中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）
第34卷第3期JOUＲNAL OF THE GＲADUATES VOL.34ɴ3
2013SUN YAT-SEN UNIVEＲSITY（NATUＲAL SCIENCES、MEDICINE）2013
陆诗淼
（1．中山大学中山医学院免疫学专业）
【内容提要】抗体酶又称催化性抗体，是具有催化活性的免疫球蛋白，在其 可变区赋予了酶的属性，是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙结合的
非隔离电源模块产物，它可促进许多用普通化学方法很难完成，或者天然酶尚未能催化的新奇
转变，特别是自然界不存在的高效催化剂，对生物学、化学和医学等多种学科
有重要的理论意义和实用价值。文章综合介绍了抗体酶研究的历史过程、催化
抗体的结构、性质、催化的反应类型原理、制备、应用及研究的最新进展。 【关键词】催化抗体；抗体酶；酶学特征；应用进展
抗体酶是具有催化性质的抗体。从1883年Payen和Personz发现第一个酶以来，自从1986年Schultz和Lerner首次证实由过渡态类似物为半抗原，通过杂交瘤技术产生的抗体具有类似酶的催化活性以来，直至20世纪80年代初期，整整一个半世纪，发现的酶已经超过了4000种。1986年，Schultz和Lerner同时在美国《Science》周刊上发表了他们各自独立领导的研究组对抗体酶的研究报告，并将之命名为Abzyme。Abzyme本质为免疫球蛋白（Ig），只是在易变区被赋予了酶的属性，故又被称为催化抗体（Catalytic antibody）。抗体有极高的亲和力，解离常数在10－4 10－14mol/L，这与酶相似，但无催化活力。酶的催化机制在于它能结合底物产生过渡态，降低能垒，改变化学反应的速度。抗体酶显示出在许多领域的潜在应用价值，包括许多困难和能量不利的有机合成反应，前药设计，临床，材料科学等多个方面。抗体酶这种兼具抗体和酶的性质的崭新物质，它集生物学、免疫学、化学于一身，它的发现打破了只有天然酶才有的分子识别和加速催化反应的传统观念，为酶工程学开创了新的领域，同时也为验证天然酶的催化机制，进行酶的人工摸拟，以及研究天然酶催化作用的起源提供了很好的帮助。抗体酶的应用前景是十分广阔又充满希望的。 深基坑防护1抗体酶的发展历史
抗体酶（abzyme），又称催化抗体（catalytic antibodv），是指通过一系列化学与生
*收稿日期：2013－09－15
作者简介：陆诗淼女，中山大学基础医学院免疫学专业2013级硕士研究生；
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中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）二○一三年第三期
物技术方法制备出的具有催化活性的抗体，它既具有相应的免疫活性，又能像酶那样催化某种化学反应。
服装道具制作1946年，鲍林（Pauling）用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态（底物激态），形成酶一底物复合物，大大降低了反应的活化能，从而加速了反应速率。他指出，酶通过某种方式与高能、短寿命的过渡态结合而起催化作用。这个过渡态构型中某些键在形成，另一些键在断裂，存在时间极短，半衰期约为10－10 10－12s，实际中极难捕获。同时，Pauling又指出酶和抗体的根本不同在于前者选择性的结合一个化学反应的过渡态，而抗体则是结合一个基态分子。既然过渡态分子难以捕获，而过渡态类似物是能够模拟一个酶催化反应过渡态的结构的稳定物质，于是人们就设想，只要寻到与反应中决定性步骤的相应酶紧密结
合的酶竞争性抑制剂，就等于发现了过渡态类似物；还有一种思路，就是这种类似物也能根据化学反应机制推测设计出来。
