蛋白質(zhì)與酶工程第六章酶的固定修飾與改造演示文稿

蛋白質(zhì)與酶工程第六章酶的固定修飾與改造演示文稿當前1頁，總共100頁。優(yōu)選蛋白質(zhì)與酶工程第六章酶的固定修飾與改造當前2頁，總共100頁。第一節(jié)固定化酶與固定化細胞一、酶的固定化二、細胞的固定化三、輔酶的固定化當前3頁，總共100頁。一、酶的固定化（一）概念及其優(yōu)缺點

固定化酶(immobilizedenzyme):

是指將水溶性酶經(jīng)過化學(xué)或物理手段處理，固定在載體上，在一定的空間范圍內(nèi)起催化作用，并能反復(fù)和連續(xù)使用的（不溶于水）酶。水溶性酶水不溶性載體水不溶性酶（固定化酶）固定化技術(shù)當前4頁，總共100頁。酶固定化的基本要求①盡可能的保持酶的活性和專一性；②固定化載體應(yīng)該與酶結(jié)合較為牢固，不與底物、產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，達到多次回收和反復(fù)使用；③酶固定化后產(chǎn)生的位阻應(yīng)該較小，不妨礙酶與底物接近；④成本盡可能低。當前5頁，總共100頁。固定化酶的優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）可多次使用；（2）可以裝塔連續(xù)化生產(chǎn)（反應(yīng)）；（3）不溶于水，易于與產(chǎn)物分離，純化簡單；（4）穩(wěn)定性好，提高產(chǎn)物質(zhì)量；（5）提供了研究酶動力學(xué)的良好模型。（6）應(yīng)用范圍廣。缺點：（1）首次投入成本高；（2）大分子底物較困難；（3）固定化過程中往往會引起酶的失活。當前6頁，總共100頁。（二）酶固定化的方法固定化方法吸附法共價結(jié)合（偶聯(lián)）法交聯(lián)法包埋法網(wǎng)格型微囊型離子交換吸附物理吸附法無載體固定法多方法聯(lián)用當前7頁，總共100頁。當前8頁，總共100頁。當前9頁，總共100頁。當前10頁，總共100頁。當前11頁，總共100頁。各類固定化方法的特點比較比較項目吸附法共價結(jié)合法交聯(lián)法包埋法物理吸附共價鍵結(jié)合離子鍵結(jié)合制備難易易難易較難較難固定化程度弱強中等強強活力回收率較高低高中等高載體再生可能不可能可能不可能不可能費用低高低中等低底物專一性不變可變不變可變不變適用性酶源多較廣廣泛較廣小分子底物、藥用酶當前12頁，總共100頁。1.吸附法根據(jù)吸附劑的特點分:物理吸附法和離子交換吸附法（1）物理吸附法（physicaladsortion）：通過酶與載體之間的范德華力、氫鍵、疏水作用力等將酶與載體聯(lián)系起來的方法。當前13頁，總共100頁。吸附法★作用力：范德華力、氫鍵、疏水作用力★選擇載體的原則：有機載體和無機載體。①要有巨大的比表面積；②要有活潑的表面；③便于裝柱進行連續(xù)反應(yīng)?！锍Ｓ幂d體：氧化鋁、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅膠、羥基磷灰石、纖維素、骨膠原、火棉膠、淀粉等。當前14頁，總共100頁。吸附法的類型根據(jù)吸附劑的特點分:物理吸附法和離子交換吸附法（2）離子交換吸附(結(jié)合)法（ionbinding）：

通過離子效應(yīng)，將酶分子固定到含有離子交換基團的固相載體上的固定化方法。?

作用力：離子鍵?

常用載體：DEAE-Cellulose

（二乙氨乙基-纖維素）；DEAE-dextrangel（二乙氨乙基-葡聚糖凝膠）；CM-cellulose（羧甲基纖維素；carboxymethylcellulose）。當前15頁，總共100頁。吸附法的優(yōu)缺點優(yōu)點：條件溫和，操作簡便，酶活力損失少。缺點：結(jié)合力弱，易解吸附。當前16頁，總共100頁。2.包埋法定義：將酶或含酶菌體用物理的方法包埋在各種具有特定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（多孔）載體（高聚物）中，使酶固定化的方法稱為包埋法。當前17頁，總共100頁。包埋法的類型分為：凝膠包埋法和微膠囊包埋法（1）凝膠包埋法（網(wǎng)格型包埋法）：將酶包埋在交聯(lián)的水不溶的高分子凝膠細微網(wǎng)格中。常用的凝膠可分為天然凝膠和人工凝膠。如海藻酸鈉、角叉菜膠、明膠、瓊脂凝膠、卡拉膠等天然凝膠以及聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和光交聯(lián)樹脂等合成凝膠。當前18頁，總共100頁。凝膠包埋法的種類

①聚丙烯酰胺凝膠包埋法：將酶包埋在聚丙烯酰胺凝膠中。

②海藻酸鈣包埋法：凝膠包埋法常用的載體有利用海藻提取物海藻酸鈉制成凝膠。③瓊脂糖凝膠包埋法：利用熔化的瓊脂在溫度低于50℃凝固的特性來包埋酶。當前19頁，總共100頁。使用的多孔載體及其特點凝膠包埋條件酶活性強度天然凝膠瓊脂;海藻酸鈣;角叉菜膠;明膠溫和不變差合成凝膠聚丙烯酰胺、光交聯(lián)樹脂聚合反應(yīng)部分失活高當前20頁，總共100頁。（2）微膠囊包埋法（半透膜包埋法）微膠囊包埋即將酶包埋在各種高聚物制成的半透膜微膠囊內(nèi)的方法。

