第五章 相互作用与分子识别.PPT

第四节 超分子化学与分子识别 超分子化学是研究分子间通过非共价键作用形成的功能体系的科学。 由于超分子体系与生物化学过程有着密切的关系，超分子体系中的成员一般也被称为受体和作用物（或配体）。 通常作用物是指较小的组分，如阴离子、阳离子及中性小分子。 经过精心设计的超分子体系具有分子识别、能量转换、选择性催化及物质运输等功能，其中分子识别是超分子功能的基础。 本节简单介绍模拟酶、合成受体以及分子印迹体系的分子识别作用。 为了再现生物体反应，科学家们进行了模拟酶的研究，就是从酶中特选出起主导作用的因素来设计合成能表现出生物功能的，比天然酶简单的非蛋白质分子，并以此为模型来模拟酶对底物的结合及催化过程，从而发展新的非生物催化剂--人工酶。这是近年来发展起来的仿生化学的重要方向。 模拟酶是人工合成的一类具有酶的某些属性的有机化合物。虽然它的分子比较小，结构比较简单，但是含有酶所具有的主要活性基团以及与酶的活性中心相似的空间结构，能够模拟酶的某些关键性功能。 模拟酶的分子设计及所合成的酶模型的性能，在很大程度上反映了对某种酶的结构与反应机制的认识。 应用模拟酶的催化作用行为，可以比较直观地研究与酶的催化作用相关的各种因素，如活性基团的组成及其作用，反应中心的空间结构特点，催化过程中与底物过渡态结构的结合性状，以及酶催化反应的动力学性质等。 一、环糊精模拟酶 环糊精(Cyclodextrin，CD)分子由D-吡喃型葡萄糖基通过α-(1→4)糖苷键组成，通常含有6、7、8个糖单元，分别称之为?-、?-、?-环糊精，其空腔内侧有两圈氢原子及一圈糖，在糖的氧原子处C-H键的屏蔽之下，具有疏水性；而外侧边框由于羟基聚集呈亲水性。 位于CD窄口端指向环外面的伯羟基称为第一面羟基，位于CD的宽口端的仲羟基，称为第二面羟基。第二面羟基具有顺时针和逆时针两种指向，这种结构因素能在手性化合物的识别上起作用。 β-环糊精的结构 ??环糊精的结构特点 ??环糊精的空间结构，与多种水解酶的活性中心空间结构相似。??环糊精能够选择性地与多种客体分子结合形成包容复合物。 例如，它的孔穴内径是0.45nm, 可以让苯环或更小一些的疏水性基团进入并形成复合物。 而另一方面，由于园柱型分子两端含有多个羟基，可以与客体分子中相应基团，如酯基、羰基、酰胺基等形成氢键，从而起到类似于广义酸-碱催化作用。这种特性使其在分析分离、医药、模拟酶等许多领域得到应用。 类似锥形圆筒的β-CD分子，疏水性的空腔具有包结底物分子，起到酶的结合部位功能，亲水性的筒壁外侧的羟基又具有传递质子的作用，对底物起到酶的催化部位功能，它已成为当今用来合成高效模拟酶的重要母体之一。 通过对环糊精的修饰和聚合，改变CD结构和理化性能，利用其多重疏水结合与识别功能，可以构筑不同类型的模拟酶： ①构筑模拟氧化酶，如6-硒桥联β-CD用于模拟谷胱过氧化物酶；双-6-氧-间羧基苯磺酰基-β-CD·Fe3+模拟氨基酸氧化脱氨基酶； ②构筑模拟还原酶，如双-6-氧-间羧基苯磺酰基-β-CD·Ni2+，它可以在温和的反应条件下，将马来酸酐催化还原成丁二酸，其效率比在高温、高压、镍催化条件下的效率高26%； ③构筑模拟水解酶，如利用双-6-组氨酸基-β-CD衍生物，及其不同金属(Zn2+,Mg2+,Fe3+等)的配位络合物，分别对苯甲酸乙酯、苄基乙酸酯、邻苯二甲酸二丁酯、乙酸乙酯、丙二酸二乙酯以及丙烯酯进行了水解，取得了较好的酯水解结果。 ??环糊精本身就是一种水解酶模型。例如，乙酸苯酚酯能够被??环糊精快速催化水解，其过程与酶水解相似。 用环糊精作为母体设计合成的水解酶(a)使乙酸对硝基苯酯水解速度增加900倍，磷酸对硝基乙酸苯酯水解速度增加2900～3700倍。 模拟酶(b)是一个新的人工水解酶，使乙酸对硝基苯酯在pH等于7.2时水解速度增加1100倍，大于天然胰凝乳蛋白酶的水解速度 N-甲基二硫氨基甲酸（C2DTC）-环糊精衍生物及其与Cu2+配合物催化乙酰对硝基苯酚酯(PNPA)的水解反应。 氧化还原酶、变位酶的模拟 用咪唑修饰模拟水解酶 模拟糜蛋白酶 模拟酯水解酶 A mimic of glyoxalase enzymes 模拟转氨酶 色氨酸合成 缩合反应 模拟脱氢酶 氧化反应 二、杯芳烃模拟酶 杯芳烃（calixarene）是由苯酚与甲醛经缩合反应而生成的一类环状低聚物。因其分子形状与希腊圣杯（calix crater）相似，且是由多个苯环构成的芳香族分子（arene），由此得名为杯芳烃。杯芳烃的命名习惯上写成“杯[n]芳烃”。例如对位由叔丁基取代的环状四聚体可写为“对叔丁基杯[4]芳烃（I）”。 杯[n]芳烃的结构式（n=4-6；R=H, t-Bu, SO3H） 杯芳烃具有以下特征：①具有由亚