环糊精在模拟酶研究中的应用

2024年2月21日发(作者：玫瑰素描)

环糊精在模拟酶中的应用和发展

摘要：环糊精是一种优良的模拟酶母体，在模拟酶的研究中占有重要地位，本文对模拟酶的性质进一步的认识和了解，对环糊精在模拟酶的应用和发展作详细的阐述，展望环糊精发展的前景。

关键词：酶 模拟酶 环糊精 主客体 应用

一 模拟酶的认识

1 酶的认识

酶是一种蛋白质，广泛存在于生物体中，而且扮演着重要的角色，尤其在生物催化方面，它高度的专一性和高效率的催化对生物的各种生理调节起关键作用，由于催化效率高，有许多科学希望能够从生物体提取这些物质，但是随着时间的推移，科学家发现提取这些的难度非常大，而且成功率比较低，于是科学家转移研究方向，寻找酶有相似功效的模拟酶。

2 模拟酶定义和性质

模拟酶的研究就是从酶中挑选出那些起主导作用的因素来设计并合成一些能表现出生物功能的， 比天然酶简单得多的非蛋白分子,，以它们作为模型来模拟酶对底物的结合及催化过程, 进一步找出控制生化过程的重要因素, 追寻酶的高效、专一这些特异性的根源, 发展新的非生物催化剂—模拟酶（mimed enzyme）。

如果要设计一种模拟酶，那么我们主要是模拟酶的那些性质呢？我觉得主要模拟以下性质：

1、高度的专一性，酶只作用一种底物, 只催化一种反应，在酶催化反应中, 利用酶的强疏水场、不对称场、静电场、氢键、范德华力及色散力, 通过诱导锲合作用对底物进行全方位的识别。[1]

2、酶反应的高效率，在于首先与底物结合成不稳定的中间复合物, 具有低活化能, 可用下式表示：

E(酶)+S（底物）ES E+P（产物），此结合是特异地进行的, 可用图1表示：

[2]1

图1 酶结合底物分子示意图

3、主一客体现象，从酶结合底物这点出发, 研究结合特异性、结合驱动力和结合强度,

发展了一门主一客体化学, 可用图2表示：

图2 主一客体作用示意图

总的来说，主一客体现象存在于有机、无机、生物体反应、物质输送及亲和层析等领域中。酶反应的特异结合（主一客体识别）和其后的高选择反应, 吸引人们探索如何模拟生物体反应, 再现酶催化功能, 即模拟酶研究, 这是近年来发展起来的仿生化学的重要部分。模拟酶的催化反应, 在常温、常压、中性、水溶液中进行快速高选择反应, 有效地生成目的物,可促进化学工业向着节省能源、节省资源、无公害的理想境地发展。

在模拟酶的研究中, 对脱辅基酶的模拟为较多, 而可作为其代用品的宿主分子, 目前已有许多, 如冠醚、叶琳环、杯芳烃、环糊精、胶束……等。但迄今被广泛采用且较为优越的是环糊精。

[3]二 环糊精的了解和模拟酶方面的发展

1 环糊精定义和性质

环糊精( cyclodextrins, CD) 是由环糊精糖基转移酶作用于淀粉或直链糊精生成的一种由D 吡喃型葡萄糖通过α- 1, 4 糖苷键连接的环状糖, 其中葡萄糖残基的个数一般为6、2

7、8, 分别称为α, β,γ - 环糊精。环糊精自1891 年由Villiers 发现以来, 对其研究已有100 多年的历史 , 而其大量应用于食品工业 、药品工业 、环保工业等领域则是近10

来年的事。

环糊精作为超分子化合物,之所以能用于酶的模拟, 其主要原因有:

（1）α, β,γ- 环糊精系列有良好的水溶性， 分布在空腔两侧的伯、仲羟基, 作为质子供体很活跃, 而且这些立体地分布在空腔周边的羟基与底物配合容易达到有利配置状态。

（2）伯、仲羟基有不同的反应活性, 可以通过化学方法引入催化基, 建立电荷和质子传递体系。

（3）分子内空腔由葡萄糖基的C - 3 - H, C- 5- H和1, 4 苷键氧构成, 是一个相对刚性的疏水空穴, 有利于对有机分子的选择结合和定位，而疏水环境能促进某些有机反应的进行，具有分子识别的功能。

