酶工程制藥課件

1、酶工程制藥課件酶工程制藥課件第一節(jié) 概 述第二節(jié) 酶和細(xì)胞的固定化第三節(jié) 固定化酶和固定化細(xì)胞的反應(yīng)器第四節(jié) 酶工程研究的展望 第六章 酶工程制藥 第一節(jié) 概 述第二節(jié) 酶和細(xì)胞的固定化 一、酶工程簡介 二、酶的來源 三、酶的生產(chǎn)菌 四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用第一節(jié) 概 述 一、酶工程簡介 第一節(jié) 概 述一、酶工程簡介酶工程（enzyme engineering）的概念： 是酶學(xué)和工程學(xué)相互滲透發(fā)展而成的一門新的技術(shù)科學(xué)，它是從應(yīng)用的目的出發(fā)研究酶，應(yīng)用酶的特異性催化功能并通過工程化將相應(yīng)原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)的技術(shù)。一、酶工程簡介酶工程（enzyme engineering）一、酶工程簡介2. 酶工

2、程主要研究內(nèi)容：（1） 酶的分離、提純、大批量生產(chǎn)及新酶和酶的應(yīng)用開發(fā)；（2）酶和細(xì)胞的固定化及酶反應(yīng)器的研究（包括酶傳感器、反應(yīng)檢測等）；（3）酶生產(chǎn)中基因工程技術(shù)的應(yīng)用及遺傳修飾酶（突變酶）的研究；（4）酶的分子改造與化學(xué)修飾、以及酶的結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的研究；（5）有機(jī)相中酶反應(yīng)的研究；（6）酶的抑制劑、激活劑的開發(fā)及應(yīng)用研究；（7）抗體酶、核酸酶的研究；（8）模擬酶、合成酶及酶分子的人工設(shè)計(jì)、合成的研究。 酶工程技術(shù)和應(yīng)用研究在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和食品等方面發(fā)揮著極其重要的作用。一、酶工程簡介2. 酶工程主要研究內(nèi)容：二、酶的來源直接從生物體抽提分離（動(dòng)物、植物、微生物） 動(dòng)物組織提供的

3、酶主要有胰蛋白酶、脂肪酶和用于奶酪的凝乳酶等。 植物提供的酶主要有蛋白酶、淀粉酶、氧化酶等。 動(dòng)植物原料的生長周期長、來源有限，又受地理、氣候和季節(jié)等因素 的影響，不適于大規(guī)模生產(chǎn)。 近10多年來，動(dòng)植物組織和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，但因 其周期長、成本高，因而還有一系列問題正待解決。 目前工業(yè)生產(chǎn)一般都以微生物為主要來源，目前在千余種被使用的商品酶中，大多數(shù)都是利用微生物生產(chǎn)的。人工合成 二、酶的來源直接從生物體抽提分離（動(dòng)物、植物、微生物）二、酶的來源利用微生物生產(chǎn)酶制劑的優(yōu)點(diǎn)： （1）微生物種類繁多，酶的品種齊全，可以說一切動(dòng)植物體內(nèi)存在 的酶幾乎都能從微生物中得到。 （2）微生物

4、繁殖快、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量高。 （3）培養(yǎng)方法簡單，原料來源豐富，價(jià)格低廉，經(jīng)濟(jì)效益高，并可 以通過控制培養(yǎng)條件來提高酶的產(chǎn)量。 （4）微生物具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和應(yīng)變能力，可以通過各種遺傳變異 的手段，培育出新的高產(chǎn)菌株。二、酶的來源利用微生物生產(chǎn)酶制劑的優(yōu)點(diǎn)：三、酶的生產(chǎn)菌 1酶的發(fā)酵技術(shù)： 有目的地利用微生物生產(chǎn)酶的方法稱為酶的發(fā)酵技術(shù)。 2. 作為酶制劑的生產(chǎn)菌應(yīng)具備以下幾點(diǎn)要求： （1）繁殖快、產(chǎn)酶量高，酶的性質(zhì)應(yīng)符合使用要求，而且 最好是產(chǎn)生胞外酶的菌； （2）不是致病菌，在系統(tǒng)發(fā)育上與病原體無關(guān)，也不產(chǎn)生 有毒物質(zhì)。這一點(diǎn)對醫(yī)藥和食品用酶尤為重要； （3）產(chǎn)酶性能穩(wěn)定，不易變異退化，不

