環(huán)糊精在模擬酶研究中的應(yīng)用

2024年2月21日發(fā)(作者：玫瑰素描)

環(huán)糊精在模擬酶中的應(yīng)用和發(fā)展

摘要：環(huán)糊精是一種優(yōu)良的模擬酶母體，在模擬酶的研究中占有重要地位，本文對(duì)模擬酶的性質(zhì)進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和了解，對(duì)環(huán)糊精在模擬酶的應(yīng)用和發(fā)展作詳細(xì)的闡述，展望環(huán)糊精發(fā)展的前景。

關(guān)鍵詞：酶 模擬酶 環(huán)糊精 主客體 應(yīng)用

一 模擬酶的認(rèn)識(shí)

1 酶的認(rèn)識(shí)

酶是一種蛋白質(zhì)，廣泛存在于生物體中，而且扮演著重要的角色，尤其在生物催化方面，它高度的專一性和高效率的催化對(duì)生物的各種生理調(diào)節(jié)起關(guān)鍵作用，由于催化效率高，有許多科學(xué)希望能夠從生物體提取這些物質(zhì)，但是隨著時(shí)間的推移，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)提取這些的難度非常大，而且成功率比較低，于是科學(xué)家轉(zhuǎn)移研究方向，尋找酶有相似功效的模擬酶。

2 模擬酶定義和性質(zhì)

模擬酶的研究就是從酶中挑選出那些起主導(dǎo)作用的因素來設(shè)計(jì)并合成一些能表現(xiàn)出生物功能的， 比天然酶簡單得多的非蛋白分子,，以它們作為模型來模擬酶對(duì)底物的結(jié)合及催化過程, 進(jìn)一步找出控制生化過程的重要因素, 追尋酶的高效、專一這些特異性的根源, 發(fā)展新的非生物催化劑—模擬酶（mimed enzyme）。

如果要設(shè)計(jì)一種模擬酶，那么我們主要是模擬酶的那些性質(zhì)呢？我覺得主要模擬以下性質(zhì)：

1、高度的專一性，酶只作用一種底物, 只催化一種反應(yīng)，在酶催化反應(yīng)中, 利用酶的強(qiáng)疏水場、不對(duì)稱場、靜電場、氫鍵、范德華力及色散力, 通過誘導(dǎo)鍥合作用對(duì)底物進(jìn)行全方位的識(shí)別。[1]

2、酶反應(yīng)的高效率，在于首先與底物結(jié)合成不穩(wěn)定的中間復(fù)合物, 具有低活化能, 可用下式表示：

E(酶)+S（底物）ES E+P（產(chǎn)物），此結(jié)合是特異地進(jìn)行的, 可用圖1表示：

[2]1

圖1 酶結(jié)合底物分子示意圖

3、主一客體現(xiàn)象，從酶結(jié)合底物這點(diǎn)出發(fā), 研究結(jié)合特異性、結(jié)合驅(qū)動(dòng)力和結(jié)合強(qiáng)度,

發(fā)展了一門主一客體化學(xué), 可用圖2表示：

圖2 主一客體作用示意圖

總的來說，主一客體現(xiàn)象存在于有機(jī)、無機(jī)、生物體反應(yīng)、物質(zhì)輸送及親和層析等領(lǐng)域中。酶反應(yīng)的特異結(jié)合（主一客體識(shí)別）和其后的高選擇反應(yīng), 吸引人們探索如何模擬生物體反應(yīng), 再現(xiàn)酶催化功能, 即模擬酶研究, 這是近年來發(fā)展起來的仿生化學(xué)的重要部分。模擬酶的催化反應(yīng), 在常溫、常壓、中性、水溶液中進(jìn)行快速高選擇反應(yīng), 有效地生成目的物,可促進(jìn)化學(xué)工業(yè)向著節(jié)省能源、節(jié)省資源、無公害的理想境地發(fā)展。

