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第七章 模拟酶
第一节 模拟酶的理论基础和策略
一、模拟酶的概念
二十世纪的大部分时期，科学 家一直在利用化学模拟作为阐明 自然界中生物体行为的基础。
早在二十世纪中叶，人们就已 认识到研究和模拟生物体系是开 辟新技术的途径之一，并自觉地 把生物界作为各种技术思想、设 计原理和发明创造的源泉。
通过对生物体系的结构与功能 的研究，为设计和建造新的技术 提供新的思想、新原理、新方法 和新途径。
设计一种像酶那样的高效催化
剂是科学家们一直追求的目标。
而对酶功能的模拟是当今自然科
学领域中的前沿课题之一。
在过去的20年里，化学家对 利用简单的分子模型构建酶的特 征进行了深入的研究。
经过长期的努力，新的催化 剂 — 模拟酶就逐渐被研制和开 发出来。
模拟酶又称人工酶或酶模型。
——生物有机化学的一个分支。
由于天然酶的种类繁多，模拟 的途径、方法、原理和目的不同， 对模拟酶至今没有一个公认的定 义。
一般说来，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。
模拟酶的研究就是吸收酶中那
些起主导作用的因素利用有机化 学、生物化学等方法，设计和合 成一些较天然酶简单的非蛋白分 子或蛋白质分子，以这些分子作 为模型来模拟酶对其作用底物的 结合和催化过程。
因此，模拟酶是从分子水平上 模拟生物功能的一门边缘科学。
迄今为止，已经有了多种类型的模拟酶：
——小分子仿酶体系有环糊精、冠醚、环 番、环芳烃和卟啉等大环化合物等。
——大分子仿酶体系有聚合物酶模型，分 子印迹酶模型和胶束酶模型等。
——利用化学修饰、基因突变等手段改造 天然酶产生了具有新的催化活性的半 合成人工酶。
其中，抗体酶就是一个典型的 例子，抗体酶的出现和快速发展 为酶的人工模拟又开辟了一条新 的道路。
二、模拟酶的理论基础
1．模拟酶的酶学基础
酶是如何发生效力的？对酶 的催化机制，人们提出了很多理 论，试图从不同角度阐述酶发挥 高效率的原因。
在众多的假说中，Pauling在 1946年提出的的过渡态理论得到 了广泛的认同。
基于Pauling稳定过渡态理论， 目前对酶的催化机制解释是酶先
与底物结合，进而选择性稳定某 一特定反应的过渡态(ES)，降低反
应的活化能，从而加快反应速度。
设计模拟酶：
——基于酶的作用机制， ——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催化 基团之外，还要考虑到与底物定 向结合的能力。模拟酶要和酶一 样，能够在底物结合中，通过底 物的定向化、键的扭曲及变形来 降低反应的活化能。
酶模型的催化基团和底物之
间必须具有相互匹配的立体化学 特征，这对形成良好的反应特异 性和催化效力是相当重要的。
2. 超分子化学
Pederson和Cram报道了一系 列光学活性冠醚的合成方法。这 些冠醚可以作为主体而与伯铵盐 客体形成复合物。
Cram把主体与客体通过配位 键或其它次级键形成稳定复合物 的化学领域称为“主-客体”化学
(host-guest chemistry)。
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。
主-客体化学和超分子化学已 成为酶人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。
根据酶催化反应机理，若合 成出能识别底物又具有酶活性部 位催化基团的主体分子，就能有 效地模拟酶的催化过程。
通常，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：
——(1)酶活性中心-底物复合物的结 构；
——(2)酶的专一性及其同底物结合的 方式与能力；
——(3)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：
——非共价相互作用是生物酶柔韧性、可 变性和专一性的基础，故酶模型应为底物 提供良好的微环境，便于与底物，特别是 反应的过渡态以离子键、
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