5、易感染噬菌體； （4）能利用廉價(jià)的原料，發(fā)酵周期短，易于培養(yǎng)。三、酶的生產(chǎn)菌 1酶的發(fā)酵技術(shù)：三、酶的生產(chǎn)菌3生產(chǎn)菌的來源（1）菌種保藏機(jī)構(gòu)和有關(guān)研究部門；（2）從自然界中分離篩選。 自然界是產(chǎn)酶菌種的主要來源，土壤、深海、溫泉、火山、森林等都是菌種采集地。篩選產(chǎn)酶菌的方法主要包括以下幾個(gè)步驟： 菌樣采集、菌種的分離初篩、純化、復(fù)篩和生產(chǎn)性能鑒定等。 為了提高酶的產(chǎn)量，在酶的生產(chǎn)過程中應(yīng)不斷改良生產(chǎn)菌。主要應(yīng)用遺傳學(xué)原理進(jìn)行改良，其基本途徑有：基因突變、基因轉(zhuǎn)移和基因克隆。三、酶的生產(chǎn)菌3生產(chǎn)菌的來源三、酶的生產(chǎn)菌5目前常用的產(chǎn)酶微生物： 大腸桿菌（Ecoli）用于生產(chǎn)谷氨酸脫羧酶、天門冬氨酸

6、酶、青霉素酰 化酶、半乳糖苷酶等。 枯草桿菌主要用于生產(chǎn)淀粉酶、葡萄糖氧化酶、堿性磷酸脂酶 酵母主要用于生產(chǎn)轉(zhuǎn)化酶、丙酮酸脫羧酶、乙醇脫氫酶等。 曲霉（黑曲霉和黃曲霉）可用于生產(chǎn)糖化酶、蛋白酶、淀粉酶、果膠酶、 葡萄糖氧化酶、氨基?；负椭久傅?。 青霉主要用于生產(chǎn)葡萄糖氧化酶、青霉素酰化酶、5磷酸二酯酶、 脂肪酶等的； 根霉主要用于生產(chǎn)淀粉酶、蛋白酶、纖維素酶 木霉主要用于生產(chǎn)纖維素酶 鏈霉菌主要用于生產(chǎn)葡萄糖異構(gòu)酶等三、酶的生產(chǎn)菌5目前常用的產(chǎn)酶微生物：四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用1.在疾病診斷方面的應(yīng)用 酶學(xué)診斷方法可靠、簡便、快捷，在臨床診斷中已被廣泛使用。 酶學(xué)診斷包括兩個(gè)方面： 一是根據(jù)

7、體內(nèi)原有酶活力的變化來診斷某些疾病，如利用谷丙轉(zhuǎn)氨酶活力升高來診斷肝炎； 二是用酶測定體液中某些物質(zhì)的量診斷疾病，如利用葡萄糖氧化酶測定血糖含量，診斷糖尿病等。四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用1.在疾病診斷方面的應(yīng)用四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 2.在疾病治療方面的應(yīng)用 由于酶具有專一性和高效率的特點(diǎn)，所以在醫(yī)藥方面使用的酶具有種類多、用量少和純度高等特點(diǎn)。 主要的醫(yī)藥用酶有： （1）蛋白酶主要用于消化不良和食欲不振等。 （2）溶菌酶具有抗菌、消炎、鎮(zhèn)痛等作用。 （3）超氧化物歧化酶，具有抗輻射作用。 （4）L-天冬酰胺酶用于治療白血病。 （5）尿激酶具有溶血栓的活性。 （6）其他相關(guān)酶制劑，如細(xì)胞色素C等。

8、四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 2.在疾病治療方面的應(yīng)用四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用3.在藥物生產(chǎn)方面的應(yīng)用 酶在藥物制造方面的應(yīng)用是利用酶的催化作用將前體物質(zhì)轉(zhuǎn)為藥物。 主要的應(yīng)用有： （1）利用青霉素酰化酶制造半合成青霉素和頭孢霉素； （2）利用-酪氨酸酶制造多巴 （3）利用核苷磷酸化酶生產(chǎn)阿糖腺苷 （4）利用蛋白酶和羧肽酶將豬胰島素轉(zhuǎn)化為人胰島素等。四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用3.在藥物生產(chǎn)方面的應(yīng)用四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 4. 在分析檢測方面的應(yīng)用 用酶進(jìn)行物質(zhì)分析檢測的方法統(tǒng)稱為酶法檢測或酶法分析。 酶法檢測可以分為單酶反應(yīng)、多酶偶聯(lián)反應(yīng)和酶標(biāo)免疫反應(yīng)等三類。四、酶在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用 4. 在分析檢測方面