[4]2 环糊精的模拟酶合成及应用

根据环糊精以上的性质来构筑仿酶模型, 就是利用环糊精的疏水空腔对适当的底物进行包接, 这一部位称之为疏水部位，然后在环糊精的较大或小开口端上的轻基进行适当的修饰, 引入某些具有催化作用的有机基团, 这一部位称之为催化部位认环糊精利用这两个部位的协调作用, 即疏水作用和催化作用从而达到模拟酶的目的。

环糊精已用于模拟许多酶,如水解酶、核糖核酸酶、转氨酶、过氧化物酶、氧化还原酶、羟醛缩合酶等，以下列举几种酶的应用：

（1）水解酶类[5]

早期人们发现环糊精的氧负离子可与羧酸酯反应,随后又发现环糊精上的羟基能被包合于环糊精空腔中的酯乙酰化如下图,而且环糊精参与的反应,其反应速率通常有较大变化.

如乙酸间硝基苯酚酯(mNPA) 在相同条件下的水解速率比没有β2CD时快100 倍。

图3 环糊精羟基负离子的乙酰化

后来人们利用这个特点，对环糊精进行各种因素的分析，得出：无论是从底物和反应条3

件着手,还是从环糊精的修饰着手,它们均能使底物的水解速率比无催化剂CD 时快几个数量级,但简单的环糊精模拟催化羧酸酯的水解反应几乎都是利用环糊精中的羟基形成氧负离子来进行亲核进攻(另加亲核试剂时有所不同) ,所以反应必须在碱性条件下进行.因此,简单环糊精所催化的羧酸酯水解反应离真正意义上的生物模拟酶催化反应还有较大差异。为了解决这个问题，有人在环糊精中引入带有催化的基团，提高环糊精的水解效果，咪唑基和金属离子的引入，对环糊精的水解效果有了很大的提高。

（2）过氧化物酶类[6]

测定葡萄糖的浓度常用过氧化物酶来测定，但是由于活性的过氧化酶提取的成本很高，为了解决成本的问题，模拟过氧化酶是必须的，用环糊精模拟的制备反应式如下：

图4 环糊精模拟过氧化酶反应式

模拟酶制备简便，费用低廉。易存取，能循环再生使用，对于葡萄糖的测定带来好处，在医学中有很大的帮助。

环糊精除了以上两种应用外，还有许多方面的应用，由于模拟酶的廉价、方便等特点，科研人员对它的研究越来越广，尤其对环糊精的研究，环糊精水溶性、空腔的结构，对物质的识别能力，使得它的研究更有价值。

三 环糊精构筑模拟酶的发展和前景

模拟酶的研究是化学中的新兴研究领域, 虽然目前尚处于起步阶段, 但近年来利用环糊精构筑了一定数量的酶模型, 显示出大有希望的前景。它的继续发展有赖于化学家们创造性的思维, 精湛的设计和富有成效的实验工作。模拟酶研究将不断深化, 更多更理想的酶模型将不断涌现。这方面的研究成果将有助于进一步认识酶的本质，揭示生命过程的奥秘， 将引导化学进入一个崭新的时代---------化学反应已不再依靠剧烈条件下的分子碰撞, 而将是温和条件下由络合过程所导向的协调的价键组合。

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参 考 文 献

[1] 肖仁亮.环糊精的分子识别与人工酶.成宁师专学才,1989,2:57-64

[2] 童林荟.模拟酶研究进展—以环糊精为基础的模型研究,71-86

[3] 郭生金.谈谈酶的模拟与环糊精.晋中师专学报,1997,26(1):10-13

[4] 陆冬梅,罗志刚,杨连生,高群玉.环糊精模拟酶的研究进展.粮油食品科技,2005,13(4):27-28

[5] 操锋，任勇，华维一，马坤芳，郭寅龙.利用人工模拟酶环糊精催化羧酸酯水解反应的研究进展.有机化学,2002,22(11):827-834

[6] 沈静茹,雷灼霖,孙小梅,韦继争,丁志刚.β_环糊精构筑模拟酶催化法测定葡萄糖.分析化学研究报告.2001,29(7):828-831

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