现代酶工程 抗体酶或催化抗体.pptx

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1、 抗体酶抗体酶：2020世纪世纪8080年代以来出年代以来出现的一种具有催化活性的蛋白质，现的一种具有催化活性的蛋白质，是利用生物学和化学的成果在分子是利用生物学和化学的成果在分子水平上交叉渗透研究的产物；水平上交叉渗透研究的产物；其本其本质质上是免疫球蛋白，只是在其易变上是免疫球蛋白，只是在其易变区被赋予了酶的属性，因此抗体酶区被赋予了酶的属性，因此抗体酶又称为催化抗体（又称为催化抗体（Catalytic Catalytic Antibody)Antibody)。第1页/共86页PaulingPauling过渡态理论过渡态理论和预言和预言抗体若能与化学反应的过渡态抗体若能与化学反应的过渡态抗

2、体若能与化学反应的过渡态抗体若能与化学反应的过渡态结合，则这样的抗体必具有催结合，则这样的抗体必具有催结合，则这样的抗体必具有催结合，则这样的抗体必具有催化性能的观点化性能的观点化性能的观点化性能的观点抗体一旦能与过渡态结合，它就具有抗体一旦能与过渡态结合，它就具有抗体一旦能与过渡态结合，它就具有抗体一旦能与过渡态结合，它就具有酶在温和条件下高效、转移地催化化酶在温和条件下高效、转移地催化化酶在温和条件下高效、转移地催化化酶在温和条件下高效、转移地催化化学反应的性质，依此类推，抗体若能学反应的性质，依此类推，抗体若能学反应的性质，依此类推，抗体若能学反应的性质，依此类推，抗体若能与过渡态相似物

3、结合，则它也会与化与过渡态相似物结合，则它也会与化与过渡态相似物结合，则它也会与化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结合，这样的学反应过程中的过渡态结合，这样的学反应过程中的过渡态结合，这样的学反应过程中的过渡态结合，这样的抗体亦具有催化性能抗体亦具有催化性能抗体亦具有催化性能抗体亦具有催化性能JencksJencksJencksJencks于于于于1969196919691969年提出年提出年提出年提出意义意义意义意义第2页/共86页Pauling和Jencks的理论催化抗体难单克隆技术1986198619861986年，年，年，年，LernerLernerLernerLe

4、rner和和和和SchultzSchultzSchultzSchultz分别成功分别成功分别成功分别成功催化抗体的实现第3页/共86页Lerner(1984)Lerner(1984)提出：若以过渡态类似物为半抗提出：若以过渡态类似物为半抗原，则其诱发产生的抗体应该与该类似物具有互补原，则其诱发产生的抗体应该与该类似物具有互补构象；这种抗体与底物结合后，就能够诱导底物进构象；这种抗体与底物结合后，就能够诱导底物进入过渡态结构，从而引起催化作用。入过渡态结构，从而引起催化作用。19861986年年LernerLerner研究组在研究组在ScienceScience上发表了上发表了抗抗体酶研究的实验

5、结果，标志着抗体酶的研究进体酶研究的实验结果，标志着抗体酶的研究进入入了一个新阶段。了一个新阶段。第4页/共86页 催化抗体自1986年诞生之日起，就一直是科学界高度关注的对象，催化抗体的研究是当今科学前沿的多学科交汇点之一 研究的范围不断拓宽，研究成果层出不穷，采用的技术日益先进 突破了传统的胶束、大分子、配位化合物等模拟酶研究的框框，开创了催化剂研究和制备的崭新领域 在催化化学、反应动力学、医学、制药学等诸多领域的无可限量的应用前景第5页/共86页催化抗体的定义抗体酶抗体酶或或催化抗体催化抗体通过一系列化学与生物通过一系列化学与生物技术方法制备出的具有技术方法制备出的具有催化活性的抗体催化

6、活性的抗体该抗体除了具有相应免疫该抗体除了具有相应免疫该抗体除了具有相应免疫该抗体除了具有相应免疫学性质外，还具有类似于学性质外，还具有类似于学性质外，还具有类似于学性质外，还具有类似于酶能催化某些反应的特性酶能催化某些反应的特性酶能催化某些反应的特性酶能催化某些反应的特性第6页/共86页催化抗体与酶的共同点催化抗体与酶的共同点抗体与酶都是蛋白质分子抗体与酶都是蛋白质分子酶与底物的结合及抗体酶与底物的结合及抗体与抗原的结合都是高度与抗原的结合都是高度专一性专一性能高选择性地与能高选择性地与能高选择性地与能高选择性地与靶分子结合靶分子结合靶分子结合靶分子结合第7页/共86页催化抗体与酶的不同点催

7、化抗体与酶的不同点酶与高能态的过渡态分子酶与高能态的过渡态分子相结合相结合抗体则与抗原抗体则与抗原（基态分子）相结合（基态分子）相结合 大大降低化学反应的活化能，高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之能在温和条件下得以实现 抗体特异性地结合抗抗体特异性地结合抗原并帮助巨噬细胞摄入且原并帮助巨噬细胞摄入且摧毁抗原摧毁抗原第8页/共86页半抗原与催化性抗体半抗原与催化性抗体半抗原：半抗原：是一类小分子化合物，本身不能诱导是一类小分子化合物，本身不能诱导免疫应答，只有当共价结合到具有免疫性的蛋免疫应答，只有当共价结合到