1969年，Jencks提供免疫诱导产生抗底物基态的抗体，该抗体具有类似酶的催化活性，这个抗体酶设想的提出，使得任何一个化学反应构造一个专一性催化酶成为可能。然而在抗体酶的研制中遇到了两个问题：1、底物基态瞬间存在，无法提取。根据Pauling的酶的竞争抑制实质，可以构造过渡态的稳定类似物作为实际抗原。2、抗原在分子量上有一定的要求，所以一般将类似物作为半抗原接到适当载体上构成抗原。接着，Kohler和Milstein于1975年发明了具有历史意义的单克隆技术，使抗体酶的生产成为可能。
1984年Lerner进一步推测：以过渡态类似物作为半抗原，则其诱发出的抗体即与该类似物有着互补的构象，这种抗体与底物结合后，即可诱导底物进入过渡态构象，从而引起催化作用。根据这个猜想Lerner和P．C．Schultz分别领导各自的研究小组独立地证明了：针对羧酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体，能催化相应的羧酸酯和碳酸酯的水解反应。
1986年美国Science杂志同时发表了他们的发现，并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为抗体酶或催化抗体．同年，加州大学的P．Schuhz等宣布单克隆的MOPC167抗体可以催化对硝基苯氧基羧基胆碱的水解。
半轴套管2抗体酶的结构性质
2.1抗体的结构
抗体和酶一样是大分子蛋白质，由2条相同的轻链（大约2500D）和2条相同的重链（大约5000D）组成。（见图一）
轻链由VL（可变区）和CL（不变区）组成，重链也由VH（可变区）和CH（不变区）组成。重链和重链及重链和轻链之间通过二硫键相连，此外重链还有一连接枢扭，抗体的结合部位由6个超变区组成，对同类型抗体CL和CH部分氨基酸的序列相同，然而VL和VH是非常专一的。可变区大约由110个氨基酸组成，至少可产生108个不同抗体，它是抗体多样性的基础。Fab片段由轻链和重链VH及CH1组成。抗体－04
综述《抗体酶的研究进展》
抗原复合物是借助范得华力、疏水作用、静电作用及氢键作用而形成。
图1
图2抗体酶
2.2抗体酶的基本结构及性质
抗体酶主要来自IgG抗体分子。对抗体结构分析表明：IgG分子是由2条相同的重链及2条相同的轻链靠二硫键连接而成。木瓜蛋白酶作用抗体后，产生3个片断，其中相同的2个片断为Fab；Fab中与抗原结合的部位，是高度可变区（F v），该部位广泛的结构及顺序变化决定了抗体对外来物质的识别特性，其中电荷互补及立体互补是其分子识别的主要特征。
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中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）二○一三年第三期3抗体酶催化的反应类型及原理
3.1抗体酶催化的反应类型
抗体酶可催化多种化学反应，包括酰基转移、酯水解、酰胺水解、重排反应、光诱导反应、氧化还原分应、金属螯合反应等。 3.1.1酰基转移反应
生物体内蛋白质合成是一个复杂的过程。氨基酸在掺入肽链之前必须进行活化以获得额外的能量，这一活化过程即是酰基转移反应。1986年，Tramonatano等研制成功首例酰基转移酶抗体。目前，该抗体酶的研制已接近实用阶段。Jacolson等设计了一个中性磷酸二酯作为反应过渡态的稳定类似物，得到的单克隆抗体可以催化带丙氨酰酯的胸腺嘧啶3’－OH基团的氨酰化反应，反应速度为5.4ˑ10（mol/L）？min，比无催化反应的速度提高了10倍。这使新型tＲNA的合成工作获得突破性进展。
3.1.2水解反应
测斜管目前，抗体酶能够催化生物体内两类水解反应：酯水解和酰胺水解。
（1）磷酸酯水解反应
磷酸酯键是自然界最稳定的键之一，它的水解是对抗体酶的挑战。Janda等利用稳定的五配位氧代铼络合物A模拟ＲNA水解时形成的环形氧代正膦中间物，产生了一种单抗G12，可以催化水解磷酸二酯键。它的催化速度常数（Kcat）=1.53ˑ10s，米氏常数（Km）=240μmol/L。
（2）酰胺水解反应
蛋白质的水解均属于酰胺水解。B.L.Iverson等用CoⅢ—三乙烯酰胺—肽复合物作为半抗原，得到能特异性的切割Gly-Phe之间肽键的抗体酶。这意味着，随心所欲的切割肽段成为可能，蛋白质一级结构
