酶工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應用

1、酶工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應用1161001413168 鄭峰摘要：酶工程是現(xiàn)代工業(yè)生物技術(shù)的重要組成部分，它作為一項高新 技術(shù)，為各工業(yè)的發(fā)展起到了極大的推動作用，本文簡要介紹了酶固 定化、基因工程菌（細胞）的固定化、植物細胞培養(yǎng)產(chǎn)酶、酶的化學修 飾、核酸酶、杭體酶、酶標藥物的理論和技術(shù)研究的最新進展以及酶 工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應用，對酶工程的發(fā)展前景進行了探討。關鍵詞：酶工程；酶的固定化；核酸酶；抗體酶；醫(yī)藥應用目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 一、酶工程技術(shù)3 HYPERLINK l bookmark23 o C

2、urrent Document （一）酶和細胞的固定化3 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document （二）酶的化學修飾3 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document （三）核酸酶和抗體酶4 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document （四）酶標藥物4 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document （五）職務細胞培養(yǎng)產(chǎn)酶5 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 二、酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應用

3、5 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document （一）應用酶工程制備生物代謝產(chǎn)物5 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document （二）應用酶工程技術(shù)轉(zhuǎn)化鑿體6 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document （三）應用酶工程生產(chǎn)抗生素6 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document （四）應用酶工程生產(chǎn)氨基酸和有機酸6 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document （五）應用酶工程生產(chǎn)維生素7 HYPER

4、LINK l bookmark67 o Current Document （六）應用酶工程生產(chǎn)核苷酸類藥物7 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 三、酶工程在醫(yī)療中的應用7 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 四、展望8 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 參考文獻:9一、酶工程技術(shù)（一）酶和細胞的固定化將酶或細胞通過物理或化學方法固定在水溶性或非水溶性的膜狀、顆粒狀、 管狀的載體土，稱為固定化酶或固定化細胞。我國研制過的固定化酶（細胞）已有 50種左

5、右，分為二種類型:固定化單酶或含特定酶的細胞、固定化雙酶、固定化 各類激酶構(gòu)成ATP再生系統(tǒng)。一般能明顯地提高酶對熱與酸堿度的穩(wěn)定性。固 定化的方法主要有吸附、共價結(jié)合、包埋和選擇性熱變性等。目前又發(fā)展了利用 光、輻射等物理技術(shù)和定點固定化技術(shù)固定酶1。在制藥工業(yè)中包埋法應用較多， 其次是吸附法。固定化細胞包括微生物細胞（含基因工程菌）、動物細胞和植物細胞,目前更多 地注重活細胞和增殖細胞的固定化。植物細胞固定化大多采用包埋法，至今已報 道了固定化南洋金花、煙草、胡蘿卜等十多種細胞的研究，植物細胞固定化技術(shù) 在中藥有效成分的生產(chǎn)應用研究上有更好的前景。動物細胞只有吸附和包埋法得 以成功。目前動

6、物細胞微囊化法用得最多的是聚賴氨酸/海藻酸（PIJL/Al,G）法，細 胞生長密度可達106 一 109個mL。微囊化細胞主要有兩方面的應用：培養(yǎng)微囊 化動物細胞生產(chǎn)一些藥物；作為藥物直接用于治療或作為藥物篩選之用，如用來 生產(chǎn)單克隆抗體、干擾素、組織纖溶酶原激活劑（TPA）、自細胞介素、胰島素生 長因子和乙肝病毒表面抗原等。未來將有一大批具有生物活性的蛋白質(zhì)可依靠固 定化細胞在生物體外大規(guī)模的合成。應用基因重組技術(shù)將生物細胞中存在極少的 催化某一生化反應的酶通過基因擴增和增強表達，建立高效表達特定酶制劑的基 因工程菌或基因工程細胞，從而進一步構(gòu)建成固定化一工程菌或固定化工程細胞 的新一代催化

7、劑。如德國BM公司應用蛋白質(zhì)工程技術(shù)對表達青霉素酞化的基因 進行點突變改造，重建了青霉素酞化酶工程菌，從而大大延長了固定化青霉素酞 化酶的使用半衰期，其酶柱可連續(xù)使用700d以上。（二）酶的化學修飾酶的化學修飾是指利用化學手段將某些化學物質(zhì)或基團結(jié)合到酶分子上，或 將酶分子的某部分刪除或置換，改變酶的理化性質(zhì)，最終達到改變酶的催化性質(zhì)的 目的。修飾劑的選用和修飾方法分為：（1）修飾酶的功能基團如氨基、經(jīng)基、咪 哇基等可離解基團，如抗白血病藥物天冬酞胺酶3，（2）進行酶分子內(nèi)或分子間 交聯(lián)，應用某些雙功能試劑分子兩端的功能基團可使酶分子內(nèi)或分子間膚鏈的兩 個游離氨基分別發(fā)生交聯(lián)，如交聯(lián)后的人a