9、的 第二節(jié) 酶和細(xì)胞的固定化一、固定化酶的制備二、固定化細(xì)胞的制備三、固定化方法與載體的選擇依據(jù)四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì) 第二節(jié) 酶和細(xì)胞的固定化一、固定化酶的制備一、固定化酶的制備1固定化酶的定義： 固定化酶（immobilized enzyme）是指限制或固定于特定空間位置的酶，具體來說，是指經(jīng)物理或化學(xué)方法處理，使酶變成不易隨水流失即運(yùn)動(dòng)受到限制，而又能發(fā)揮催化作用的酶制劑。制備固定化酶的過程稱為酶的固定化。一、固定化酶的制備1固定化酶的定義：一、固定化酶的制備2固定化酶的特點(diǎn)： 固定化酶的最大特點(diǎn)是既具有生物催化劑的功能，又具有 固相催化劑的特性。 與天然酶相比，固定化酶具

10、有下列優(yōu)點(diǎn)： （1）酶的穩(wěn)定性提高。 （2）反應(yīng)后，酶與底物和產(chǎn)物易于分開，產(chǎn)物中無殘留酶， 易于純化，產(chǎn)品質(zhì)量高。 （3）反應(yīng)條件易于控制，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的連續(xù)和自動(dòng)控制。 （4）酶的利用效率高，單位酶催化的底物量增加，用酶量減少。 （5）比水溶性酶更適合于多酶反應(yīng)。一、固定化酶的制備2固定化酶的特點(diǎn)：一、固定化酶的制備固定化酶的缺點(diǎn)：（1）固定化時(shí)，酶活力有損失。（2）增加了生產(chǎn)的成本，工廠初始投資大。（3）只能用于可溶性底物，而且較適于小分子底物，對大分子底物不適宜。（4）胞內(nèi)酶必須經(jīng)過酶的分離純化過程。（5）與完整菌體相比不適宜用于多酶反應(yīng)，特別是需要輔助因子的反應(yīng)。一、固定化酶的制備

11、固定化酶的缺點(diǎn)：一、固定化酶的制備 3酶的固定化方法與制備技術(shù)： 按所用的載體和操作方法的差異，一般可分為： （1）載體結(jié)合法 （2）包埋法 （3）交聯(lián)法一、固定化酶的制備 3酶的固定化方法與制備一、固定化酶的制備（1）載體結(jié)合法 載體結(jié)合法是將酶結(jié)合于不溶性載體上的種固定化方法。根據(jù)結(jié)合形式的不同，可分為物理吸附法、離子結(jié)合法和共價(jià)結(jié)合法等三種。一、固定化酶的制備（1）載體結(jié)合法 一、固定化酶的制備 （2）交聯(lián)法 交聯(lián)法是用雙功能或多功能試劑使酶與酶或微生物的細(xì)胞與細(xì)胞之間交聯(lián)的固定化方法。 常用的交聯(lián)劑有戊二醛、雙重氮聯(lián)苯胺2,2二磺酸、1,5二氟2,4二硝基苯及己二酰亞胺二甲酯等。 交聯(lián)

12、法又可分為交聯(lián)酶法、酶與輔助蛋白交聯(lián)法、吸附交聯(lián)法及載體交聯(lián)法4種。 一、固定化酶的制備 （2）交聯(lián)法一、固定化酶的制備 （3）包埋法 包埋法可分為網(wǎng)格型和微囊型兩種。 將酶或細(xì)胞包埋在高分子凝膠細(xì)微網(wǎng)格中的稱為網(wǎng)格型； 將酶或細(xì)胞包埋在高分子半透膜中的稱為微囊型。 一、固定化酶的制備 （3）包埋法 一、固定化酶的制備 4酶和細(xì)胞的固定化載體 在酶的固定化過程中所用的水不溶性固體支持物稱為載體或基質(zhì)。 固定化載體種類很多，其來源、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)各不相同。因此在固定化過程中，需根據(jù)酶促反應(yīng)性質(zhì)、底物類型及固定化方法，選擇相應(yīng)的載體或基質(zhì)。一、固定化酶的制備 4酶和細(xì)胞的固定化載體一、固定化酶的制備固