8、具有免疫性的蛋白质后，注射动物才能诱导出与半抗原特异性白质后，注射动物才能诱导出与半抗原特异性结合的抗体。如果半抗原是酶的过度态结构类结合的抗体。如果半抗原是酶的过度态结构类似物，则有可能获得具有催化活性的抗体，也似物，则有可能获得具有催化活性的抗体，也就是抗体酶。就是抗体酶。实实 例：例：以一羧基酯和酰胺的水解为例，根据以一羧基酯和酰胺的水解为例，根据反应机理，其过渡态应该为一个四面体结构，反应机理，其过渡态应该为一个四面体结构，以具有四面体结构的高能中间类似物作为半抗以具有四面体结构的高能中间类似物作为半抗原，均能获得预期的抗体酶；该抗体酶与过渡原，均能获得预期的抗体酶；该抗体酶与过渡态类

9、似物具有完全互补的立体结构。态类似物具有完全互补的立体结构。第9页/共86页半抗原设计中应考虑的问题：半抗原设计中应考虑的问题：产生的抗体是否具有预期的催化活性；产生的抗体是否具有预期的催化活性；能否刺激机体产生免疫应答。能否刺激机体产生免疫应答。半抗原结构与催化抗体之间的关系：半抗原结构与催化抗体之间的关系：半抗原结构中应含有芳香结构：含芳香结构的半抗原结构中应含有芳香结构：含芳香结构的半抗原具有较强的免疫原性；半抗原具有较强的免疫原性；催化抗体与半抗原的亲和力：一般认为结合常催化抗体与半抗原的亲和力：一般认为结合常数数Ki应小于应小于10-6mol/L，容易获得高效催化抗体；，容易获得高效

10、催化抗体；诱导羧酸酯、酰胺水解的催化抗体，可以利用诱导羧酸酯、酰胺水解的催化抗体，可以利用具有四面体结构的过渡态类似物作为半抗原；具有四面体结构的过渡态类似物作为半抗原；半抗原的设计应考虑催化反应的环境与反应机半抗原的设计应考虑催化反应的环境与反应机制。制。第10页/共86页 自从抗体酶制备成功以来，迄今自从抗体酶制备成功以来，迄今已成功地开发出天然酶所催化的六种酶已成功地开发出天然酶所催化的六种酶促反应和数十种类型的常规反应的抗体促反应和数十种类型的常规反应的抗体酶。酶。包括酯、羧酸和酰胺键的水解反应、包括酯、羧酸和酰胺键的水解反应、酰胺形成、光诱导裂解和聚合、酯交换、酰胺形成、光诱导裂解和

11、聚合、酯交换、内酯化、内酯化、Claisen重排反应、金属螯合、重排反应、金属螯合、环氧化反应、氧化还原反应、化学上不环氧化反应、氧化还原反应、化学上不利的环化反应、肽键形成反应、脱羧反利的环化反应、肽键形成反应、脱羧反应、过氧化反应、周环反应等。应、过氧化反应、周环反应等。第11页/共86页 抗体酶催化的反应专一性相当抗体酶催化的反应专一性相当于或超过酶反应的专一性，催化速于或超过酶反应的专一性，催化速度有的可达到酶催化的水平。度有的可达到酶催化的水平。但一般来说，抗体酶催化反应的速但一般来说，抗体酶催化反应的速度比非催化反应快度比非催化反应快102106倍，仍比天倍，仍比天然酶催化反应速度

12、慢然酶催化反应速度慢102104倍。因此，倍。因此，开发制备高活力抗体酶的方法仍是世界开发制备高活力抗体酶的方法仍是世界各国科学家的奋斗目标。各国科学家的奋斗目标。第12页/共86页 抗体酶的发现不仅提供了研究生物催化过程的新途抗体酶的发现不仅提供了研究生物催化过程的新途径，而且能为生物学、化学和医学提供具有高度特异性的径，而且能为生物学、化学和医学提供具有高度特异性的人工生物催化剂，并可以根据需要使人们获得具有某些不人工生物催化剂，并可以根据需要使人们获得具有某些不能被酶催化或较难催化的化学反应催化剂。能被酶催化或较难催化的化学反应催化剂。第13页/共86页 抗体酶的出现，意味着有可能出现简

13、单有效的方法，抗体酶的出现，意味着有可能出现简单有效的方法，从而人们可凭主观愿望来设计蛋白质。从而人们可凭主观愿望来设计蛋白质。这一发现是利用生物学与化学成果这一发现是利用生物学与化学成果在分子水平上交叉渗透研究的产物。由在分子水平上交叉渗透研究的产物。由于抗体酶对于多学科展示了较高的理论于抗体酶对于多学科展示了较高的理论和实用价值，已引起科学界广泛的关注。和实用价值，已引起科学界广泛的关注。第14页/共86页抗体抗体抗体抗体是由是由B B细胞受抗原刺细胞受抗原刺激后所分泌的蛋白质激后所分泌的蛋白质抗体分子：抗体分子：由四由四条肽链所组成，条肽链所组成，两条重链（两条重链（H H链）链）两条轻

