抗体酶核酶极端医学知识培训课件.ppt
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1、抗体酶核酶极端医学抗体酶核酶极端医学知识知识10.1 模拟酶11.1.1 模拟酶的概念模拟酶的概念 模拟酶又称人工酶或酶模型,是在分子模拟酶又称人工酶或酶模型,是在分子水平上模拟酶活性部位的形状、大小及其微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,以及酶的作用机制和立体环境等结构特征,以及酶的作用机制和立体化学的一门学科,是从分子水平上模拟生物化学的一门学科,是从分子水平上模拟生物功能的一门边缘学科。功能的一门边缘学科。模拟酶是模拟酶是20世纪世纪60年代发展起来的一个新的研年代发展起来的一个新的研究领域,是仿生高分子的一个重要的内容。究领域,是仿生高分子的一个重要的内容。2抗体酶
2、核酶极端医学知识用合成高分子来模拟酶的结构、特性、作用用合成高分子来模拟酶的结构、特性、作用原理以及酶在生物体内的化学反应过程。原理以及酶在生物体内的化学反应过程。酶是一类有催化活性的蛋白质,它具有催化酶是一类有催化活性的蛋白质,它具有催化效率高、专一性强、反应条件温和等特点。效率高、专一性强、反应条件温和等特点。酶容易受到多种物理、化学因素的影响而失酶容易受到多种物理、化学因素的影响而失活,所以不能用酶广泛取代工业催化剂。活,所以不能用酶广泛取代工业催化剂。研究模拟酶主要是为了解决酶的以上缺点。研究模拟酶主要是为了解决酶的以上缺点。3抗体酶核酶极端医学知识模拟酶的酶学基础模拟酶的酶学基础酶的
3、作用机制:过渡态理论酶的作用机制:过渡态理论对简化的人工体系中识别、结合和催化的研究对简化的人工体系中识别、结合和催化的研究2.2.模拟酶理论基础模拟酶理论基础4抗体酶核酶极端医学知识 主主-客体化学:主体和客体在结合部位的空间及客体化学:主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补电子排列的互补 超分子:该分子形成源于底物和受体的结合,超分子:该分子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,当接受体与这种结合基于非共价键相互作用,当接受体与络合离子或分子结合形成稳定的,具有稳定结络合离子或分子结合形成稳定的,具有稳定结构和性质的实体,形成超分子构和性质的实体,形成超分子 功能:分
4、子识别、催化、选择性输出功能:分子识别、催化、选择性输出5抗体酶核酶极端医学知识3设计要点设计前:设计前:l酶活性中心酶活性中心-底物复合物的结构底物复合物的结构l酶的专一性及其同底物结合方式的能力酶的专一性及其同底物结合方式的能力l反应的动力学及各中间物的知识反应的动力学及各中间物的知识 6抗体酶核酶极端医学知识3设计要点设计中:设计中:l为底物提供良好的微环境为底物提供良好的微环境l催化基团必须相对于结合点尽可能同底物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的功能团相接近l应具有足够的水溶性,并在接近生理条件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下保持其催化活性7抗
5、体酶核酶极端医学知识4.4.模拟酶的分类和制备模拟酶的分类和制备单纯酶模型:化学方法通过天然酶活性的模拟来单纯酶模型:化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性重建和改造酶活性机理酶模型:通过对酶作用机制诸如识别、结合机理酶模型: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和过渡态稳定化的认识,来指导酶模型的设计和合成合成单纯合成的酶样化合物:化学合成的具有酶样催单纯合成的酶样化合物:化学合成的具有酶样催化活性的简单分子化活性的简单分子8抗体酶核酶极端医学知识按照模拟酶的属性按照模拟酶的属性l主主-客体酶模型客体酶模型l胶束酶模型胶束酶模型l肽酶肽酶l抗体酶抗体