13、定化過程中使用的載體需符合如下條件： （1） 固定化過程中不引起酶變性； （2） 對酸堿有一定的耐受性； （3）有一定的機(jī)械強(qiáng)度； （4） 有定的親水性及良好的穩(wěn)定性； （5）有一定的疏松網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒均勻； （6）共價(jià)結(jié)合時(shí)具有可活化基團(tuán)； （7） 有耐受酶和微生物細(xì)胞的能力； （8） 廉價(jià)易得。一、固定化酶的制備固定化過程中使用的載體需符合如下條件：一、固定化酶的制備酶和細(xì)胞的固定化載體主要有以下3類： （1）吸附載體 ： 用于吸附法制備固定化酶，有物理吸附和離 子吸附。物理吸附所用的載體有無機(jī)物和有機(jī)物。 （2）包埋載體： 工業(yè)上應(yīng)用的包埋載體主要為卡拉膠、海藻膠等。 （3）交聯(lián)載體：

14、交聯(lián)法與吸附法和包埋法所用的載體相同。一、固定化酶的制備酶和細(xì)胞的固定化載體主要有以下3類：酶工程制藥課件二、固定化細(xì)胞的制備固定化細(xì)胞的定義 將細(xì)胞限制或定位于特定空間位置的方法稱為細(xì)胞固定化技術(shù)。 被限制或定位于特定空間位置的細(xì)胞稱為固定化細(xì)胞，它與固定化酶 一起被稱為固定化生物催化劑。 固定化細(xì)胞主要是利用細(xì)胞內(nèi)酶和酶系，它的實(shí)際應(yīng)用比固定化酶更為普遍。 細(xì)胞固定化技術(shù)的應(yīng)用比固定化酶更為普遍，已在醫(yī)藥、食品、 化工、醫(yī)療診斷、農(nóng)業(yè)、分析、環(huán)保、能源開發(fā)及理論研究的應(yīng)用 中取得了舉世矚日的成就。二、固定化細(xì)胞的制備二、固定化細(xì)胞的制備2. 固定化細(xì)胞的特點(diǎn) 固定化細(xì)胞既有細(xì)胞特性，也有生

15、物催化劑功能，又具有固相催化劑待點(diǎn)。 其優(yōu)點(diǎn)在于： （1）無需進(jìn)行酶的分離純化。 （2）細(xì)胞保持酶的原始狀態(tài)，固定化過程中酶的回收率高。 （3）細(xì)胞內(nèi)酶比固定化酶穩(wěn)定性更高。 （4）細(xì)胞內(nèi)酶的輔因子可以自動(dòng)再生。 （5）細(xì)胞本身含多酶體系，可催化一系列反應(yīng)。 （6）抗污染能力強(qiáng)。二、固定化細(xì)胞的制備二、固定化細(xì)胞的制備2. 固定化細(xì)胞的特點(diǎn) 固定化技術(shù)的局限性： （1）利用的僅是胞內(nèi)酶，而細(xì)胞內(nèi)多種酶的存在，會形成不需要的副產(chǎn)物 （2）細(xì)胞膜、細(xì)胞壁和載體都存在著擴(kuò)散限制作用。 （3）載體形成的孔隙大小影響高分子底物的通透性。 二、固定化細(xì)胞的制備二、固定化細(xì)胞的制備3. 固定化細(xì)胞的制備技術(shù)

16、 細(xì)胞的固定化技術(shù)是酶的固定化技術(shù)的延伸，其制備方法和應(yīng)用方法也基本相同，但細(xì)胞的固定比主要適用于胞內(nèi)酶，要求底物和產(chǎn)物容易透過細(xì)胞膜，細(xì)胞內(nèi)不存在產(chǎn)物分解系統(tǒng)及其他副反應(yīng)；若存在副反應(yīng)，應(yīng)具有相應(yīng)的消除措施。 固定化細(xì)胞的制備方法有載體結(jié)合法、包埋法、交聯(lián)法及無載體法等。 二、固定化細(xì)胞的制備三、固定化方法與載體的選擇依據(jù) 1固定化方法的選擇 應(yīng)考慮下述幾個(gè)因素來選擇固定化的方法： （1）固定化酶應(yīng)用的安全性 （2）固定化酶在操作中的穩(wěn)定性 （3）固定化的成本 三、固定化方法與載體的選擇依據(jù) 2載體的選擇 最好選擇工業(yè)化生產(chǎn)中已大量應(yīng)用的廉價(jià)材料為載體，如聚乙烯醇、卡拉膠及海藻膠等。另外離子

