人們已經(jīng)利用分子印跡技術(shù)制備出了人工模擬酶，通產(chǎn)生底物結(jié)合部位并使催化基團與底物定向排列是獲得高效人工模擬酶至管重要的兩個方面。137產(chǎn)生底物結(jié)合部位并使催化基團與底物定向排列是獲得高效但要想制備出具有酶活性的分子印跡酶，選擇合適的印跡分子是相當(dāng)重要的。目前，所選擇的印跡分子主要有底物、底物類似物、酶抑制劑、過渡態(tài)類似物以及產(chǎn)物等。

138但要想制備出具有酶活性的分子印跡酶，選擇合適的印跡分1印跡底物及其類似物

酶的催化是從對底物的結(jié)合開始的，產(chǎn)生對底物的識別可促進催化。研究表明，以產(chǎn)物為印跡分子的印跡聚合物表現(xiàn)出較高的酶催化效率，而以反應(yīng)物為印跡分子的印跡聚合物催化相同的反應(yīng)時卻較低。

將催化基團定位在印跡空腔的合適位置對印跡酶發(fā)揮催化效率相當(dāng)重要，可以通過相反電荷等的相互作用引入互補基團?；诜枪矁r相互作用的分子印跡也可用來產(chǎn)生催化聚合物。1391印跡底物及其類似物

酶的催化是2印跡過渡態(tài)類似物

與用過渡態(tài)類似物作模板分子制備的印跡聚合物也能結(jié)合反應(yīng)過渡態(tài)，降低反應(yīng)活化能，從而加速反應(yīng)，如圖。而這種速度加快可被過渡態(tài)類似物專一性抑制，從而證明所得到的速度加強完全是由分子印跡提供的專一結(jié)合部位引起的。

針對過渡態(tài)類似物對-硝基苯甲基磷酸酯制備的印跡聚合物能加速酯水解成相應(yīng)的羧酸1402印跡過渡態(tài)類似物

與用過渡態(tài)類似物作模利用分子印跡技術(shù)印跡過渡態(tài)類似物，產(chǎn)生了具有手性酯水解能力的又一印跡酶。該印跡聚合物模擬酶表現(xiàn)出對映體選擇性水解能力，其對映體水解催化常數(shù)比kD/kL為1.9。但同非印跡的聚合物相比，催化效率只提高了2.5倍，同含咪唑的溶液相比，催化效率也只提高了10倍141利用分子印跡技術(shù)印跡過渡態(tài)類似物，產(chǎn)生了具有手性酯水解能3表面印跡過渡態(tài)類似物

表面分子印跡聚合物微膠可以克服由于印跡聚合物擴散慢而引起的動力學(xué)問題，人們試圖利用表面印跡技術(shù)使載體表面印跡產(chǎn)生模擬酶的結(jié)合部位。1423表面印跡過渡態(tài)類似物

將胰蛋白酶水解反應(yīng)的過渡態(tài)類似物，與長鏈烴經(jīng)?；苽涑深愃朴诒砻婊钚詣┑姆肿?，并以此為模板與表面活性劑、硅氧烷、微膠?；旌显谒?油型乳液中，過渡態(tài)類似物作為表面活性劑的親水頭在水相界面與硅氧烷、硅膠微粒通過氫鍵和疏水作用充分結(jié)合，待硅氧烷聚合后,印跡分子就定位在微膠表面。去除表面活性劑，在硅膠微粒表面就形成了與過渡態(tài)互補的微孔。實驗研究表明，印跡酶具有酰胺水解活性。143將胰蛋白酶水解反應(yīng)的過渡態(tài)類似物，與長鏈烴經(jīng)?；苽湟殉晒Φ啬M了許多酶，如酯水解酶、HF水解酶、葡萄糖異構(gòu)酶等。有的甚至達到了天然酶的催化效率。144已成功地模擬了許多酶，如酯水解酶、HF水解酶例1酯水解生物印跡酶

選擇吲哚丙酸為印跡分子，印跡牛胰核糖核酸酶，待起始蛋白質(zhì)在部分變性條件下與吲哚丙酸充分作用后，用戊二醛交聯(lián)固定印跡蛋白質(zhì)的構(gòu)象，經(jīng)透析去除印跡分子后就制得了具有酶水解能力的生物印跡酶。145例1酯水解生物印跡酶

