第六章 人工酶
人工酶是根据酶催化作用的关键因素，利用有机化学、生物化学等方法设计合成的较天然酶简单的非蛋白质分子或蛋白质分子。也称为酶模型或模拟酶。
基于Pauling稳定过渡态理论：酶通过选择性稳定反应的过渡态(TS)降低活化能
主体与客体通过配位键或其他次级键形成稳定复合物，体现空间及电子排列的互补性
类似酶与底物的结合情况
两种或以上分子依靠非共价作用结合，形成有组织的聚集体，具有特定微观特征和宏观特性
兼具分子识别、催化和选择性输出功能
通过化学方法模拟天然酶活性来重建和改造酶活性
基于酶作用机制(识别、结合、过渡态稳定化)指导酶模型设计与合成
化学合成的具有酶样催化活性的简单分子
| 类型 | 描述 | 特点 |
|---|---|---|
| 主-客体酶模型 | 环糊精等主体结构构建的酶模型 | 具有结合空腔和催化基团 |
| 胶束酶模型 | 利用胶束微环境模拟酶活性中心 | 模拟水解酶、辅酶等 |
| 肽酶 | 模拟天然酶活性部位的人工合成多肽 | 具有催化活性的多肽 |
| 抗体酶 | 具有催化活性的抗体 | 通过免疫系统产生 |
| 分子印迹酶模型 | 基于分子印迹技术制备的酶模型 | 具有特定识别空腔 |
| 半合成酶 | 天然蛋白质或酶经化学修饰形成的新酶 | 结合天然蛋白与人工修饰 |
环糊精(CD)是由多个葡萄糖以α-1,4-糖苷键连接而成的环状低聚糖，具有疏水性空腔，能够包接多种客体分子。
两个CD及桥基上的功能基构成协同包接和多重识别的催化活性中心
可催化糠偶姻氧化、双疏水基酯水解等反应
冠醚、穴醚、环番、杯芳烃等大环多齿化合物构建的酶模型
如含巯基冠醚仿酶模型、穴状配体24-冠-N6O2等
模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽
如模拟α-胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶的29肽ChPepz和TrPepz
天然蛋白质或酶经化学修饰形成的新酶
如枯草杆菌蛋白酶的丝氨酸转化为半胱氨酸或硒代半胱氨酸
模板分子与功能单体形成多重作用点（共价或非共价）
加入交联剂进行聚合，固定模板分子与单体的作用结构
洗脱或解离模板分子，形成与模板匹配的空穴
空穴对模板分子及其类似物具有选择识别特性
可根据不同目的制备不同的MIPs
可专一识别印迹分子
与天然分子识别系统相当，但更稳定耐用
| 材料类型 | 选择要求 | 常用物质 |
|---|---|---|
| 模板分子 | 含强极性基团，能与功能单体形成氢键 | 碳水化合物、羧酸类、氨基酸、金属离子等 |
| 功能单体 | 能与模板分子形成稳定作用 | α-甲基丙烯酸（非共价型）、含乙烯基硼酸（共价型） |
| 交联剂 | 形成高交联刚性聚合物 | 乙二醇二甲基丙烯脂(EDMA)、N,N'-亚甲基二丙烯酸胺 |
| 溶剂 | 促进模板与单体作用，起致孔剂作用 | 低极性溶剂（避免干扰氢键形成） |
| 应用领域 | 具体应用 | 优势 |
|---|---|---|
| 化学仿生传感器 | 替代生物分子作为敏感部件 | 坚固耐用，抗恶劣环境 |
| 膜技术 | 制备选择性运输和分离的模板聚合物膜 | 稳定性和机械强度优于生物膜 |
| 天然抗体模拟 | 代替抗体检测药物成分 | 耐酸碱高温，可回收利用 |
| 选择性催化剂 | 模拟酶催化作用 | 符合米氏方程动力学 |
| 色谱固定相 | HPLC、TLC和CE分离 | 特异识别性分离混合物 |
| 药物手性分离 | 拆分手性药物 | 识别分子结构细微差别 |
| 生物样品分析 | 净化生物样品，富集特定成分 | 选择性富集，直接检测 |
分子印迹和识别过程的机理尚未完全阐明
结合位点作用机理、聚合物形态和传质机理需深入研究
功能单体种类有限，不能满足所有识别需求
交联剂和聚合方法有较大局限性
大多只能在有机相中进行，水溶液或极性溶剂中应用困难
主要应用于小分子，大分子(多肽、蛋白质)印迹研究较少