17、交換樹脂、金屬氧化物及不銹鋼碎屑等，也都是有應(yīng)用前途的載體。 三、固定化方法與載體的選擇依據(jù)三、固定化方法與載體的選擇依據(jù)載體的選擇還應(yīng)考慮底物的性質(zhì)。固定化方法具有多樣性。三、固定化方法與載體的選擇依據(jù)載體的選擇還應(yīng)考慮底物的性質(zhì)。三、固定化方法與載體的選擇依據(jù) 1固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀 已有多種物理形狀的固定化酶，如酶膜、酶管、酶纖維、微囊和顆粒狀的固定化酶。 顆粒狀的固定化酶包括酶珠、酶塊、酶片和酶粉等。 制造何種形狀的固定化酶，需要根據(jù)底物和產(chǎn)物的性質(zhì)、基質(zhì)材料的性能、固定化的方法、酶反應(yīng)的性質(zhì)、反應(yīng)器的類型和應(yīng)用目的來決定。四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)四、固定化酶與固定化

18、細(xì)胞的形狀與性質(zhì) （1）顆粒狀固定化酶 顆粒狀的固定化酶包括酶珠、酶塊、酶片和酶粉等。 每種固定化方法均可制備顆粒狀的固定化酶，制備方法簡單， 顆粒比表面積大，轉(zhuǎn)化效率高，適用于各種類型的反應(yīng)器。 如海藻膠溶液和釀酒酵母的混合液經(jīng)噴珠機(jī)壓入到CaCl2溶液 中即可制成固定化的酵母酶珠，可用于工業(yè)化中乙醇的大規(guī)模生產(chǎn)。 四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì) （2）纖維狀固定化酶 某些材料，如三醋酸纖維素，用適當(dāng)?shù)娜軇┤芙夂笈c酶混合， 再采用噴絲的方法就可制成酶纖維。如將含酶的甘油水溶液滴入 三醋酸纖維素的二氯甲烷溶液中，乳化后經(jīng)噴絲頭噴入含丙酮的 凝固液中即成

19、為纖維狀，取出后真空干燥即得固定化酶。 纖維狀固定化的的比表面積大，轉(zhuǎn)化效率高，但只適用于填充 床反應(yīng)器。酶纖維也可以織成酶布用于填充床反應(yīng)器。四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì) （3）膜狀固定化酶 膜狀固定化酶也稱為酶膜，可以通過共價(jià)結(jié)合法將酶偶聯(lián) 到濾膜上制備，也可以將酶和某些材料如火棉膠、硝酸纖維素 、骨膠原和明膠等，用戊二醛交聯(lián)或其他方法處理后制成膜狀。 酶膜的表面積大，滲透阻力小，可用于酶電極，破碎后也可 用于填充床反應(yīng)器。 目前已制備出木瓜酶、葡萄糖氧化酶、過氧化物酶、氨基酰 化酶和脲酶等多種酶膜。四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)四、固定化

20、酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì) （4）管狀固定化酶 管狀固定化酶稱為酶管，某些管狀載體如尼龍、聚氯苯乙烯和 聚丙烯酰胺等，經(jīng)活化后與酶偶聯(lián)即得固定化酶管。 目前已制備出糖化酶、轉(zhuǎn)化酶和脲酶等酶管，酶管在化學(xué)分析 中可用于連續(xù)測定。 酶管的機(jī)械強(qiáng)度大，切短后可用于填充床反應(yīng)器，也可以組裝成列管式反應(yīng)器。四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì) 細(xì)胞的固定化技術(shù)是酶的固定化技術(shù)的延伸，制備方法也基本相 同，因此許多固定化細(xì)胞的形狀與固定化酶的形狀相同，如珠狀、塊 狀、片狀或纖維狀等。 固定化細(xì)胞的方法主要是包埋法，其次是交聯(lián)法或二者相結(jié)合的 方法，用無載體法制備的是粉末

