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1、第六章 酶工程制药本章重点本章重点: : 产酶菌的要求；产酶菌的要求； 酶和细胞的固定化；酶和细胞的固定化； 本章难点：酶的人工模拟；本章难点：酶的人工模拟； 酶的化学修饰；酶的化学修饰； 有机相的酶反应。有机相的酶反应。“绿色健康，绿色健康，“酶酶”力无限力无限医药、洗涤剂、纺织、淀粉制糖、发酵、酒精、食品（包括果蔬汁、啤酒酿造、谷物食品、蛋白水解、和功能食品以及食用油脂）、饲料、皮革、造纸和化工等工业领域 第一节 概述一、酶工程简介一、酶工程简介一、酶工程简介一、酶工程简介 酶工程酶工程酶工程酶工程是酶学和工程学相互渗透结合发展而形成是酶学和工程学相互渗透结合发展而形成是酶学和工程学相互渗
2、透结合发展而形成是酶学和工程学相互渗透结合发展而形成一门新的技术学科。它是从应用的目的出发研究一门新的技术学科。它是从应用的目的出发研究一门新的技术学科。它是从应用的目的出发研究一门新的技术学科。它是从应用的目的出发研究酶、应用酶的特异性催化功能，并通过工程化将酶、应用酶的特异性催化功能，并通过工程化将酶、应用酶的特异性催化功能，并通过工程化将酶、应用酶的特异性催化功能，并通过工程化将相应原料转化成有用物质的技术。相应原料转化成有用物质的技术。相应原料转化成有用物质的技术。相应原料转化成有用物质的技术。n n二、酶的来源二、酶的来源n n目前工业生产酶制剂一般都以微生物为主要来源，目前工业生产
3、酶制剂一般都以微生物为主要来源，原因：原因：n n1.1.微生物种类多，酶的品种齐全微生物种类多，酶的品种齐全n n2.2.微生物生长繁殖快，生产周期短，产量高微生物生长繁殖快，生产周期短，产量高n n3.3.培养方法简单，原料来源丰富，价格低廉，经培养方法简单，原料来源丰富，价格低廉，经济效益高，可通过控制控制培养基来提高酶的产济效益高，可通过控制控制培养基来提高酶的产量。量。n n4.4.微生物具有较强的适应性和应变能力。可通过微生物具有较强的适应性和应变能力。可通过各种遗传变异的手段，培育出新的高产菌株。各种遗传变异的手段，培育出新的高产菌株。n n故目前工业上应用的酶大多采用微生物发酵
4、法来故目前工业上应用的酶大多采用微生物发酵法来生产。生产。三、酶的生产菌种n n1.1.对菌种的要求对菌种的要求n n一个优良的菌种应具备以下几点要求：一个优良的菌种应具备以下几点要求：n n（1 1）繁殖快、产酶量高、酶的性质应符合使用要求，）繁殖快、产酶量高、酶的性质应符合使用要求，最好是产胞外酶的菌；最好是产胞外酶的菌；n n（2 2）不是病原菌，也不产生有毒物质；）不是病原菌，也不产生有毒物质；n n（3 3）产酶性能稳定，不易变异退化，不易感染噬菌）产酶性能稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体；体；n n（4 4）能利用廉价的原料，发酵周期短，易于培养。）能利用廉价的原料，发酵周期短，
5、易于培养。n n2.2.生产菌的来源（了解）生产菌的来源（了解）n n生产菌种可从有关保藏机构获得，但大部分是从生产菌种可从有关保藏机构获得，但大部分是从自然界中分离筛选得来的。自然界中分离筛选得来的。n n筛选的主要步骤：筛选的主要步骤：n n菌样采集菌样采集 菌种的分离初筛菌种的分离初筛 纯化纯化 复筛复筛 生产性能鉴定生产性能鉴定n n通过遗传学原理改良菌种的基本途径有：通过遗传学原理改良菌种的基本途径有：基因突基因突变、基因转移和基因克隆。变、基因转移和基因克隆。n n3.3.目前常用的产酶微生物目前常用的产酶微生物 工业上应用最广泛的产酶菌有：工业上应用最广泛的产酶菌有： 大肠杆菌大