的测定将会变得十分简单。平板电脑手机
3.1.3重排反应
Claisen重排是有机化合物异构化的一种重要形式，生物体内一些化合物在光照下会发生Claisen重排。Jackson等研制的分支酸异构化抗体酶表现出高度的立体专一性，只能催化以（－）－分支酸为底物的反应，而对（+）－分支酸无作用，其活化熵接近于零。这一研究表明抗体可以诱导底物的构象，呈现有利于重排的状态。
Katherine等发现抗体酶F7具有分支酸异构化催化活性，于是将该抗体的编码基因克隆，在缺乏分支酸异构酶的Saccharromyces cerevisiae菌株中扩增表达，产生催化效率60% 70%的抗体酶。这一表达系统的成功研制使得运用基因工程手段对第一代抗体酶进行改造成为可能。
3.1.4光诱导反应
光诱导反应包括光聚合反应和光裂解反应。这两类反应在植物体内显得尤为重要。DNA的修复也涉及到光诱导反应，Cochran对胸腺嘧啶二聚体光解进行研究，发现天然光复活酶的活性中心是氨酸，由此到相应的抗体酶IgG15F1—3B1，此抗体的转换数（T.N.）和光复活酶相近。Balan研究了光聚合反应的抗体酶，通过诱导法，得到的24
综述《抗体酶的研究进展》
抗体酶催化效率虽不高，但也使反应速度提高了2.5倍。
3.1.5氧化还原反应
氧化还原反应在生物体内十分广泛，主要是呼吸链的一系列反应。在溶液中，氧化态黄素与还原态黄素的电位差是206mV。Shokat认为可以根据氧化态和还原态在形状上的不同（氧化态为平面状，还原态为曲面状）构制能与氧化态结合的抗体，通过特异性结合，使氧化态稳定，从而使标准还原电位差扩大。据此设想，Shokat制得了对氧化态Km=8mmol/L，对还原态Km=300nmol/L的抗体，使标准电位差变为－342mV，由此，黄素还原态的还原范围相应扩大，一些原来无法按其还原的物质（即标准还原电位差大于抗体酶催化的黄素标准还原电位差）得以还原。这意味着抗体酶可以使热力学上原来无法进行的氧还反应得以进行。
3.1.6金属螯合反应
金属螯合反应对于辅酶、辅因子和酶的结合来说意义重大。P.G.Schultz等用N－甲基卟啉诱导产生的抗体可以催化平面状卟啉的金属螯合反应，例如，它不仅可以催化Zn和卟啉的螯合，还可以催化Co、Mn和卟啉的螯合。如果以原卟啉Ⅸ或次卟啉Ⅸ作为底物则不表现催化活性，说明该抗体酶对其中某些
金属卟啉具有很高的亲和力。由此，人们可以研制抗体—血红素复合物为催化剂催化氧化还原反应和电子传递反应。3.1.7磺酸酯闭环反应
Lerner等人用脒基离子化合物作为半抗原产生的抗体酶（17G8）可以催化磺酸酯化合物的闭环反应。
3.2抗体酶的催化原理
3.2.1酯水解反应
在抗体催化的反应中，研究最广泛的是酯水解反应，它的过渡态是带负电荷的四面体结构。
以MOPC167催化碳酸脂（1）水解为例说明。首先通过化学合成过渡态磷酸脂（3）的类似物————硝基苯磷酰胆碱脂（2），利用过渡态类似物作为半抗原，并将其与牛血清蛋白偶合，制成抗原注入动物体内，动物体的血液中就会产生可以和过渡态碳酸脂特异性结合的抗体MOPC167，然后采用单克隆技术分离纯化出MOPC167。在抗体催化碳酸脂反应中，MOPC167和过渡态碳酸脂结合后，提高了反应物过渡态的稳定性，降低了反应的活化能，从而加速了水解反应的进程。该反应的产物生成速度常数K CAT达到了（0.40ʃ0.04）min－1，米氏常数Km为208ʃ43μmol/L。
3.2.2Oxy—Cope重排
Oxy—Cope重排反应是一类热重排可逆反应，改变分子的结构，在分子内引入共轭基团或羟基以增强产物的稳定性，可使重排反应所需的温度大大图3
降低和变成不可逆反应，Lerner等报道了第一例催化这一重排反应的单克隆抗体，但自然界至今尚未到能催化这一重排反应的酶存在。
Oxy—Cope重排反应是一个热催化反应，要经过一个六元环的过渡态。因此，先经过七步反应合成了Oxy—Cope重排反应的过渡态类似物—2—对羧丙氧基环已醇，并以此为半抗原连接载体蛋白BSA制成抗原后免疫动物，从动物血清中分离纯化得到多克
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