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谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)是机体内重要的抗氧化硒酶,具有保护机体免受氧化损伤功能。在分子及超分子水平上模拟含硒酶,无论对于研究酶催化机制,还是对于发展新型抗氧化药物,都具有十分重要的意义。本论文的研究思路立足于单分子含硒酶的分子设计,发展利用超分子自组装技术,构筑纳米酶自组装体,即从单分子蛋白质酶分子的结构改造入手,通过对两种蛋白质酶分子谷氧还蛋白(Grx)和脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)的活性中心进行重新设计和定向改造,获得了两种具有GPx催化功能的抗氧化含硒人工酶;在此基础上,以酶模型分子谷胱甘肽转硫酶(GST)为超分子构筑基元,通过金属配位相互作用,制备了具有高效催化功能的超分子酶自组装体,进一步讨论了单分子硒酶结构与功能的关系,以及“bottom up”纳米技术在酶催化功能材料设计中的应用:I基于人源谷氧还蛋白(hGrx1)的GPx仿酶设计:本研究工作发展了一种制备高效人源GPx人工酶的新方法。Grx具有同天然GPx相同的Trx折叠结构域和谷胱甘肽(GSH)底物识别特异性,由于该酶分子具有分子量小等优点,hGrx作为模拟GPx的天然蛋白骨架备受关注。本论文采用一种优化稀有密码子表达硒酶的新策略,制备了既能识别稀有密码子又能在外源蛋白氨基酸序列中插入硒代半胱氨酸(Sec)的表达菌株BL21cysE51 CodonPlus,成功制备了人源含硒酶Seleno-hGrx1;该硒酶Seleno-hGrx1展现出了高效的GPx催化活性,其催化活性可同天然GPx相媲美,稳态动力学分析表明,其催化行为属于典型的乒乓机制,与某些天然GPx相类似。该研究工作为设计药用抗氧化酶开拓了新思路。II基于脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)的GPx仿酶设计:利用蛋白超家族具有相同底物特异性的特点,成功将DHAR转化为人工GPx。DHAR和GPx同属Trx超家族,对底物GSH同样具有相似的底物识别特异性和亲和性。以DHAR为蛋白骨架,对DHAR活性中心的GSH结合位点进行了重新设计,利用Cys营养缺陷型表达技术引入GPx催化基团Sec,从而获得新型含硒人工酶。所制备的人工酶Seleno-DHAR展现了一定的GPx催化活性,同时该研究工作为深入探究天然GPx结构功能关系以及催化机制奠定了基础。III超分子酶自组装体的设计:发展了利用超分子自组装技术制备酶性纳米线的新方法。我们选用GST作为抗氧化酶模型蛋白,讨论了如何利用空间立体结构对称的同源二聚体GST为构筑基元,通过金属配位相互作用制备具有催化功能的纳米酶自组装体。即以GST为蛋白骨架,通过基因工程手段修饰分子识别配体His-tag,通过金属配位相互作用成功制备了形貌可控的线性酶纳米材料。论证了通过金属离子与His-tag的金属配位相互作用构筑蛋白质酶超分子纳米材料的可行性。在超分子水平上讨论抗氧化纳米酶模型的构建及催化行为,研究了单分子酶构筑基元与超分子酶纳米材料组装与解组装机制。该研究丰富了功能蛋白质超分子组装方法,为进一步设计具有抗氧化活性的多酶组装体奠定了基础。