選擇吲哚通過研究，已經(jīng)知道，該印跡酶的最適pH、底物飽和特性以及產(chǎn)物抑制等均與天然酶類似，但卻具有較寬的底物特異性。146通過研究，已經(jīng)知道，該印跡酶的最適pH、底物對含芳環(huán)的氨基酸酯如色氨酸乙酯、苯醛-L-精氨酸乙酯、酪氨酸乙酯等均表現(xiàn)出相當(dāng)好的水解活性，而對非芳香氨基酸乙酯，如甘氨酸乙酯、賴氨酸乙酯等則表現(xiàn)出較低的催化活性。吲哚環(huán)誘導(dǎo)的芳香疏水結(jié)合部位對結(jié)合芳香基團的底物起到關(guān)鍵作用。147對含芳環(huán)的氨基酸酯如色氨酸乙酯、苯醛-L-精例2HF水解生物印跡酶

氟水解酶是一類重要的酶，可催化含氟化合物的水解反應(yīng)而使含氟有機磷和磺酸類化合物解毒。

最常見的底物包括二異丙基氟磷酸(DFP)、對甲苯基磺酰氟(PMSF)等。148例2HF水解生物印跡酶

氟水解酶有研究者以不同的底物類似物為印跡分子印跡核糖核酸酶，獲得了具有高活力的氟水解酶，其催化DFP的活性比相應(yīng)的抗體酶高10倍，甚至超過了某些天然酶的活力水平149有研究者以不同的底物類似物為印跡分子印跡核糖例3具有谷胱甘肽過氧化物酶活性的生物

印跡酶

谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)是在哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一個含硒酶，它以谷胱甘肽(GSH)為還原劑分解體內(nèi)的氫過氧化物，因而可防止細(xì)胞膜和其它生物組織免受過氧化物損傷，對此酶的人工模擬具有重要的藥用價值。150例3具有谷胱甘肽過氧化物酶活性的生物

印 吉林大學(xué)的羅貴民等采用生物印跡方法產(chǎn)生GSH結(jié)合位點，再經(jīng)過化學(xué)修飾引入含硒的基團SeCys，制備的印跡酶活力僅比天然酶低一個數(shù)量級。151 吉林大學(xué)的羅貴民等采用生物印跡方法產(chǎn)生GSH結(jié)合位點，再模擬酶研究進展152模擬酶研究進展152人工模擬酶這一研究領(lǐng)域已引起各國科學(xué)家的極大關(guān)注。

世界發(fā)達國家，如美、德、日、英、法等都把模擬酶作為重點課題列入未來的研究計劃153人工模擬酶這一研究領(lǐng)域已引起各國科學(xué)家的極大我國也將對模擬酶的研究列入國家自然科學(xué)基金重點資助的高技術(shù)、新概念、新構(gòu)思探索性課題。154我國也將對模擬酶的研究列入國家自然科學(xué)基金重點近年來，人們以酶結(jié)構(gòu)知識，酶動力學(xué)研究為基礎(chǔ)，采用多種新型技術(shù)如抗體酶制備技術(shù)，在分子水平上模擬酶對底物的結(jié)合催化，取得了許多重要成果。155近年來，人們以酶結(jié)構(gòu)知識，酶動力學(xué)研究為基礎(chǔ)人工模擬酶的實踐證明，利用環(huán)糊精、大環(huán)化合物、抗體、印跡蛋白等為基質(zhì)已制備出大量的人工酶，部分人工酶的催化效率及選擇性已能與天然酶相媲美。156人工模擬酶的實踐證明，利用環(huán)糊精、大環(huán)化合物但也應(yīng)該看到，大多數(shù)人工酶的催化活性并不高，這主要是由于目前尚缺乏系統(tǒng)的、定量的理論為指導(dǎo)。另外的原因是，大多數(shù)人工酶模型過于簡單，缺乏對催化因素的全面考慮。157但也應(yīng)該看到，大多數(shù)人工酶的催化活性并不高，這主要是近年來，生物印跡技術(shù)的出現(xiàn)為分子印跡酶的發(fā)展注入了新的活力，運用分子印跡技術(shù)對酶的人工模擬已成功地制備出具有酶水解、轉(zhuǎn)氨、脫羧、酯合成、氧化還原等活性的分子印跡酶。158近年來，生物印跡技術(shù)的出現(xiàn)為分子印跡酶的發(fā)展注入了新人工模擬酶的研究屬于化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的交叉點，屬交叉學(xué)科。對酶的模擬已不是僅限于化學(xué)手段，基因工程、蛋白質(zhì)工程等分子生物學(xué)手段正在發(fā)揮越來越大的作用。化學(xué)和分子生物學(xué)以及其它學(xué)科的結(jié)合使酶模擬更加成熟起來。159人工模擬酶的研究屬于化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域的交叉點隨著酶學(xué)理論的發(fā)展，人們對酶學(xué)機制的進一步認(rèn)識，以及新技術(shù)、新思維的不斷涌現(xiàn)，理想的人工酶將會不斷產(chǎn)生。