半透膜：直徑幾十微米到幾百微米，厚約25nm。半透膜孔徑小于酶分子孔徑，小于半透膜孔徑的小分子底物和產(chǎn)物可以自由進出，被稱為“人工細胞”。它使酶存在于類似細胞內(nèi)的環(huán)境中，可以防止酶的脫落，防止微囊外的環(huán)境直接接觸，從而增加了酶的穩(wěn)定性。常用于制造微膠囊的材料有聚酰胺、火棉膠、醋酸纖維素等。當前21頁，總共100頁。（3）纖維素包埋法常用于大規(guī)模生產(chǎn)。通過多孔噴絲頭形成中空纖維，將酶包埋在纖維內(nèi)。當前22頁，總共100頁。包埋法的優(yōu)缺點★優(yōu)點：

在于它是一種反應(yīng)條件溫和、很少改變酶結(jié)構(gòu)但是又較牢固的固定化方法?！锶秉c：

只有小分子底物和產(chǎn)物可以通過高聚物網(wǎng)架擴散，對那些底物和產(chǎn)物是大分子的酶并不適合。這是由于高聚物網(wǎng)架會對大分子物質(zhì)產(chǎn)生擴散阻力導(dǎo)致固定化酶動力學(xué)行為改變，使活力降低。當前23頁，總共100頁。3.共價結(jié)合（偶聯(lián)法）

（Covalentbindingorcovalentcoupling）

共價結(jié)合（偶聯(lián)）法是目前研究中最為活躍的方法。（1）原理：酶蛋白分子上的功能基團與載體（固相支持物）表面上的反應(yīng)基團之間以共價鍵的作用而實現(xiàn)結(jié)合的固定化方法。（借助共價鍵將酶的非活性必需側(cè)鏈基團和載體的功能基團進行偶連）。（2）載體選擇的要求：

①盡量選擇親水性強的載體；②載體結(jié)構(gòu)疏松，表面積大，有一定的機械強度；③載體必須有在溫和條件下與酶共價結(jié)合的功能基團；④載體沒有或很少有非專一性吸附；⑤載體容易獲得，能反復(fù)使用。當前24頁，總共100頁。共價結(jié)合（偶聯(lián)法）（3）酶蛋白可以形成共價鍵的基團：

游離氨基、游離羧基、巰基、咪唑基、酚基、羥基、甲硫基、吲哚基、二硫鍵。

①酶蛋白N末端的α-氨基或賴氨酸殘基的ε-氨基。②酶蛋白C末端的α-羧基、天門冬氨酸殘基的β-羧基以及谷氨酸殘基的γ-羧基。

③半胱氨酸殘基的巰基。④絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基的羥基。

⑤組氨酸殘基的咪唑基。⑥色氨酸殘基的吲哚基。⑦苯丙氨酸和酪氨酸殘基的苯環(huán)。當前25頁，總共100頁。共價結(jié)合（偶聯(lián)法）（4）常用的載體：

天然高分子、人工合成的高聚物、無機載體。親水載體優(yōu)于疏水載體?！?/p>

天然高分子衍生物:

纖維素、瓊脂糖、葡聚糖凝膠；親和性好，機械性能差?！铣删酆衔铮?/p>

聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、尼龍；機械性能好，但有疏水結(jié)構(gòu)。當前26頁，總共100頁。共價結(jié)合（偶聯(lián)法）（5）載體活化（偶聯(lián)）的方法：①溴化氰法：即用溴化氰將含有羥基的載體，如纖維素、葡聚糖凝膠、瓊脂糖凝膠等，活化生成亞氨基碳酸酯衍生物，然后再與酶分子上的氨基偶聯(lián)，制成固定化酶。②疊氮法：即載體活化生成疊氮化合物，再與酶分子上的相應(yīng)基團偶聯(lián)成固定化酶。③烷基化反應(yīng)法：以鹵素為功能團的載體可與酶蛋白分子上的氨基、巰基、酚基等發(fā)生烷基化或芳基化反應(yīng)而使酶固定化。④重氮法：重氮法是將酶蛋白與水不溶性載體的重氮基團通過共價鍵相連接而固定化的方法，是共價鍵法中使用最多的一種。⑤硅烷化法：可在二氧化硅表面引入氨基，活化的表面可以利用一些中間分子（如二氯硫化碳）進一步和酶分子發(fā)生連接反應(yīng)。當前27頁，總共100頁。4.交聯(lián)法

交聯(lián)法（cross-linking）是利用雙功能或多功能試劑在酶分子之間、酶分子與惰性蛋白間或酶分子與載體間進行交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的酶固定化方法。由于酶蛋白的功能團，如氨基、酚基、巰基和咪唑基，參與此反應(yīng)，所以酶的活性中心構(gòu)造可能受到影響，而使酶失活明顯。但是盡可能地降低交聯(lián)劑濃度和縮短反應(yīng)時間將有利于固定化酶活力的提高。此法與共價結(jié)合（偶聯(lián)）法利用的均是共價鍵，不同之處是什么？交聯(lián)法不使用載體！當前28頁，總共100頁。交聯(lián)法常用試劑戊二醛、己二胺、異氰酸衍生物、N,N’-乙烯馬來亞胺、雙重氮聯(lián)苯胺和N,N’-乙烯雙順丁烯二酰亞胺等。

