酶的人工模拟课件.ppt

1、 第五章 酶的人工模拟第一节 模拟酶的理论基础和策略 一、模拟酶的概念 模拟酶又称人工酶或酶模型，它是生物有机化学的一个分支。模拟酶是在分子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，以及酶的作用机理和立体化学等特性的一门科学。可见，模拟酶是从分子水平上模拟生物功能的一门边缘科学。二、模拟酶的理论基础 1模拟酶的酶学基础 酶的催化机制：酶先与底物结合，进而选择性稳定某一特定反应的过渡态，降低反应的活化能从而加快反应速度。设计模拟酶一方面要基于酶的作用机制，另一方面则基于对简化的人工体系中识别、结合和催化的研究。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。在设计模拟酶时除具备

2、催化基团之外还要考虑到与底物定向结合的能力。二、模拟酶的理论基础 2.超分子化学（1）“主客体”化学 Cram把主体与客体通过配位键或其他次级镁形成稳定复合物的化学领域称为“主客体”化学，主客体化学的基本意义来源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况近似。（2）超分子化学 超分子的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，如静电作用、氢键和范德华力等。当接受体与络合离子或分子结合成稳定的，具有稳定结构和性质的实体，即形成了“超分子”，它兼具分子识别、催化和选择性输出的功能。主客体化学和超分子化学已成为酶人

3、工模拟的重要理论基础，是人工模拟酶研究的重要理论武器。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；酶活性中心底物复合物的结构；酶的专一性及其同底物结合的方式与能力；反应的动力学及各中间物的知识。设计人工酶模型应考虑如下因素：（1）非共价键相互作用；（2）反应定向发生；（3）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。第二节 模拟酶的分类 根据Kirby分类法，模拟酶可分为：单纯酶模型，即以化学方法通过天然酶活性的模拟来重建和改造酶活性；机理酶模型，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；单纯合成的酶样化合物，即一些化学合成的具有酶

4、样催化活性的简单分子。按照模拟酶的属性，模拟酶可分为：主客体酶模型，包括环糊精、冠醚、穴醚、杂环大环化合物和卟啉类等；胶束酶模型；肽酶；抗体酶；分子印迹酶模型；半合成酶等；近年来又出现了杂化酶和进化酶。一、主客体酶模型（一）环糊精酶模型：环糊精(cyclodextrin，简称CD)是由多个D葡萄糖以1，4糖苷键结合而成的一类环状低聚糖，CD分子外侧是亲水的，其羟基可与多种客体形成氢键，其内侧是C3，C5上的氢原子和糖苷氧原子组成的空腔，故具有疏水性，因而能包结多种客体分子，很类似酶对底物的识别。环糊精作为酶模型合成的主客体酶模型(二)合成的主客体酶模型 用合成的冠醚、穴醚、环番、环芳烃等大环多

5、齿配体用来构筑酶模型。二、胶束模拟酶 胶束在水溶液中提供了疏水微环境(类似于酶的结合部位)，可以对底物束缚。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上，就有可能提供“活性中心”部位，使胶束成为具有酶活力或部分酶活力的胶束模拟酶。模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，就有可能形成模拟水解酶的胶束。单分子胶束酶模型 将表面活性剂利用化学反应偶联在一起，制备出单分子胶束酶模型，这种酶模型比一般胶束酶优越，它既具备酶的疏水特性，同时又可以使催化基团引人疏水空腔，催化效率提高了105倍

6、。三、肽酶 模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽。四、半合成酶 半合成酶是以天然蛋白质或酶为母体，用化学或生物学方法引进适当的活性部位或催化基团，或改变其结构从而形成一种新的“人工酶”。如将枯草杆菌蛋白酶活性部位的丝织酸(Ser)残基，经苯甲基磺酰氟特异性活化后，再用巯基化合物取代，将丝氨酸转化为半胱氨酸。虽然产生的巯基化枯草杆菌蛋白酶对肽或酯没有水解活力，但能水解高度活化的底物(如硝基苯酯等)。第三节 印 迹 酶 一、分子印迹技术概述 如果以一种分子充当模板，其周围用聚合物交联，当模板分子除去后，此聚合物就留下了与此分子相匹配的空穴。如果构建合适，这种聚合物就橡“锁”一样对钥匙具

