第十一章抗体酶

1、第十一章第十一章 抗体酶（抗体酶（Abzyme) 生物催化剂生物催化剂（Biocatalyst）蛋白质类：天然酶蛋白质类：天然酶 enzyme 极端酶极端酶 extremozyme 抗体酶抗体酶 abzyme 生物工程酶生物工程酶其它：模拟酶其它：模拟酶核酸类核酸类:克隆酶克隆酶遗传修饰酶遗传修饰酶蛋白质工程新酶蛋白质工程新酶、RibozymeDeoxyribozymev抗体酶的概念抗体酶的概念v抗体酶的催化特征抗体酶的催化特征v作用机理作用机理v抗体酶的制备抗体酶的制备v抗体酶的催化反应抗体酶的催化反应v抗体酶的应用抗体酶的应用v当人体（以及其它高等动物）受到外来抗原的当人体（以及其它高等动

2、物）受到外来抗原的刺激时，其免疫系统会刺激时，其免疫系统会根据抗原的特点根据抗原的特点（抗原（抗原表面决定簇）产生特定抗体。一般来说，一种表面决定簇）产生特定抗体。一般来说，一种抗原可以刺激产生抗原可以刺激产生10-8种抗体，并且所产生的种抗体，并且所产生的抗原均具备抗原均具备极高的特异性极高的特异性，即与抗原强烈结合。，即与抗原强烈结合。什么是抗体？什么是抗体？v酶的催化机制酶的催化机制过渡态理论假说过渡态理论假说酶催化的实质：酶催化的实质：能特异性结合并稳定化学反应的能特异性结合并稳定化学反应的过渡态过渡态(底物激态底物激态)，从而降低反应能级。酶通过某种，从而降低反应能级。酶通过某种方式

3、与高能、短寿命的方式与高能、短寿命的过渡态结合过渡态结合而起催化作用。这而起催化作用。这个过渡态构型中某些键在形成，另一些键在断裂，存个过渡态构型中某些键在形成，另一些键在断裂，存在时间极短，半衰期约为在时间极短，半衰期约为10 10 s，实际中极难捕获。，实际中极难捕获。什么是酶？什么是酶？抗体与酶的异同：抗体与酶的异同：相同点：相同点：都是蛋白质，都有特异性。都是蛋白质，都有特异性。不同点：不同点：1）抗体无催化活力，酶有催化活力。）抗体无催化活力，酶有催化活力。2）本质差别：酶是能与）本质差别：酶是能与反应过渡态选择结合反应过渡态选择结合的的催化物质，催化物质，抗体是和基态紧密结合抗体是

4、和基态紧密结合的物质。的物质。3）酶的活性和合成受到代谢调节，种类有限。）酶的活性和合成受到代谢调节，种类有限。抗体只有在抗原存在时才产生，种类无限。抗体只有在抗原存在时才产生，种类无限。v过渡态分子难以捕获，而过渡态分子难以捕获，而过渡态类似物过渡态类似物是能够模拟一个是能够模拟一个酶催化反应过渡态的结构的稳定物质，于是设想，只要酶催化反应过渡态的结构的稳定物质，于是设想，只要寻找到与反应中决定性步骤的相应酶紧密结合的寻找到与反应中决定性步骤的相应酶紧密结合的酶竞争酶竞争性抑制剂性抑制剂，就等于发现了过渡态类似物；，就等于发现了过渡态类似物；v这种类似物这种类似物也能根据化学反应机制推测设计

5、出来。然也能根据化学反应机制推测设计出来。然后，以后，以过渡态类似物为半抗原过渡态类似物为半抗原，利用哺乳动物的免疫，利用哺乳动物的免疫系统，系统，诱导与其互补构象的抗体产生诱导与其互补构象的抗体产生，这种抗体即具，这种抗体即具有催化活性；有催化活性；Kohler和和Milstein于于1975年发明了单克年发明了单克隆技术，使抗体酶的生产成为可能。隆技术，使抗体酶的生产成为可能。v1984年年Lerner进一步推测：以进一步推测：以过渡态类似物作为半抗过渡态类似物作为半抗原原，则其诱发出的抗体即与该类似物有着互补的构象，则其诱发出的抗体即与该类似物有着互补的构象，这种这种抗体与底物结合后抗体