160隨著酶學(xué)理論的發(fā)展，人們對酶學(xué)機制的進一步認(rèn)識，以及謝謝觀賞！1612020/11/5謝謝觀賞！1612020/11/5現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶第一節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略162現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶現(xiàn)代酶工程酶的人工模擬或模擬酶第一節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略163第一節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略2

模擬酶的概念

二十世紀(jì)的大部分時期，科學(xué)家一直在利用化學(xué)模擬作為闡明自然界中生物體行為的基礎(chǔ)。164

模擬酶的概念

二十世紀(jì)的大部分時期，科學(xué)家一直在早在二十世紀(jì)中葉，人們就已認(rèn)識到研究和模擬生物體系是開辟新技術(shù)的途徑之一，并自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計原理和發(fā)明創(chuàng)造的源泉。

通過對生物體系的結(jié)構(gòu)與功能的研究，為設(shè)計和建造新的技術(shù)提供新的思想、新原理、新方法和新途徑。165早在二十世紀(jì)中葉，人們就已認(rèn)識到研究和模擬生物設(shè)計一種象酶那樣的高效催化劑是科學(xué)家們一直追求的目標(biāo)。而對酶功能的模擬是當(dāng)今自然科學(xué)領(lǐng)域中的前沿課題之一。166設(shè)計一種象酶那樣的高效催化劑是科學(xué)家們一直追求在過去的20年里，化學(xué)家對利用簡單的分子模型構(gòu)建酶的特征進行了深入的研究。

經(jīng)過長期的努力，新的催化劑—模擬酶就逐漸被研制和開發(fā)出來。167在過去的20年里，化學(xué)家對利用簡單的分子模型構(gòu)建酶的模擬酶又稱人工酶或酶模型。

——生物有機化學(xué)的一個分支。168模擬酶又稱人工酶或酶模型。

——生物有機化學(xué)的一個分支。由于天然酶的種類繁多，模擬的途徑、方法、原理和目的不同，對模擬酶至今沒有一個公認(rèn)的定義。169由于天然酶的種類繁多，模擬的途徑、方法、原理和一般說來，模擬酶是在分子水平上模擬酶活性部位的形狀、大小及其微環(huán)境等結(jié)構(gòu)特征，以及酶的作用機理和立體化學(xué)等特性的一門科學(xué)。170一般說來，模擬酶是在分子水平上模擬酶活性部位模擬酶的研究就是吸收酶中那些起主導(dǎo)作用的因素利用有機化學(xué)、生物化學(xué)等方法，設(shè)計和合成一些較天然酶簡單的非蛋白分子或蛋白質(zhì)分子，以這些分子作為模型來模擬酶對其作用底物的結(jié)合和催化過程。171模擬酶的研究就是吸收酶中那些起主導(dǎo)作用的因素利因此，模擬酶是從分子水平上模擬生物功能的一門邊緣科學(xué)。172因此，模擬酶是從分子水平上模擬生物功能的一門邊

迄今為止，已經(jīng)有了多種類型的模擬酶：

——小分子仿酶體系有環(huán)糊精、冠醚、環(huán)

番、環(huán)芳烴和卟啉等大環(huán)化合物等。

——大分子仿酶體系有聚合物酶模型，分

子印跡酶模型和膠束酶模型等。

——利用化學(xué)修飾、基因突變等手段改造

天然酶產(chǎn)生了具有新的催化活性的半

合成人工酶。173

迄今為止，已經(jīng)有了多種類型的模擬酶：

——小分子仿酶體系其中，抗體酶就是一個典型的例子，抗體酶的出現(xiàn)和快速發(fā)展為酶的人工模擬又開辟了一條新的道路。174其中，抗體酶就是一個典型的例子，抗體酶的出現(xiàn)和二、模擬酶的理論基礎(chǔ)175二、模擬酶的理論基礎(chǔ)141．模擬酶的酶學(xué)基礎(chǔ)