6、酶l分子印迹酶模型分子印迹酶模型l半合成酶半合成酶9抗体酶核酶极端医学知识主-客体模型1.环糊精模拟酶环糊精模拟酶-水解酶的模拟水解酶的模拟环糊精的分子结构环糊精的分子结构10抗体酶核酶极端医学知识11抗体酶核酶极端医学知识水解酶模型12抗体酶核酶极端医学知识研究热点环糊精(环糊精(CD)分子)分子l原来:在原来:在CD的两面引入催化基团,通过柔性的两面引入催化基团,通过柔性或刚性加冕引入疏水基团,改善或刚性加冕引入疏水基团,改善CD的疏水结的疏水结合和催化功能合和催化功能l现在,桥联环糊精和聚合环糊精,可得到双重现在,桥联环糊精和聚合环糊精,可得到双重或多重疏水结合作用和多重识别作用或多重疏
7、水结合作用和多重识别作用13抗体酶核酶极端医学知识2.2.冠醚化合物的模拟酶冠醚化合物的模拟酶冠醚水解酶模拟物14抗体酶核酶极端医学知识胶束模拟酶胶束模拟酶单单分分子子胶胶束束酶酶模模型型15抗体酶核酶极端医学知识胶束酶模型16抗体酶核酶极端医学知识目前模拟酶的研究主要有以下几方面:目前模拟酶的研究主要有以下几方面:1.1.模拟酶的金属辅基模拟酶的金属辅基:有一类复合酶有一类复合酶,除蛋白质外除蛋白质外,还有含金属的有机小分还有含金属的有机小分子物质或简单的金属,叫做辅酶或辅基。辅基在催子物质或简单的金属,叫做辅酶或辅基。辅基在催化反应中起着重要的作用。有一些研究工作就是模化反应中起着重要的作
8、用。有一些研究工作就是模拟酶分子中的金属辅基。拟酶分子中的金属辅基。例如,模拟过氧化氢酶分子中的铁卟啉辅基,合成例如,模拟过氧化氢酶分子中的铁卟啉辅基,合成了分解过氧化氢的酶模型了分解过氧化氢的酶模型三亚乙基四胺与三价三亚乙基四胺与三价铁离子的络合物。这个模型在铁离子的络合物。这个模型在pH9.5pH9.5和和2525的条件的条件下,其催化速率是血红蛋白或正铁血红素在同样条下,其催化速率是血红蛋白或正铁血红素在同样条件下的一万倍。化学模拟生物固氮同样是模拟固氮件下的一万倍。化学模拟生物固氮同样是模拟固氮酶的金属辅基。酶的金属辅基。17抗体酶核酶极端医学知识2.2.模拟酶的活性功能基酶分子中直接
9、与酶催化反应模拟酶的活性功能基酶分子中直接与酶催化反应有关的活性中心,通常是由几个活性功能基组成。有关的活性中心,通常是由几个活性功能基组成。例如牛胰核糖核酸酶的催化中心是肽链序列中第例如牛胰核糖核酸酶的催化中心是肽链序列中第1212位位和第和第119119位的两个组氨酸。位的两个组氨酸。C.G.C.G.奥弗贝格等根据胰凝乳蛋白酶的催化中心与丝奥弗贝格等根据胰凝乳蛋白酶的催化中心与丝氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基和天冬氨酸的羧基有关氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基和天冬氨酸的羧基有关的事实,用乙烯基苯酚与乙烯基咪唑进行共聚合,制的事实,用乙烯基苯酚与乙烯基咪唑进行共聚合,制得带有羟基和咪唑基的得带有羟基
10、和咪唑基的-胰凝乳蛋白酶模型胰凝乳蛋白酶模型,用这个模用这个模型聚合物作为型聚合物作为3-3-乙酰氧基乙酰氧基N N三甲基碘化苯胺三甲基碘化苯胺,水解水解的催化剂,当的催化剂,当pHpH为为9.19.1时时,其活性比单一的乙烯基咪唑其活性比单一的乙烯基咪唑高高6363倍。倍。18抗体酶核酶极端医学知识3.3.模拟酶与底物的作用模拟酶与底物的作用酶分子具有一定的空间构型,它与被催化酶分子具有一定的空间构型,它与被催化的底物的作用在构型上有较严格的匹配关的底物的作用在构型上有较严格的匹配关系,体现了酶的专一性。为了模拟酶的结系,体现了酶的专一性。为了模拟酶的结合功能,近年来人们合成了许多冠醚化合合