21、狀的固定化細(xì)胞，工業(yè)上應(yīng)用最多的 就是用包埋法制備的各種形狀的固定化細(xì)胞。四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)2固定化酶的性質(zhì) 天然酶經(jīng)過固定化后即成為固定化酶，其催化反應(yīng)體系也由均相反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷喾磻?yīng)。由于固定化的方法和所用的載體不同，制得的固定化酶可能會受到擴(kuò)散限制、空間障礙、微環(huán)境變化和化學(xué)修飾等因素的影響，可能會導(dǎo)致酶學(xué)性質(zhì)和酶活力的變化。四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)3固定化細(xì)胞的性質(zhì) 細(xì)胞被固定化后，其中酶的性質(zhì)、穩(wěn)定性、最適pH、最適溫度和 Km值的變化基本上與固定化酶相仿。 細(xì)胞的固定化主要是利用胞

22、內(nèi)酶，因此固定化的細(xì)胞主要用于催 化小分子底物的反應(yīng)，而不適于大分子底物。 無論采用哪種固定化方法，都需采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣呒?xì)胞膜的 通透性，以提高酶的活力和轉(zhuǎn)化效率。四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)四、固定化酶與固定化細(xì)胞的形狀與性質(zhì)1.固定化酶（細(xì)胞）活力的測定2.偶聯(lián)率及相對活力的測定五、評價(jià)固定化酶（細(xì)胞）的指標(biāo)五、評價(jià)固定化酶（細(xì)胞）的指標(biāo) 第三節(jié) 固定化酶和固定化細(xì)胞的反應(yīng)器一、反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)二、反應(yīng)器的選擇依據(jù) 第三節(jié) 固定化酶和固定化細(xì)胞的反應(yīng)器一、反應(yīng)器的類型和特點(diǎn) 可概括分為間歇式和連續(xù)式兩大類，后者又有兩種基本形式：連 續(xù)流動(dòng)攪拌罐式反應(yīng)器和填充床反應(yīng)器； 還有一

23、些衍生形式，如連續(xù)流動(dòng)攪拌罐超濾膜反應(yīng)器、循環(huán)反 應(yīng)器和流化床反應(yīng)器等。 一、反應(yīng)器的類型和特點(diǎn)二、反應(yīng)器的選擇依據(jù) 目前雖有多種不同類型的反應(yīng)器可供使用，但是并沒有一種通用的理想的反應(yīng)器，在研究和生產(chǎn)中，必須根據(jù)具體情況來選樣合適的反應(yīng)器。影響反應(yīng)器選擇的因素很多，但一般從以下幾方面考慮： 1根據(jù)固定化酶的形狀來選擇 2根據(jù)底物的物理性質(zhì)來選擇 3根據(jù)酶反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性來選擇 4根據(jù)外界環(huán)境對酶的穩(wěn)定性的影響來選擇 5根據(jù)操作要求及反應(yīng)器費(fèi)用來選擇二、反應(yīng)器的選擇依據(jù) 目前雖有多種不同類型的反第四節(jié) 酶工程研究的展望一、酶的化學(xué)修飾 二、酶的人工模擬三、有機(jī)相的酶反應(yīng)四、基因工程酶的構(gòu)建第四

24、節(jié) 酶工程研究的展望一、酶的化學(xué)修飾 一、酶的化學(xué)修飾酶化學(xué)修飾的概念 從廣義上說，凡涉及共價(jià)鍵或部分共價(jià)鍵的形成或破壞的轉(zhuǎn)變都可看做是酶的化學(xué)修飾。 從狹義上說，酶的化學(xué)修飾則是指在較溫和的條件下，以可控制的方式使一種酶同某些化學(xué)試劑起特異反應(yīng)，從而引起單個(gè)氨基酸殘基或其功能基團(tuán)發(fā)生共價(jià)的化學(xué)改變。一、酶的化學(xué)修飾酶化學(xué)修飾的概念一、酶的化學(xué)修飾2. 酶化學(xué)修飾的目的 酶化學(xué)修飾的目的在于：人為地改變天然酶的一些性質(zhì)，創(chuàng)造天然酶所不具備的某些優(yōu)良特性甚至創(chuàng)造出新的活性，來擴(kuò)大酶的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)生物技術(shù)的發(fā)展。 酶經(jīng)過改造后會產(chǎn)生各種各樣的變化，概括起來主要有： （1）提高生物活性。 （2）增