8、一半乳糖昔酶A,其熱穩(wěn)定性和抗蛋 白酶的性能都有明顯提高，（3）酶與高分子化合物結(jié)合后，可以增加酶的穩(wěn)定性 和活力。例如抗白血病藥物天冬酞胺酶經(jīng)游離氨作用、酞化反應進行修飾后，在 血漿中的穩(wěn)定性有很大提高；胰凝乳蛋白酶與水溶性大分子化合物右旋糖醉結(jié)合 后，其催化活力提高4倍4。常用修飾劑主要有乙酸配、氮芥類、磷氧酞氯、環(huán)氧 丙烷、重氮鹽類、經(jīng)胺等5。（三）核酸酶和抗體酶核酸類酶（Ribozyme）是一類由核糖核酸（RNA ）組成的酶，具有核酸序列的高 度特異性，從而具有很大的應用價值。只要知道某種核酸酶的核昔酸序列，就可 以設計合成催化其自我切割和斷裂的核酸組成，根據(jù)這些基因組的全部序列，就

9、可以設計并合成出防治由這些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核酸酶，如能夠 防治流感、肝炎、艾滋病和煙草花葉病等。核酸酶也可以治療某些遺傳病和癌癥， 還可以用作研究核酸圖譜和基因表達工具。抗體酶（Abzyme）又稱為催化性抗體，是一類具有生物催化功能的抗體分子， 可以采用誘導法和修飾法獲得。抗體酶已經(jīng)用于酶作用機理的研究、手性藥物的 合成和拆分、抗癌藥物的制備等。（四）酶標藥物近來，人們可以根據(jù)藥物在生物體內(nèi)可能的作用目標（如酶或受體）來設計 藥物，由此獲得的藥物被稱為酶標藥物。目前，這種設計方法已經(jīng)成為藥物設計 的主流，在新藥設計中發(fā)揮了巨大的作用。血管緊張素肽轉(zhuǎn)換酶（ACE）抑制劑 是酶標藥物

10、的一個成功的實例，AEC抑制劑已經(jīng)成為重要的常用降壓藥物。近 來的研究發(fā)現(xiàn)，艾滋病的感染和傳播，主要是由艾滋病病毒顆粒表面的蛋白酶引 起的。因此，艾滋病病毒蛋白酶的研究成為一個熱點，人們希望通過對艾滋病病毒蛋白酶抑制劑的研究，尋找出防止艾滋病病毒感染和治療艾滋病的方法。（五）職務細胞培養(yǎng)產(chǎn)酶首先，選擇適宜的植物外植體，經(jīng)誘導、選育得到優(yōu)良的植物細胞，再在人 工控制條件的生物反應器中培養(yǎng)植物細胞，以生產(chǎn)色素、香精和藥物等次級代謝 物。植物細胞培養(yǎng)不受地理環(huán)境和氣候條件等的影響，具有生產(chǎn)周期短、產(chǎn)率高 等顯著特點，已經(jīng)發(fā)展成為生物五程研究和開發(fā)的重要領域。郭勇7、先后進行了 植物細胞培養(yǎng)生產(chǎn)次級代

11、謝物的研究，選育出了優(yōu)良的木瓜細胞、大蒜細胞、鼠 尾草細胞、玫瑰茄細胞、黃花篙細胞、胡蘿卜細胞、巴戟天細胞和銀杏細胞等， 分別用于生產(chǎn)木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等藥 用酶以及色素、藥物等次級代謝物。曾慶平等呂在國內(nèi)外首次采用植物細胞培 養(yǎng)技術(shù)，從木瓜外植體的木瓜細胞中經(jīng)細胞培養(yǎng)生產(chǎn)木瓜凝乳蛋自酶。該成果已 申請中國發(fā)明專利。二、酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應用現(xiàn)代酶工程具有技術(shù)先進、投資小、工藝簡單、能耗糧耗低、產(chǎn)品收率高、 效率高、效益大和污染小等優(yōu)點，成為化學、醫(yī)藥工業(yè)應用方面的主力軍。以往 采用化學合成、微生物發(fā)酵及生物材料提取等傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的藥品，皆可通過現(xiàn) 代

