抗體酶

抗體與酶的異同：

相同點(diǎn)：都是蛋白質(zhì)，都有特異性。

不同點(diǎn)：

1）抗體無催化活力，酶有催化活力。

2）本質(zhì)差別：酶是能與反應(yīng)過渡態(tài)選擇結(jié)合的催化物質(zhì)，抗體是和基態(tài)緊密結(jié)合的物質(zhì)。

3）酶的活性和合成受到代謝調(diào)節(jié)，種類有限。抗體只有在抗原存在時(shí)才產(chǎn)生，種類無限。

抗體酶（abzyme、catalytic antibody）

    抗體酶首先是抗體，具有高度選擇性，同時(shí)又具有酶提高化學(xué)反應(yīng)速度。所以

賦予抗體分子和酶兩個(gè)不同的屬性。

一、研究背景

    1948年Linus Pauling提出了酶的過渡態(tài)催化理論，被認(rèn)為酶和底物結(jié)合不是在

基態(tài)上，因?yàn)槊概c基態(tài)底物的結(jié)合十分困難，需要克服很大的能障。過渡態(tài)結(jié)構(gòu)十

分容易與酶結(jié)合，因?yàn)槊附Y(jié)構(gòu)經(jīng)過底物誘導(dǎo)等，親和力zui強(qiáng)。十分容易越過能障，

加速催化速度。所以，酶具有催化速度快和高選擇性。

而抗體的特征是多樣性和專一性，被認(rèn)為一種抗原產(chǎn)生108種不同的抗體，抗體

和抗原的專一結(jié)合超過了酶的專一性，專一性更高。

酶的專一性在生物進(jìn)化上演化了上百萬年，抗體的專一性的形成只需要幾個(gè)星

期而已。

    現(xiàn)在我們可以借助物理和合成化學(xué)的發(fā)展，利用免疫系統(tǒng)巨大的細(xì)胞和分子網(wǎng)

絡(luò)產(chǎn)生催化抗體。

在70～80年代，W.P.Jencks預(yù)言，抗某個(gè)反應(yīng)過渡態(tài)的抗體具有催化該反應(yīng)的

能力。

    1975年前后，處于探索的開始階段，一般采用誘導(dǎo)法、引入法進(jìn)行嘗試，

一般效率很低，有的還測定不出活性。

    1975年時(shí)，G.Kohler & C.Milstein 發(fā)明了單克隆抗體技術(shù)后，就有了后來的抗

體酶。

1986年，美國的Schultz小組研究“對硝基苯酚磷酸膽堿脂（pNPPC）”相應(yīng)的羧酸二酯水解反應(yīng)的過渡態(tài)類似物時(shí)，推測用這個(gè)過渡態(tài)類似物作半抗原。

這樣的分析，后來的確從中選出了兩株有催化活性的單克隆抗體，一株MOPC167的水解速度達(dá)到了1.2x103倍。 經(jīng)過測定，這個(gè)符合米氏方程，具有底物專一性、pH和需要一定的溫度等酶的催化特征。

結(jié)果表明底物類似物的結(jié)構(gòu)與有關(guān)。

另一實(shí)驗(yàn)：合成一個(gè)含吡啶甲酸的磷酸酯化合物用這個(gè)過渡態(tài)類似物作半抗原免役小鼠，得到12株單抗。

結(jié)果：3株有活性，其中一株6D4能與半抗原分子結(jié)合外，還能催化不含吡啶甲酸的相應(yīng)磷酸酯化合物水解，速度快103倍，具有底物專一性和對pH的依賴性。

用半抗原可以競爭性地抑制這個(gè)反應(yīng)。還發(fā)現(xiàn)單抗的結(jié)合位點(diǎn)的氨基酸改變，可以影響它的催化活性。

的特點(diǎn)：

    在專一性方面超過或相當(dāng)于我們講的普通酶。

    在反應(yīng)速度方面接近普通酶。更多的為低些的抗體。

    原因：因?yàn)闆]有結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)等動(dòng)態(tài)變化；產(chǎn)物釋放困難；底物、產(chǎn)物的