6、与底物结合后，即可诱导底物进入过渡态构即可诱导底物进入过渡态构象，从而引起催化作用。象，从而引起催化作用。v根据这个猜想根据这个猜想Lerner和和PCSchultz分别领导各自分别领导各自的研究小组独立地证明了：的研究小组独立地证明了：针对羧酸酯水解的过渡态针对羧酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体类似物产生的抗体，能催化相应的羧酸酯和碳酸酯的，能催化相应的羧酸酯和碳酸酯的水解反应。水解反应。1986年美国年美国Science杂志同时发表了他杂志同时发表了他们的发现，并将这类具有催化能力的免疫球蛋白称为们的发现，并将这类具有催化能力的免疫球蛋白称为抗体酶（抗体酶（abzyme）或催化抗体（）或催

7、化抗体（catalyticantibody）。）。抗体酶又称催化抗体（抗体酶又称催化抗体（catalytic antibody） 一种新型一种新型人工酶制剂人工酶制剂，是一种具有，是一种具有催化功能的抗体催化功能的抗体分子分子。是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙。是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的产物，本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋结合的产物，本质上是一类具有催化活力的免疫球蛋白，在其可变区赋予了酶的属性。白，在其可变区赋予了酶的属性。本质：本质：是对抗原是对抗原(antigen) 作出应答的产物，这种抗作出应答的产物，这种抗原分子被有目的地改造成某种反应的转换态中间物。

8、原分子被有目的地改造成某种反应的转换态中间物。一、概念一、概念1、与天然酶相比抗体酶的特点、与天然酶相比抗体酶的特点 能催化一些天然酶不能催化的反应能催化一些天然酶不能催化的反应 有更强的专一性和稳定性有更强的专一性和稳定性 催化作用机制不同催化作用机制不同2、抗体酶和非催化性抗体作用的比较、抗体酶和非催化性抗体作用的比较 更高的反应特异性更高的反应特异性 反应的可逆性反应的可逆性 反应的量效性反应的量效性 反应过程反应过程酶酶与与底物形成过渡态理论底物形成过渡态理论 酶的催化在于能结合底物产生过渡态，降低能酶的催化在于能结合底物产生过渡态，降低能障（反应的活化能）。障（反应的活化能）。 以过

9、渡态类似物作为以过渡态类似物作为半抗原，诱导与其互补构象半抗原，诱导与其互补构象的抗体的抗体，使其具有催化活性，可观察到抗体催化相应，使其具有催化活性，可观察到抗体催化相应底物发生化学反应。底物发生化学反应。 v抗体向酶转变的抗体向酶转变的关键关键：抗原能诱导已具有酶活性的抗体；：抗原能诱导已具有酶活性的抗体；v使抗体具有酶的结构，就必须在使抗体具有酶的结构，就必须在抗原的结构上进行改造抗原的结构上进行改造；v利用利用某一反应过渡态的模拟物某一反应过渡态的模拟物作为抗原，则可得到催化该反应的作为抗原，则可得到催化该反应的抗体。抗体。v抗体设计的原则就是酶的催化机制，故免疫学原理以及过渡态理抗体

10、设计的原则就是酶的催化机制，故免疫学原理以及过渡态理论是抗体酶设计的主要依据。论是抗体酶设计的主要依据。v制备抗体酶的关键在于制备抗体酶的关键在于设计半抗原设计半抗原，只有这种特定的抗原才能诱，只有这种特定的抗原才能诱导具有酶样结构与功能的抗体。导具有酶样结构与功能的抗体。原原 则则制备抗体酶的常用方法制备抗体酶的常用方法单克隆抗体技术单克隆抗体技术 用用设计好的半抗原设计好的半抗原，通过与载体蛋白（如牛血清白蛋白）偶，通过与载体蛋白（如牛血清白蛋白）偶联联制成抗原制成抗原。然后对此抗原进行免疫，使宿主有机体针对抗原产。然后对此抗原进行免疫，使宿主有机体针对抗原产生抗体，产生生抗体，产生抗体的

11、脾脏细胞与骨髓细胞相融合抗体的脾脏细胞与骨髓细胞相融合。融合得到的杂。融合得到的杂交细胞既能产生抗体又能在体外培养。将杂交体克隆化，即能产交细胞既能产生抗体又能在体外培养。将杂交体克隆化，即能产生单一均匀的抗体。生单一均匀的抗体。 用用酶作为抗原免疫动物酶作为抗原免疫动物得到抗酶的抗体，再将此抗得到抗酶的抗体，再将此抗体免疫动物并进行单克隆化，获得单克隆的抗体。对抗体免疫动物并进行单克隆化，获得单克隆的抗体。对抗抗体进行筛选，获得具有原来酶活性的抗体酶。抗体进行筛选，获得具有原来酶活性的抗体酶。缺点：缺点：具有一定的盲目性和偶然性，并且不能产生新酶。具有一定的盲目性和偶然性，并且不能产生新酶。