在模擬酶的研究中, 對(duì)脫輔基酶的模擬為較多, 而可作為其代用品的宿主分子, 目前已有許多, 如冠醚、葉琳環(huán)、杯芳烴、環(huán)糊精、膠束……等。但迄今被廣泛采用且較為優(yōu)越的是環(huán)糊精。

[3]二 環(huán)糊精的了解和模擬酶方面的發(fā)展

1 環(huán)糊精定義和性質(zhì)

環(huán)糊精( cyclodextrins, CD) 是由環(huán)糊精糖基轉(zhuǎn)移酶作用于淀粉或直鏈糊精生成的一種由D 吡喃型葡萄糖通過α- 1, 4 糖苷鍵連接的環(huán)狀糖, 其中葡萄糖殘基的個(gè)數(shù)一般為6、2

7、8, 分別稱為α, β,γ - 環(huán)糊精。環(huán)糊精自1891 年由Villiers 發(fā)現(xiàn)以來, 對(duì)其研究已有100 多年的歷史 , 而其大量應(yīng)用于食品工業(yè) 、藥品工業(yè) 、環(huán)保工業(yè)等領(lǐng)域則是近10

來年的事。

環(huán)糊精作為超分子化合物,之所以能用于酶的模擬, 其主要原因有:

（1）α, β,γ- 環(huán)糊精系列有良好的水溶性， 分布在空腔兩側(cè)的伯、仲羥基, 作為質(zhì)子供體很活躍, 而且這些立體地分布在空腔周邊的羥基與底物配合容易達(dá)到有利配置狀態(tài)。

（2）伯、仲羥基有不同的反應(yīng)活性, 可以通過化學(xué)方法引入催化基, 建立電荷和質(zhì)子傳遞體系。

（3）分子內(nèi)空腔由葡萄糖基的C - 3 - H, C- 5- H和1, 4 苷鍵氧構(gòu)成, 是一個(gè)相對(duì)剛性的疏水空穴, 有利于對(duì)有機(jī)分子的選擇結(jié)合和定位，而疏水環(huán)境能促進(jìn)某些有機(jī)反應(yīng)的進(jìn)行，具有分子識(shí)別的功能。

[4]2 環(huán)糊精的模擬酶合成及應(yīng)用

根據(jù)環(huán)糊精以上的性質(zhì)來構(gòu)筑仿酶模型, 就是利用環(huán)糊精的疏水空腔對(duì)適當(dāng)?shù)牡孜镞M(jìn)行包接, 這一部位稱之為疏水部位，然后在環(huán)糊精的較大或小開口端上的輕基進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎? 引入某些具有催化作用的有機(jī)基團(tuán), 這一部位稱之為催化部位認(rèn)環(huán)糊精利用這兩個(gè)部位的協(xié)調(diào)作用, 即疏水作用和催化作用從而達(dá)到模擬酶的目的。

環(huán)糊精已用于模擬許多酶,如水解酶、核糖核酸酶、轉(zhuǎn)氨酶、過氧化物酶、氧化還原酶、羥醛縮合酶等，以下列舉幾種酶的應(yīng)用：

（1）水解酶類[5]

早期人們發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精的氧負(fù)離子可與羧酸酯反應(yīng),隨后又發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精上的羥基能被包合于環(huán)糊精空腔中的酯乙酰化如下圖,而且環(huán)糊精參與的反應(yīng),其反應(yīng)速率通常有較大變化.

如乙酸間硝基苯酚酯(mNPA) 在相同條件下的水解速率比沒有β2CD時(shí)快100 倍。

圖3 環(huán)糊精羥基負(fù)離子的乙?；?