酶是如何發(fā)生效力的？對酶的催化機制，人們提出了很多理論，試圖從不同角度闡述酶發(fā)揮高效率的原因。1761．模擬酶的酶學(xué)基礎(chǔ)

酶是在眾多的假說中，Pauling在1946年提出的的過渡態(tài)理論得到了廣泛的認(rèn)同。177在眾多的假說中，Pauling在1946年提基于Pauling穩(wěn)定過渡態(tài)理論，目前對酶的催化機制解釋是酶先與底物結(jié)合，進而選擇性穩(wěn)定某一特定反應(yīng)的過渡態(tài)(TS)，降低反應(yīng)的活化能，從而加快反應(yīng)速度。

178基于Pauling穩(wěn)定過渡態(tài)理論，目前對酶的催化機制解釋設(shè)計模擬酶：

——基于酶的作用機制，

——基于對簡化的人工體系中識別、結(jié)合和催化的研究。

要想得到一個真正有效的模擬酶，這兩方面就必須統(tǒng)一結(jié)合。179設(shè)計模擬酶：

——基于酶的作用機制，

——基于對簡化的人工在設(shè)計模擬酶時除具備催化基團之外，還要考慮到與底物定向結(jié)合的能力。模擬酶要和酶一樣，能夠在底物結(jié)合中，通過底物的定向化、鍵的扭曲及變形來降低反應(yīng)的活化能。180在設(shè)計模擬酶時除具備催化基團之外，還要考慮到與底物定向結(jié)酶模型的催化基團和底物之間必須具有相互匹配的立體化學(xué)特征，這對形成良好的反應(yīng)特異性和催化效力是相當(dāng)重要的。181酶模型的催化基團和底物之間必須具有相互匹配的立體化學(xué)特征

2.超分子化學(xué)

Pederson和Cram報道了一系列光學(xué)活性冠醚的合成方法。這些冠醚可以作為主體而與伯銨鹽客體形成復(fù)合物。182

2.超分子化學(xué)

Pederson和Cram把主體與客體通過配位鍵或其它次級鍵形成穩(wěn)定復(fù)合物的化學(xué)領(lǐng)域稱為“主-客體”化學(xué)(host-guestchemistry)。183Cram把主體與客體通過配位鍵或其它次級鍵形成穩(wěn)定復(fù)合物主-客體化學(xué)的基本意義來源于酶和底物的相互作用，體現(xiàn)為主體和客體在結(jié)合部位的空間及電子排列的互補，這種主客體互補與酶和它所識別的底物結(jié)合情況近似。184主-客體化學(xué)的基本意義來源于酶和底物的相互作用，體現(xiàn)為主

主-客體化學(xué)和超分子化學(xué)已成為酶人工模擬的重要理論基礎(chǔ)，是人工模擬酶研究的重要理論武器。

根據(jù)酶催化反應(yīng)機理，若合成出能識別底物又具有酶活性部位催化基團的主體分子，就能有效地模擬酶的催化過程。185

主-客體化學(xué)和超分子化學(xué)已成為酶人工模擬的重要理論基礎(chǔ)通常，在設(shè)計模擬酶之前，應(yīng)當(dāng)對酶的結(jié)構(gòu)和酶學(xué)性質(zhì)有深入的了解：

——(1)酶活性中心-底物復(fù)合物的結(jié)

構(gòu)；

——(2)酶的專一性及其同底物結(jié)合的

方式與能力；

——(3)反應(yīng)的動力學(xué)及各中間物的知

識。186通常，在設(shè)計模擬酶之前，應(yīng)當(dāng)對酶的結(jié)構(gòu)和酶學(xué)性質(zhì)有深入的了解設(shè)計人工酶模型應(yīng)考慮如下因素：

——非共價相互作用是生物酶柔韌性、可變性和專一性的基礎(chǔ)，故酶模型應(yīng)為底物提供良好的微環(huán)境，便于與底物，特別是反應(yīng)的過渡態(tài)以離子鍵、氫鍵等結(jié)合；