12、酶工程生產(chǎn)，甚至可獲得傳統(tǒng)技術(shù)不可能得到的昂貴藥品，如人胰島素、McAb、 1FN、6 一 APA、7 一 ACA及7 一 ADCA等。固定化基因工程菌、工程細胞以 及固定化技術(shù)與連續(xù)生物反應器的巧妙結(jié)合，將導致整個發(fā)酵工業(yè)和化學合成工 業(yè)的根本性變革。（一）應用酶工程制備生物代謝產(chǎn)物應用固定化細胞可大量生產(chǎn)各種初級或中間產(chǎn)物，如糖、有機酸和氨基酸 等。產(chǎn)品有D葡萄糖、D 一果糖、甘油、1，6 一二磷酸果糖、檸檬酸、蘋果酸、 富馬酸、乳酸、右旋糖醉、丙氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、賴氨酸等利 用酶工程技術(shù)生產(chǎn)抗菌素、色素、生物堿、性引誘劑、信息素等生物次級代謝產(chǎn) 物,典型的產(chǎn)品有6 一氨基

13、青霉烷酸(6 APA)、7 一烷基頭袍烷酸(7 AC八) 及7 一氨基脫乙酞氧頭抱烷酸(7 ADCA)、麥角生物堿、輕化孕酮、可的松和 肉瘤堿等。我國用固定化大環(huán)內(nèi)脂一 4一丙醋化酶將螺旋霉素轉(zhuǎn)化為丙酞螺旋霉 素，用固定化生產(chǎn)米卡鏈霉菌突變菌株也可完成產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。應用酶工程技術(shù)轉(zhuǎn)化鑿體利用微生物酶工程技術(shù)不僅研究提高某一步轉(zhuǎn)化反應的專一性和收率或?qū)?找某一轉(zhuǎn)化反應代替某一個用化學合成法難以進行的反應,而且進一步綜合應用 了酶抑制劑、生化阻斷突變株和細胞通透性的改變等生物技術(shù)從而制得了雄街一 1,4 一二烯一 3,17 一二酮(ADD)、雄街一 4 一烯一 3,17 一二酮(;lAD)和 3 一

14、氧聯(lián) 降膽肖-王,4 一二烯一 2。酸(BDA)等關鍵中間體，使復雜的天然資源經(jīng)過兒步反 應就合成了各種性激素和皮質(zhì)激素。應用固定化微生物細胞技術(shù)可生產(chǎn)強的松、 11 一去氧強的松、氫化可的松、一膽街烯酮、一雄二烯一 3,17 一二酮等幽 體化合物。應用酶工程生產(chǎn)抗生素應用酶工程可以制備6 一 APA仁青霉素酞化酶、7-ACA頭抱菌素酞化酶、 頭抱菌素W仁頭抱菌素酞化酶、7 一 ADCA仁青霉素V酞化酶、脫乙酸頭抱 菌素仁頭抱菌素乙酸醋酶，近年來還進行固定化產(chǎn)黃青霉(青霉素合成酶系)細胞 生產(chǎn)青霉素的研究，合成青霉索和頭抱菌素前體物的最新工藝也采用酶工程的方 法。應用酶工程生產(chǎn)氨基酸和有機酸生

15、產(chǎn)DL 一氨基酸氨基酞化酶口、I廠賴氨酸仁二氨基庚二酸脫梭酶或二氨 基:一己內(nèi)酞氨水解酶和消旋酶、尿醉酸L 一組氨酸氨解酶、L 一酪氨酸及卜 多巴戶酪氨酸酶、L 一天冬氨酸天冬氨酸合成酶、I 一苯丙氨酸廠苯丙氨酸 氨解酶、L 一谷氨酸L 一谷氨酸合成酶三、I廠絲氨酸仁轉(zhuǎn)甲基酶、I廠色氨酸 仁色氨酸合成酶、天冬酞胺仁天冬酸胺合成酶、谷膚甘膚復合酶系y 一氨基丁 酸仁谷氨酸脫梭酶、谷氨酞胺谷氨酞胺合成酶皿等，氨基酸。生產(chǎn)乳酸乳酸 合成酶系、葡萄糖酸仁葡萄糖氧化酶與過氧化氫酶、I洲一蘋果酸仁延胡索酸 酶習、長鏈二梭酸加氧酶和脫氫酶、衣康酸復合酶系、IJ（+）-酒石酸環(huán)氧唬拍 酸水解酶等有機酸。（五）