7、有选择性识别作用，这种技术被称为分子印迹。分子印迹技术 所谓分子印迹是制备对某一化合物具有选择性的聚合物的过程。这个化合物叫印迹分子，也叫做模板分子。此技术包括如下内容：选定印迹分子和功能单体，使二者发生互补反应；在印迹分子单体复合物周围发生聚合反应；用抽提法从聚合物中除掉印迹分子。结果，形成的聚合物内保留有与印迹分子的形状、大小完全一样的孔穴。该聚合物能以高选择性重新结合印迹分子。分子印迹聚合物的制备方法：分子印迹聚合物的制备方法：选定印迹分子和单体，让他们之间充分作用；在印迹分子周围发生聚合反应；将印迹分子从聚合物中抽提出去。于是，此聚合物就产生了恰似印迹分子的空间，并对印迹分子产生识别能

8、力。分子印迹分子 可用于分子印迹的分子很广泛(如药物、氨基酸、碳水化合物、核酸、激素、辅酶等)，它们均已成功地用于分子印迹的制备中。分子印迹聚合中应用最广泛的聚合单体是羧酸类(如丙烯酸、甲基丙烯酸、乙烯基苯甲酸)、磺酸类以及杂环弱减类(如乙烯基吡啶、乙烯基咪唑)，其中最常用的体系为聚丙烯酸和聚丙烯酞胺体系。若要产生对金属的配合作用则应用氨基二乙酸衍生物。二、分子印迹酶 通过分子印迹技术可以产生类似于酶的活性中心的空腔，对底物产生有效的结合作用，更重要的是利用此技术可以在结合部位的空腔内诱导产生催化基团并与底物定向排列。1.印迹底物及其类似物 如Mosbach等应用分子印迹法制备具有催化二肽合成

9、能力的分子印迹酶。所合成的二肽为Z-L-天冬氨酸与L苯丙氨酸甲酯缩合产物，它们分别以底物混合物(ZL天冬氨酸与L苯丙氨酸为1：1混合)以及产物二肽为印迹分子，以甲基丙烯酸甲酯为聚合单体，二亚乙基甲基丙烯酸甲酯为交联剂，经聚合产生了具有催化二肽合成能力的二肽合成酶。研究表明以产物为印迹分子的印迹聚合物表现出最高的酶催化效率，在反应进行48h后，其二肽产率达到63而以反应物为印迹分子的印迹聚合物催化相同的反应时二肽产率却较低。2印迹过渡态类似物 用过渡态类似物作印迹分子制备的印迹聚合物也能结合反应过渡态，降低反应活化能，从而加速反应。如用对硝基苯乙酸酯水解反应的过渡态类似物对硝基苯甲基磷酸酯作印迹

10、分子制备聚合物，制得的MIP证明能优先结合过渡态类似物，并能加速对硝基苯乙酸酯水解成对硝基酚和乙酸。第四节 抗 体 酶 一、抗体酶概述：催化抗体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，本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋白，在其可变区赋予了酶的属性，因此，催化抗体也叫抗体酶。酶和抗体的本质差别在于：酶是能与反应过渡态选择结合的催化性物质而抗体是和基态分子结合的催化性物质。抗体酶的发现不仅提供了研究生物催化过程的新途径，而且能为生物学、化学和医学提供具有高度特异性的人工生物催化剂，并可以根据需要使人们获得具有某些不能被酶催化或较难催化的化学反应催化剂。二、抗体酶的制备方法 迄今，大多数