25、強(qiáng)在不良環(huán)境（非生理?xiàng)l件）中的穩(wěn)定性。 （3）針對異體反應(yīng)，降低生物識別能力。 可以說，酶的化學(xué)修飾在理論上為生物大分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究提供了有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和證明，是改善酶學(xué)性質(zhì)和提高其應(yīng)用價(jià)值的一種非常有效的措施。一、酶的化學(xué)修飾2. 酶化學(xué)修飾的目的3. 酶化學(xué)修飾的方法（1）酶的表面化學(xué)修飾 大分子修飾 可溶性大分子，如聚乙二醇(PEG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAA )、聚氨基酸、葡聚糖、環(huán)糊精、乙烯順丁烯二酰肼共聚物、羧甲基纖維素、多聚唾液酸、肝素等可通過共價(jià)鍵連接在酶分子表面，形成覆蓋層。 相對分子質(zhì)量在50020000范圍內(nèi)的PEG類修飾劑應(yīng)用最廣，它是既能溶于

26、水，又可以溶于絕大多數(shù)有機(jī)溶劑的兩親分子，一般沒有免疫原性 和毒性，其生物相容性已經(jīng)通過美國FDA認(rèn)證。一、酶的化學(xué)修飾3. 酶化學(xué)修飾的方法一、酶的化學(xué)修飾（1）酶的表面化學(xué)修飾 小分子修飾： 利用小分子化合物對酶的活性部位或活性部位之外的側(cè)鏈基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)修飾，以改變酶學(xué)性質(zhì)。 已被廣泛應(yīng)用的小分子化合物主要有氨基葡萄糖、乙酸酐、硬脂酸、鄰苯二酸酐、乙酸一N一丁二酰亞胺酯等。一、酶的化學(xué)修飾（1）酶的表面化學(xué)修飾一、酶的化學(xué)修飾（1）酶的表面化學(xué)修飾交聯(lián)修飾 應(yīng)用雙功能基團(tuán)試劑如戊二醛、PEG等將酶蛋白分子之間、亞基之間或分子內(nèi)不同肽鏈部分間進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)，可使酶分子活性結(jié)構(gòu)加固，并可提高其穩(wěn)

27、定性，增加了酶在非水溶液中的使用價(jià)值。 固定化修飾一、酶的化學(xué)修飾（1）酶的表面化學(xué)修飾一、酶的化學(xué)修飾（2）酶分子內(nèi)部修飾非催化活性基團(tuán)的修飾 最常修飾的殘基既可以是親核的，如Ser、Cys、Met、Thr、Lys、His；也可以是親電的，如Tyr、Trp；或者是可氧化的，如Tyr、Trp、Met 。 對這類非催化殘基的修飾可改變酶的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，改變酶對特殊底物的束縛能力。一、酶的化學(xué)修飾一、酶的化學(xué)修飾一、酶的化學(xué)修飾（2）酶分子內(nèi)部修飾 蛋白主鏈的修飾 蛋白主鏈修飾主要靠酶法。 將豬胰島素轉(zhuǎn)變成人胰島素就是一個(gè)成功的例子。豬和人的胰島素僅在鏈羧基端有一個(gè)氨基酸的差別。用蛋白水解酶將豬胰島

28、素鏈末端的Ala水解下來，再在一定條件下，用同一個(gè)酶將Thr接上去，就可以將豬胰島素轉(zhuǎn)變成人胰島素。一、酶的化學(xué)修飾一、酶的化學(xué)修飾 （2）酶分子內(nèi)部修飾 催化活性基團(tuán)的修飾 選擇性修飾氨基酸側(cè)鏈。一、酶的化學(xué)修飾 （2）酶分子內(nèi)部修飾一、酶的化學(xué)修飾 （2）酶分子內(nèi)部修飾 與輔因子有關(guān)的修飾：包括以下幾個(gè)方面 A. 依賴輔因子的酶可用兩種方法進(jìn)行化學(xué)修飾。 第一，如果輔因子與酶的結(jié)合不是共價(jià)的，則可將輔因子共價(jià) 結(jié)合在酶上； 第二，引入新的或修飾過具有強(qiáng)反應(yīng)性的輔因子。 B. 將新的輔酶引入結(jié)構(gòu)已經(jīng)弄清的蛋白質(zhì)上。 C. 金屬酶中的金屬取代。 酶分子中的金屬取代可以改變酶的專一性、穩(wěn)定性及其