其中應(yīng)用最廣泛的是戊二醛，它的兩個醛基都可以與酶或蛋白質(zhì)的游離氨基形成席夫堿(shiffbase)，從而使酶分子之間相互交聯(lián)形成固定化酶。當前29頁，總共100頁。共價交聯(lián)法的四種形式（1）酶直接交聯(lián)法：（2）酶輔助蛋白交聯(lián)：當可得到的酶量有限，可以使用第二個“載體”蛋白來增加蛋白質(zhì)濃度，從而使酶與惰性蛋白共交聯(lián)的方法。當前30頁，總共100頁。共價交聯(lián)法的四種形式（3）吸附交聯(lián)法：此法先將酶吸附在硅膠、藻土、氧化鋁、球狀酚醛樹脂或其他大孔型離子交換樹脂上，再用戊二醛等雙功能試劑交聯(lián)，用此法所得固定化酶也可稱為殼狀固定化酶。（4）載體交聯(lián)法：

用多功能試劑的一部分功能基團化學(xué)修飾高聚物載體，而其中的另一部分功能基團偶聯(lián)酶蛋白。當前31頁，總共100頁。四種固定化酶制備方法的特點小結(jié)指標物理吸附包埋法共價結(jié)合法共價交聯(lián)法物理吸附法離子吸附法制備易易較難難較難結(jié)合程度弱中等強強強酶活力回收高，易流失高高中中底物專一性無變化無變化無變化有變化有變化再生可能可能不可能不可能不可能固定化費用低低中高中當前32頁，總共100頁。（三）固定化酶的評價(一)固定化酶(細胞)的活力測定固定化酶通常呈顆粒狀，一般用于測定自然酶活力的方法改進后才能用于測定固定化酶。(二)蛋白總量測定

1.雙辛可寧酸法(Bicinchoninicacid;BCA法)2.考馬斯亮藍法:(三)偶聯(lián)率及比（相對）活力測定當前33頁，總共100頁。（三）固定化酶的評價(四)固定化酶的操作半衰期

在連續(xù)測定條件下，固定化酶(細胞)的活力下降為最初活力一半所經(jīng)歷的連續(xù)工作時間，以t1/2表示。是衡量穩(wěn)定性的一項重要指標。(五)相對酶活力具有相同酶蛋白量的固定化酶活力與游離酶活力的比值。當前34頁，總共100頁。（四）固定化酶的性質(zhì)和影響因素1.固定化酶的形狀固定化酶的形式多樣，依不同用途有顆粒、線條、薄膜和酶管等形狀。

其中顆粒占絕大多數(shù)，它和線條主要用于工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)，如裝成酶柱用于連續(xù)生產(chǎn)，或在反應(yīng)器中進行批式攪拌反應(yīng)；

薄膜主要用于酶電極，應(yīng)用于分析化學(xué)；酶管機械強度較大，適用于工業(yè)生產(chǎn)。當前35頁，總共100頁。（四）固定化酶的性質(zhì)和影響因素2.固定化對反應(yīng)體系造成的效應(yīng)酶經(jīng)過固定化后引起的性質(zhì)改變，不外乎兩種原因：一是酶本身的變化，二是受固定化載體的物理或化學(xué)性質(zhì)的影響。（1）構(gòu)象效應(yīng)：酶分子在固定化過程中，酶分子與載體相互作用使得酶的活性中心或變構(gòu)中心構(gòu)象發(fā)生變化。（2）屏蔽效應(yīng)：酶經(jīng)固定化后，載體會成為底物或者其他效應(yīng)物結(jié)合到活性中心或者變構(gòu)中心的空間障礙，可以通過加入連接臂的方式進行改善。當前36頁，總共100頁。固定化酶的性質(zhì)和影響因素（3）微擾效應(yīng)：酶固定化后，載體固有的性質(zhì)會引起緊鄰固定化酶的微環(huán)境的變化，使酶的催化能力及酶對效應(yīng)物作出調(diào)節(jié)反應(yīng)的能力發(fā)生改變。（4）分配效應(yīng)：由于載體的親水或者疏水特性以及帶電特征使底物、產(chǎn)物或其他效應(yīng)物在每所處的微環(huán)境和宏觀體系間發(fā)生不等分配，改變了酶反應(yīng)體系的組成平衡。（5）擴散限制效應(yīng)：指底物、產(chǎn)物和其他效應(yīng)物在酶的微環(huán)境區(qū)與宏觀體系之間遷移和運轉(zhuǎn)速度受到限制的一種效應(yīng)。當前37頁，總共100頁。3.固定化酶（細胞）性質(zhì)的改變

（1）固定化酶的活力在大多數(shù)情況下比天然酶下降，其專一性也會受到影響發(fā)生改變。活力下降的原因：

①酶分子在固定化過程中，由于構(gòu)象效應(yīng)或調(diào)節(jié)中心空間構(gòu)象發(fā)生變化或者屏蔽效應(yīng)造成酶的空間構(gòu)像發(fā)生了變化，活性中心無法與底物結(jié)合；②部分活性中心的氨基酸殘基參與了與載體的結(jié)合，導(dǎo)致部分酶完全喪失了活性；③固定化后的空間障礙效應(yīng)的影響；④內(nèi)擴散阻力的影響使底物分子與活性中心的接近受阻；⑤包埋法時被高分子物質(zhì)半透膜包圍。當前38頁，總共100頁。固定化酶（細胞）性質(zhì)的改變（2）固定化后酶穩(wěn)定性提高穩(wěn)定性提高的原因：