——精心挑選的催化基團必須相對于結(jié)合點盡可能同底物的功能團相接近，以促使反應(yīng)定向發(fā)生；

——模型應(yīng)具有足夠的水溶性，并在接近生理條件下保持其催化活性。187設(shè)計人工酶模型應(yīng)考慮如下因素：

——非共價相互作用是生物酶在設(shè)計模擬酶方面，盡管有上述理論做指導(dǎo)，但是，目前尚缺乏系統(tǒng)的定量的理論體系。188在設(shè)計模擬酶方面，盡管有上述理論做指導(dǎo)，但是，目前尚缺乏令人欣喜的是，大量的實踐證明，酶的高效性和高選擇性并非天然酶所獨有，人們利用各種策略發(fā)展了多種人工酶模型。

目前，在眾多的模擬酶中，已有部分非常成功的例子，它們的催化效率和高選擇性已能與生物酶相媲美。189令人欣喜的是，大量的實踐證明，酶的高效性和高選擇性并非天

第二節(jié)模擬酶的分類

190

第二節(jié)模擬酶的分類

29根據(jù)Kirby分類法，模擬酶可分為：

——(1)單純酶模型(enzyme-basedmimics)，即以化學(xué)方法通過天然酶活性的模擬來重建和改造酶活性；

——(2)機理酶模型(mechanism-basedmimics)，即通過對酶作用機制諸如識別、結(jié)合和過渡態(tài)穩(wěn)定化的認(rèn)識，來指導(dǎo)酶模型的設(shè)計和合成；

——(3)單純合成的酶樣化合物(synzyme)，即一些化學(xué)合成的具有酶樣催化活性的簡單分子。191根據(jù)Kirby分類法，模擬酶可分為：

——(1)單純酶模型(按照模擬酶的屬性，模擬酶可分為：

——(1)主—客體酶模型，包括環(huán)糊精、冠醚、穴醚、雜環(huán)大環(huán)化合物和卟啉類等；

——(2)膠束酶模型；

——(3)肽酶；

——(4)抗體酶；

——(5)分子印跡酶模型；

——(6)半合成酶等。192按照模擬酶的屬性，模擬酶可分為：

——(1)主—客體酶模型，近年來又出現(xiàn)了雜化酶和進化酶。對酶的模擬已不是僅限于化學(xué)手段，基因工程、蛋白質(zhì)工程等分子生物學(xué)手段正在發(fā)揮越來越大的作用?；瘜W(xué)和分子生物學(xué)方法的結(jié)合使酶模擬更加成熟起來。193近年來又出現(xiàn)了雜化酶和進化酶。對酶的模擬已不一、主客體酶模型

1．環(huán)糊精酶模型

環(huán)糊精(Cyclodextrin簡稱CD)是由多個D-葡萄糖以α(1,4)糖苷鍵結(jié)合而成的一類環(huán)狀低聚糖。194一、主客體酶模型

1．環(huán)糊精酶模型

環(huán)糊精每個葡萄糖殘基均呈現(xiàn)無扭曲變形的椅式構(gòu)象，整個分子組成類似輪胎的環(huán)柱形分子，分子內(nèi)有空穴，其大小、形狀是由組成環(huán)的葡萄糖殘基數(shù)目而定的環(huán)糊精根據(jù)葡萄糖單元的數(shù)量不同可分為α(6個)，β(7個)及γ(8個)環(huán)糊精三種195每個葡萄糖殘基均呈現(xiàn)無扭曲變形的椅式構(gòu)象，整個分子組成類似輪CD略呈錐形的圓筒，

其伯羥基（C6）和仲羥基（C2、C3）分別位于圓筒

較小和較大開口端。

這樣，CD分子外側(cè)是親水的，其羥基可與多種客體形成氫鍵，其內(nèi)側(cè)是C-3，C-5上的氫原子和糖苷氧原子組成的空腔，故具有疏水性，因而能包結(jié)多種客體分子，很類似酶對底物的識別。196CD略呈錐形的圓筒，

其伯羥基（C6）和仲羥基（C2、C3）作為人工酶模型的主體分子雖有若干種，但迄今被廣泛采用且較為優(yōu)越的當(dāng)屬環(huán)糊精。197作為人工酶模型的主體分子雖有若干種，但迄今被廣

