【正文】 Materials Chemistry II 第八章 生命中的超分子化學(xué)與生物模擬 (2) Materials Chemistry II 生物模擬 Materials Chemistry II 功能模擬 要進(jìn)行生物模擬，首先就要選擇好合適的生物模型并了解它的特征。生物體系，特別是酶，展現(xiàn)了大量需要在功能模擬模型體系中重現(xiàn)的典型特征： ① 酶可以在溫和的條件下引發(fā)快速的反應(yīng)； ②酶展現(xiàn)出對(duì)底物具有高度的結(jié)構(gòu)和手性識(shí)別； ③每個(gè)酶分子可以催化大量底物分子的反應(yīng)而本身不被破壞（高的轉(zhuǎn)化數(shù)）； ④對(duì)于那些與酶結(jié)合，但自身不反應(yīng)的化合物，酶很容易受到它們競爭性的抑制。 令人可喜的是，仿生體液顯示了一些生物酶沒有的性質(zhì)。例如，分子量小于2022~3000Da，極少的手性元素，即使在高溫下處理也很穩(wěn)定，在很多種溶劑中的可溶性等。在試圖模擬生物分子的過程中，期望會(huì)產(chǎn)生一個(gè)能同時(shí)模仿自然過程所有結(jié)構(gòu)的，結(jié)合的以及催化的特點(diǎn)的生物體系是不合理的。自然界耗費(fèi)了數(shù)百萬年來進(jìn)化高度復(fù)雜的生物過程，而人工技術(shù)和探索還不具有相當(dāng)?shù)乃? 。 Materials Chemistry II 受體和底物： 受體： 細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)能特異識(shí)別生物活性分子并與之結(jié)合 ， 進(jìn)而引起生物學(xué)效應(yīng)的特殊蛋白質(zhì) 。 受體在細(xì)胞生物學(xué)中是一個(gè)很泛的概念 ， 意指任何能夠同 激素 、 神經(jīng)遞質(zhì) 、藥物或細(xì)胞內(nèi)的 信號(hào)分子 結(jié)合它能把識(shí)別和接受的 信號(hào) 正確無誤地放大并傳遞到細(xì)胞內(nèi)部 ， 進(jìn)而引起 生物學(xué) 效應(yīng) 。 受體的兩個(gè)基本功能： （ 1） 識(shí)別特異的信號(hào)物質(zhì) 配體 ， 識(shí)別的表現(xiàn)在于兩者結(jié)合； （ 2） 把識(shí)別和接受的信號(hào)準(zhǔn)確無誤的放大并傳遞到細(xì)胞內(nèi)部 ， 啟動(dòng)一系列胞內(nèi) 生化反應(yīng) ， 最后導(dǎo)致特定的細(xì)胞反應(yīng) 。 使得胞間信號(hào)轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號(hào) 。 Materials Chemistry II 底物： 酶所作用和催化的化合物 。 底物為參與 生化反應(yīng) 的物質(zhì) ， 可為化學(xué)元素 、 分子或化合物 ， 經(jīng) 酶 作用可形成產(chǎn)物 。 配體 是與大分子物質(zhì)結(jié)合的原子、離子或分子。如在抗原與抗體的結(jié)合，激素與受體的結(jié)合以及底物與酶的結(jié)合中，抗原、激素及底物為特異的配體。 Materials Chemistry II 生物模擬采取的策略 ① 體系體現(xiàn)底物或簡單對(duì)照物的有效鍵合特征，或展現(xiàn)生物反應(yīng)過度態(tài) 的對(duì)照，這被稱為 結(jié)構(gòu)模型 ； ② 在沒有酶鍵合特征的情況下進(jìn)行反應(yīng)（通常指分子間的）體系，這被 稱為 功能模型 。 這兩種方法形成了最初的 模型體系 。如果這種模型體 系進(jìn)行了期望的生物學(xué)反應(yīng)，無論是反應(yīng)速度還是反應(yīng)的選擇性都比 自然酶和受體差。隨模型體系的不斷發(fā)展，體系趨向于滿足 Dugas （ 1989）列出的許多基本要求： ?模型應(yīng)為底物提供一個(gè)疏水 鍵合點(diǎn)； ?