生物技術(shù)制藥酶工程制藥

1、生物技術(shù)制藥-07第七章 酶工程制藥/生物技術(shù)制藥酶工程制藥第七章 酶工程制藥第一節(jié) 概述第二節(jié) 酶的來源和生產(chǎn)第三節(jié) 酶和細胞的固定化第四節(jié) 固定化酶和固定化細胞的反應器第五節(jié) 酶工程在醫(yī)藥工業(yè)中的應用第六節(jié) 酶工程研究的進展/生物技術(shù)制藥酶工程制藥第一節(jié) 概述一、酶的特性酶、酶促反應的定義酶除具有一般催化劑的共性外，還有其特有的特點：催化效率高；專一性強；反應條件溫和；酶的催化活性受到調(diào)節(jié)和控制。 1961年按酶所催化的反應類型將酶分成6大類：氧化還原酶類； 轉(zhuǎn)移酶類； 水解酶類；裂合酶類； 異構(gòu)酶類；合成酶（或稱連接酶）類。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥二、酶工程簡介酶工程是酶學和工程學相互滲

2、透結(jié)合、發(fā)展而形成的一門新的技術(shù)科學。它是從應用的目的出發(fā)研究酶、應用酶的特異性催化功能，并通過工程化將相應原料轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)的技術(shù)。20世紀20年代初：酶工程名稱出現(xiàn)于自然酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模應用；1953年，羧肽酶、淀粉糖化酶、胃蛋白酶和核糖核酸酶等用重氮化聚氨基聚苯乙烯樹脂進行固定。1969年，固定化酶技術(shù)拆分DL-氨基酸1971年，1st國際酶工程會議：酶的生產(chǎn)、分離純化、酶的固定化、酶及固定化酶的反應器、酶及固定化酶的應用等。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥二、酶工程簡介從現(xiàn)代觀點來看，酶工程主要有以下幾個方面的研究內(nèi)容：酶的分離、提純、大批量生產(chǎn)及新酶和酶的應用開發(fā)；酶和細胞的固定化及酶

3、反應器的研究（包括酶傳感器、反應檢測等）；酶生產(chǎn)中基因工程技術(shù)的應用及遺傳修飾酶（突變酶）的研究；酶的分子改造與化學修飾、以及酶的結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的研究；有機相中酶反應的研究；酶的抑制劑、激活劑的開發(fā)及應用研究；抗體酶、核酸酶的研究；模擬酶、合成酶及酶分子的人工設(shè)計、合成的研究。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥第二節(jié) 酶的來源和生產(chǎn)一、酶的來源酶的來源主要是動植物和微生物，動植物細胞培養(yǎng)的方法可用于酶生產(chǎn)，目前工業(yè)化生產(chǎn)一般以微生物為主要來源。利用微生物生產(chǎn)酶的優(yōu)點是：微生物種類繁多，動植物體內(nèi)存在的酶，幾乎都可從微生物中得到；微生物繁殖快、生產(chǎn)周期短、培養(yǎng)簡便，并可以通過控制培養(yǎng)條件來提高酶的產(chǎn)量

4、；微生物具有較強的適應性，通過各種遺傳變異的手段，能培育出新的高產(chǎn)菌株。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥二、酶的生產(chǎn)菌1、對菌種的要求： （1）產(chǎn)酶量、酶的性質(zhì)、最好是胞外酶；（2）不是致病菌；（3）穩(wěn)定，不易產(chǎn)生變異退化，不易感染噬菌體；（4）能利用廉價的原料，發(fā)酵周期短，易于培養(yǎng)。2、生產(chǎn)菌的來源：菌種保藏機構(gòu)和有關(guān)研究部門，但大量的工作應是從自然界中分離篩選菌樣采集、菌種分離初篩、純化、復篩和生產(chǎn)性能鑒定等。還應包括改良（如基因突變、基因轉(zhuǎn)移和基因克?。?。3、目前常用的產(chǎn)酶微生物：大腸桿菌、枯草桿菌、啤酒酵母、青霉菌、木霉菌、根霉菌鏈霉菌等。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥第三節(jié) 酶和細胞的固定化酶反應

5、幾乎都在水溶液中進行，屬均相反應，自然簡便，但缺點是游離酶只能一次性使用，不僅造成酶的浪費，而且會增加產(chǎn)品分離的難度和費用，影響產(chǎn)品的質(zhì)量；另外溶液酶很不穩(wěn)定，容易變性和失活。將酶制劑制成既能保持其原有的催化活性、性能穩(wěn)定、又不溶于水的固形物，即固定化酶，則可象一般固定催化劑那樣使用和處理，就可以大大提高酶的餓利用率。與酶類似，細胞也能固定化，固定化細胞既有細胞特性和生物催化的特性，也具有固相催化劑的特點。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥一、固定化酶的制備1、固定化酶的定義：是指限制或固定于特定空間位置的酶，具體來說，是指經(jīng)物理或化學方法處理，使酶變成不易隨水流失即運動受到限制，而又能發(fā)揮催化作用的酶

6、制劑。制備固定化酶的過程叫做酶的固定化。固定化所采用的酶，可以是經(jīng)提取分離后得到的有一定純度的酶，也可以是結(jié)合在菌體（死細胞）或細胞碎片上的酶或酶系。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥2、固定化酶的特點：酶類可粗分為天然酶和修飾酶，固定化酶屬于修飾酶，修飾酶類還包括經(jīng)過化學修飾的酶和用分子生物學方法在分子水平上進行改良的酶等。固定化酶最大特點是既具有生物催化劑的功能，又具有固相催化劑的特性。固相酶還具有以下優(yōu)點：可多次使用，而且在多數(shù)情況下，酶的穩(wěn)定性提高。如固定化的葡萄糖異構(gòu)酶可以在6065條件下連續(xù)使用超過1000h；反應后，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；反應條件易于

