【正文】 5mol/L時很顯然也要遠遠大于實際的濃度（純的乙酸大約是17mol/L）。一般來說，在非酶化學(xué)中，由于統(tǒng)計學(xué)效應(yīng)，分子內(nèi)反應(yīng)比它們對應(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 ）。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。 因此，酶與活化的底物必須比對其基態(tài)物種更加互補。 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。 酶的結(jié)構(gòu) Materials Chemistry II 酶二級結(jié)構(gòu)的特征 Materials Chemistry II 酶催化機制 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)互補分子。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。然而，酶的三級結(jié)構(gòu)明確，酶的結(jié)構(gòu)是高度有序的，足以結(jié)晶。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，起到了連接二級特征單元的“ 黏合劑 ” 的作用。 Materials Chemistry II 酶的結(jié)構(gòu)可以劃分成一級，二級和三級特征 。通常以總的特定常數(shù) kcat/k11來表示。 注意，正如催化過程所要求的，酶在反應(yīng)后又重新產(chǎn)生。結(jié)合底物經(jīng)歷了化學(xué)轉(zhuǎn)換，有時可以接近擴散極限。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)上進行的。這些多肽鏈折疊成獨特構(gòu)象，產(chǎn)生結(jié)合了表面裂縫的球狀結(jié)構(gòu)。 Materials Chemistry II （ a）定義和結(jié)構(gòu) 酶是動態(tài)大分子，分子量一般超過 10000Da。如果這種模型體 系進行了期望的生物學(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。 Materials Chemistry II 生物模擬采取的策略 ① 體系體現(xiàn)底物或簡單對照物的有效鍵合特征，或展現(xiàn)生物反應(yīng)過度態(tài) 的對照，這被稱為 結(jié)構(gòu)模型 ； ② 在沒有酶鍵合特征的情況下進行反應(yīng)（通常指分子間的）體系，這被 稱為 功能模型 。 配體 是與大分子物質(zhì)結(jié)合的原子、離子或分子。 Materials Chemistry II 底物： 酶所作用和催化的化合物 。 受體的兩個基本功能： （ 1） 識別特異的信號物質(zhì) 配體 ， 識別的表現(xiàn)在于兩者結(jié)合； （ 2） 把識別和接受的信號準確無誤的放大并傳遞到細胞內(nèi)部 ， 啟動一系列胞內(nèi) 生化反應(yīng) ， 最后導(dǎo)致特定的細胞反應(yīng) 。 Materials Chemistry II 受體和底物： 受體： 細胞膜上或細胞內(nèi)能特異識別生物活性分子并與之結(jié)合 ， 進而引起生物學(xué)效應(yīng)的特殊蛋白質(zhì) 。在試圖模擬生物分子的過程中，期望會產(chǎn)生一個能同時模仿自然過程所有結(jié)構(gòu)的，結(jié)合的以及催化的特點的生物體系是不合理的。 令人可喜的是，仿生體液顯示了一些生物酶沒有的性質(zhì)。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)出對底物具有高度的結(jié)構(gòu)和手性識別； ③每個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。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。自然界耗費了數(shù)百萬年來進化高度復(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? 。 受體在細胞生物學(xué)中是一個很泛的概念 ， 意指任何能夠同 激素 、 神經(jīng)遞質(zhì) 、藥物或細胞內(nèi)的 信號分子 結(jié)合它能把識別和接受的 信號 正確無誤地放大并傳遞到細胞內(nèi)部 ， 進而引起 生物學(xué) 效應(yīng) 。 使得胞間信號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號 。 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 。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。 這兩種方法形成了最初的 模型體系 。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)為底物提供一個疏水 鍵合點； ?模型應(yīng)為那些底物補充提供氫鍵或靜電鍵合點； ?適當(dāng)?shù)拇呋鶊F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，在生理條件下具有催化活性的。它們由多肽鏈也就是蛋白質(zhì)氨基酸的聚合物組成。酶催化的底物結(jié)合發(fā)生在這些裂縫中，稱為活化點。 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。式（ ）代表了全過程，而 E、 S和 P分別代表酶、底物和產(chǎn)物。 一種特定酶對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。因此，最專一的酶可以迅速地進行催化，而不需要特別強的結(jié)合。 一級結(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； 二級和三級結(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)，而三級結(jié)構(gòu)則是二級結(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。正是酶的三級結(jié)構(gòu)決定了結(jié)合點的有序性；而且，它還是酶結(jié)構(gòu)中最為靈活的部分，允許結(jié)合點因客體的結(jié)合而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在一級氨基酸序列中三級結(jié)構(gòu)的編碼方式是一個復(fù)雜的，至今仍未解決的謎團。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。 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。 ΔG2+cat（與未催化反應(yīng)活化底物的能量相比， [S]2+）。實際上，涉及底物結(jié)合的非共價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。 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)。 k1/k2的比例定義為有效摩爾數(shù)。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。實際上，使兩個反應(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。酶的功能化基團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。這通常稱為時空理論。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。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，因為小分子的模型不能簡單地接近真正物種的復(fù)雜性。 與此同時，結(jié)合點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)變中的運動，這就是它使用延展性的蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)來構(gòu)建的原因之一。 Materials Chemistry II 環(huán)糊精 是 環(huán)狀寡糖 ，通常含有 6~8個 D吡喃葡萄糖苷結(jié)構(gòu)單元，由 1,4糖苷鍵連接形成的。它們分別含有 8個吡喃葡萄糖苷結(jié)構(gòu)單元。 Materials Chemistry II 環(huán)糊精 的形狀通?？梢悦枋鰹椋褐饾u變細的花托或者截去尖端的漏斗。 主面是花托的窄面，由伯羥基組成，較寬的次面由仲羥基組成，包含 CH2OH基團 。就是這個空穴，因親水醇羥基官能團帶來的水溶性這一特性，從而使得環(huán)糊精在水中具有獨特的絡(luò)合性能。此種化學(xué)的目標有助于理解天然酶，工業(yè)催化的發(fā)展以及生化反應(yīng)的人為性規(guī)則。其顯著特點如下： ? 在生理 PH下具有水溶性 —水是大多數(shù)酶作用的介質(zhì)； ? 可逆地非共價鍵結(jié)合體，客體釋放要比結(jié)合過程慢，像酶一樣； ? 明確的結(jié)構(gòu)和客體結(jié)合模式； ? 大范圍可得的衍生物； ? 羥基基團并置，這樣在催化中可以起活化作用以及對于客體結(jié)合具有疏水空腔； ? 手性