29、抑制作用。一、酶的化學(xué)修飾一、酶的化學(xué)修飾（2）酶分子內(nèi)部修飾 肽鏈伸展后的修飾 為了有效地修飾酶分子的內(nèi)部區(qū)域，可以先用脲或鹽酸胍處理酶，使酶分子的肽鏈充分伸展，這就提供了化學(xué)修飾酶分子內(nèi)部疏水基團(tuán)的可能性。然后，讓修飾后的伸展肽鏈，在適當(dāng)條件下，重新折疊成具有某種催化活力的構(gòu)象。一、酶的化學(xué)修飾（2）酶分子內(nèi)部修飾一、酶的化學(xué)修飾（3）結(jié)合定點(diǎn)突變的化學(xué)修飾 通過一些可控制的方法在酶或蛋白質(zhì)特殊的位點(diǎn)引入特定分子來修飾酶或蛋白質(zhì)，結(jié)合定點(diǎn)突變引入一種非天然氨基酸側(cè)鏈來進(jìn)行化學(xué)修飾，從而得到一些新穎的酶制劑。 它的策略是利用定點(diǎn)突變技術(shù)在酶的關(guān)鍵活性位點(diǎn)引入一個(gè)氨基酸殘基，然后利用化學(xué)修飾法

30、將突變的氨基酸殘基進(jìn)行修飾，引入一個(gè)小分子化合物，得到一種稱為化學(xué)修飾突變酶(chemically modifiedmutant enzyme, CMM)的新型酶。一、酶的化學(xué)修飾（3）結(jié)合定點(diǎn)突變的化學(xué)修飾4. 修飾酶的特性 酶分子經(jīng)過化學(xué)修飾后，其特性在一定程度上發(fā)生了改變，天然酶的一些不足之處可以得到改善。 （1）熱穩(wěn)定性提高； （2）抗各類失活因子能力提高； （3）抗原性消除； （4）體內(nèi)半衰期延長； （5）最適pH改變； （6）酶學(xué)性質(zhì)變化； （7）對組織分布能力改變。一、酶的化學(xué)修飾4. 修飾酶的特性一、酶的化學(xué)修飾酶化學(xué)修飾的應(yīng)用及其局限性（1）酶化學(xué)修飾的應(yīng)用 酶結(jié)構(gòu)與功能的研

31、究 在醫(yī)藥方面的應(yīng)用 在工業(yè)方面的應(yīng)用一、酶的化學(xué)修飾酶化學(xué)修飾的應(yīng)用及其局限性一、酶的化學(xué)修飾（2）酶化學(xué)修飾的局限性 某種修飾劑對某一氨基酸側(cè)鏈的化學(xué)修飾專一性是相對的，很少 有對某一氨基酸側(cè)鏈絕對專一的化學(xué)修飾劑。因?yàn)橥环N氨基酸 殘基在不同酶分子中所存在的狀態(tài)不同，所以同一種修飾劑對不 同酶的修飾行為也不同。 化學(xué)修飾后酶的構(gòu)象或多或少都有一些改變，因此這種構(gòu)象的變 化將妨礙對修飾結(jié)果的解釋。 酶的化學(xué)修飾只能在具有極性的氨基酸殘基側(cè)鏈上進(jìn)行，其他氨 基酸側(cè)鏈在維持酶的空間構(gòu)象方面也有重要作用。 酶化學(xué)修飾的結(jié)果對于研究酶結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系能提供一些信息 ，如某一氨基酸殘基被修飾后，酶活力完全喪失，說明該殘基是 酶活性所必需的?；瘜W(xué)修飾法研究酶結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系還缺乏準(zhǔn)確 性和系統(tǒng)性。一、酶的化學(xué)修飾（2）酶化學(xué)修飾的局限性一、酶的化學(xué)修飾二、酶的人工模擬1. 模擬酶的概念 人工模擬酶指根據(jù)酶的作用原理，用各種方法人為制造的具有酶性質(zhì)的催化劑，簡稱人工酶或模擬酶。 它們一般具有高效和高適應(yīng)性的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上比天然酶相對簡單。二、酶的人工模擬二、酶的人工模擬2. 模擬酶的分類 根據(jù)Kirby分類法，模擬酶可分為： （1）單純酶模型，即以化學(xué)方法通過天然酶活性的模擬來重建 和改造酶活性。 （2）機(jī)制酶模型，即通過對酶作用機(jī)制諸如識別、結(jié)合和過渡 態(tài)穩(wěn)定化