16、應用酶工程生產(chǎn)維生素制造2 一酮基一 I廠古龍?zhí)撬嵘嚼嫣敲摎涿讣癓 一山梨糖醛氧化酶、肌 醇肌醇合成酶、L-肉毒堿膽堿酯酶、CoACoA合成酶系等。由山梨醇和葡萄 糖生產(chǎn)維生素及丙烯酰胺的生產(chǎn)也采用酶工程的方法。（六）應用酶工程生產(chǎn)核昔酸類藥物腺嘌吟核昔酸（AMP）由生產(chǎn)蛋白假絲醇母菌體用熱水提取核酸，再經(jīng)核 酸酶水解制得。脫氧核昔酸由魚蛋白提取脫氧核糖核酸（DNA）后，經(jīng)5-磷酸 二酯酶酶解制得。先由富含核酸的動植物（花粉等）提取核糖核酸（RNA）,再 用5-磷酸二酯酶酶解為磷酸腺昔（AMP）、磷酸胞昔（CMP）、磷酸尿昔（UMP） 及磷酸鳥昔（GMP）制得混合核昔酸。肌昔酸由腺昔脫氨酶制得

17、。ATP和AMP 分別由氨甲酰磷酸激酶、激酶加乙酸激酶制得。三、酶工程在醫(yī)療中的應用由于外源性酶在體內(nèi)易產(chǎn)生免疫反應，穩(wěn)定性差，難以達到特定部位，因此 固定化酶、人工細胞、脂質(zhì)體及紅細胞膜包埋酶工程技術(shù)在臨床治療中的應用日 趨活躍。將固定化酶應用在于體內(nèi)作為治療藥物；將固定化酶組裝成體外生物反 應器，通過體外循環(huán)作為臨床治療劑。如用腮酶及脈酸酶治療腎衰竭和痛風癥;用 固定化膽紅素氧化酶清除血中過高的膽紅素;將L-天冬酰胺酶固定于中空纖維上 進行體外血液循環(huán)，可用于治療白血病等;將胰蛋自酶、凝乳蛋白酶、溶菌酶、凝 血酶及溶葡萄球菌酶等固定于膜或纖維上制成輔料貼于傷口,可用于止血、抗炎、 促進傷日

18、愈合等。膽固醇醋酶和膽固醇氧化酶用于血膽固醇定量測定。從植物中 克隆苯丙氨酸脫氨酶基因，導人腸道有益菌-一乳酸乳球菌中表達,用以治療引起 兒童智力障礙的苯丙酮尿癥，己在動物試驗中獲得成功打6。生物傳感器已廣泛用 于臨床監(jiān)測及監(jiān)護，如安放于靜脈或動脈中的葡萄糖傳感器能持續(xù)不斷地監(jiān)測血 糖含量，并將指令傳給植人人體的胰島素泵，控制胰島素釋放量，從而使糖尿病人 獲得解救7。四、展望酶工程作為生物工程的重要組成部分,其作用之重要、研究成果之顯著已為 世人所公認。充分發(fā)揮酶的催化功能、擴大酶的應用范圍、提高酶的應用效率是 酶工程應用研究的主要目標。21世紀酶工程的發(fā)展主題是丁；新酶的研究與開 發(fā)、酶的優(yōu)化生產(chǎn)和酶的高效應用。除采用常用技術(shù)外，還要借助基因組學和蛋 白質(zhì)組學的最新知識，借助DNA重排和細胞、噬菌體表面展示技術(shù)進行新酶的研 究與開發(fā),目前最令人矚目的新酶有核酸類酶、抗體酶和端粒酶等。要采用固定 化、分子修飾和非水相催化等技術(shù)實現(xiàn)酶的高效應用，將固定化技術(shù)廣一泛用于 生物芯片、生物傳感器、生物反應器、臨床診斷、藥物設計、親和層析以及蛋白 質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究，使酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中發(fā)揮更大的作用。參考文獻：1鄧紅濤.吳健.徐志康.等.酶的固定化及其應用的研究進展J.膜科學與技術(shù),2004, 24(3)：