①固定化后的酶與載體多點連接，可防止酶分子伸展變形；②酶活力的緩慢釋放；③反應(yīng)開始只有部分酶起作用，其余部分僅在開始起作用的酶變性后才起作用；④抑制自降解，提高了酶穩(wěn)定性。當前39頁，總共100頁。固定化酶（細胞）性質(zhì)的改變（3）固定化酶（細胞）的最適pH變化

酶固定化后，對底物的最適pH曲線常常發(fā)生偏移。

變化規(guī)律：

一般來說，帶負電荷載體制備的固定化酶，其最適pH值較游離酶偏高；反之，若使用帶正電荷載體的話，其最適pH值較游離酶偏低，即向酸性偏移。原因：一是酶本身電荷在固定化前后發(fā)生變化；二是由于載體電荷性質(zhì)的影響致使固定化酶分子內(nèi)外擴散層的氫離子濃度產(chǎn)生差異；三是由于酶催化反應(yīng)產(chǎn)物導(dǎo)致固定化酶分子內(nèi)部形成帶電荷微環(huán)境。一般來說，產(chǎn)物為酸性時固定化酶的最適pH比游離酶高一些；產(chǎn)物為堿性時，固定化酶的最適pH比游離酶低一些，產(chǎn)物為中性時，最適pH一般不改變。當前40頁，總共100頁。固定化酶（細胞）性質(zhì)的改變（4）固定化酶（細胞）的最適溫度的變化

固定化酶的最適反應(yīng)溫度多數(shù)較游離酶高，如色氨酸酶經(jīng)共價結(jié)合后最適溫度比固定前提高5～15℃，但也有不變甚至降低的。固定化酶的作用最適溫度會受固定化方法以及固定化載體的影響。

酶反應(yīng)的最適溫度是酶熱穩(wěn)定性與反應(yīng)速度的綜合結(jié)果。因為固定化后，酶的熱穩(wěn)定性提高，所以最適溫度也隨之提高，這是很有利的結(jié)果。當前41頁，總共100頁。固定化酶（細胞）性質(zhì)的改變（5）酶固定后動力學(xué)參數(shù)(米氏常數(shù)；Km)的變化

米氏常數(shù)Km反映了酶與底物的親和力。酶經(jīng)固定化后，酶蛋白分子的高級結(jié)構(gòu)的變化以及載體電荷的影響可導(dǎo)致底物和酶的親合力的變化。固定化酶的表觀米氏常數(shù)Km隨載體的帶電性能變化。

簡單說，由于高級結(jié)構(gòu)變化及載體影響引起酶與底物親和力變化，從而使Km變化。而這種Km變化又受到溶液中底物離子強度影響：離子強度升高，載體周圍的靜電梯度逐漸減小，Km變化也逐漸縮小以至消失。當前42頁，總共100頁。固定化酶（細胞）性質(zhì)的改變（6）固定化酶底物特異性發(fā)生變化

固定化酶的底物特異性與底物分子量的大小有一定關(guān)系。

一般來說，當酶的底物為小分子化合物時，固定化酶的底物特異性大多數(shù)情況下不發(fā)生變化。例如，氨基?；浮⑵咸烟茄趸?、葡萄糖異構(gòu)酶等，固定化前后的底物特異性沒有變化；而當酶的底物為大分子化合物時，如蛋白酶、α-淀粉酶、磷酸二酯酶等，固定化酶的底物特異性往往會發(fā)生變化。這是由于載體引起的空間位阻作用，使大分子底物難以與酶分子接近而無法進行催化反應(yīng)，酶的催化活力難以發(fā)揮出來，催化活性大大下降。當前43頁，總共100頁。二、細胞的固定化1.概念：固定化細胞（immobilizedcell）：固定在載體上并在一定空間范圍內(nèi)進行生命活動（生長、繁殖、新陳代謝）的細胞。當前44頁，總共100頁。二、細胞的固定化2.固定化細胞（原生質(zhì)體）的意義：

(1)使用固定化細胞省去了酶的分離手續(xù)，可顯著降低成本。(2)固定化細胞為多酶系統(tǒng)，無須輔因子再生。

(3)細胞固定化后對不利環(huán)境的耐受性增加，細胞可重復(fù)利用，簡化了細胞培養(yǎng)過程。(4)保持酶在細胞內(nèi)的原始狀況，增加了酶的穩(wěn)定、特別是對污染因子的抵抗力增加。

(5)細胞生長快而且多，可以連續(xù)發(fā)酵，節(jié)約了成本，而且在蒸餾和提取前不用分離去細胞，能一邊排出發(fā)酵液，一邊進行培養(yǎng)，排除了產(chǎn)物抑制和消耗。

(6)固定化細胞（原生質(zhì)體）去除了細胞壁的擴散障礙，有利于氧的傳遞，營養(yǎng)成分的吸收和胞內(nèi)產(chǎn)物的分泌。當前45頁，總共100頁。固定化細胞同時也存在—些缺點

