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1、 酶分子化学修饰酶分子化学修饰在体外将酶分子通过人工的方法与一在体外将酶分子通过人工的方法与一些化学物质，特别是一些有生物相容性些化学物质，特别是一些有生物相容性的物质进行共价连接，从而改变酶的结的物质进行共价连接，从而改变酶的结构和性质。这些化学物质称为修饰试剂，构和性质。这些化学物质称为修饰试剂，酶化学修饰主要用于基础酶学的研究和酶化学修饰主要用于基础酶学的研究和疾病治疗。疾病治疗。酶化学修饰的应用领域酶化学修饰的应用领域=在基础酶学研究上在基础酶学研究上4探测酶活性必需氨基酸的性质和数目探测酶活性必需氨基酸的性质和数目4酶蛋白一级结构的测定酶蛋白一级结构的测定4酶蛋白的结构变化与运动酶蛋
2、白的结构变化与运动4酶蛋白部分区域的构象状态酶蛋白部分区域的构象状态4酶的作用机理与催化反应历程酶的作用机理与催化反应历程4酶分子的拓扑学以及寡聚酶的亚基结合状态酶分子的拓扑学以及寡聚酶的亚基结合状态4酶的固定化技术酶的固定化技术4酶纯度的分析与检测酶纯度的分析与检测=在疾病治疗上在疾病治疗上4克服酶在体内的不稳定性克服酶在体内的不稳定性 4消除或降低酶的抗原性消除或降低酶的抗原性4有助于酶分子到达并集中于病灶部位有助于酶分子到达并集中于病灶部位=在工业上的应用在工业上的应用4酶稳定性提高，使生产成本降低酶稳定性提高，使生产成本降低4反应条件的改善和酶寿命的延长导致生反应条件的改善和酶寿命的延
3、长导致生产工艺的技术革新和改进。产工艺的技术革新和改进。大多数的化学修饰的目的在大多数的化学修饰的目的在于人为地改变天然酶的某些性质，于人为地改变天然酶的某些性质，创造天然酶所不具备的某些优良创造天然酶所不具备的某些优良特性甚创造出新的活性，扩大酶特性甚创造出新的活性，扩大酶的应用范围。的应用范围。酶经过修饰后，会产生各种各样酶经过修饰后，会产生各种各样的变化，概括起来有：的变化，概括起来有：提高生物活性（包括某些在修提高生物活性（包括某些在修饰后对效应物的反应性能改变）饰后对效应物的反应性能改变）增强在不良环境中的稳定性；增强在不良环境中的稳定性；针对特异性反应降低生物识别能针对特异性反应降
4、低生物识别能力，解除免疫原性；力，解除免疫原性；产生新的催化能力。产生新的催化能力。主要内容主要内容第一节第一节 酶分子的化学修饰方法酶分子的化学修饰方法第二节第二节 酶化学修饰的基本要求酶化学修饰的基本要求第三节第三节 修饰酶的化学性质修饰酶的化学性质 酶的化学修饰的基本原理酶的化学修饰的基本原理大量研究表明，酶分子表面外形大量研究表明，酶分子表面外形的不规则、各原子间极性和电荷的不的不规则、各原子间极性和电荷的不同、各氨基酸残基间相互作用等使酶同、各氨基酸残基间相互作用等使酶分子结构的局部形成了一种包含了酶分子结构的局部形成了一种包含了酶活性部位的微环境，不管这种微环境活性部位的微环境，不
5、管这种微环境是极性的还是非极性的，都直接影响是极性的还是非极性的，都直接影响到酶活性部位氨基酸残基的电离状态，到酶活性部位氨基酸残基的电离状态，并为活性部位发挥催化作用提供合适并为活性部位发挥催化作用提供合适的条件。的条件。但天然酶分子中的这种微环境但天然酶分子中的这种微环境是可以通过人为的方法进行适当的是可以通过人为的方法进行适当的改造，通过对酶分子的侧链基团、改造，通过对酶分子的侧链基团、酶分子的功能基团等进行化学修饰酶分子的功能基团等进行化学修饰或改造，就可以获得结构或性能更或改造，就可以获得结构或性能更合理的修饰酶。合理的修饰酶。酶经过化学修饰后，除了能减少酶经过化学修饰后，除了能减少
6、由于内部平衡力被破坏而引起的酶分由于内部平衡力被破坏而引起的酶分子伸展打开外，还可能会在酶分子的子伸展打开外，还可能会在酶分子的表面形成一层表面形成一层“缓冲外壳缓冲外壳”，能在一，能在一定程度上抵御外界环境的电荷、极性定程度上抵御外界环境的电荷、极性等变化对酶分子的影响，进而维持酶等变化对酶分子的影响，进而维持酶活性部位微环境的相对稳定，使酶分活性部位微环境的相对稳定，使酶分子能在更广泛的条件下发挥作用。子能在更广泛的条件下发挥作用。酶化学修饰的基本原则都是酶化学修饰的基本原则都是充分利用化学修饰剂所具有的各充分利用化学修饰剂所具有的各类化学基团的特性，或直接或间类化学基团的特性，或直接或间