6、肠杆菌、枯草芽孢杆菌。枯草芽孢杆菌。n n四、酶在医药领域的应用（了解）四、酶在医药领域的应用（了解）n n1.1.在疾病诊断方面的应用在疾病诊断方面的应用n n包括两个方面：包括两个方面：根据体内酶活力的变化来诊断根据体内酶活力的变化来诊断疾病；疾病；用酶测定体液中某些物质的量诊断疾病。用酶测定体液中某些物质的量诊断疾病。n n2.2.在疾病治疗方面：酶作为药物作用于人体具有在疾病治疗方面：酶作为药物作用于人体具有种类多、用量少、纯度高的特点。种类多、用量少、纯度高的特点。n n3.3.在药物生产方面的应用：利用酶的催化作用将在药物生产方面的应用：利用酶的催化作用将前体物质转化为药物。前体物
7、质转化为药物。n n4.4.在分析检测方面的应用：是以酶的专一性为基在分析检测方面的应用：是以酶的专一性为基础、以酶作用后物质的变化为依据来进行的。础、以酶作用后物质的变化为依据来进行的。第二节 酶的固定化一、什么是固定化酶？一、什么是固定化酶？水溶性酶水溶性酶水不溶性载体水不溶性载体固定化技术固定化技术水不溶性酶水不溶性酶（固定化酶）（固定化酶）n固定化酶固定化酶：是被固定在某一有限空间内不再能自是被固定在某一有限空间内不再能自 由流动而仍有催化活性的酶。由流动而仍有催化活性的酶。n n 优点：优点：不溶于水，易于与产物分离；不溶于水，易于与产物分离；可反复使用，反应易于控制；可反复使用，反
8、应易于控制；可连续化生产；可连续化生产；稳定性好。稳定性好。n n缺点：缺点：n n固定化过程中往往会引起酶的失活。固定化过程中往往会引起酶的失活。n n 增加了生产的成本增加了生产的成本n n 只能用于水溶性底物，而且较适用于小分子底物只能用于水溶性底物，而且较适用于小分子底物n n 胞内酶必须经过酶的分离纯化过程胞内酶必须经过酶的分离纯化过程n n 不适宜用于多酶反应不适宜用于多酶反应酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法 酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法 载体结合法载体结合法载体
9、结合法载体结合法载体结合法载体结合法 交联法交联法交联法交联法交联法交联法 包埋法包埋法包埋法包埋法包埋法包埋法 网格型网格型网格型网格型网格型网格型 微囊型微囊型微囊型微囊型微囊型微囊型物理吸附法物理吸附法物理吸附法物理吸附法物理吸附法物理吸附法 离子结合法离子结合法离子结合法离子结合法离子结合法离子结合法 共价结合法共价结合法共价结合法共价结合法共价结合法共价结合法 热处理（细胞）热处理（细胞）热处理（细胞）热处理（细胞）热处理（细胞）热处理（细胞）酶和细胞固定化模式酶和细胞固定化模式酶和细胞固定化模式酶和细胞固定化模式（1）载体结合法酶被吸附于惰性的固相载体或离子交换剂。根据酶被吸附于惰
10、性的固相载体或离子交换剂。根据酶分子与载体吸附的性质有酶分子与载体吸附的性质有物理吸附物理吸附、离子吸附离子吸附和和共价结合共价结合三种。三种。n物理吸附法n 使用对酶蛋白有高度吸附能力的硅胶、活性炭，氧化铝、高岭土、石英沙、火棉胶、多孔玻璃等在一定条件下与水溶酶作用制得。n 这些具有吸附能力的物质就叫做载体。优点：操作简单，反应条件温和，酶活力损失少，载体可反复使用。缺点：易引起蛋白质表面变性，且由于结合力 弱，当反应液的pH值、离子强度、温度、底物浓度等发生变化时，会导致酶易从载体上部分或全部脱落。n离子结合法n利用含有离子交换基团的固相载体（如具有交换基团的葡聚糖凝胶或纤维素）与酶蛋白分
11、子的带电基团互相吸引（靠离子链）而形成络合物。优点：制作简单，处理条件缓和，酶蛋白的活性中心和高级结构破坏较少，可以制得活力较高的固定化酶。缺点：离子键结合较松散，如在高离子强度下进行反应时，酶与载体易分开。第一个离子结合法固定化酶：第一个离子结合法固定化酶：第一个离子结合法固定化酶：第一个离子结合法固定化酶：DEAE DEAE DEAE DEAE Cellulose Cellulose Cellulose Cellulose固定化过氧化氢酶固定化过氧化氢酶固定化过氧化氢酶固定化过氧化氢酶第一个工业化的固定化酶：第一个工业化的固定化酶：第一个工业化的固定化酶：第一个工业化的固定化酶：DEAE-
