模擬酶（model enzyme ）是一類利用有機化學方法合成的比天然酶簡單的非蛋白分子。模擬酶結構比天然酶簡單，化學性質穩定，具有酶的功能，還有高效、高選擇性和價廉易得等優點，是用合成高分子來模擬酶的結構、特性、作用原理以及酶在生物體內的化學反應過程，從原理的本質定義為是用人工方法合成具有酶性質的一類催化劑。
酶是一類有催化活性的蛋白質，它具有催化效率高、專一性強、反應條件溫和等特點。酶容易受到多種物理、化學因素的影響而失活，所以不能用生物體內的酶廣泛取代工業催化劑。研究模擬酶主要是為了解決酶的以上缺點。
模擬酶是20世紀60年代發展起來的一個新的研究領域，是仿生高分子的一個重要的內容。目前模擬酶的研究主要有以下幾方面：模擬酶的金屬輔基、模擬酶的活性功能基、模擬酶的高分子作用方式、模擬酶與底物的作用、模擬酶的性狀等。
基本介紹
- 中文名：模擬酶
- 外文名：model enzyme
- 領域：分子生物學
- 本質：蛋白質/多肽
模擬酶的定義,模擬酶的性狀,模擬酶的類型,模擬酶的金屬輔基,模擬酶的活性功能基,模擬酶的高分子作用方式,常見模擬酶,
模擬酶的定義
模擬酶（model enzyme ）是一類利用有機化學方法合成的比天然酶簡單的非蛋白分子。模擬酶結構比天然酶簡單，化學性質穩定，具有酶的功能，還有高效、高選擇性和價廉易得等優點，是用合成高分子來模擬酶的結構、特性、作用原理以及酶在生物體內的化學反應過程，從原理的本質定義為是用人工方法合成具有酶性質的一類催化劑。
模擬酶的性狀
在水溶液中，酶形成巨大的分子締合體（膠束），構成同一分子內的疏水和親水微環境。模擬酶的這種微環境中的化學反應的特殊性質，也是模擬酶的一個重要方面。有人利用組氨酸的衍生物十四醯組氨酸與十六醯烷基－三甲基溴化銨組成兩種分子的混合微膠束，來催化乙酸對硝基苯酯的水解，其速率比組氨酸增加了100倍。
模擬酶的類型
1、模擬物只含有與生物活性酶相同的金屬離子第一級近似。如超氧化物歧化酶SOD是以銅為輔基的蛋白質配合物，而銅的某些胺基酸或羥基配合物，可用作模擬物，它們具有一定程度的SOD活性。儘管模擬物的作用機理 、選擇性及反應效率不同於原來的酶，但因可大量合成，仍有實用價值。
2、模擬活性中心結構。人們用三亞乙基四胺合成鐵Ⅲ配合物來模擬過氧化氫酶。用該化合物來進行如催化機理的研究顯得很方便。結果證明該鐵Ⅲ配合物催化分解過氧化氫的速度相當接近過氧化氫酶的速度。
3、整體模擬。活性中性必須處在一個特定的微環境和整體結構之中，所以高級模擬是包括微環境在內的整個活性部分。Collman 等合成了圍柵型鐵Ⅱ卟啉用以模擬血紅蛋白的可逆載氧，效果良好。
模擬酶的金屬輔基
有一類複合酶，除蛋白質外，還有含金屬的有機小分子物質或簡單的金屬，叫做輔酶或輔基。輔基在催化反應中起著重要的作用。有一些研究工作就是模擬酶分子中的金屬輔基。例如，模擬過氧化氫酶分子中的鐵卟啉輔基，合成了分解過氧化氫的酶模型──三亞乙基四胺與三價鐵離子的絡合物。這個模型在pH9.5和25℃的條件下，其催化速率是血紅蛋白或正鐵血紅素在同樣條件下的一萬倍。化學模擬生物固氮同樣是模擬固氮酶的金屬輔基。
模擬酶的活性功能基
酶分子中直接與酶催化反應有關的部分稱活性中心，通常是由幾個活性功能基組成。例如牛胰核糖核酸酶的催化中心是肽鏈序列中第12位和第119位的兩個組氨酸。