(1)必須保持菌體的完整，防止菌體自溶，否則，將影響產(chǎn)品純度。

(2)必須防止細胞內(nèi)蛋白酶對所需酶的分解，同時，需抑制胞內(nèi)其他酶的活性防止副產(chǎn)物的形成。

(3)細胞膜、細胞壁會阻礙底物滲透和擴散。當前46頁，總共100頁。（一）植物細胞固定化植物細胞比菌體細胞嬌嫩得多，需要溫和的固定化方法。1.吸附法：吸附法是將植物細胞吸附在泡沫塑料的孔洞或裂縫內(nèi)，或吸附于中空纖維外壁上。2.包埋法：

包埋法是將植物細胞包埋于瓊脂、海藻酸鈣、聚丙烯酰胺、明膠和角叉菜膠等多孔凝膠中。當前47頁，總共100頁。（二）動物細胞固定化動物細胞比菌體細胞、植物細胞更嬌嫩，需要最溫和的固定化方法。目前,動物細胞固定的方法有吸附法和包埋法兩種，其中吸附法用的最多。1.吸附法：由于大多數(shù)動物細胞屬于附著細胞，它們在培養(yǎng)過程中趨向于附著固體表面。因此，吸附法特別適合于制備固定化動物細胞。主要載體及固定方法有：（1）轉(zhuǎn)瓶法：轉(zhuǎn)瓶是由玻璃或塑料制成。（2）微載體法：微載體是指直徑為100～200um，相對密度接近于1.0的顆粒固定化載體。它是由表面帶有電荷的葡聚糖、明膠、纖維素、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯或玻璃等材料制成的。（3）中空纖維法：中空纖維由聚丙烯、硅化聚碳酸脂等高分子聚合物制成。當前48頁，總共100頁。（二）動物細胞固定化2.包埋法：包埋法根據(jù)載體與方法不同，亦有凝膠包埋法和半透膜包埋法兩種。（1）凝膠包埋法：用于動物細胞固定化的凝膠主要有瓊脂糖凝膠、海藻酸鈣凝膠和血纖蛋白等。（2）半透膜包埋法：利用高分子聚合物形成的半透膜將動物細胞包埋，形成微囊形固定化動物細胞。當前49頁，總共100頁。三、輔酶的固定化

由于輔酶與酶的結(jié)合不牢固，必須考慮將輔酶固定化。

1.原因：

（1）有機輔因子中具有某些特殊的化學(xué)基團，參與酶的催化反應(yīng)；（2）有機輔因子在使用過程中要流失，并且不能自行再生；（3）有機輔因子價格昂貴——工業(yè)上應(yīng)用全酶的關(guān)鍵是有機輔因子的保留和再生。

2.固定化方法與酶相似，一般采用載體結(jié)合法和包埋法。如利用溴化氰法、碳二亞胺法以及重氮偶聯(lián)法等共價偶聯(lián)，或?qū)⑵溥M行適當?shù)幕瘜W(xué)修飾后固定在超濾器中。3.輔酶固定化必須解決輔酶在多個酶之間傳遞的障礙。當前50頁，總共100頁。輔酶NAD+在瓊脂糖凝膠上的固定化當前51頁，總共100頁。當前52頁，總共100頁。第二節(jié)化學(xué)酶工程一、酶分子的化學(xué)修飾二、模擬酶三、抗體酶四、印跡酶當前53頁，總共100頁。生物酶工程與化學(xué)酶工程1.生物酶工程

(1)采用基因重組技術(shù)，利用微生物、動植物細胞作為生物反應(yīng)器大量生產(chǎn)酶。(2)通過基因工程技術(shù)，使酶基因發(fā)生定位突變，產(chǎn)生遺傳性修飾酶(突變酶)。(3)設(shè)計新酶基因，合成自然界不曾有的新酶。2.化學(xué)酶工程(1)自然酶：是指由生物材料中分離出來的酶。

(2)化學(xué)修飾酶又稱“生物分子工程”：是通過對酶分子實行“手術(shù)”以達到改構(gòu)和改性的目的。(3)固定化酶：是將酶分子通過吸附、交聯(lián)、包埋及共價鍵結(jié)合束縛于某種特定支持物上而發(fā)揮酶的作用。具有能反復(fù)使用、產(chǎn)物易純化、可用微電腦控制，實行自動化連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點。(4)人工合成酶：模擬酶的催化功能，用化學(xué)方法合成具有專一性的催化劑。當前54頁，總共100頁。一、酶分子的化學(xué)修飾