CD分子和底物的結(jié)合常數(shù)不及某些酶對底物的結(jié)合常數(shù)大，因此以CD為主體的仿酶研究工作過去主要集中在對CD的修飾上，即在CD的兩面引入催化基團，通過柔性或剛性加冕引入疏水基團，以改善CD的疏水結(jié)合和催化功能。

這樣得到的修飾CD通常只有單包結(jié)部位和雙重識別作用。198

CD分子和底物的結(jié)合常數(shù)不及某些酶對底物的結(jié)由于酶是通過對底物的多部位包結(jié)并具有多重識別位點來實現(xiàn)酶促反應(yīng)的高效性和高選擇性的。為了增加環(huán)糊精的仿酶效果，近年來相繼出現(xiàn)了橋聯(lián)環(huán)糊精和聚合環(huán)糊精。以它們?yōu)榉旅改Ｐ涂梢缘玫诫p重或多重疏水結(jié)合作用和多重識別作用。199由于酶是通過對底物的多部位包結(jié)并具有多重識別

利用環(huán)糊精為酶模型已對多種酶的催化作用進行了模擬。

在水解酶、核糖核酸酶、轉(zhuǎn)氨酶、氧化還原酶、碳酸酐酶、硫胺素酶和羥醛縮合酶等方面都取得了很大的進展。200

利用環(huán)糊精為酶模型已對多種酶的催化作用進行了模擬。①水解酶的模擬

α-胰凝乳蛋白酶是一種蛋白水解酶。它具有疏水性的環(huán)狀結(jié)合部位，能有效包結(jié)芳環(huán)，催化部位中含有57號組氨酸咪唑基，102號天冬氨酸羧基及195號絲氨酸羥基，三者共同組成了所謂的“電荷中繼系統(tǒng)”，在催化底物水解時起關(guān)鍵作用。201①水解酶的模擬

α-胰凝乳蛋白酶是一種蛋白水解酶α-胰凝乳

蛋白酶202α-胰凝乳

蛋白酶41

α-胰凝乳蛋白酶的模擬:在β-環(huán)狀糊精的側(cè)鏈上接上一些基團，合成出了如下圖的模擬酶。利用β-環(huán)狀糊精作為酶的結(jié)合部位，使羧基、咪唑基以及環(huán)糊精自身的羥基共同構(gòu)成了催化中心，由此實現(xiàn)了α-胰凝乳蛋白酶的全模擬。α-胰凝乳蛋白酶的模擬酶203α-胰凝乳蛋白酶的模擬:在β-環(huán)狀糊精的側(cè)鏈上接上一Bender等人將實現(xiàn)了電荷中繼系統(tǒng)的?；复呋课灰隒D的第二面，成功地制備出人工酶β-Benzyme。β-Benzyme204Bender等人將實現(xiàn)了電荷中繼系統(tǒng)的?；甫?Benzyme催化對叔丁基苯基醋酸酯(p-NPAc)的水解比天然酶快一倍以上，kcat/Km也與天然酶相當(dāng)。

β-Benzyme曾以實現(xiàn)了天然酶的高效催化作用機理而聞名于世。205β-Benzyme催化對叔丁基苯基醋酸酯(p組氨酸咪唑基在酶催化中起著重要作用，將咪唑與環(huán)糊精相連結(jié)會獲得更理想的模擬酶。206組氨酸咪唑基在酶催化中起著重要作用，將咪唑與環(huán)糊精相Rama等人將咪唑在N上直接與β-CD的C-3相連，所得的模型2催化p-NPAc的水解比天然酶快一個數(shù)量級。207Rama等人將咪唑在N上直接與β-CD的C-著名科學(xué)家Breslow在環(huán)糊精仿酶領(lǐng)域做了大量而出色的工作。

——認(rèn)為模擬酶增加催化效率的關(guān)鍵是要增加環(huán)糊精對底物過渡態(tài)的結(jié)合能力。208著名科學(xué)家Breslow在環(huán)糊精仿酶領(lǐng)域做了最簡單的方法是修飾底物來增加底物同CD的結(jié)合，從而可能增加對過渡態(tài)的結(jié)合。