12、DEAE-DEAE-DEAE-SephadexSephadexSephadexSephadex A-50 A-50 A-50 A-50固定化氨基酰化酶固定化氨基酰化酶固定化氨基酰化酶固定化氨基酰化酶共价结合法共价结合法 酶蛋白的酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成非必需基团通过共价键和载体形成不可逆不可逆的连接。一般在温和条件下能参与偶联的蛋白质基的连接。一般在温和条件下能参与偶联的蛋白质基团包括：游离羧基（包括肽链团包括：游离羧基（包括肽链C-C-末端的末端的-羧基等）、羧基等）、游离氨基（如肽链游离氨基（如肽链N-N-末端的末端的-氨基）等。氨基）等。优点：优点：此法制得的固定化酶，酶分
13、子和载体间的此法制得的固定化酶，酶分子和载体间的共价键较牢固，在介质组成发生改变和进行反应共价键较牢固，在介质组成发生改变和进行反应时，都不会造成酶的脱落，因而可以反复使用。时，都不会造成酶的脱落，因而可以反复使用。缺点：缺点：制取固定酶较复杂，反应条件比较剧烈，制取固定酶较复杂，反应条件比较剧烈，所以要制得酶活力很高的固定化酶较为困难。所以要制得酶活力很高的固定化酶较为困难。制作方法：有重氮化法、烷基化和芳基化法、肽制作方法：有重氮化法、烷基化和芳基化法、肽法和戊二醛法等。法和戊二醛法等。（2）交联法依靠双功能基团的试剂，使酶蛋白分子之间发生交依靠双功能基团的试剂，使酶蛋白分子之间发生交联，
14、凝集成网状结构而成为固定化酶，最常用的双联，凝集成网状结构而成为固定化酶，最常用的双功能试剂有功能试剂有戊二醛、顺丁稀二酸酐和乙烯共聚物等。戊二醛、顺丁稀二酸酐和乙烯共聚物等。那么酶蛋白中的游离氨基、酚基、咪唑基及巯基均那么酶蛋白中的游离氨基、酚基、咪唑基及巯基均可参与交连反应。可参与交连反应。双功能试剂：双功能试剂：常用的是常用的是戊二醛戊二醛 O OH C CH2 CH2 CH2 C H使用戊二醛的酶固定化的交联方式： 酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价结合结合酶分子；酶分子；(a(a）酶分子之间用双功能基团的化学交联试剂相互交联成水不溶性的固定化
15、酶；酶分子之间用双功能基团的化学交联试剂相互交联成水不溶性的固定化酶；（b b）酶分子被酶分子被结合结合到水不溶性载体上形成水不溶性的固定化酶到水不溶性载体上形成水不溶性的固定化酶（3 3 3 3）包埋法）包埋法）包埋法）包埋法 将酶包埋在凝胶的微小空格内或埋于半透膜的微型胶束内，但底物仍能渗入到里面与酶接触。 微胶囊包埋法微胶囊包埋法将酶包埋在半透性聚合体膜内，形成的直径为将酶包埋在半透性聚合体膜内，形成的直径为1100um1100um。例如，天门冬酰胺酶（。例如，天门冬酰胺酶（asparaginaseasparaginase) )就是就是用这种方法作成微胶囊。用这种方法作成微胶囊。胶格包埋
16、法首先被采用的胶格包埋法是首先被采用的胶格包埋法是： 固定化胰蛋白酶固定化胰蛋白酶 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 淀粉酶淀粉酶Enzyme+N, N-甲叉双甲叉双丙稀酰胺丙稀酰胺, 丙稀酰胺丙稀酰胺引发剂引发剂inactiationn优点：利用此法制得的固定化酶，由于酶分子仅仅是被包埋起来，而未受到化学作用。酶蛋白几乎不起变化，可适用与多种不溶酶的制备。n缺点：酶被包埋在内部，对大分子底物很难发生催化作用。所以用包埋法制备的酶，一般只适用与小分子底物。n n二、固定化细胞二、固定化细胞n n1.1.定义定义：将细胞限制或定位于特定空间位置的：将细胞限制或定位于特定空间位置的方法。方法。n n被限制或定位于特定空间位置的细胞称为被限制或定位于特定空间位置的细胞称为固定固定化细胞。化细胞。2.2.固定化细胞的特点固定化细胞的特点优点优点（1 1）无需进行酶的分离纯化）无需进行酶的分离纯化n n （2 2）细胞保持酶的原始状态，固定化过程中酶可）细胞保持酶的原始状态，固定化过程中酶可回收；回收；n n （3 3）细胞内酶比固定化酶稳定性更高；）细胞内酶比固定化酶稳定性更高；n n （4 4）细胞内酶