通過各種方法可使酶分子結(jié)構(gòu)發(fā)生某些變化，從而改變酶的某些特性和功能的技術(shù)過程稱為酶分子的修飾。

通常把把改變酶蛋白一級結(jié)構(gòu)的過程稱為改造，把側(cè)鏈基團的共價變化稱為修飾。（一）酶分子化學(xué)修飾的定義：通過對主鏈的“切割”、“剪切”和側(cè)鏈基團的“化學(xué)修飾”對酶蛋白進行分子改造，以改變酶分子的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及生物活性，這種應(yīng)用化學(xué)方法對酶分子進行種種“手術(shù)”的技術(shù)，稱為酶分子的化學(xué)修飾。當前55頁，總共100頁。酶分子的化學(xué)修飾（二）酶分子修飾的意義1.改變活性部位的構(gòu)象；2.提高酶的生物活力（activity）；3.增強酶的穩(wěn)定性（stability）；4.降低或消除酶類藥物的抗原性（immunologicalproperty）；5.改變酶學(xué)性質(zhì)：研究和了解酶分子中主鏈、側(cè)鏈、組成單位、金屬離子和各種物理因素對酶分子空間構(gòu)象的影響（structure）。當前56頁，總共100頁。（三）酶化學(xué)修飾的原理、方法及修飾劑1.酶化學(xué)修飾的原理對酶分子進行修飾必須在修飾原理、修飾劑和反應(yīng)條件的選擇以及酶學(xué)性質(zhì)等方面都要有足夠的了解。（1）酶的穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性、酸堿穩(wěn)定性、作用溫度、pH、抑制劑等。（2）被修飾的酶：活性中心基團、輔因子等。其他如分子大小、性狀、亞基數(shù)等。（3）修飾條件的選擇：修飾反應(yīng)盡可能在酶穩(wěn)定條件下進行，并盡量不破壞酶活性功能的必需基團，使修飾率高，同時酶的活力回收高。①pH與離子強度：pH決定了酶蛋白分子中反應(yīng)基團的解離狀態(tài)。由于它們的解離狀態(tài)不同，反應(yīng)性能也不同。②修飾反應(yīng)的溫度與時間：嚴格控制溫度和時間可以減少以至消除一些非專一性的修飾反應(yīng)。③反應(yīng)體系中酶與修飾劑的比例：當前57頁，總共100頁。酶化學(xué)修飾的原理、方法及修飾劑（4）修飾劑的選擇：選擇修飾劑時要求具有較大的相對分子量，對蛋白質(zhì)的吸附具有良好的生物相容性和水溶性，修飾劑表面有較多的活性基團，還要考慮修飾劑上的反應(yīng)基團的活化方式和活化條件，以及修飾后酶活性的半衰期。修飾劑的選擇在很大程度上使依據(jù)修飾目的而定。修飾劑的大小也是選擇時要考慮的。當前58頁，總共100頁。酶化學(xué)修飾的原理、方法及修飾劑2.酶化學(xué)修飾的方法：（1）酶分子側(cè)鏈基團的化學(xué)修飾：①氨基的化學(xué)修飾：

來源：Lys,Arg,His,Gln。修飾反應(yīng)：?；c烷基化。酰基化修飾劑:

三硝基苯磺酸（TNBS）、丹磺酰氯（DNS）。烷基化修飾劑：2,4－二硝基氟苯（DNFB）、碘乙酸、碘乙酰胺、亞硝酸等。②羧基的化學(xué)修飾：

修飾羧基的反應(yīng)專一性較差。常用水溶性碳化二亞胺修飾天冬氨酸和谷氨酸?？啥繙y定酶分子中羧基的數(shù)目。當前59頁，總共100頁。酶化學(xué)修飾的原理、方法及修飾劑③巰基的化學(xué)修飾

來源：Cys修飾反應(yīng):烷基化修飾劑：碘乙酸(IAA)、碘乙酰胺(IAM)、N-乙基馬來酰亞胺(NEM)(常用的專一修飾巰基試劑)。④咪唑基的化學(xué)修飾來源：His

修飾反應(yīng):?；c烷基化酰基化修飾劑:常用焦碳酸二乙酯（diethylparacarbonate）；

烷基化修飾劑：碘乙酸。當前60頁，總共100頁。酶化學(xué)修飾的原理、方法及修飾劑⑤胍基的化學(xué)修飾來源：Arg修飾反應(yīng)：本質(zhì)上是羰基對氨基酰基化。修飾劑：二羰基化合物丁二酮、1,2－環(huán)己二酮、苯乙二醛。⑥吲哚基的化學(xué)修飾來源：Trp

修飾反應(yīng)：氧化反應(yīng)修飾劑：

N-溴代琥珀酰亞胺⑦酚羥基的化學(xué)修飾來源：Tyr修飾反應(yīng)：芳香環(huán)取代反應(yīng)

修飾劑：碘、硝化試劑（四硝基甲烷）⑧甲硫氨酸殘基的化學(xué)修飾：當前61頁，總共100頁。酶化學(xué)修飾的原理、方法及修飾劑（2）酶分子表面的化學(xué)修飾①聚乙二醇對酶的修飾：聚乙二醇(PEG)用得最多的是分子量在5000～20,000范圍內(nèi)的修飾劑，因為該類分子既能溶于水，又可以溶于大多數(shù)有機溶劑，是兩親分子，無免疫原和毒性，體內(nèi)不殘留。

實際使用過程中多采用單甲基聚乙二醇(MPEG)的衍生物。如MPEG均三嗪類、MPEG的琥珀酰亞胺類、MPEG氨基類衍生物。②右旋糖酐及右旋糖苷硫酸酯對酶的修飾：是由葡萄糖通過α-1,6-糖苷鍵形成的多糖，具有較好的水溶性和生物相容性，可作代血漿用。當前62頁，總共100頁。酶化學(xué)修飾的原理、方法及修飾劑③糖肽對酶的修飾：是纖維蛋白酶或蛋白水解酶降解纖維蛋白或球蛋白獲得。④具有生物活性的大分子對酶的修飾：常用的是肝素。是一種含硫酸酯的黏多糖。

⑤蛋白質(zhì)或其它大分子對酶的修飾：主要是血清蛋白質(zhì)。當前63頁，總共100頁。（四）修飾酶的化學(xué)性質(zhì)1.修飾酶的穩(wěn)定性得到提高；2.修飾酶的抗原性得到降低；3.修飾酶的最適pH值變化得更有應(yīng)用價值；4.修飾酶的動力學(xué)性質(zhì)：通常Km值改變。當前64頁，總共100頁。二、模擬酶第一節(jié)模擬酶概論第二節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略第三節(jié)模擬酶的分類和制備當前65頁，總共100頁。第一節(jié)模擬酶概論