14、链（两条轻链（L L链）链）结结结结 合合合合 区：区：区：区：抗体分抗体分抗体分抗体分子上有两个抗原结子上有两个抗原结子上有两个抗原结子上有两个抗原结合区合区合区合区可变区（可变区（可变区（可变区（V V V V区）区）区）区）稳定区（稳定区（稳定区（稳定区（C C C C区）区）区）区）第15页/共86页抗体的结构第16页/共86页单克隆抗体单克隆抗体单克隆抗体单克隆抗体(monoclonal antibody(monoclonal antibody，简称，简称McAb)McAb)将能够产生抗体的将能够产生抗体的B B淋巴细胞和具有无限增殖力淋巴细胞和具有无限增殖力的骨髓瘤细胞融合在一起，

15、形成杂交瘤细胞。的骨髓瘤细胞融合在一起，形成杂交瘤细胞。杂交瘤细胞既能在体外快速生长，又能持续分杂交瘤细胞既能在体外快速生长，又能持续分泌成分单一的特异性抗体。这种单一类型的只泌成分单一的特异性抗体。这种单一类型的只针对某一特定抗原决定簇的抗体分子，就是单针对某一特定抗原决定簇的抗体分子，就是单克隆抗体克隆抗体第17页/共86页单克隆抗体的制备过程单克隆抗体的制备过程细胞融合：淋巴细胞杂交瘤的制备细胞融合：淋巴细胞杂交瘤的制备动物免疫与亲本细胞的选择动物免疫与亲本细胞的选择杂交瘤细胞的筛选：有限稀释法等杂交瘤细胞的筛选：有限稀释法等单克隆抗体的纯化单克隆抗体的纯化第18页/共86页催化抗体的例

16、子第19页/共86页Haynes等在等在3.0水平上测定了水平上测定了具有分支酸变位酶活力的抗体酶具有分支酸变位酶活力的抗体酶1F7与其过渡态类似物的复合物的三维与其过渡态类似物的复合物的三维结构。结构。晶体结构数据表明，过渡态类晶体结构数据表明，过渡态类似物是结合在可变区似物是结合在可变区6个个CDR(Complem-entarity determinative region,互补决定域互补决定域)的顶端，主要是和重链的顶端，主要是和重链结合，有结合，有7个残基与其结合，而轻链个残基与其结合，而轻链只有只有1个残基与之结合。个残基与之结合。这同其他的这同其他的抗体是一致的。抗体是一致的。第2

17、0页/共86页抗体与半抗原的识别包括了疏抗体与半抗原的识别包括了疏水、静电和氢键等的相互作用。半水、静电和氢键等的相互作用。半抗原在抗体结合部位中的取向是由抗原在抗体结合部位中的取向是由它的它的2个羧基的特异相互作用决定的。个羧基的特异相互作用决定的。C10羧基与羧基与Tyr-L94的酚基形成氢键的酚基形成氢键而固定；而而固定；而C11羧基则是半抗原被羧基则是半抗原被包埋得较多的部分。它可能与水分包埋得较多的部分。它可能与水分子形成氢键，这个水分子再同子形成氢键，这个水分子再同ASP-H97主链羧基氧形成氢键。主链羧基氧形成氢键。第21页/共86页过渡态类似物同过渡态类似物同1F7(A)1F7

18、(A)和分支酸变位酶和分支酸变位酶(B)(B)之间的有关侧链的相互作用示意图之间的有关侧链的相互作用示意图 第22页/共86页 Arg-95H侧链处于侧链处于C-11羧基的羧基的上面，这个位置也使它靠近过渡态上面，这个位置也使它靠近过渡态类似物的醚氧基，以提供静电互补，类似物的醚氧基，以提供静电互补，同时该残基还部分地保护了配体同同时该残基还部分地保护了配体同溶剂的接触。因为已有分枝酸变位溶剂的接触。因为已有分枝酸变位酶与上述同一过渡态类似物的复合酶与上述同一过渡态类似物的复合物的物的2.2 晶体结构，因而有可能对晶体结构，因而有可能对酶复合物与抗体酶复合物进行结构酶复合物与抗体酶复合物进行结

19、构比较。比较。第23页/共86页 结果表明，二者的催化机理完结果表明，二者的催化机理完全类似，但抗体酶的活性部位是在全类似，但抗体酶的活性部位是在相邻两个亚基的界面上，从而与所相邻两个亚基的界面上，从而与所结合的过渡态类似物形成了广泛的结合的过渡态类似物形成了广泛的疏水键、离子键和极性键。疏水键、离子键和极性键。第24页/共86页 过渡态类似物与酶结合的解离过渡态类似物与酶结合的解离常数常数Ki为为3mol，比，比1F7(Ki=0.6mol)大约高大约高5倍，说明倍，说明酶与过渡态类似物之间的匹配更为酶与过渡态类似物之间的匹配更为精确，其间有更多的静电相互作用，精确，其间有更多的静电相互作用，