7、接地经过一定的活化过程与酶分接地经过一定的活化过程与酶分子中的某种氨基酸残基（通常选子中的某种氨基酸残基（通常选择非酶活必需基团）产生化学反择非酶活必需基团）产生化学反应，从而对酶分子的结构进行改应，从而对酶分子的结构进行改造。造。在酶的化学修饰过程中需要在酶的化学修饰过程中需要涉及被修饰酶、修饰剂的性质以涉及被修饰酶、修饰剂的性质以及修饰反应条件的选择。及修饰反应条件的选择。一般在开始设计酶化学修饰反应时须对被一般在开始设计酶化学修饰反应时须对被修饰酶的活性部位、稳定条件、侧链基团性质修饰酶的活性部位、稳定条件、侧链基团性质等应尽可能全面掌握。等应尽可能全面掌握。在此基础上选择合适的化学修饰
8、剂进行化在此基础上选择合适的化学修饰剂进行化学修饰，在选择化学修饰剂时，除了需要考虑学修饰，在选择化学修饰剂时，除了需要考虑修饰剂的种类、修饰剂上的反应基团的数目和修饰剂的种类、修饰剂上的反应基团的数目和位置以及修饰剂上反应基团的活化方法和条件位置以及修饰剂上反应基团的活化方法和条件以外，还需要考虑修饰剂的分子量等其它可能以外，还需要考虑修饰剂的分子量等其它可能会影响修饰反应的因素。会影响修饰反应的因素。值得注意的是酶的修饰反应值得注意的是酶的修饰反应一般总是尽可能在酶稳定的条件一般总是尽可能在酶稳定的条件下进行，需要尽可能少破坏酶活下进行，需要尽可能少破坏酶活性功能的必需基团，以提高酶和性功
9、能的必需基团，以提高酶和修饰剂的结合率和酶活回收率。修饰剂的结合率和酶活回收率。酶的化学修饰反应条件主要包括酶的化学修饰反应条件主要包括体系中酶与修饰剂的分子比例、体系中酶与修饰剂的分子比例、反应体系（包括溶剂性质、盐浓反应体系（包括溶剂性质、盐浓度以及度以及pHpH等）等）反应温度和时间等反应温度和时间等一般来说，修饰反应条件随酶的性质、一般来说，修饰反应条件随酶的性质、修饰剂的种类、修饰反应的类型等的不同修饰剂的种类、修饰反应的类型等的不同而不同，一个合适的修饰反应需要由大量而不同，一个合适的修饰反应需要由大量的实验来予以确定。的实验来予以确定。第一节第一节 酶分子的化学修饰方法酶分子的化
10、学修饰方法酶分子的化学修饰方法酶分子的化学修饰方法酶的表面修饰酶的表面修饰酶分子的内部修饰酶分子的内部修饰与辅因子相关的修饰与辅因子相关的修饰金属酶的金属取代金属酶的金属取代酶的表面修饰酶的表面修饰化学固定化化学固定化酶的小分子修饰作用酶的小分子修饰作用酶的大分子修饰作用酶的大分子修饰作用 大分子非共价修饰大分子非共价修饰 大分子共价修饰大分子共价修饰分子内交联分子内交联分子间交联分子间交联脂质体包埋脂质体包埋反相胶团微囊化：反相胶团微囊化：酶的表面修饰酶的表面修饰（一）化学固定化（一）化学固定化 一般是直接通过酶表面的氨基酸残一般是直接通过酶表面的氨基酸残基将酶分子共价连接到惰性载体上；由基
11、将酶分子共价连接到惰性载体上；由于载体的引入，使酶所处的微环境发生于载体的引入，使酶所处的微环境发生改变，进而改变了酶的性质，特别是动改变，进而改变了酶的性质，特别是动力学性质发生了改变。力学性质发生了改变。（二）酶的小分子修饰作用（二）酶的小分子修饰作用主要是利用一些小分子修饰试剂，通主要是利用一些小分子修饰试剂，通过共价结合来修饰酶的一些基团（如过共价结合来修饰酶的一些基团（如-COO-COO-、-NH3+-NH3+、-SH-SH、-OH-OH、咪唑基等），、咪唑基等），提高酶的稳定性。常用的小分子修饰试剂提高酶的稳定性。常用的小分子修饰试剂有乙基、糖基和甲基等。有乙基、糖基和甲基等。酶的