模擬酶：根據(jù)酶的作用原理，用人工的方法合成的具有活性中心和催化作用的非蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的化合物。1.模擬酶的金屬輔基：模擬酶研究的重要內(nèi)容之一就是模擬酶分子中的金屬輔基的作用。2.模擬酶的活性功能基：模擬活性中心的幾個活性功能基團。3.模擬酶的高分子作用方式：利用高分子化合物作為模型化合物的骨架，引入活性功能基來模擬酶的高分子作用方式。4.模擬酶與底物的作用：利用合成的化合物來模擬酶的空間結(jié)構(gòu)。如冠醚化合物空穴。5.模擬酶的形狀：當前66頁，總共100頁。第二節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略1.模擬酶的酶學(xué)基礎(chǔ)酶的作用機制：過渡態(tài)理論模擬酶的設(shè)計：一方面基于酶的作用機制；另一方面要基于對簡化的人工體系中識別、結(jié)合和催化的研究。當前67頁，總共100頁。第二節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略2.超分子化學(xué)基礎(chǔ)

主-客體化學(xué)：主體和客體在結(jié)合部位的空間及電子排列的互補。

超分子：該分子形成源于底物和受體的結(jié)合，這種結(jié)合基于非共價鍵相互作用，當接受體與絡(luò)合離子或分子結(jié)合形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的實體，形成超分子。功能：分子識別、催化、選擇性輸出。當前68頁，總共100頁。第二節(jié)模擬酶的理論基礎(chǔ)和策略3.設(shè)計要點（1）設(shè)計前：

※

酶活性中心-底物復(fù)合物的結(jié)構(gòu)；

※

酶的專一性及其同底物結(jié)合方式的能力；

※

反應(yīng)的動力學(xué)及各中間物的知識。（2）設(shè)計中：

※

為底物提供良好的微環(huán)境；

※

催化基團必須相對于結(jié)合點盡可能同底物的功能團相接近；

※

應(yīng)具有足夠的水溶性，并在接近生理條件下保持其催化活性。當前69頁，總共100頁。第三節(jié)模擬酶的分類和制備一.根據(jù)Kirby分類法1.單純酶模型：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.機理酶模型：通過對酶作用機制諸如識別、結(jié)合和過渡態(tài)穩(wěn)定化的認識，來指導(dǎo)酶模型的設(shè)計和合成。3.單純合成的酶樣化合物：化學(xué)合成的具有酶樣催化活性的簡單分子。二.按照模擬酶的屬性①主-客體酶模型；②膠束酶模型；③肽酶；④抗體酶；⑤分子印跡酶模型；⑥半合成酶。當前70頁，總共100頁。膠束酶模型當前71頁，總共100頁。水解酶模型模擬唯鐵氫化酶模型當前72頁，總共100頁。三、抗體酶（一）抗體酶的概念：

抗體酶（abzyme）又稱催化抗體（catalyticantibody），是指通過一系列化學(xué)與生物技術(shù)方法制備出的具有催化活性的抗體，它除了具有相應(yīng)免疫學(xué)性質(zhì)，還類似于酶，能催化某種活化反應(yīng)。將這類具催化能力的免疫球蛋白稱為催化抗體，即抗體酶。它是利用現(xiàn)代生物學(xué)、化學(xué)的理論與技術(shù)交叉研究的成果，是一種對其可變區(qū)賦予了酶的屬性的具有催化功能的抗體分子，是抗體的高度選擇性和酶的高效催化能力巧妙結(jié)合的產(chǎn)物。當前73頁，總共100頁?？贵w與酶的異同※相同點：都是蛋白質(zhì)，都有特異性?！煌c：（1）抗體無催化活力，酶有催化活力。（2）本質(zhì)差別：酶是能與反應(yīng)過渡態(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才產(chǎn)生，種類無限。當前74頁，總共100頁。（二）抗體酶的催化特性

1.抗體酶的理論基礎(chǔ)

過渡態(tài)理論認為，酶與底物的結(jié)合經(jīng)歷了一個易于形成產(chǎn)物的過渡態(tài)，實際上是降低了反應(yīng)所需的活化能。當前75頁，總共100頁。（二）抗體酶的催化特性利用抗體能與抗原特異結(jié)合的原理，以過渡態(tài)類似物作為半抗原來誘導(dǎo)與其互補構(gòu)象的抗體，使其具有催化活性;這樣產(chǎn)生的抗體能特異地識別反應(yīng)過程中真正的過渡分子，可觀察到抗體催化相應(yīng)底物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低反應(yīng)的活化能達到催化反應(yīng)的目的。當前76頁，總共100頁。2.抗體酶的特點（1）與天然酶相比抗體酶的特點

①能催化一些天然酶不能催化的反應(yīng)：②有更強的專一性和穩(wěn)定性：催化抗體作為一種具有酶和抗體雙重功能的新型生物大分子，用作分子識別元件，具有優(yōu)于酶和抗體的突出特點。③催化作用機制不同：目前不太清楚。當前77頁，總共100頁。（2）抗體酶和非催化性抗體作用的比較①更高的反應(yīng)特異性：②反應(yīng)的可逆性：③反應(yīng)的量效關(guān)系：抗原與抗體結(jié)合需要比例合適，任何一種過多都不利于反應(yīng)；抗體酶與底物結(jié)合，在其它條件均合適的情況下，增加抗體濃度顯著加速酶反應(yīng)。④反應(yīng)過程：均可分為結(jié)合階段和反應(yīng)階段。第一階段無差別，第二階段抗體酶催化底物分解，底物分子有變化。當前78頁，總共100頁。（三）抗體酶的催化機理（1）過渡態(tài)理論與抗體酶：（2）抗體酶催化的三種重要反應(yīng)機制

