抗体酶的催化反应及应用前景

抗体酶的催化反应及应用前景 摘要:抗体酶又叫催化抗体,兼具抗体的高度选择性和酶的高效性,可人为生产适应各种用途的,特别是自然界不存在的高效催化剂。本文主要讲解了抗体酶催化反应的催化特征、催化反应类型及其应用前景。 1.抗体酶的概述 抗体酶又叫催化抗体,兼具抗体的高度选择性和酶的高效性,可人为生产适应各种用途的,特别是自然界不存在的高效催化剂。 2.抗体酶的催化反应 2.1.抗体酶的催化特征 与天然酶的催化特性相比,抗体酶有自己的一些特点。 2.1.1能催化一些天然酶不能催化的反应 抗体酶的多样性决定了抗体酶的催化反应类型多样性;催化抗体的构建,表明可通过免疫学技术,为人工酶的设计和制备开辟一条新的、实用化的途径。这种利用抗原-抗体识别功能,把催化活性引入免疫球蛋白结合位点的技术,或许可能发展成为构建某种具有定向特异性和催化活性的生物催化剂的一般方法。 2.1.2有更强的专一性和稳定性 抗体酶作为一种具酶和抗体双重功能的新型大分子用作分子识别元件,具有优于酶和抗体的突出特点。因为配体底物与抗体酶的活性部位结合后,会立即发生催化反应,释放产物,所以每一次分子反应之后,抗体的分子识别位点都可以再生,这就使催化抗体能够作为一种可以连续反复使用的可逆性分子。 2.1.3催化作用机制不同 酶催化机制是“锁钥学说”(Lock and Key)及“诱导契合学说”(Induced-Fit);而抗体酶的催化剂至目前还没有完全搞清楚。Janda曾提出“识别开关”或“诱饵开关”(Bait and Switch)机制,即抗体将底物“钓进”抗体结合部位,然后使其与抗体结合,打开底物转化为反应过渡态的“开关”,导致共价键断裂,形成产物,还有待研究。 2.2抗体酶的催化反应类型 迄今为止,获得的抗体酶已能成功地催化五种类型以上的酶促反应和几十种类型的化学反应。下面是一些比较常见的抗体酶的催化反应。 1 2.2.1氨基转移酶 生物体内蛋白质的合成是一个非常复杂过程。氨基酸在掺入肽链之前必需进行活化以获得额外能量,这活化过程即酰基转移反应,又称氨酰基化反应。1986年,Tramonatano等研制成功首例酰基转移抗体酶。Jacolson等设计了一个中性磷酸二酯作为反应过渡态的稳定类似物,得到的单克隆抗体可以催化带丙氨酰的胸腺嘧啶的氨酰化反应,反应速度比无催化反应的速度提高了108倍。 2.2.2重排反应 Claisen重排是有机化合物异构化的一种重要形式,生物体由一些化合物在光照下会发生Claisen重排。Hilvert等选用的是一个有椅式构想的氧氮杂双环化合物来模拟由分枝酸生成预苯酸这样一个Claisen重排反应的过渡态结构。试验获得成功,反应速度加快了103~104倍。这是首次用抗体酶催化了C—C键的生成。 2.2.3氧化还原反应 氧化还原反应在生物体内十分广泛,主要是呼吸链的一系列反应。Shokat 制得了对氧化态Km=8mmol/L,对还原态Km=300nmol/L的抗体,使标准电位变为-340mv。由于黄素还原态的还原范围扩大,使一些原来无法按其还原的物质得以还原。这意味着抗体酶可以使热力学上原本无法进行过的氧化还原反应得以进行。 2.2.4金属螯合反应 金属螯合反应对于辅酶、辅因子和酶的结合来说意义重大。Schultz PG 等用G-甲基卟啉诱导产生的抗体可催化平面状卟啉的金属螯合反应,这种抗体不仅可催化Cu2+,Zn2+和卟啉的螯合,还可催化CO2+,Mn2+和卟啉的螯合。