C.G.奧弗貝格等根據胰凝乳蛋白酶的催化中心與絲氨酸的羥基、組氨酸的咪唑基和天冬氨酸的羧基有關的事實，用乙烯基苯酚與乙烯基咪唑進行共聚合，製得帶有羥基和咪唑基的-胰凝乳蛋白酶模型，用這個模型聚合物作為3-乙醯氧基-N-三甲基碘化苯胺水解的催化劑，當pH為9.1時，其活性比單一的乙烯基咪唑高63倍。
模擬酶的高分子作用方式
酶是一類由胺基酸組成，以多肽鏈為骨架的生物大分子。人們利用高分子化合物作為模型化合物的骨架，引入活性功能基來模擬酶的高分子作用方式。例如，用分子量為40000-60000的聚亞乙基亞胺作為模型化合物的骨架，引入10%摩爾的十二烷基和15%摩爾的咪唑基，合成一個硫酸酯酶模型，用這個模型聚合物催化苯酚硫酸酯類化合物的水解，其活性比天然的Ⅱ型芳基硫酸酯酶高100倍。
常見模擬酶
1、環糊精模擬酶
1891年，環糊精被發現，但長期以來由於化學反應被認為僅發生於分子間的碰撞而沒有引起人們的重視。近年來，隨著對環糊精性質研究的深入，發現其具有獨特的包絡作用，即包絡多種有機和無機分子，因此環糊精可作為模擬酶的模型，模擬多種天然酶。環糊精的分子形狀如輪胎，由幾個D(+)葡萄糖殘基通過α-1，4糖苷鍵連線而成，聚合度分別為6.7或8個葡萄糖。α-，β-及γ-環糊精，每個葡萄糖殘基均處於無扭變變形的椅式構象。3種環狀糊精的結構相似，均為白色結晶粉末，但性質存在差別。β-環糊精的水溶解度最低，容易在溶液中結晶，溶解度隨溫度上升而增高；環狀糊精不溶於有機溶劑，結晶無一定熔點，加熱到200℃開始分解，加有機溶劑能助長 β-環糊精從水溶液中結晶出來。工業生產常用甲苯為絡合劑，從發酵液中結晶β-環糊精。化合物分子大小適當，能被環狀糊精穴洞包埋在內得絡合物，較大分子不能被全部包埋在洞內，這種反應成為包接反應，所得產物成為包接絡合物，這是環糊精最重要的功能。
2、α-胰凝乳蛋白酶的模擬
Bender等人合成了一個具有α-胰凝乳蛋白酶所有特徵的模擬酶，該模型利用β-環糊精作為酶的結合部位，而連線在其側鏈上的羧基、咪唑基及環糊精本身的一個羥基共同構成催化中心（電荷中繼網系）實現胰凝乳蛋白酶的全模擬。模擬的胰凝乳蛋白酶與天然胰凝乳蛋白酶的催化能力相近，而且反應速度更快。
3、冠醚化合物的模擬酶
1967年Pederson首次合成冠醚，並報導了這類化合物具有和金屬離子、銨離子及有機伯銨離子形成穩定絡合物的獨特性質。隨後人們合成了各種各樣具有不同絡合性能的所謂“主體分子”，並提出“主客體絡合物化學”的新概念，主體-客體之間的這種非共價絡合作用是生物過程中酶-底物、抗原-抗體、激素-受體等許多手性識別的基礎。因而，近年來這一領域的研究越來越引起化學家們的興趣和關注。通過設計將一些具有催化活性的基團連線在主體分子上，就能很好地模擬酶的作用。研究還表明，手性冠醚主體分子在絡合胺基酸酯時，對客體分子的對映具有很高的選擇性，這種手性識別為模擬酶的活性部位提供了一個良好的基礎。
4、超氧化物歧化酶( SOD) 的模擬物
SOD活性與金屬離子有關，配位化學家將小分子化合物與Cu2+、Mn3+或Fe3+配位，製成模擬SOD，採用模擬SOD可以研究金屬離子催化O2-歧化為O2與H2O2的作用機理，並有可能作為藥物套用於臨床。因此，近20年來對模擬SOD進行了較多研究，尤其是模擬Cu，Zn-SOD 及Mn-SOD。