11、抗体酶是通过理论设计合适的与反应过渡态类似的小分于作为半抗原，然后让动物免疫系统产生针对半抗原的抗体来获得的。由于以反应的过渡态类似物为半抗原诱导的抗体在几何形状和电学性质上与反应过渡态互补，因而稳定了过渡态，从而加速反应。1稳定过渡态法：以Pauling的稳定过渡态理论为指导，即利用反应的过渡态类似物作为半抗原产生抗体酶。Shultz小组利用与底物扭曲构象相似的扭曲卟啉作半抗原制备的抗体可催化卟啉金属螯合反应。亚铁螯合酶是血红素生物合成途径中的末端酶，可催化亚铁离子插入原卟啉的生物合成。N甲基原卟啉由于内部甲基取代而呈扭曲结构，它是此酶的有效抑制剂，也与酶催化的卟啉金属螯合反应的过渡态类似。

12、由于甲基卟啉的抗体可催化平面结构原卟啉的金属螯合，这就为该反应过渡态扭曲结构的作用提供了证据。2抗体与半抗原互补法 抗体常含有与配体功能互补的特殊功能基。已经发现带正电的配体常能诱导出结合部位带负电残基的配体，反之亦然。抗体与半抗原之间的电荷互补对抗体所具有的高亲和力以及选择性识别能力起着关键作用。Shokat等利用抗体与半抗原之间的电荷互补性，制备了针对带正电半抗原的抗体，结果在抗体结合部位上产生带负电的羧基，可作为一般碱基催化消除反应。三、抗体酶的应用 1 抗体酶在有机合成中的应用:各类精细化工产品和合成材料的工业生产需要具有精确底物专一性和立体专一性的催化剂，而这正是催化抗体的突出特点。

13、特别是那些天然酶不能催化的反应，可通过设计定做抗体酶来弥补天然酶的不足。2.用于阐明化学反应机制 3.抗体在医疗上的应用:Landry等用可卡因降解的过渡态类似物磷酸单酯产生的单克隆抗体3B9催化可卡因降解，此抗体酶的催化活性比血液中分解可卡因的丁酰胆碱酯酶要高，水解后的可卡因片断失去了刺激功能，因此，用人工抗体酶的被动免疫也许能提供阻断可卡因上瘾的治疗从而达到戒毒的目的。四、抗体酶的研究进展 1反应性免疫 2抗体酶的化学筛选 3.抗体酶催化的化学转化第六章 酶制剂的应用第一节 概论 1.工业用酶制剂的市场和发展 2.我国酶制剂应用方面的现状和问题 3.工业酶制剂的来源与特点 4.选择使用酶制

14、剂时应考虑的因素 5.酶制剂产品的开发热点我国酶制剂应用方面的现状和问题 1.酶制剂企业规模太小；2.酶制剂品种少，产品结构极不合理；3.对酶制剂的开发热情不高，主要依赖于各大学及科研机构，经费投入不足；4.酶制剂生产成本太高；5.生产装备落后；6.酶制剂应用领域十分狭窄，主要集中于洗涤剂、淀粉加工、乙醇和酒类生产。工业酶制剂的来源与特点 工业酶制剂主要来源于动物、植物和微生物，尤其是微生物，因微生物繁殖速度快；种类繁多，品种齐全；培养方法简单，易于大批量生产。工业酶制剂的特点：一般而言，含杂蛋白的酶制剂比纯品稳定，干燥品比液体制剂稳定。酶是通过催化活性而不是一般质量来识别和出售的。选择使用酶

15、制剂时应考虑的因素（1）底物特异性（2）pH（3）温度（4）激活剂和抑制剂（5）价格因素酶制剂产品的开发热点（1）食品加工用酶，（2）饲料用酶，特别是植酸酶，（3）纺织用酶（4）洗涤剂用酶（5）临床诊断用酶、治疗用酶、化妆品用 酶第二节 酶在食品加工方面的应用一、酶法生产葡萄糖 国内外萄萄糖的生产大都采用酶法。酶法生产葡萄糖是以淀粉为原料，先经淀粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡萄糖。淀粉的液化 淀粉先加水配制成浓度为30一40的淀粉浆，pH值一般调至6.065，添加一定量的淀粉酶后，在8590的温度下保温45min左右，使淀粉液化成糊精。液化反应一般以碘反应颜色正好消失时为终点。淀粉液的糖