20、包括包括2个精氨酸的正电荷和一个谷氨个精氨酸的正电荷和一个谷氨酸的负电荷，这可能就是抗体酶活酸的负电荷，这可能就是抗体酶活力比相应天然酶活力低力比相应天然酶活力低104倍的原因。倍的原因。第25页/共86页Zhou等由等由N-酰基氨基酸苯酯的酰基氨基酸苯酯的过渡态类似物诱导产生抗体过渡态类似物诱导产生抗体17E8，能催化甲酰甲硫氨酸（或正亮氨酸）能催化甲酰甲硫氨酸（或正亮氨酸）苯酯苯酯水解生成甲酰甲硫氨酸或甲酰正亮水解生成甲酰甲硫氨酸或甲酰正亮氨酸氨酸第26页/共86页 抗体酶抗体酶17E8催化氨基酸酯的反应催化氨基酸酯的反应第27页/共86页 他们在他们在2.5 水平上测定了水平上测定了17

21、E8与其半抗原的三维空间结构。与其半抗原的三维空间结构。17E8 Fab的总结构与其它抗体很类的总结构与其它抗体很类似。半抗原似。半抗原4结合在轻链和重链结合在轻链和重链CDR3之间的裂缝中，其羧基位于之间的裂缝中，其羧基位于裂缝入口处，并被裂缝入口处，并被5个个Tyr所包围。所包围。半抗原和抗体之间有半抗原和抗体之间有14个氨基酸发个氨基酸发生相互作用，包含生相互作用，包含6个氢键和范德华个氢键和范德华键。键。第28页/共86页 结构和动力学数据都说明抗体结构和动力学数据都说明抗体酶的水解机理与丝氨酸蛋白酶极为酶的水解机理与丝氨酸蛋白酶极为相似。抗体酶结合部位含有一个相似。抗体酶结合部位含有

22、一个Ser-HisSer-His二体结构，靠近结合抗原的二体结构，靠近结合抗原的磷原子，这与丝氨酸蛋白水解酶的磷原子，这与丝氨酸蛋白水解酶的电荷中继系统电荷中继系统Ser-His-ASPSer-His-ASP成分中成分中的二个相似。的二个相似。第29页/共86页 抗体结合部位中还含有抗体结合部位中还含有Lys残残基，用于稳定负氧离子形成和识别基，用于稳定负氧离子形成和识别底物的疏水口袋。底物的疏水口袋。催化抗体催化抗体-半抗原复合物的高分半抗原复合物的高分辨结构证明，抗体能够把经过天然辨结构证明，抗体能够把经过天然酶进化而出现的活性部位结构会聚酶进化而出现的活性部位结构会聚到一起。到一起。第3

23、0页/共86页 Schultz小组制备了水解甲基对小组制备了水解甲基对硝基苯基碳酸酯的抗体硝基苯基碳酸酯的抗体48G7与其半与其半抗原抗原p-硝基苯基硝基苯基-4-羧丁基磷酸酯的羧丁基磷酸酯的复合物的晶体，并对其进行了复合物的晶体，并对其进行了X-射射线衍射分析，发现抗体结合部位的线衍射分析，发现抗体结合部位的共有模块含有碱性残基，它能与磷共有模块含有碱性残基，它能与磷酸氧发生静电相互作用产生所谓氧酸氧发生静电相互作用产生所谓氧阴离子洞阴离子洞(Oxyanion hole)。第31页/共86页 稳定半抗原是通过下列因素实稳定半抗原是通过下列因素实现的：带正电的现的：带正电的Arg-L96与带负

24、电与带负电的磷氧基靠近，形成静电吸引；由的磷氧基靠近，形成静电吸引；由His-H35，Tyr-H33和和Tyr-L94与磷与磷氧基的氧形成的氢键。氧基的氧形成的氢键。第32页/共86页抗体酶抗体酶48G7(右侧右侧)与它的与它的磷酸酯半抗原磷酸酯半抗原(左侧左侧)相互作用示意图相互作用示意图第33页/共86页 Charbonnier等对未配位的催化等对未配位的催化Fab(结合抗原的抗体片断结合抗原的抗体片断)D2.3，它与，它与底物类似物的复合物以及它与磷酸酯半底物类似物的复合物以及它与磷酸酯半抗原的复合物的抗原的复合物的X-射线晶体结构进行了射线晶体结构进行了比较，结果完全阐明了催化机理，发

25、现比较，结果完全阐明了催化机理，发现漏斗形的沟槽使水很容易扩散至深埋抗漏斗形的沟槽使水很容易扩散至深埋抗体中的反应中心。体中的反应中心。反应中心在碱性反应中心在碱性pH下通过优先稳定带负电的氧阴离子中间下通过优先稳定带负电的氧阴离子中间体而起作用，中间体是由羟基化物进攻体而起作用，中间体是由羟基化物进攻p-硝基苯基酯底物产生的。硝基苯基酯底物产生的。第34页/共86页 Lerner小组用定点突变技术将金属离小组用定点突变技术将金属离子引入抗荧光素抗体的结合部位。半抗原子引入抗荧光素抗体的结合部位。半抗原-抗抗体的晶体结构显示，轻链互补决定区中的体的晶体结构显示，轻链互补决定区中的3个残基在相对