模型應(yīng)為那些底物補(bǔ)充提供氫鍵或靜電鍵合點(diǎn)； ?適當(dāng)?shù)拇呋鶊F(tuán)應(yīng)與模型連接； ?模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)是剛性的，并被很好地界定； ?模型應(yīng)該是水溶性的，在生理?xiàng)l件下具有催化活性的。 Materials Chemistry II （ a）定義和結(jié)構(gòu) 酶是動(dòng)態(tài)大分子，分子量一般超過 10000Da。它們由多肽鏈也就是蛋白質(zhì)氨基酸的聚合物組成。這些多肽鏈折疊成獨(dú)特構(gòu)象，產(chǎn)生結(jié)合了表面裂縫的球狀結(jié)構(gòu)。酶催化的底物結(jié)合發(fā)生在這些裂縫中，稱為活化點(diǎn)。最初的結(jié)合是熱力學(xué)控制的平衡過程，具有高度選擇性，通常在誘導(dǎo)適配基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 結(jié)合是通過酶與底物的三維接觸發(fā)生的 ，包括疏水效應(yīng)，氫鍵，鹽橋（離子 離子）和其他形式的分子內(nèi)作用。結(jié)合底物經(jīng)歷了化學(xué)轉(zhuǎn)換，有時(shí)可以接近擴(kuò)散極限。式（ ）代表了全過程，而 E、 S和 P分別代表酶、底物和產(chǎn)物。 注意，正如催化過程所要求的，酶在反應(yīng)后又重新產(chǎn)生。 一種特定酶對(duì)于競爭底物的專一性和選擇性取決于每種底物的反應(yīng)速率常數(shù) k1和 k1以及 kcat。通常以總的特定常數(shù) kcat/k11來表示。因此，最專一的酶可以迅速地進(jìn)行催化，而不需要特別強(qiáng)的結(jié)合。 Materials Chemistry II 酶的結(jié)構(gòu)可以劃分成一級(jí)，二級(jí)和三級(jí)特征 。 一級(jí)結(jié)構(gòu)是多肽鏈上氨基酸殘基的順序，它是由合成酶的方式?jīng)Q定的； 二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)與不連續(xù)單元或片段（例如， α螺旋和 β層，見圖 ）鏈的排列順序有關(guān)，而三級(jí)結(jié)構(gòu)則是二級(jí)結(jié)構(gòu)的特征單元排列產(chǎn)生完全的球狀蛋白質(zhì)的方式。它是通過氫鍵、堆積作用和疏水作用形成的，通常涉及到酶的深處埋藏的水分子的參與，在那里，水分子填充小的空穴，起到了連接二級(jí)特征單元的“ 黏合劑 ” 的作用。正是酶的三級(jí)結(jié)構(gòu)決定了結(jié)合點(diǎn)的有序性；而且，它還是酶結(jié)構(gòu)中最為靈活的部分，允許結(jié)合點(diǎn)因客體的結(jié)合而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。然而，酶的三級(jí)結(jié)構(gòu)明確，酶的結(jié)構(gòu)是高度有序的，足以結(jié)晶。在一級(jí)氨基酸序列中三級(jí)結(jié)構(gòu)的編碼方式是一個(gè)復(fù)雜的，至今仍未解決的謎團(tuán)。導(dǎo)致整體球形的疏水效應(yīng)非常重要，正如決定大多數(shù)有序性的靜電效應(yīng)一樣。確切地說，取向性的氫鍵決定了哪一小部分的球狀構(gòu)象更傾向于生成。 酶的結(jié)構(gòu) Materials Chemistry II 酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的特征 Materials Chemistry II 酶催化機(jī)制 酶催化的反應(yīng)能夠取得如此大的催化速率的關(guān)鍵在于酶是它催化的反應(yīng)的過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)互補(bǔ)分子。 