①水解作用機制：②基團轉(zhuǎn)移：③連續(xù)反應(yīng)機制：（3）抗體酶催化反應(yīng)的介質(zhì)效應(yīng)①酯解反應(yīng)中介質(zhì)效應(yīng)：抗體酶在有機溶劑中具穩(wěn)定性。②脫羧反應(yīng)中介質(zhì)效應(yīng)：有機溶劑引起脫羧反應(yīng)速率增加。③?；D(zhuǎn)移反應(yīng)中介質(zhì)效應(yīng)：在疏水溶劑中，活性較高。當前79頁，總共100頁。（四）抗體酶催化反應(yīng)的類型1.轉(zhuǎn)?；磻?yīng):2.水解反應(yīng):3.Claisen重排反應(yīng):烯丙基醚在高溫下重排成鄰烯丙基酚的反應(yīng)。4.酰胺合成反應(yīng):5.Diels-Alder反應(yīng):又名雙烯加成，由共軛雙烯與烯烴或炔烴反應(yīng)生成六元環(huán)的反應(yīng)，是有機化學(xué)合成反應(yīng)中非常重要的碳碳鍵形成的手段之一，也是現(xiàn)代有機合成里常用的反應(yīng)之一。6.轉(zhuǎn)酯反應(yīng):7.光誘導(dǎo)反應(yīng):8.氧化還原反應(yīng):9.脫羧反應(yīng):10.順反異構(gòu)化反應(yīng):當前80頁，總共100頁。（五）抗體酶的制備方法

將抗體轉(zhuǎn)變?yōu)槊缚赏ㄟ^誘導(dǎo)法、拷貝法、引入法、化學(xué)修飾法等途徑。

1.誘導(dǎo)法是利用反應(yīng)過渡態(tài)類似物為半抗原制作單克隆抗體，篩選出具高催化活性的單抗即抗體酶。2.拷貝法主要根據(jù)抗體生成過程中抗原-抗體互補性來設(shè)計的。

3.引入法則借助基因工程和蛋白質(zhì)工程將催化基因引入到特異抗體的抗原結(jié)合位點上，使其獲得催化功能。

4.化學(xué)修飾法對抗體進行化學(xué)修飾，使抗體與催化基團相連。當前81頁，總共100頁。（六）抗體酶的應(yīng)用前景1.將不可能發(fā)生的反應(yīng)變?yōu)榭赡埽?.使苛刻條件下的反應(yīng)變?yōu)闇睾蜅l件下的反應(yīng)；3.可選擇性的催化平行反應(yīng)中的某一反應(yīng)，大大增加產(chǎn)品的產(chǎn)率；4.用于快速分析氨基酸序列；5.用病毒蛋白水解過程中的過渡肽類似物誘導(dǎo)抗體酶，可作為藥學(xué)上的接種疫苗；6.指導(dǎo)未知酶的尋找；7.抗體酶在幫助戒毒方面的應(yīng)用：用人工抗體酶的被動免疫也許能阻斷可卡因上癮，達到戒毒目的；8.抗體酶用于腫瘤治療：目前正在發(fā)展一種稱為抗體介導(dǎo)前藥治療（ADEPT）技術(shù)，即將能水解前藥【前藥(prodrug)是指由具有生物活性的藥物經(jīng)化學(xué)修飾后轉(zhuǎn)變?yōu)轶w外無活性的化合物?！酷尫懦瞿[瘤細胞毒劑的酶和腫瘤專一性抗體相偶聯(lián)，這樣酶就會通過和腫瘤結(jié)合的抗體而存在于細胞的表面?？贵w酶就會將前藥迅速水解釋放出抗腫瘤藥物，從而提高腫瘤細胞局部藥物濃度，增強對腫瘤的殺傷力，達到提高腫瘤化療效果的目的。當前82頁，總共100頁。印跡酶1．分子印跡概念：

制備對某一化合物具有選擇性的聚合物的過程。當前83頁，總共100頁。印跡酶2．分子印跡技術(shù)過程：（1）選定印跡分子和功能單體，使二者發(fā)生互補反應(yīng)；（2）在印跡分子-單體復(fù)合物周圍發(fā)生聚合反應(yīng)；（3）用抽提法從聚合物中除掉印跡分子。3．分子印跡酶：（1）通過分子印跡技術(shù)可以產(chǎn)生類似于酶的活性中心的空腔，對底物產(chǎn)生有效的結(jié)合作用，并可以在結(jié)合部位的空腔內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生催化基團，并與底物定向排列。（2）性質(zhì)：遵循米氏方程，催化活力依賴反應(yīng)速度常數(shù)。當前84頁，總共100頁。印跡酶4.表面分子印跡：（1）無機物為載體的表面印跡：（2）固體材料的表面修飾：（3）蛋白質(zhì)的表面印跡：當前85頁，總共100頁。第三節(jié)生物酶工程一、酶基因的克隆和表達二、酶分子的改造三、融合酶當前86頁，總共100頁。一、酶