26、几何学上类似于碳酸酐酶中锌个残基在相对几何学上类似于碳酸酐酶中锌结合部位上的结合部位上的3个组氨酸残基，因此，用组个组氨酸残基，因此，用组氨酸取代抗体残基氨酸取代抗体残基Arg34L、Ser89L和和Ser91L。为避免对金属结合部位的可能的空。为避免对金属结合部位的可能的空间障碍，用亮氨酸取代间障碍，用亮氨酸取代Tyr36L。经过这样改。经过这样改造后的抗体不仅仍能结合荧光素，而且还能造后的抗体不仅仍能结合荧光素，而且还能结合结合Cu(ll)、Zn(ll)和和Cd(ll)。这种将金属结。这种将金属结合部位引入抗体的能力十分重要，因为金属合部位引入抗体的能力十分重要，因为金属离子可催化各种类型

27、的反应。离子可催化各种类型的反应。第35页/共86页 定点突变法作为蛋白质工程的定点突变法作为蛋白质工程的基本手段之一可精确改变蛋白质肽基本手段之一可精确改变蛋白质肽链上的任一氨基酸残基，因此，可链上的任一氨基酸残基，因此，可用来阐明某一氨基酸残基在抗体结用来阐明某一氨基酸残基在抗体结合和催化中的作用。合和催化中的作用。第36页/共86页 从鼠骨髓瘤细胞产生的一系列从鼠骨髓瘤细胞产生的一系列能和磷酸胆碱结合的抗体已被广泛能和磷酸胆碱结合的抗体已被广泛研究过，有的还做过研究过，有的还做过X-射线衍射结射线衍射结构分析，发现重链上的两个氨基酸构分析，发现重链上的两个氨基酸残基残基Arg-52H及及

28、Tyr-33H在所有的在所有的能结合磷酸胆碱的抗体中都存在，能结合磷酸胆碱的抗体中都存在，所以认为这两个残基对抗体的结合所以认为这两个残基对抗体的结合及催化作用起关键作用。及催化作用起关键作用。第37页/共86页 Jackson等在研究能结合磷酸等在研究能结合磷酸胆碱的抗体胆碱的抗体S107时，对时，对Tyr-33H和和Arg-52H都做了突变，分别获得都做了突变，分别获得4个个Tyr-33突变体和突变体和3个个Arg-52突变体。突变体。第38页/共86页 一般来说，一般来说，Tyr-33 的突变体催的突变体催化活力没有变化；而化活力没有变化；而Arg-52的突变的突变体由于丧失了带正电侧链

29、，催化活体由于丧失了带正电侧链，催化活力显著降低。这说明，静电相互作力显著降低。这说明，静电相互作用对用对S107的催化作用至关重要，也的催化作用至关重要，也说明将有催化作用的残基引入到抗说明将有催化作用的残基引入到抗体中，可以增加抗体酶的催化活性。体中，可以增加抗体酶的催化活性。第39页/共86页 有意思的是有意思的是Tyr-33H的突变体的突变体(Y33H)可使抗体活性提高可使抗体活性提高50倍倍(kcat=5.7min-1，Km=1.6mM)，引入的，引入的组氨酸可能起广义的酸碱催化作用。组氨酸可能起广义的酸碱催化作用。第40页/共86页用烷基磷酰胺用烷基磷酰胺(phosphonamid

30、ate)半抗原诱导产半抗原诱导产生的单抗生的单抗NPN43C9是动力学和催化是动力学和催化机制研究的最多的抗体酶之一，很机制研究的最多的抗体酶之一，很适合作为突变的模型用于研究抗体适合作为突变的模型用于研究抗体酶结构与功能的关系。酶结构与功能的关系。第41页/共86页 Roberts等为了检测等为了检测NPN43C9的催化机理，用抗体结构数据库的催化机理，用抗体结构数据库(ASD)构建了该抗体可变区的三维构建了该抗体可变区的三维模型。模型。第42页/共86页该模型显示该模型显示ArgL96的胍基处于的胍基处于抗原结合部位的底部，并与抗原的抗原结合部位的底部，并与抗原的磷酰胺基（该基团模拟四面体

31、过渡磷酰胺基（该基团模拟四面体过渡态的负电荷）形成盐桥。因此该模态的负电荷）形成盐桥。因此该模型预计型预计ArgL96与抗体的结合与催化与抗体的结合与催化功能相关。计算机模拟和实验结果功能相关。计算机模拟和实验结果都证实，催化抗体都证实，催化抗体NPN43C9的催化的催化机理是稳定催化作用中的高能过渡机理是稳定催化作用中的高能过渡态。态。第43页/共86页催化抗体制备方法催化抗体催化抗体制备方法制备方法拷贝法拷贝法单克隆技术单克隆技术天然来源分离法天然来源分离法基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程化学修饰化学修饰新的方法和技术不断出现新的方法和技术不断出现 稳定过渡态法稳定过渡态法 第44页/

32、共86页 1 稳定过渡态法稳定过渡态法第45页/共86页 1986年发表的两篇在抗体酶的年发表的两篇在抗体酶的实践上有重要突破的工作，标志着实践上有重要突破的工作，标志着抗体酶的研究进入一个崭新的阶段。抗体酶的研究进入一个崭新的阶段。起初的设计思想是以起初的设计思想是以Pauling的稳定的稳定过渡态理论为指导，即利用反应的过渡态理论为指导，即利用反应的过渡态类似物作为半抗原产生抗体过渡态类似物作为半抗原产生抗体酶的。酶的。第46页/共86页 随着抗体酶研究的深入，人们随着抗体酶研究的深入，人们利用了酶催化业已确立的催化机理：利用了酶催化业已确立的催化机理：稳定过渡态稳定过渡态;酸碱催化；酸碱