5、卟啉類模擬酶
卟啉是含 4 個吡咯分子的大環化合物，其主體骨架是卟吩。自然界中卟啉化合物主要是原卟啉Ⅸ、酞菁等。當主體中兩個吡咯質子被取代後即成金屬卟啉或金屬酞菁。金屬卟啉具有以共軛大π電子體系及金屬價態可變為基礎的氧化還原性質，中心金屬對軸向配體有較強的配位能力。用鐵和錳的四苯基卟啉配合物模擬單加氧酶細胞色素P450，在常溫常壓下催化H2O2 等氧化劑將烷烴和烯烴分別氧化成醇和環氧化物。氧橋連線的三價雙核金屬卟啉穩定性與單核金屬卟啉相同。如用氧化雙四苯基卟吩合鐵催化PhIO氧化環己烷成環己醇，在CH2Cl2或C6H12溶劑中，氧化產率分別為15%及62.6%，均高於相應的單核金屬卟啉TPPFe(Ⅲ)Cl。現在可以合成一系列的水溶性和非水溶性金屬卟啉，作為超氧化物岐化酶和過氧化氫酶的模擬物催化岐化O2-和催化分解H2O2。含有吡啶溴化鹽的水溶性金屬卟啉的仿酶活性明顯大於含羧基或酯基的非水溶性金屬卟啉。將錳金屬卟啉固載於蒙脫土上，作為木質素過氧化物酶仿生催化劑催化木質素模型化合物的氧化，克服了天然卟啉由於自毀或形成絡合物帶來的穩定性差的問題。通過合成具有不同取代基的金屬卟啉和使中心金屬離子具有不同的軸向配體，已實現了對過氧化物酶、過氧化氫酶、細胞色素C氧化酶、核酸酶等的模擬。通過選擇不同底物以及和其它酶催化反應聯合可分析葡萄糖、胺基酸、抗壞血酸、腎上腺素及核酸等許多重要的生物物質。一些具有多部位協同催化作用的多聚金屬卟啉及手性金屬卟啉已被合成出來。既模擬催化部位又模擬結合部位疏水微環境的卟啉如金屬卟啉橋聯環糊精、環芳烴-雙金屬卟啉、β-CD 聚合物包合的卟啉形成的固相超分子也獲得了廣泛研究。
6、印跡高分子（MIP）模擬酶
分子印跡是指製備對某一特定分子具有選擇性的聚合物的過程。首先選定具備互補作用的印跡分子和單體，並在印跡分子-單體複合物周圍發生聚合反應，然後用抽提法除去印跡分子，可對該分子進行識別，從而製備出催化聚合物。根據印跡分子的選取可分為底物印跡高分子、過渡態印跡高分子、產物印跡高分子和與其它催化劑共同作用的助催化印跡高分子。底物印跡高分子的催化基團被置於印跡識別位點區域。含氨基或羰基活性基團的印跡高分子大大促進4-氟-4-苯基丁酮的脫HF反應。以吲哆苯甲醯胺為模板分子製備的印跡高分子可催化茚的異構化反應及苯甲酸酯的乙醯基轉移反應。以鈷離子和烷基咪唑形成的絡合物為模板分子，通過表面印跡技術合成了模擬酶聚合物作為主體分子催化胺基酸酯的水解，該主體分子對底物表現出特異親和性，並用計算模型表征了印跡位點的結構。過渡態印跡高分子主要起到穩定過渡態的作用，使反應活化能降低，從而加速反應的進行。以磷酸酯衍生物為單體製備的MIP催化聚碳酸酯的水解速度比無催化的水解速率快100倍。以苯乙烯基脒為模板分子與磷酸二苯酯和甲基丙烯酸甲酯為單體製備的MIP催化二苯基氨基甲酸酯的水解速率與相應生物酶的催化活性相近。用中間產物的類似物作印跡分子製備的MIP使狄爾斯-阿爾德成環反應速率提高了270倍。此時最終產物不再是印跡高分子最優識別物，從而使MIP的催化活性儘可能不受產物的抑制。共催化印跡高分子一般用各種輔助金屬離子、輔酶的類似物作為模擬分子來製備。如用活潑的過渡態分子與Co2+的複合物作模板製備的MIP模擬吲哚酶催化苯乙酮與苯甲醛縮和，其反應速率提高了8倍。