11、功能,近年来人们合成了许多冠醚化合物来模拟酶。随着冠醚空穴尺寸的不同,物来模拟酶。随着冠醚空穴尺寸的不同,其对底物的选择性也不一样。其对底物的选择性也不一样。19抗体酶核酶极端医学知识4.模拟酶的性状在水溶液中,酶形成巨大的模拟酶的性状在水溶液中,酶形成巨大的分子缔合体(胶束),构成同一分子内的疏水分子缔合体(胶束),构成同一分子内的疏水和亲水微环境。模拟酶的这种微环境中的化学和亲水微环境。模拟酶的这种微环境中的化学反应的特殊性质,也是模拟酶的一个重要方面。反应的特殊性质,也是模拟酶的一个重要方面。有人利用组氨酸的衍生物十四酰组氨酸与十六有人利用组氨酸的衍生物十四酰组氨酸与十六酰烷基三甲基溴化
12、铵组成两种分子的混合微酰烷基三甲基溴化铵组成两种分子的混合微胶束,来催化乙酸对硝基苯酯的水解,其速率胶束,来催化乙酸对硝基苯酯的水解,其速率比组氨酸增加了比组氨酸增加了100倍。倍。20抗体酶核酶极端医学知识5.5.模拟酶的高分子作用方式模拟酶的高分子作用方式酶是一类由氨基酸组成,以多肽链为骨架的酶是一类由氨基酸组成,以多肽链为骨架的生物大分子。人们利用高分子化合物作为模生物大分子。人们利用高分子化合物作为模型化合物的骨架,引入活性功能基来模拟酶型化合物的骨架,引入活性功能基来模拟酶的高分子作用方式。的高分子作用方式。例如,用分子量为例如,用分子量为40000400006000060000的聚
13、亚乙基的聚亚乙基亚胺作为模型化合物的骨架,引入亚胺作为模型化合物的骨架,引入1010摩尔摩尔的十二烷基和的十二烷基和1515摩尔的咪唑基,合成一个摩尔的咪唑基,合成一个硫酸酯酶模型硫酸酯酶模型.用这个模型聚合物催化苯酚用这个模型聚合物催化苯酚硫酸酯类化合物的水解,其活性比天然的硫酸酯类化合物的水解,其活性比天然的型芳基硫酸酯酶高型芳基硫酸酯酶高100100倍。倍。21抗体酶核酶极端医学知识22抗体酶核酶极端医学知识内容抗体酶概念抗体酶概念抗体酶产生的理论基础抗体酶产生的理论基础抗体酶的制备方法抗体酶的制备方法抗体酶的应用抗体酶的应用23抗体酶核酶极端医学知识抗体抗体由抗原诱导产生的,在结构上与
14、抗原高度由抗原诱导产生的,在结构上与抗原高度互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球互补并与抗原具有特异结合功能的免疫球蛋白。蛋白。抗体的最显著的特征是抗体的最显著的特征是多样性和专一性多样性和专一性24抗体酶核酶极端医学知识25抗体酶核酶极端医学知识抗体中的每条链中有恒定区和可变区。抗体中的每条链中有恒定区和可变区。26抗体酶核酶极端医学知识27抗体酶核酶极端医学知识相同点:相同点:都是蛋白质,都有特异性。都是蛋白质,都有特异性。不同点:不同点:1)酶与抗体的差别:酶是能与反应过渡态选择酶与抗体的差别:酶是能与反应过渡态选择结合的催化性物质,抗体是和基态分子结合的结合的催化性物质,抗体是和基态分
15、子结合的催化性物质。催化性物质。2)酶的活性和合成受到代谢调节,种类有限。)酶的活性和合成受到代谢调节,种类有限。抗体只有在抗原存在时才产生,种类无限。抗体只有在抗原存在时才产生,种类无限。抗体与酶的异同:抗体与酶的异同:28抗体酶核酶极端医学知识酶是生物催化剂酶是生物催化剂酶是一类具有催化功能的生物分子酶是一类具有催化功能的生物分子酶反应有两个主要的特征:酶反应有两个主要的特征:l高催化效率、高选择性高催化效率、高选择性19461946年,年,PaulingPauling用过渡态理论阐明酶催化用过渡态理论阐明酶催化的实质的实质l酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合酶之所以具有催化活力是因
