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抗體酶
點(diǎn)擊次數(shù):4239 更新時(shí)間:2012-05-09
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(wú)催化活力,酶有催化活力。
2
)本質(zhì)差別:酶是能與反應(yīng)過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)底物誘導(dǎo)等,親和力zui強(qiáng)。十分容易越過(guò)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
10
8
種不同的抗體,抗體
和抗原的專一結(jié)合超過(guò)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(wàn)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(guò)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(kāi)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(cè)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(lái)的抗
體酶。
1986
年,美國(guó)的
Schultz
小組研究
“
對(duì)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(guò)渡態(tài)類似物時(shí),推測(cè)用這個(gè)過(guò)渡態(tài)類似物作半抗原。
這樣的分析,后來(lái)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
1.2
x10
3
倍。
經(jīng)過(guò)測(cè)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(guò)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
10
3
倍,具有底物專一性和對(duì)
pH
的依賴性。
用半抗原可以競(jìng)爭(zhēng)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(guò)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](méi)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(méi)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)?;磻?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?lè)串悩?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(shí)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(guò)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(guò)對(duì)半抗原結(jié)構(gòu)的調(diào)整來(lái)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(guò)
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(duì)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(lái)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(guò)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(lái)制備、分離、篩選。
我們知道過(guò)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(cè),其結(jié)構(gòu)我
們還不知道,所以這里*步是正確的過(guò)渡態(tài)復(fù)合物的設(shè)計(jì)。
如酯水解的過(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)照高
6×10
3
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
Co
3+
鹽作為金屬離子輔因子,半抗原分子帶
有一肽鍵,通過(guò)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)
6×10
4
。
4.
用生物工程的方法產(chǎn)生抗體
Scripps
研究院的研究人員開(kāi)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(wú)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(kù)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(shí)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(wèn)題:
1)
雖然有了不少,但對(duì)誘導(dǎo)方法而言,需要尋找一個(gè)zui為可能誘導(dǎo)出的過(guò)渡態(tài)復(fù)合物,且這是一個(gè)zui為困難的問(wèn)題。根本原因是酶催化反應(yīng)有很多不清楚。所以尋找的過(guò)渡態(tài)復(fù)合物是研究的一個(gè)重要方面。
2)
通過(guò)來(lái)研究酶的作用機(jī)理,以及為過(guò)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(guò)對(duì)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(wèn)題。
4
)通過(guò)的制備來(lái)一些新的原先沒(méi)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(lái)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(guò)程中得到發(fā)展
----
理論的探索問(wèn)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)
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