這種簡單卻深刻的論斷涉及到化學(xué)反應(yīng)中的整體過渡理論，圖 不同類型的反應(yīng)配位剖面圖例證了這一點(diǎn)。 酶催化的作用是降低活化的酶底物絡(luò)合物 [ES]2+的能量 ，從而降低活化自由能。 ΔG2+cat（與未催化反應(yīng)活化底物的能量相比， [S]2+）。 因此，酶與活化的底物必須比對(duì)其基態(tài)物種更加互補(bǔ)。實(shí)際上，涉及底物結(jié)合的非共價(jià)鍵作用足以扭曲底物，使其可以沿著反應(yīng)絡(luò)合物從左向右繼續(xù)一段距離。也就是說，它變的更像是過渡態(tài)，因此降低了形成 [ES]2+所需的活化能。 圖 催化（ … ）和未催化（ —）的化學(xué)反應(yīng)勢能圖 Materials Chemistry II 不僅是過渡態(tài)的穩(wěn)定化導(dǎo)致了酶的加速反應(yīng)。一般來說，在非酶化學(xué)中，由于統(tǒng)計(jì)學(xué)效應(yīng)，分子內(nèi)反應(yīng)比它們對(duì)應(yīng)的雙分子反應(yīng)要快的多 ；例如，琥珀酸苯酯的分子內(nèi)反應(yīng)比乙酸與乙酸苯酯（濃度均為 1L/mol）的雙分子反應(yīng)快 105倍（圖 ）。 k1/k2的比例定義為有效摩爾數(shù)。即使它定義上代表要與分子內(nèi)反應(yīng)獲取同樣的速度多需要的濃度，它的值為 105mol/L時(shí)很顯然也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的濃度（純的乙酸大約是17mol/L）。與雙分子反應(yīng)相比，單分子過程僅僅導(dǎo)致了內(nèi)部旋轉(zhuǎn)熵的降低，所以在熵方面有利了 54~59kJ/mol。對(duì)于酶，如果底物和酶的結(jié)合作用足夠強(qiáng)，那么 ES復(fù)合物就如同一個(gè)分子起作用，因此可以觀察到分子內(nèi)的催化速度達(dá)到 109。實(shí)際上，使兩個(gè)反應(yīng)物分子聚在一起引起的熵變，是由底物結(jié)合而不是由反應(yīng)來償付的。 圖 分子內(nèi)反應(yīng)（ a）比雙分子等價(jià)反應(yīng)（ b）要快的多 （ b）酶催化機(jī)制 Materials Chemistry II 酶催化機(jī)制 酶速率催化的最后一個(gè)關(guān)鍵因素是 ， 結(jié)合底物的解溶劑化需要再次償還絡(luò)合的能量。酶的功能化基團(tuán)和表面的作用有效地置換了原來圍繞在底物周圍的水分子。和酶相連的活性基團(tuán)是這些溶劑化部位之一，因此，反應(yīng)物被帶入又一個(gè)最初的溶劑球，形成高親和力的接觸對(duì)，保持足夠長的時(shí)間使得反應(yīng)可以發(fā)生。這通常稱為時(shí)空理論。 酶已經(jīng)進(jìn)化到以高度選擇性的方式執(zhí)行這些特定的任務(wù)。與它們特別的任務(wù)相比，盡管酶具有相同的氨基酸構(gòu)筑單元，但每類酶都有別與其他類。 酶的共同特點(diǎn) 是它們都是非常大的復(fù)雜的分子。這一因素使得幾乎沒有可能利用模型體系來完全理解酶的作用，因?yàn)樾》肿拥哪Ｐ筒荒芎唵蔚亟咏嬲锓N的復(fù)雜性。很有可能酶的大小僅僅是通過折疊肽的相互作用獲得所需結(jié)合點(diǎn)的缺陷的立體構(gòu)型和方位需要最小的尺寸。 與此同時(shí)，結(jié)合點(diǎn)需具有一些可控的明確的靈活性，以適應(yīng)底物在經(jīng)歷化學(xué)轉(zhuǎn)變中的運(yùn)動(dòng)，這就是它使用延展性的蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)來構(gòu)建的原因之一。也許在酶的表面遠(yuǎn)離結(jié)合點(diǎn)的大量官能團(tuán)也很重要，這些官能團(tuán)可以用來捕獲潛在的底物，提高它們向活化點(diǎn)擴(kuò)散的速度。 Materia