交換困難等。

1、能催化一些天然酶不能催化的反應(yīng)

q 有許多化學(xué)反應(yīng)還沒有已知酶催化進(jìn)行

q 抗體的多樣性決定了催化反應(yīng)類型多樣性

q 可以根據(jù)需要人工裁制

 的催化反應(yīng)類型 

u 轉(zhuǎn)酰基反應(yīng)

u 水解反應(yīng)

u Claisen重排反應(yīng)

u 酰胺合成反應(yīng)

u Diels-Alder反應(yīng)

u 轉(zhuǎn)酯反應(yīng)

u 光誘導(dǎo)反應(yīng)

u 氧化還原反應(yīng)

u 脫羧反應(yīng)

u 順反異構(gòu)化反應(yīng)

2、有更強(qiáng)的專一性和穩(wěn)定性

q 抗體的精細(xì)識別使其能結(jié)合幾乎任何天然的或合成的分子

q 催化反應(yīng)的介質(zhì)效應(yīng)

半抗原：一類小分子化合物，本身不能誘導(dǎo)免疫應(yīng)答，只有當(dāng)它共價(jià)結(jié)合到具

有免疫性的蛋白質(zhì)后，注射動(dòng)物才能誘導(dǎo)小分子物質(zhì)的抗體產(chǎn)生。

設(shè)計(jì)的通用模式：

     設(shè)計(jì)一個(gè)在空間上和電荷上都與反應(yīng)過渡態(tài)結(jié)構(gòu)相似的穩(wěn)定分子，以此分子做

半抗原與一載體蛋白共價(jià)結(jié)合，免疫、誘導(dǎo)產(chǎn)生能結(jié)合該半抗原且能催化與半抗原

相應(yīng)的底物分子轉(zhuǎn)化的抗體克隆，其底物專一性通過對半抗原結(jié)構(gòu)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

1、半抗原設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮：

（1） 產(chǎn)生的抗體能否具有預(yù)期的催化活性。

 （2） 能否刺激機(jī)體免疫應(yīng)答。

2、半抗原結(jié)構(gòu)與催化抗體之間的關(guān)系：

（1） 半抗原結(jié)構(gòu)中應(yīng)含有芳香結(jié)構(gòu)（具較強(qiáng)的免疫原）。

（2） 催化抗體和半抗原的親和力。

（3） 誘導(dǎo)羧酸酯、酰胺水解的催化性抗體，可利用其具有四面體結(jié)構(gòu)的高能過

渡態(tài)類似物為抗原。

（4） 半抗原設(shè)計(jì)應(yīng)考慮催化反應(yīng)的環(huán)境與反應(yīng)機(jī)制。

二、如何？

    1、拷貝法：用已知的酶作為抗原對動(dòng)物進(jìn)行*次免疫，獲得抗酶抗體；再

用抗酶抗體作為抗原進(jìn)行第二次免疫獲得抗抗體，抗抗體實(shí)際上就是具有原來酶活

性的。

    優(yōu)點(diǎn):可以大量單克隆

    缺點(diǎn):有相當(dāng)大的盲目性和偶然性，并不能產(chǎn)生新酶。

2. 誘導(dǎo)法或者細(xì)胞融合法：

    先用特定的半抗原（過渡態(tài)底物決定）與載體蛋白相連（如牛血清白蛋白等），此

偶聯(lián)的物質(zhì)作為抗原         免疫動(dòng)物，產(chǎn)生抗體           產(chǎn)生抗體的脾臟細(xì)