16、化 液化完成后，将液化淀粉液冷却至5560，pH调至4.55.0，加入适量的糖化酶，保温糖化48h左右，使糊精转变为葡萄糖。葡萄糖生产应注意的问题 所采用的淀粉酶和糖化酶都要求达到一定的纯度。尤其是糖化酶中应不含或尽量少含葡萄糖苷转移酶。因为葡萄糖苷转移酶会催化葡萄糖生成异麦芽糖等杂质，会严重影响葡萄糖的收率。去除葡萄糖苷转移酶的最简单的方法之一是将糖化酶配成酶液后，加酸调节pH值至2.02.5，室温下静置一段时间，可以选择性地破坏葡萄糖苷转移酶。二、果葡糖浆的生产 果葡糖浆是由葡萄糖异构酶催化葡萄糖异构化生成部分果糖而得到的葡萄糖与果糖的混合糖浆。方 法 将精制葡萄糖溶液调节pH为6.57.

17、0，加入0.01mol/L的硫酸镁，在6070的温度条件下，由葡萄糖异构酶催化生成果葡糖浆。异构化率一般为4245。镁离子和钴离子是葡萄糖异构酶的激活剂，所以葡萄糖液中需加入0.01mol/L左右的硫酸镁。三、啤酒发酵 在啤酒生产过程中，制浆和调理两个阶段需使用酶制剂。在浸泡麦芽浆时，需使用蛋白酶、淀粉酶和糖化酶。在发酵完毕后，啤酒需要进一步酶处理。木瓜蛋白酶、波萝蛋白酶可以降解使啤酒浑浊的蛋白质组分，延长啤酒的储存期。四、在蛋白制品加工方面的应用 酶在蛋白制品加工中的主要用途是改善组织，嫩化肉类，转化废弃蛋白质成为供人类使用或作为饲料的蛋白质浓缩液，因而可以增加蛋白质的价值和可利用性。用木瓜

18、蛋白水解酶制成嫩肉粉，使肉食嫩滑可口。用蛋白酶生成明胶。用溶菌酶处理肉类，则微生物不能繁殖，因此肉类制品可以保鲜和防腐等。葡萄糖氧化酶在食品工业上主要用来去糖和脱氧，保持食品的色、香、味，延长保存时间。五、在水果、蔬菜加工方面的应用 用果胶酶处理溃碎果实，可加速果汁过滤，促进澄清。主要依靠降低粘度使悬浊物质失去保护胶体而沉降。葡萄糖氧化酶可除去果汁、饮料、罐头食品和干燥果蔬制品中的氧气，防止产品氧化变质，防止微生物生长，以延长食品保存期，也可用葡萄糖氧化酶保鲜。溶菌酶可防止细菌污染，起食品保鲜作用等。六、乳品工业 凝乳酶制造干酪；过氧化氢酶牛奶消毒；溶菌酶添加在婴儿奶粉；人奶与牛奶的区别之一在

19、于溶菌酶含量的不同，奶粉中添加卵清溶菌酶可防止婴儿肠道感染。乳糖酶分解乳糖；脂肪酶黄油增香。七、肉类和鱼类加工 酶在这方面的两个用途是改善组织、激化肉类，及转化废弃蛋白质使其成为供人类食用或作为饲料的蛋白质浓缩物。蛋白酶还用于生产牛肉汁、鸡汁等来提高产品收率。八、蛋品加工 用葡萄糖氧化酶去除蛋品中的微量葡萄糖，是酶在蛋品加工中的一项重要用途。葡萄糖氧化酶的作用是催化葡萄糖脱氢，氧化成为葡萄糖酸同时产生过氧化氢，后者被共存的过氧化氢酶催化分解为水和氧，一分子葡萄糖氧化酶在1min内可催化34000个葡萄糖分子。第三节 酶在轻工业方面的应用 酶在轻工业方面的应用十分广泛。概括起来主要有3个方面的用