12、表面修饰酶的表面修饰（三）酶的大分子修饰作用（三）酶的大分子修饰作用 非共价修饰非共价修饰 共价修饰共价修饰大分子非共价修饰大分子非共价修饰利用一些大分子试剂通过与酶非共价相互利用一些大分子试剂通过与酶非共价相互作用，对酶进行有效的保护作用，对酶进行有效的保护例如聚乙二醇、右旋糖苷等通过氢键固定例如聚乙二醇、右旋糖苷等通过氢键固定于酶分子的表面，同时又有效地与外部水相连，于酶分子的表面，同时又有效地与外部水相连，从而保护酶的活力；一些多元醇、多糖、多聚从而保护酶的活力；一些多元醇、多糖、多聚氨基酸、多胺等能通过调节酶的微环境来保护氨基酸、多胺等能通过调节酶的微环境来保护酶活力；另外一些蛋白质可
13、以通过相互作用，酶活力；另外一些蛋白质可以通过相互作用，排除分子表面的水分子，降低介电常数，使酶排除分子表面的水分子，降低介电常数，使酶的稳定性增加。的稳定性增加。大分子共价修饰大分子共价修饰：利用一些可溶性大分子，通过共价利用一些可溶性大分子，通过共价键连接于酶分子的表面，形成一层覆盖键连接于酶分子的表面，形成一层覆盖层，形成的可溶性酶具有许多有用的性层，形成的可溶性酶具有许多有用的性质。例如用聚乙二醇共价修饰超氧化物质。例如用聚乙二醇共价修饰超氧化物歧化酶（歧化酶（SODSOD），不仅可以降低或消除酶），不仅可以降低或消除酶的抗原性，而且提高了抗蛋白酶的能力，的抗原性，而且提高了抗蛋白酶的
14、能力，延长了半衰期，从而提高了药效。延长了半衰期，从而提高了药效。（四）分子内交联（四）分子内交联增加酶分子表面的交联键数增加酶分子表面的交联键数目是提高酶稳定性的有效方法之目是提高酶稳定性的有效方法之一，例如胰凝乳蛋白酶上的羧基一，例如胰凝乳蛋白酶上的羧基经过羰二亚胺活化后，可以与一经过羰二亚胺活化后，可以与一系列二胺发生作用，使酶的稳定系列二胺发生作用，使酶的稳定性得到改善。性得到改善。（五）分子间交联（五）分子间交联利用一些双功能或多功能试剂将不同的利用一些双功能或多功能试剂将不同的酶交联在一起形成杂化酶。例如用戊二酶交联在一起形成杂化酶。例如用戊二醛把胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶交联在一醛把
15、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶交联在一起，可以降低胰凝乳蛋白酶的自溶性；起，可以降低胰凝乳蛋白酶的自溶性；将胰蛋白酶与碱性磷酸脂酶交联形成的将胰蛋白酶与碱性磷酸脂酶交联形成的杂化酶可作为部分代谢途径的模型。杂化酶可作为部分代谢途径的模型。（六）脂质体包埋（六）脂质体包埋一些医药用酶，如一些医药用酶，如 SODSOD、溶菌酶等，、溶菌酶等，由于分子量较大，不易进入人体细胞内，由于分子量较大，不易进入人体细胞内，而且在体内半衰期短，产生免疫原性反应；而且在体内半衰期短，产生免疫原性反应；用脂质体包埋法纪可解决这些问题。脂质用脂质体包埋法纪可解决这些问题。脂质体是天然脂类或类固醇组成的体是天然脂类或类固醇组
16、成的 微球体，微球体，酶分子包埋在其内部，可以通过与细胞膜酶分子包埋在其内部，可以通过与细胞膜的融合或内吞作用而进入细胞内。的融合或内吞作用而进入细胞内。（七）反相胶团微囊化（七）反相胶团微囊化近年来发展起来的酶在有剂相中进行催近年来发展起来的酶在有剂相中进行催化的技术，反相胶团中酶的稳定性大大化的技术，反相胶团中酶的稳定性大大提高。提高。一些表面活性剂溶解在非极性有机溶剂一些表面活性剂溶解在非极性有机溶剂中时可自发地形成近似球状的反相胶团，中时可自发地形成近似球状的反相胶团，反相胶团是表面活性剂的疏水尾部朝外反相胶团是表面活性剂的疏水尾部朝外而极性头部朝内的微胶团，其内部可容而极性头部朝内的微胶团，其内部可容纳一定量的水，酶溶解在其中避免变性。纳一定量的水，酶溶解在其中避免变性。加加H2O 疏水尾部疏水尾部 亲水头部亲水头部 加酶液加酶液 S PEEE 图：反相胶团的结构和酶的分布图：反相胶团的结构和酶的分布酶分子的内部修饰酶分子的内部修饰 非催化活性基团的修饰非催化活性基团的修饰 酶蛋白主链的修饰酶蛋白主链的修饰 催化活性基团的修饰催化活性基团的修饰 肽链伸展后的修饰肽链伸展后的修
