人工合成酶

人工合成的产品

自然界里的酶往往难以提纯，生产成本又高，于是寻求人工合成酶就成为热门的研究课题。

定义

天然酶的催化能力极强，能在常温常压下将化学反应的速度提高107～109倍．具有极广泛的应用价值。工业上使用的天然酶主要是从微生物细胞中提取的，易混有杂质，提取过程中会失活。纯酶的制取则更难，成本十分昂贵。人工合成酶不仅弥补了天然酶制剂生产的不足，而且可以通过基因工程对酶进行定向改造，从而获得各种生化性能更纯的新酶品种。人工合成酶的研制是近十多年的事，但已取得了重要成果。例如，已经合成了多种人工酶；德国科研人员将大肠杆菌青霉素酰化酶的基因克隆到质粒PBR。上，新构建的菌株的酶活力比原株提高50倍；人工构建的萄葡糖异构酶，表现活力比原种提高5倍；国外已将人工酶用于工业生产。近年来．还有人试图将淀粉酶或纤维素酶的基因克隆到酵母中，如果成功，就可以用淀粉或纤维素为原料，直接用酵母发酵成产酒精。

意义

人工合成酶的研究有着重要的意义。一方面，人工合成酶开拓出了一条提高生化反应速度的途径；另一方面．通过对酶促反应的研究和人工酶的研制，能设计新的化学合成路线，生产出更便宜的生化产品。随着人工酶研究的发展，在工厂中合成淀粉、蛋白质的理想将会变成现实。

研究进展

人工酶是化学合成的具有与天然酶功能相似的催化物质。它可以是蛋白质，也可以是比较简单的大分子物质。合成人工酶的要求是很高的，它要求人们弄清楚：酶如何进行催化，关键是哪几个部位在起作用，这些关键部位有什么特点，另外，对人工酶还有另一层要求，那就是简单、经济。1977年达尔(Dhar)报道，人工合成的序列为Glu一Phe一Ala一Glu一Glu一Ala一Ser一Phe的多肽具有溶菌酶的活力，其活力为天然酶的50%。1990年斯图尔德(Steward)等使用胰凝乳蛋白酶底物酪氨酸乙酯作为模板，用计算机模拟胰凝乳蛋白酶的活性位点，构建出一种由73个氨基酸残基组成的多肽，其活性部位由组氨酸、天冬氨酸和丝氨酸组成。此肽对烷基酯底物的活力为天然胰凝乳蛋白酶的1%，并显示了其底物特异性及对胰凝乳蛋白酶抑制剂的敏感性等。还有人合成了一个由34个氨基酸组成的大分子，这个大分子具有和核糖核酸酶一样的催化作用。然而，人们仍然嫌它太复杂，希望继续寻找更简单、更稳定、更小的人工酶，并寻找在生产上比天然酶经济得多的人工酶。尽管人工酶的效益尚不明显，然而从事人工酶研究的队伍却日益壮大。也许，在不久的将来，人工酶在酶工程的生产领域里将正式取得一席之地．并且地位不断上升，甚至压倒天然酶。

在实验室中合成活性酶，是生物化学家和化学家们最感兴趣和最具挑战性的课题之一。20世纪80年代以来，随着人们对酶的结构和酶的作用机制知识的迅速增加，实验技术和方法不断完善，在人工酶研究领域已经取得了一些突破性进展，其中最重要的是抗体酶和杂化酶的研究成功。

抗体酶

20世纪80年代后期出现的抗体酶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，其本质上是一类具有催化活性的免疫球蛋白，在可变区赋予了酶的属性，所以也称为催化性抗体。用事先设计好的抗原(半抗原)按照一般单克隆抗体的制备程序就可获得有催化活性的抗体。抗体酶的制备方法有诱导法、引入法、拷贝法等。迄今，抗体酶催化的反应除酯、羧酸和酰胺键的水解反应外，还有酰胺形成、光诱导裂解和聚合、酯交换等10多种。这些抗体酶催化反应的专一性相当于甚至超过酶反应的专一性，催化速度有的可达到酶催化的水平。

大家知道，抗体与酶都是蛋白质分子，且酶与底物的结合及抗体与抗原的结合都是高度专一陛的，但这两种结合的根本区别在于酶与高能过渡态分子相结合，而抗体则与抗原(基态分子)相结合。抗体和酶都是高分子物质，在漫长的进化过程中各自执行着不同的使命，尽管它们的结构很不相同，但却具有两大共性：即都是蛋白质而且都能高选择性地与靶分子结合。抗体特异性地结合抗原并帮助巨噬细胞摄入并摧毁抗原；而酶则可高选择性地结合化学反应过程中特定结构的物质，从而大大降低化学反应的活化能，高选择性、高效率地催化化学反应，使之能在温和条件下得以实现。

抗体是动物为抵御外来物质入侵而合成的一种蛋白质。抗体酶是指通过一系列化学与生物方法制备的具有催化活性的抗体。受Pauling过渡态理论和预言的启发，Jencks于1969年提出了抗体若能与化学反应的过渡态产物结合，则这样的抗体就必然具有催化性能的观点。这意味着抗体一旦能与过渡态物质结合，它就具有酶在温和条件下能高效、专一地催化化学反应的性质。以此类推，抗体若能与过渡态相似物结合，则它也会与化学反应过程中的过渡态物质结合，这样的抗体就具有催化性能。使抗体具有酶的活性，其意义之重大是不言而喻的，当然其难度之大也是可想而知的。初步看起来，有了Pauling和Jencks的理论，就能得到具有酶的催化性质的抗体——催化抗体，但要把理论上的预言变成现实，却往往有赖于技术上的重大突破。单克隆技术的成功，使催化抗体的诞生水到渠成。1986年，Lerner和Schultz分别成功地获得了催化抗体。

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