20、途。(1)用酶进行原料处理，(2)用酶生产各种产品，(3)用酶增强产品的使用效果。一、酶在原料处理方面的应用(1)发酵原料的处理：发酵工业大多数以淀粉为主要原料。有些微生物由于本身缺乏淀粉酶系，无法直接利用淀粉。故此必须先经过原料处理，将淀粉转化为可发酵的单糖或二糖，才能利用。例如，酒精、酒类、甘油、乳酸、氨基酸、核苷酸等发酵所使用的酵母或细菌等微生物，一般都不能直接利用淀粉进行发酵。淀粉原料的处理，一般是采用淀粉酶进行液化，然后再经糖化酶进行糖化，将淀粉转变为葡萄糖。(2)纺织原料的处理 在纺织工业中，为了增强纤维的强度和光滑性，便于纺织，需要先行上浆。将淀粉用淀粉酶处理一段时间，使粘度达到

21、一定程度就可用作上浆的浆料。(3)造纸原料的制浆 造纸原料的纤维中含有大量木质素，若不除去则会严重影响纸的质量。用木质素酶可以使木质素水解而除去，不但可提高纸的质量，而且使环境污染程度大为减轻。(4)生丝的脱胶处理 天然蚕丝的主要成分是不溶于水的有光泽的丝蛋白。采用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶或微生物蛋白酶处理，可在比较温和的条件下催化丝胶蛋白水解，进行生丝脱胶。二、轻工产品方面的应用 1.酶法生产甜味剂：在青桔柑中合有10一20的橙皮苷，经抽提后用黑曲霉桔皮苷酶水解除去分子中的鼠李糖，在碱性下水解和还原，可得到一种甜味强烈的橙皮素葡萄糖苷二氢查耳酮。它的甜度是蔗糖的70一100倍，是一种安全、低热的

22、甜味剂，可是它的溶解度很低，仅0.1，故无实用价值，若将此物与淀粉溶液混合，利用环糊精葡萄糖基转移酶的偶联反应使其葡萄糖分子接上两个葡萄糖分子于是使溶解度提高10倍而不影响甜度。二、轻工产品方面的应用 2酶法生产L氨基酸 3酶法生产核苷酸 4.酶法生产有机酸 5丙烯酰胺的生产 6邻苯二酚的生物合成 7用于明胶、胶原纤维生产三、加酶增加产品的使用效果 1加酶洗涤剂:洗涤用的酶制剂需要满足下列条件：碱性条件(pH 910)下能够有效洗涤；表面活性剂存在下，很少失活：在荧光染料、漂白剂、香料等洗涤剂辅助成分存在下不失活；在洗涤温度下能有效地发挥作用。三、加酶增加产品的使用效果 2加酶清洗剂 3加酶牙

23、膏、牙粉和漱口水 4加酶饲料 5加酶护肤品酶工程复习题一、名词解释1、酶的活性中心：2、Km：3、共价修饰调节：4、竞争性抑制：5、人工模拟酶：6、测糖试纸：7、亲和标记：8、变构调节：9、同工酶：10、固定化酶：11、化学修饰：12、抗体酶：二、填空题二、填空题：1、酶工程主要指_，由四个部分_，_，_ 及_组成，酶的改造是指改变酶蛋白的_级结构的过程，酶的修饰是指酶蛋白侧链基团的_变化。2、_决定反应的特异性，_决定反应的种类与性质，根据酶对其底物结构选择的严格程度不同，酶的特异性可大致分为3种类型：其中作用于一类化合物或一种化学键的为_。只作用于D型或L型的属于_。3、EC3.5.1.3