33、催化；亲电和亲核催化；亲电和亲核催化；邻近效应邻近效应 使抗体酶的制备方法不断扩展，使抗体酶的制备方法不断扩展，目前已开发出数种产生抗体酶的方目前已开发出数种产生抗体酶的方法。法。第47页/共86页 迄今，大多数抗体酶是通过理论设计合适的与反应过迄今，大多数抗体酶是通过理论设计合适的与反应过渡态类似的小分子作为半抗原，然后让动物免疫系统产生渡态类似的小分子作为半抗原，然后让动物免疫系统产生针对半抗原的抗体来获得的。针对半抗原的抗体来获得的。第48页/共86页 由于以反应的过渡态类似物为半抗原诱导的抗体在由于以反应的过渡态类似物为半抗原诱导的抗体在几何形状和电学性质上与反应过渡态互补，因而稳定了

34、过几何形状和电学性质上与反应过渡态互补，因而稳定了过渡态，从而加速反应。渡态，从而加速反应。第49页/共86页在这方面最早设计出的催化抗体是酰基转移反应，在这方面最早设计出的催化抗体是酰基转移反应，尤其象酯水解反应这样的具有较低活化能的反应。尤其象酯水解反应这样的具有较低活化能的反应。第50页/共86页 Lerner小组根据金属肽酶的研究成果，以磷酸酯中小组根据金属肽酶的研究成果，以磷酸酯中的磷酸酯为碳酸酯的过渡态类似物，合成了一个含有吡啶的磷酸酯为碳酸酯的过渡态类似物，合成了一个含有吡啶甲酸的磷酸酯化合物作为半抗原，得到一株单克隆抗体甲酸的磷酸酯化合物作为半抗原，得到一株单克隆抗体6D4，用

35、来催化不含吡啶甲酸的相应的碳酸酯的水解反应，用来催化不含吡啶甲酸的相应的碳酸酯的水解反应，使反应加速近使反应加速近1000倍。倍。第51页/共86页 Schultz小组认为对硝基苯磷酰小组认为对硝基苯磷酰胆碱是相应羧酸二酯水解反应的过胆碱是相应羧酸二酯水解反应的过渡态类似物。用此类似物作半抗原渡态类似物。用此类似物作半抗原诱导产生单克隆抗体，经过筛选，诱导产生单克隆抗体，经过筛选，找到一株找到一株MOPC167，它使该水解反，它使该水解反应速度加快应速度加快12000倍。倍。研究的结果表明，这些抗体酶具有研究的结果表明，这些抗体酶具有酶的一般特性，其催化动力学行为满足酶的一般特性，其催化动力学

36、行为满足米氏方程，并具有底物特异性及米氏方程，并具有底物特异性及pH依依赖性等酶反应的特征。赖性等酶反应的特征。第52页/共86页 Shultz小组利用与底物扭曲构象相似的扭曲卟啉作小组利用与底物扭曲构象相似的扭曲卟啉作半抗原，制备的抗体可催化卟啉金属螯合反应。半抗原，制备的抗体可催化卟啉金属螯合反应。第53页/共86页亚铁螯合酶是血红素生物合成途径中的亚铁螯合酶是血红素生物合成途径中的末端酶，可催化亚铁离子插入原卟啉的末端酶，可催化亚铁离子插入原卟啉的生物合成。生物合成。N-N-甲基原卟啉由于内部甲基甲基原卟啉由于内部甲基取代而呈扭曲结构，它是此酶的有力抑取代而呈扭曲结构，它是此酶的有力抑制

37、剂，也与酶催化的卟啉金属螯合反应制剂，也与酶催化的卟啉金属螯合反应的过渡态类似。由于甲基卟啉的抗体可的过渡态类似。由于甲基卟啉的抗体可催化平面结构原卟啉的金属螯合，这就催化平面结构原卟啉的金属螯合，这就为该反应过渡态扭曲结构的作用提供了为该反应过渡态扭曲结构的作用提供了证据。证据。此工作不仅说明抗体结合能可扭曲底物此工作不仅说明抗体结合能可扭曲底物结构，而且表明可用抗体检验催化作用机理。结构，而且表明可用抗体检验催化作用机理。第54页/共86页 Napper等人用一个环化的磷酸等人用一个环化的磷酸酯作为过渡态类似物去免疫动物，酯作为过渡态类似物去免疫动物，得到了单克隆抗体得到了单克隆抗体24B

38、11，发现该，发现该抗体可催化外消旋的羟基羧酸酯分抗体可催化外消旋的羟基羧酸酯分子内环化形成内酯反应，加速反应子内环化形成内酯反应，加速反应167倍，而且首次观察到抗体酶催化倍，而且首次观察到抗体酶催化反应的专一性。反应产物中一种对反应的专一性。反应产物中一种对映体的含量比另一种高出映体的含量比另一种高出94%。第55页/共86页Pollack等人的研究也证明，抗等人的研究也证明，抗体酶可以立体专一性地催化非活化体酶可以立体专一性地催化非活化酯的水解，产物中一种对映体的含酯的水解，产物中一种对映体的含量比另一种高量比另一种高100倍。这个结果的重倍。这个结果的重要意义在于，目前还没有一种化学要