設(shè)計了一系列以二茂鐵(二環(huán)戊二烯基合鐵)、金剛烷(三環(huán)癸烷)為結(jié)合位點的硝基苯酯，以CD本身為催化劑可加速酯水解達105~106倍。

209最簡單的方法是修飾底物來增加底物同CD的結(jié)②核糖核酸酶的模擬

核糖核酸酶有兩個組氨酸咪唑基及一個質(zhì)子化賴氨酸氨基處于活性中心，在它的催化下RNA的磷酸酯水解分兩步進行，兩個咪唑基交替起著廣義酸和廣義堿的作用，使基團質(zhì)子化或增加親核基團的親核性。210②核糖核酸酶的模擬

核糖核酸酶有兩個組氨酸咪唑基及 Breslow等人以β-環(huán)狀糊精為基礎(chǔ)，引入其它的化學(xué)基團可以合成出如圖的兩種修飾環(huán)狀糊精模擬酶A和B，這兩種修飾環(huán)狀糊精能夠催化磷酸二酯的水解，被認(rèn)為是很好的核糖核酸酶模型．211 Breslow等人以β-環(huán)狀糊精為基礎(chǔ)，引入其它的化學(xué)基團當(dāng)環(huán)狀磷酸二酯在堿性條件下水解時，可同時產(chǎn)生產(chǎn)物C和D，而在模擬酶A的催化下水解反應(yīng)只生成C，在模擬酶B的催化下水解反應(yīng)只生成D。修飾環(huán)狀糊精模擬核糖核酸酶催化的水解反應(yīng)212當(dāng)環(huán)狀磷酸二酯在堿性條件下水解時，可同時產(chǎn)生產(chǎn)③轉(zhuǎn)氨酶的模擬

磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺是許多涉及氨基酸的酶促轉(zhuǎn)化的輔酶。其中最重要的是轉(zhuǎn)氨酶催化的酮酸與氨基酸之間的相互轉(zhuǎn)化。吡哆醛(胺)本身亦能實現(xiàn)轉(zhuǎn)氨作用，但由于輔酶本身無底物結(jié)合部位，反應(yīng)速度遠(yuǎn)不如酶存在時快。顯然，有效的轉(zhuǎn)氨酶模型除了具有輔酶體系外，還應(yīng)有特定的結(jié)合部位，這種結(jié)合部位能夠選擇性地與底物形成復(fù)合物。213③轉(zhuǎn)氨酶的模擬

磷酸吡哆醛和磷酸1980年報道了第一個人工轉(zhuǎn)氨酶模型。在它的存在下，苯并咪唑基酮酸轉(zhuǎn)氨基酸速度比吡哆胺單獨存在時快200倍，而且表現(xiàn)出良好的底物選擇性。轉(zhuǎn)氨酶模型2141980年報道了第一個人工轉(zhuǎn)氨酶模型。在它的由于β-CD本身具有手性，可以預(yù)料產(chǎn)物氨基酸亦應(yīng)該具有光學(xué)活性，事實上產(chǎn)物中D，L異構(gòu)體的含量確實不同，說明該人工酶有一定的立體選擇性。

215由于β-CD本身具有手性，可以預(yù)料產(chǎn)物氨基酸亦應(yīng)該具Tabushi等人將催化基團氨基引入CD得到模擬酶。乙二胺的引入不僅使反應(yīng)加速2000倍以上，還為氨基酸的形成造就了一個極強的手性環(huán)境。靠近乙二胺一面的質(zhì)子轉(zhuǎn)移受到抑制，從而表現(xiàn)出很好的立體選擇性。轉(zhuǎn)氨酶模型216Tabushi等人將催化基團氨基引入CD得到模擬酶。Han等人合成了一系列含核糖的環(huán)糊精酶模型，它兼具核酸酶、連接酶、磷酸脂酶和磷酸化酶的活性

研究表明，核糖中的相臨二羥基對催化起著關(guān)鍵作用。它水解環(huán)狀磷酸脂的速率提高33倍。217Han等人合成了一系列含核糖的環(huán)糊精酶模型，它兼具核④橋聯(lián)環(huán)糊精仿酶模型

橋聯(lián)CD是近年來發(fā)展起來的一類新型仿酶模型，它的兩個CD及橋基上的功能基構(gòu)成了具有協(xié)同包結(jié)和多重識別功能的催化活性中心，能更好的模擬酶對底物的識別與催化功