24、是属于_类型的酶，EC1.4.2.3是属于_类型的酶，第2个数5代表_。4、酶促反应动力学是研究各种因素对_的影响，并加以定量的阐述，在其他因素不变的情况下，底物浓度对反应速度的影响呈_。反竞争性抑制动力学特点是：Vmax_，表观Km_。5、Km可近似表示酶对底物的亲和力大小，Km值越大，表示酶对底物的亲和力越_。欲使酶促反应速度达到最大反应速度的90，此时底物浓度应是此酶Km值的_倍。6、固定化酶的缺点：固定化时，_有损失；只能用于_底物（较适用于小分子底物）；不适宜于_反应。7、酶蛋白在载体上的吸附程度主要取决于_；_；_；_；_；_等几个因素。8、第一个离子结合法固定化酶是固定化_，第一

25、个工业化的固定化酶(1969年)是固定化_。共价交联法常用的双功能试剂是_。9、辅基的固定化，首先,应选择合适的_，其次，_的选择也非常重要。10、固定化酶和固定化细胞的表征评估指标为：固定化酶（细胞）的_，_，固定化酶（细胞）的_。11、化学修饰酶热稳定性提高的原因可能是由于修饰剂_连接于酶分子后，使酶_产生一定的“刚性”，不易伸展失活，并减少了酶分子内部基团的热振动。12、Ellman试剂是定量测定_的最常用试剂，TNBS是一种非常有效的_修饰剂，PLP是一种专一性强的_修饰剂，DPC对_有较好的专一性，其产物在240nm有最大吸收，NBS主要用来修饰_。13、影响酶蛋白功能基反应性的主要

26、因素有_，_，_，_。14、酶的作用机制_。酶的制备主要包括_，_，_等三个基本步骤。15、细胞色素C是含_的结合蛋白质，是细胞呼吸中重要的_传递体；尿激酶是一种_蛋白酶；SOD是一种重要的_清除剂。16、人奶与牛奶的区别之一在于_酶含量不同。17、工业酶制剂主要来源于_，_，_，选择使用酶制剂时主要应考虑_，_，_，_，_等因素。18、_和_是模拟酶的理论基础，设计人工模拟酶模型时主要应考虑_、_、_。19、模拟酶又称为_或酶模型，它是生物有机化学的一个分支，它可分为_，_，_ 三种类型。20、酶的大规模分离纯化是指使用_的起始材料，酶的浓缩技术主要采用_法和_法。简答题简答题及问答题（一）

27、问答题（一）1、请简要介绍卤化氰法制备固定化酶的技术。2、请简要介绍重氮法制备固定化酶的技术。3、请用固定化酶的技术简述生产L-氨基酸的原理和方法。4、胰酶生产中，为什么采用低浓度的乙醇提取？生产工艺中哪些因素是影响胰酶收率和含量的关键因素？5、请简要介绍从淀粉酶法生产葡萄糖的过程和所使用酶的作用？简答题简答题及问答题（二）问答题（二）6、酶化学修饰后有什么变化，使用PEG(MPEG)修饰酶有何优势，请举例说明。7、模拟酶的理论基础是什么？在设计模拟酶之前应当了解酶的哪些性质？设计人工模拟酶模型时主要应考虑哪些因素？8、请用固定化酶技术简述测糖试纸的基本原理与方法。简答题简答题及问答题（三）问答题（三）9、请比较酶与催化抗体的异同？10、请比较酶作为催化剂与一般催化剂的异同？11、什么是分子印迹？此技术包括一些什么主要内容？其制备方法怎样？12、请简要介绍啤酒生产中所使用酶的作用13、固定化细胞有哪些优越性？简答题简答题及问答题（四）问答题（四）14、请写出维生素B1、B2的名称及它们的辅酶形式，它们是什么酶的辅酶？一碳单位转移酶的辅酶是什么？转氨酶的辅酶是什么？含有金属元素的维生素是什么？15、胃液（pH1.5）的胃蛋白酶的等电点约为1，远比其它蛋白质低。试问等电点如此低的胃蛋白酶必须存在有大量的什么样的官能团？什么样的氨基酸才能提供这样的基团？