39、意义在于，目前还没有一种化学方法可以产生立体专一性酯解催化方法可以产生立体专一性酯解催化剂。这类抗体可用于含有酸或醇功剂。这类抗体可用于含有酸或醇功能基的合成中间物的手性拆分，有能基的合成中间物的手性拆分，有重要的商业价值。重要的商业价值。第56页/共86页2、抗体与半抗原互补法、抗体与半抗原互补法第57页/共86页 抗体与其配体的相互作用是相当精确的，抗体常含有抗体与其配体的相互作用是相当精确的，抗体常含有与配体功能互补的特殊功能基。已经发现，带正电的配体与配体功能互补的特殊功能基。已经发现，带正电的配体常能诱导出结合部位带负电残基的抗体，反之亦然。常能诱导出结合部位带负电残基的抗体，反之亦

40、然。第58页/共86页 抗体与半抗原之间的电荷互补对抗体所具有的高亲抗体与半抗原之间的电荷互补对抗体所具有的高亲和力以及选择性识别能力起着关键作用。和力以及选择性识别能力起着关键作用。第59页/共86页 在开发诱导抗体酶产生的各种方法时，一个重要的在开发诱导抗体酶产生的各种方法时，一个重要的目标是发展一个通用的规则，使产生的抗体结合部位的催目标是发展一个通用的规则，使产生的抗体结合部位的催化基团和半抗原的结合直接相关。化基团和半抗原的结合直接相关。第60页/共86页 Shokat等人利用抗体与半抗原之间的电荷互补性，等人利用抗体与半抗原之间的电荷互补性，制备了针对带正电半抗原的抗体，结果在抗体

41、结合部位上制备了针对带正电半抗原的抗体，结果在抗体结合部位上产生带负电的羧基，可作为一般碱基催化产生带负电的羧基，可作为一般碱基催化-消除反应。消除反应。第61页/共86页 他们采用合成的季胺化合物他们采用合成的季胺化合物H1作半抗原，获得的作半抗原，获得的6株株抗体，其中有抗体，其中有4株具有催化活性，株具有催化活性，-氟酮底物的半抗原，氟酮底物的半抗原，含有一个带正电的烷基氨离子，其中一个抗体含有一个带正电的烷基氨离子，其中一个抗体43D4-3D3可加速反应可加速反应105倍。倍。第62页/共86页利用抗体利用抗体-半抗原互补性是产生抗半抗原互补性是产生抗体酶的一般方法，可适合各类不同的体

42、酶的一般方法，可适合各类不同的反应，如缩合、异构化和水解反应等。反应，如缩合、异构化和水解反应等。第63页/共86页 如果通过半抗原的最优化设计使带正电荷的半抗原如果通过半抗原的最优化设计使带正电荷的半抗原正确地模仿过渡态的几何结构及所有的反应键，而且半抗正确地模仿过渡态的几何结构及所有的反应键，而且半抗原和产物及底物之间都没有相似之处，那就有可能产生高原和产物及底物之间都没有相似之处，那就有可能产生高活力抗体酶，甚至达到天然酶的活力水平。活力抗体酶，甚至达到天然酶的活力水平。第64页/共86页 抗体催化的下一个目标是在抗原结合部位诱导出两抗体催化的下一个目标是在抗原结合部位诱导出两个催化基团

43、个催化基团(两个酸、一酸一碱或两个碱两个酸、一酸一碱或两个碱)，进一步增加反，进一步增加反应速度。应速度。第65页/共86页3 拷贝法拷贝法用已知的酶作为抗原对动物进行第一次免疫用已知的酶作为抗原对动物进行第一次免疫,获得抗获得抗酶抗体酶抗体;再用抗酶抗体作为抗原进行第二次免疫获再用抗酶抗体作为抗原进行第二次免疫获得抗抗体得抗抗体,抗抗体实际上就是具有原来酶活性的抗抗抗体实际上就是具有原来酶活性的抗体酶。体酶。酶第一次免疫抗酶抗体第二次免疫抗体酶拷贝法制备抗体酶拷贝法制备抗体酶第66页/共86页4 诱导法诱导法：用设计好的抗原按照一定的用设计好的抗原按照一定的单克隆程序，获得具有催化活性的抗单

44、克隆程序，获得具有催化活性的抗体。体。a aa a过渡态类似物过渡态类似物载体蛋白载体蛋白抗体酶抗体酶诱导法制备抗体酶诱导法制备抗体酶第67页/共86页催化抗体的单克隆技术制备法（诱导法）第68页/共86页5 引入法引入法：是借助于基因工程和蛋是借助于基因工程和蛋白质工程技术，将催化基团引入到白质工程技术，将催化基团引入到已有底物结合能力的抗体上的抗原已有底物结合能力的抗体上的抗原结合部位，如用寡核苷酸定点诱变结合部位，如用寡核苷酸定点诱变技术，将特定的氨基酸残基引入到技术，将特定的氨基酸残基引入到抗体的抗原结合位点，使其具有催抗体的抗原结合位点，使其具有催化能力；也可以采用选择性化学修化能力