胞與骨髓融合，然后在體外培養(yǎng)，雜交體克隆化，然后繁殖成單一細(xì)胞或菌落單一

細(xì)胞或菌落產(chǎn)生抗體。用標(biāo)準(zhǔn)單克隆抗體技術(shù)來制備、分離、篩選。

我們知道過渡態(tài)復(fù)合物是個(gè)不穩(wěn)的中間態(tài)形式，有些只是理論推測，其結(jié)構(gòu)我

們還不知道，所以這里*步是正確的過渡態(tài)復(fù)合物的設(shè)計(jì)。

如酯水解的過渡態(tài)復(fù)合物是個(gè)帶電的四面體結(jié)構(gòu)，想法設(shè)計(jì)一個(gè)帶電的磷酸酯

為過渡態(tài)復(fù)合物，其中苯基和苯酚基可以改變，也就可以各種結(jié)合專一性抗

體酶。

例子：用一個(gè)環(huán)化的磷酸酯做過渡態(tài)類似物免疫兔子，得到催化外消旋的羥基

羧酸酯分子內(nèi)環(huán)化形成內(nèi)酯；不但速度快，而且產(chǎn)物中一種對映體含量高94%，就

因?yàn)橛辛说募尤搿?/span>

3．引入法（輔助因子）：

    是用選擇性的化學(xué)修飾、基因工程或者蛋白質(zhì)工程方法，將催化基團(tuán)和輔助因

子引入抗體的抗原結(jié)合部位。

    Schultz等人在IgAMOP315抗體結(jié)合部位選擇性引入巰基，然后用親和色譜純

化。結(jié)果：它水解香豆酯的速度比對照高6×103倍。

    酶的活性中心很多有金屬離子。Lerner等將金屬離子引入，成功地催化

了肽鍵的選擇性水解。他們用三乙撐胺Co3+鹽作為金屬離子輔因子，半抗原分子帶

有一肽鍵，通過羧酸根及仲胺基與金屬離子相連，再共價(jià)連接在載體蛋白上，免疫

動(dòng)物后產(chǎn)生的抗體，在金屬離子復(fù)合物作為輔因子的參與下，這些能選擇性

水解甘氨酸和丙氨酸之間的肽鍵，其轉(zhuǎn)化數(shù)達(dá)6×104。

4. 用生物工程的方法產(chǎn)生抗體

    Scripps研究院的研究人員開創(chuàng)了一項(xiàng)技術(shù)---在體外抗體片斷即Fab片

斷，然后組成催化劑。有這樣的片斷就行，無須完整的抗體分子。

        用抗原免疫小鼠，分離經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生抗體的重鏈基因  

從小鼠基因文庫中取得輕鏈基因，

            輕、重鏈基因重組

                   導(dǎo)入E.coli，表達(dá)基因產(chǎn)物

                   從基因產(chǎn)物中分離、篩選

（的輕鏈與金屬離子結(jié)合并發(fā)揮催化作用，重鏈負(fù)責(zé)識別抗原）

 該法的意義在于可研制小分子化合物為輔因子的

三、的輔因子

在抗體的抗原結(jié)合位點(diǎn)引入輔因子的方法目前有三種：

1、用多種底物類似物一次免疫動(dòng)物，產(chǎn)生既有輔因子結(jié)合部位又有底物結(jié)合部位

的抗體。

2、用半合成法將輔因子或催化基團(tuán)引入到抗體底物結(jié)合部位。

3、向抗體中的一條鏈的抗原結(jié)合部位引入輔因子。

四、研究的方向問題：

1） 雖然有了不少，但對誘導(dǎo)方法而言，需要尋找一個(gè)zui為可能誘導(dǎo)出的過渡態(tài)復(fù)合物，且這是一個(gè)zui為困難的問題。根本原因是酶催化反應(yīng)有很多不清楚。所以尋找的過渡態(tài)復(fù)合物是研究的一個(gè)重要方面。

2） 通過來研究酶的作用機(jī)理，以及為過渡態(tài)復(fù)合物設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從而指導(dǎo)的設(shè)計(jì)。

3）通過對本身的進(jìn)一步研究，搞清蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系問題。

4）通過的制備來一些新的原先沒有的新酶。

5）設(shè)計(jì)有治療價(jià)值的新藥物。如利用基因來治療遺傳性疾病。

6）的固定化研究，可以更加有利于工業(yè)化。

7）是酶工程研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。學(xué)本身的理論也要在整個(gè)研究過程中得到發(fā)展----理論的探索問題。

    總之，zui終目的是發(fā)展理論，指導(dǎo)實(shí)踐。解決一些人類遇到的難題為人類造福。

研究展望

n 研究酶作用機(jī)理，獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能間關(guān)系的一般規(guī)律

n 獲得一類新型的蛋白酶

n 催化天然酶不能催化的反應(yīng)