16、为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态并稳定化学反应的过渡态(底物激态底物激态),从而降,从而降低反应能级。低反应能级。29抗体酶核酶极端医学知识对任何化学反应,反应物在对任何化学反应,反应物在变为产物之前,必须获得一变为产物之前,必须获得一定的能量,成为定的能量,成为活化态或活化态或称过渡态称过渡态。过渡态处于最。过渡态处于最高能阶上。高能阶上。过渡态与反应物的能阶之差过渡态与反应物的能阶之差称为称为活化能活化能。获得活化能的多少与反应的获得活化能的多少与反应的速度成正比。速度成正比。S 过渡态理论是解释酶催化原理的经典理论。过渡态理论是解释酶催化原理的经典理论。过渡态理论过渡态理论30抗体
17、酶核酶极端医学知识S过渡态理论认为,酶与底物的结合经历了一个过渡态理论认为,酶与底物的结合经历了一个易于形成产物的过渡态,实际上是降低了反应易于形成产物的过渡态,实际上是降低了反应所需的活化能。所需的活化能。过渡态理论过渡态理论31抗体酶核酶极端医学知识与反应过渡状态结合作用与反应过渡状态结合作用在酶催化的反应中,与酶的活性中心形在酶催化的反应中,与酶的活性中心形成复合物的实际上是底物形成的过渡状成复合物的实际上是底物形成的过渡状态,态,酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物酶与过渡状态的亲和力要大于酶与底物或产物的亲和力。或产物的亲和力。32抗体酶核酶极端医学知识19691969年年Jencks
18、Jencks根据抗体结合抗原的高度根据抗体结合抗原的高度特异性,与天然酶结合底物的高度专一特异性,与天然酶结合底物的高度专一性相类似的特性,在过渡态理论的基础性相类似的特性,在过渡态理论的基础上首先提出设想:上首先提出设想:l能与化学反应中过渡态结合的抗体,可能具能与化学反应中过渡态结合的抗体,可能具有酶的活性,催化反应的进行。有酶的活性,催化反应的进行。19861986年年LernerLerner和和SchultzSchultz证实了这一设想。证实了这一设想。抗体酶设想抗体酶设想33抗体酶核酶极端医学知识抗体酶的发现抗体酶的发现LernerLerner和和SchultzSchultz分别领导
19、各自的研究小组分别领导各自的研究小组首次观察到了抗体具有选择性的催化活性。首次观察到了抗体具有选择性的催化活性。19861986年美国年美国LernerLerner和和SchultzSchultz两个实验室同两个实验室同时在时在ScienceScience上发表论文,报道他们成功地上发表论文,报道他们成功地得到了具有催化活性的抗体。得到了具有催化活性的抗体。并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为催化催化抗体抗体,即,即抗体酶抗体酶。34抗体酶核酶极端医学知识19861986年年SchultzSchultz以对硝基苯酚磷酸胆碱酯(以对硝基苯酚磷酸胆碱酯(PNPPCP
20、NPPC)作为相应的羧酸二酯的过渡态类似物。作为相应的羧酸二酯的过渡态类似物。诱导产生的抗体酶使水解反应速度加快诱导产生的抗体酶使水解反应速度加快1200012000倍。倍。35抗体酶核酶极端医学知识抗体酶抗体酶抗体酶(抗体酶(AbzymeAbzyme)或催化抗体()或催化抗体(Catalytic Catalytic antibody)antibody)是抗体的高度选择性和酶的高效是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的产物。催化能力巧妙结合的产物。l本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋 白,在白,在其可变区赋予了酶的属性。其可变区赋予了酶的属性。l它是利
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