45、；也可以采用选择性化学修饰法，将人工合成的或天然存在的饰法，将人工合成的或天然存在的催化基团引入到抗体的抗原结合部催化基团引入到抗体的抗原结合部位，使其具有催化活性。位，使其具有催化活性。第69页/共86页 6 催化抗体的化学修饰制备法 第70页/共86页时至今日，已有数百种催化抗体问世第71页/共86页四、抗体酶的应用四、抗体酶的应用第72页/共86页 对于任何分子，几乎都可通过免疫系统产生相应的对于任何分子，几乎都可通过免疫系统产生相应的抗体，而且专一性很强。抗体的这种多样性标志着抗体酶抗体，而且专一性很强。抗体的这种多样性标志着抗体酶的应用潜力是巨大的。的应用潜力是巨大的。第73页/共8

46、6页 抗体酶制备技术的开发预示着可以人为生产适应各种抗体酶制备技术的开发预示着可以人为生产适应各种用途的，特别是自然界不存在的高效生物催化剂，展现出用途的，特别是自然界不存在的高效生物催化剂，展现出在生物学、医学、化学和生物工程上会有广泛的和令人鼓在生物学、医学、化学和生物工程上会有广泛的和令人鼓舞的应用前景。舞的应用前景。第74页/共86页1、抗体酶在有机合成中的应用、抗体酶在有机合成中的应用 第75页/共86页 各类精细化工产品和合成材料的工业生产需要具有各类精细化工产品和合成材料的工业生产需要具有精确底物专一性和立体专一性的催化剂，而这正是催化抗精确底物专一性和立体专一性的催化剂，而这正

47、是催化抗体的突出特点。特别是那些天然酶不能催化的反应，可通体的突出特点。特别是那些天然酶不能催化的反应，可通过设计定作抗体酶来弥补天然酶的不足。过设计定作抗体酶来弥补天然酶的不足。第76页/共86页应用：应用：抗体酶能催化立体专一性的反应；抗体酶能催化立体专一性的反应；能区分动力学上的外消旋混合物；能区分动力学上的外消旋混合物；能催化内消旋底物合成相同手性能催化内消旋底物合成相同手性(homochiral)的产物。的产物。第77页/共86页 近年来，抗体催化的不同类型的反应越来越多。已经近年来，抗体催化的不同类型的反应越来越多。已经证明，抗体酶可以反相胶团和固定化的形式在有机溶剂中证明，抗体酶

48、可以反相胶团和固定化的形式在有机溶剂中起作用，这为抗体酶的商业应用开辟了前景。完全有理由起作用，这为抗体酶的商业应用开辟了前景。完全有理由相信，抗体酶会在有机合成中发挥越来越大的作用。具有相信，抗体酶会在有机合成中发挥越来越大的作用。具有酯解活力的抗体酶已经用于生物传感器的制造上。酯解活力的抗体酶已经用于生物传感器的制造上。第78页/共86页 2.用于阐明化学反应机制用于阐明化学反应机制第79页/共86页 N-甲基原卟啉由于内部甲基取代而呈扭曲结构，但由甲基原卟啉由于内部甲基取代而呈扭曲结构，但由它作为半抗原诱导产生的抗体可催化原卟啉的金属螯合反它作为半抗原诱导产生的抗体可催化原卟啉的金属螯合

49、反应，这就证明了亚铁螯合酶催化亚铁离子插入原卟啉的反应，这就证明了亚铁螯合酶催化亚铁离子插入原卟啉的反应过渡态是一个原卟啉的扭曲结构，平面结构的原卟啉经应过渡态是一个原卟啉的扭曲结构，平面结构的原卟啉经扭曲后，才能螯合金属离子。扭曲后，才能螯合金属离子。第80页/共86页3 抗体酶在医疗上的应用抗体酶在医疗上的应用第81页/共86页 抗体酶既能标记抗原靶目标，抗体酶既能标记抗原靶目标，又能执行一定的催化功能。这两种又能执行一定的催化功能。这两种性质的结合使抗体酶在体内的应用性质的结合使抗体酶在体内的应用实际上是没有限制的。例如，可以实际上是没有限制的。例如，可以设计抗体酶杀死特殊的病原体，也设

50、计抗体酶杀死特殊的病原体，也可用抗体酶活化处于靶部位的药物可用抗体酶活化处于靶部位的药物前体，以降低药物毒性，增加其在前体，以降低药物毒性，增加其在体内的稳定性。体内的稳定性。第82页/共86页 Landry等用人工抗体酶的被动免疫能提供阻断可卡等用人工抗体酶的被动免疫能提供阻断可卡因上瘾因上瘾 的治疗，从而达到戒毒的目的。的治疗，从而达到戒毒的目的。第83页/共86页 如果将抗体酶与肿瘤专一性抗体偶联成双特异性抗如果将抗体酶与肿瘤专一性抗体偶联成双特异性抗体，则有希望开发成为特异性抗癌药物。这种双特异性抗体，则有希望开发成为特异性抗癌药物。这种双特异性抗体可以避免癌症化学疗法中化疗药物缺乏专