实验表明,该抗体酶对其中某些金属卟啉具有很高的亲和力。意味着可研制抗体-血红素复合物为催化剂催化氧化反应,电子传递反应。 2.2.5磷酸酯水解反应 磷酸二酯键是自然界最稳定的键之一,因此,它的水解对抗体酶来说是个挑战。Janda等利用稳定的无配位氧代铼络合物A模拟RNA水解时形成的环形氧代正膦中间物,产生了一种单抗G12,可以催化水解磷二酯,催化速度常数(K cat) =1.53×10-3s-1,米氏常数(K m)=240umol/L。 2.2.6其它反应 抗体酶还可催化磺酸酯水解反应和光诱导反应等反应类型,随着抗体酶的研究与开发的深入,抗体酶催化的反应类型也将越来越多,并为人们所用。 3.抗体酶的应用前景 3.1抗体酶的应用 3.1.1抗体酶在基础研究中的应用 首先,利用过渡态模拟物法得到抗体酶是对Panling酶促原理过渡态理论最直接,也是最好的证实。同时随着人们对抗体酶研究的深入,加深了人们对酶作用机理一些假设(如邻近效应、定向效应等)的理解。例如,催化酰胺形成和水解的抗体酶,可用于肽和蛋白的合成和分解,可能弥补有时天然酶水解时酶切位点不能人为控制的缺点,用于发展“限制性酶”,以水解断裂糖或蛋白的特定键,从而选择性水解病毒、癌细胞或其他生理学靶子表面的蛋白或糖。在某些药物合成中,成环反应是重要步骤,催化内酯化成环反应的抗体酶可用于环结构药物的合成。抗体酶溶于反向胶束,可在有机溶剂中作催化剂。抗体酶固相化可保留其在有机溶剂中的活性和专一性,提高稳定性。抗体酶能催化尚无天然存在的化学反应的例子更令人鼓舞。通过各种策略制备抗体为研究催化机制提供了良好的工具。抗体酶在基础理论的研究中提供了越来越广阔的前景。 3.1.2抗体酶在临床医学中的应用 抗体酶既能标记抗原靶目标,又能执行一定的催化功能。这两种性质的结合是抗体酶在人体内的应用范围得到扩大。例如,可以设计抗体没来杀死特殊的病原体,也可以用抗体酶活化处于靶部位的药物前体,以降低药物毒性,增加其在体内的稳定性。抗体酶技术的开发预示着可以人为生产适应各种用途,特别是自然界不存在的高效生物催化剂,在生物学、医学、化学和生物学上会有广泛的应用前景。 3.2抗体酶的发展前景 抗体酶的出现为人们根据自己的需要设计酶开辟了一条道路。它应用了抗体的多样性和酶的专一性,把本来独立、各司其职的两种事物相结合,是一种伟大的创造。 未来抗体酶研究可能通过对某一化学反应机理的研究,设计合理的反应过渡 态类似物作为半抗原,可以诱导产生对该反应具有催化活性的抗体。根据此原理定制的抗体酶可以催化那些用现有的方法难以加速的反应或不存在天然酶存在的反应。 在医学方面,抗体酶可能可以用于体内治疗多种疾病,除作为药物传递体系活化前药用于肿瘤治疗外,还可以替代氨基酸和嘧啶体内生物合成中的必需酶用于体内代谢的反应的催化。抗体酶在体内治疗方面可能会随着抗体治疗应用的发展而迅速发展。 虽然现在抗体酶的各种性能还不尽人意,但随着生产技术及设备的完善,抗体酶的研究和应用将具有更为广泛的应用前景,其许多应用能在商业上成为可能。 参考文献: [1]孙君社.酶与酶工程及其应用[M]北京:化学工业出版社.2006 [2]周晓云.酶学原理与酶工程[M]北京:中国轻工业出版社.2005 [3]袁勤生.生现代酶学[M]上海:华东理工大学出版社.2001 [4]郑集,陈钧辉.普通生物化学[M]北京:高等教育出版社.2008 [5]陈宁.酶工程[M]北京:中国轻工业出版社.2005 [6]罗贵民,曹淑桂,张今.酶工程.北京:化学工业出版社.2002