后來人們利用這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)環(huán)糊精進(jìn)行各種因素的分析，得出：無論是從底物和反應(yīng)條3

件著手,還是從環(huán)糊精的修飾著手,它們均能使底物的水解速率比無催化劑CD 時(shí)快幾個(gè)數(shù)量級(jí),但簡單的環(huán)糊精模擬催化羧酸酯的水解反應(yīng)幾乎都是利用環(huán)糊精中的羥基形成氧負(fù)離子來進(jìn)行親核進(jìn)攻(另加親核試劑時(shí)有所不同) ,所以反應(yīng)必須在堿性條件下進(jìn)行.因此,簡單環(huán)糊精所催化的羧酸酯水解反應(yīng)離真正意義上的生物模擬酶催化反應(yīng)還有較大差異。為了解決這個(gè)問題，有人在環(huán)糊精中引入帶有催化的基團(tuán)，提高環(huán)糊精的水解效果，咪唑基和金屬離子的引入，對(duì)環(huán)糊精的水解效果有了很大的提高。

（2）過氧化物酶類[6]

測定葡萄糖的濃度常用過氧化物酶來測定，但是由于活性的過氧化酶提取的成本很高，為了解決成本的問題，模擬過氧化酶是必須的，用環(huán)糊精模擬的制備反應(yīng)式如下：

圖4 環(huán)糊精模擬過氧化酶反應(yīng)式

模擬酶制備簡便，費(fèi)用低廉。易存取，能循環(huán)再生使用，對(duì)于葡萄糖的測定帶來好處，在醫(yī)學(xué)中有很大的幫助。

環(huán)糊精除了以上兩種應(yīng)用外，還有許多方面的應(yīng)用，由于模擬酶的廉價(jià)、方便等特點(diǎn)，科研人員對(duì)它的研究越來越廣，尤其對(duì)環(huán)糊精的研究，環(huán)糊精水溶性、空腔的結(jié)構(gòu)，對(duì)物質(zhì)的識(shí)別能力，使得它的研究更有價(jià)值。

三 環(huán)糊精構(gòu)筑模擬酶的發(fā)展和前景

模擬酶的研究是化學(xué)中的新興研究領(lǐng)域, 雖然目前尚處于起步階段, 但近年來利用環(huán)糊精構(gòu)筑了一定數(shù)量的酶模型, 顯示出大有希望的前景。它的繼續(xù)發(fā)展有賴于化學(xué)家們創(chuàng)造性的思維, 精湛的設(shè)計(jì)和富有成效的實(shí)驗(yàn)工作。模擬酶研究將不斷深化, 更多更理想的酶模型將不斷涌現(xiàn)。這方面的研究成果將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)酶的本質(zhì)，揭示生命過程的奧秘， 將引導(dǎo)化學(xué)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代---------化學(xué)反應(yīng)已不再依靠劇烈條件下的分子碰撞, 而將是溫和條件下由絡(luò)合過程所導(dǎo)向的協(xié)調(diào)的價(jià)鍵組合。

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參 考 文 獻(xiàn)

[1] 肖仁亮.環(huán)糊精的分子識(shí)別與人工酶.成寧師專學(xué)才,1989,2:57-64

[2] 童林薈.模擬酶研究進(jìn)展—以環(huán)糊精為基礎(chǔ)的模型研究,71-86

[3] 郭生金.談?wù)劽傅哪M與環(huán)糊精.晉中師專學(xué)報(bào),1997,26(1):10-13

[4] 陸冬梅,羅志剛,楊連生,高群玉.環(huán)糊精模擬酶的研究進(jìn)展.糧油食品科技,2005,13(4):27-28

[5] 操鋒，任勇，華維一，馬坤芳，郭寅龍.利用人工模擬酶環(huán)糊精催化羧酸酯水解反應(yīng)的研究進(jìn)展.有機(jī)化學(xué),2002,22(11):827-834

[6] 沈靜茹,雷灼霖,孫小梅,韋繼爭,丁志剛.β_環(huán)糊精構(gòu)筑模擬酶催化法測定葡萄糖.分析化學(xué)研究報(bào)告.2001,29(7):828-831

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