12、 抗体酶和酶一样也可以用化学修饰法加以改造。抗体酶和酶一样也可以用化学修饰法加以改造。对抗体酶进行结构修饰的关键是找到一种温和的方对抗体酶进行结构修饰的关键是找到一种温和的方法在抗体结合位置或附近引入具有催化功能的基因。法在抗体结合位置或附近引入具有催化功能的基因。 游离巯基游离巯基就是适合的基团之一，它具有高亲核就是适合的基团之一，它具有高亲核性，易于氧化，及能通过二硫化物进行交换反应或性，易于氧化，及能通过二硫化物进行交换反应或亲电反应而选择性修饰的特点。亲电反应而选择性修饰的特点。 很多天然酶活性中心都含有金属离子。很多天然酶活性中心都含有金属离子。Lerner等将金属离子引等将金属离子

13、引入抗体酶，成功地催化了肽键的选择性水解。入抗体酶，成功地催化了肽键的选择性水解。 他们用三乙酸胺盐作为金属离子辅因子，所用的半抗原分子带他们用三乙酸胺盐作为金属离子辅因子，所用的半抗原分子带有一肽键；通过羧根及仲胺基与金属离子相连；将此半抗原通过共有一肽键；通过羧根及仲胺基与金属离子相连；将此半抗原通过共价键连接在载体蛋白免疫动物产生的抗体上，在金属离子复合物作价键连接在载体蛋白免疫动物产生的抗体上，在金属离子复合物作为辅因子的参与下，这些抗体酶能选择性水解甘氨酸和丙氨酸之间为辅因子的参与下，这些抗体酶能选择性水解甘氨酸和丙氨酸之间的肽键的肽键 。五、五、 抗体酶的催化反应抗体酶的催化反应v

14、1酰基转移反应酰基转移反应 v2、重排反应、重排反应3、氧化还原反应、氧化还原反应 4、金属螯和合反应、金属螯和合反应 5、磷酸酯水解反应、磷酸酯水解反应 6、磷酸酯闭环反应、磷酸酯闭环反应 7、光诱导反应、光诱导反应 a.光聚合反应（二聚作用）光聚合反应（二聚作用） b.光裂解反应光裂解反应7、光诱导反应、光诱导反应 六、抗体酶的应用六、抗体酶的应用 1、戒毒、戒毒: 用可卡因水解的过渡态类似物磷酸单酯为半抗原，用可卡因水解的过渡态类似物磷酸单酯为半抗原，产生的单克隆抗体能催化可卡因的分解，水解后的可卡产生的单克隆抗体能催化可卡因的分解，水解后的可卡因片断失去可卡因刺激功能。因片断失去可卡因

15、刺激功能。 2、肿瘤治疗肿瘤治疗抗体介导前药治疗技术抗体介导前药治疗技术:将能水解前药释放出肿瘤细胞毒剂的将能水解前药释放出肿瘤细胞毒剂的酶和肿瘤专一性抗体相偶联酶和肿瘤专一性抗体相偶联，则酶通过和肿瘤结合的抗体，则酶通过和肿瘤结合的抗体存存在于细胞的表面在于细胞的表面。静脉给药后，当。静脉给药后，当药物扩散至肿瘤细胞的表药物扩散至肿瘤细胞的表面或附近面或附近，抗体酶将前药迅速水解释放出抗肿瘤药物。从而，抗体酶将前药迅速水解释放出抗肿瘤药物。从而提高肿瘤细胞局部药物浓度，增强对肿瘤的杀伤力，达到提提高肿瘤细胞局部药物浓度，增强对肿瘤的杀伤力，达到提高肿瘤化疗效果的目的。高肿瘤化疗效果的目的。 3、定量分析、定量分析酶联免疫吸附分析（酶联免疫吸附分析（enzyme-linked immunosorbent assay ELISA）将酶作为标记物质，使之和抗原（或抗体）结合形成酶与抗将酶作为标记物质，使之和抗原（或抗体）结合形成酶与抗原（或抗体）复合物，然后再根据待测抗体（或抗原）与复原（