7、控制，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)化反應的連續(xù)化和自動控制；酶的利用效率高，單位酶催化的底物量增加，用酶量減少；比水溶性酶更適合于多酶反應。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥3、酶和細胞的固定化方法酶的固定化就是通過載體將酶限制或固定于特定的空間位置，使酶變成不易隨水流失即運動受到限制，而又能發(fā)揮催化作用的酶制劑。由于酶的空間結(jié)構(gòu)、活性位點等物理化學特性不同，因此并不是一種固定化技術(shù)就能普遍適用于每一種酶，所以要根據(jù)酶的應用目的和特性，來選擇其固定化方法。目前已建立的各種各樣的固定化方法，按所用的載體和操作方法的差異，一般可分為載體結(jié)合法、包埋法及交聯(lián)法3類，細胞固定化還有選擇性熱變性（熱處理）方法。/生物技術(shù)制藥酶工程制

8、藥酶和細胞的固定化方法載體結(jié)合法交聯(lián)法包埋法熱處理（細胞）物理吸附法共價結(jié)合法網(wǎng)格型微囊型離子結(jié)合法/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（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一種固定化方法。物理吸附法：是用物理方法將酶吸附于不溶性載體上的一種固定化方法，此類載體有無機載體、天然高分子、大孔型合成樹脂、疏水型的載體。物理吸附法的缺點在于最適吸附酶量無規(guī)律可循，不同載體和不同酶其吸附條件也不同，吸附量與酶活力不一定呈平行關(guān)系，同時酶與載體之間的結(jié)合力不強，酶易于脫落，導致酶活力下降并污染產(chǎn)物。此法也可固定細胞；/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（1）載體結(jié)合法離子結(jié)合法：是通過離子鍵結(jié)合于具有離子交換基的

9、水不溶性載體上的固定化方法。此類載體有多糖類離子交換劑和合成高分子離子交換樹脂，如DEAE-纖維素、Amberlite CG-50、XE-97、IR-45和Dowex-50等。操作簡單、酶的高級結(jié)構(gòu)和活性中心的氨基酸不易被破壞，能得到酶活回收率較高的固定化酶。但是載體與酶的結(jié)合力比較弱，容易受緩沖液種類或vpH的影響，在離子強度高的條件下進行反應時，往往會發(fā)生酶從載體上脫落的現(xiàn)象。此法也可用于微生物細胞的固定化，細胞有自溶現(xiàn)象。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（1）載體結(jié)合法共價結(jié)合法：共價結(jié)合法是酶以共價鍵結(jié)合于載體上的固定化方法，也就是將酶分子上非活性部位功能團與載體表面反應基團進行共價結(jié)合的方法

10、。它是研究最廣泛、內(nèi)容最豐富的固定化方法，其原理是酶分子上的功能團，如氨基、羧基、羥基、咪唑基、巰基等和載體表面的反應基團之間形成共價鍵，因而將酶固定在載體上。共價結(jié)合法有數(shù)十種，如重氮化、迭氮化、酸酐活化法、酰氯法、異硫氰酸酯法、縮合劑法、溴化氰活化法、烷基化及硅烷化法等。在共價結(jié)合法中必須首先使載體活化，即使載體獲得能與酶分子的某一特定基團發(fā)生特異反應的活潑基團；另外要考慮到酶蛋白上提供共價結(jié)合的功能團不影響酶的活性；反應條件盡可能溫和。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥共價結(jié)合法的優(yōu)缺點共價結(jié)合法與離子結(jié)合法和物理吸附法相比，反應條件苛刻，操作復雜，而且由于采用了比較強烈的反應條件，會引起酶蛋白高

11、級結(jié)構(gòu)的變化，破壞部分活性中心，因此往往不能得到比活性高的固定化酶，甚至酶的底物專一性等性質(zhì)也會發(fā)生變化。但是酶與載體結(jié)合牢固，一般不會因底物濃度高或存在鹽類等原因而輕易脫落。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（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胞與細胞之間交聯(lián)的固定化方法。交聯(lián)法有可分為交聯(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。其內(nèi)容有酶分子交聯(lián)、分子間交聯(lián)或輔助蛋白與酶分子間交聯(lián)；也可以先將酶或細胞吸附于載體表面而后再交聯(lián)或者在酶與載體之間進行交聯(lián)。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。參與交聯(lián)

12、反應的酶蛋白的功能團有N-末端的- 氨基、賴氨酸的-氨基、酪氨酸的酚基、半胱氨酸的巰基及組氨酸的咪唑基等。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥交聯(lián)法的優(yōu)缺點交聯(lián)法的反應條件比較強烈，固定化酶的酶活回收一般較低，但是盡可能降低交聯(lián)劑的濃度和縮短反應時間將有利于固定化酶比活的提高。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥最常用的交聯(lián)劑是戊二醛，它的二個醛基與酶分子的游離氨基反應形成schiff堿，彼此交聯(lián)，其方式如下：CH=N-酶-N=CH-(CH2)3-CH=N-酶=N=CH-交聯(lián)方式NCH(CH2)3CHNNCH(CH2)3CHNCH=N-酶-N=CH-(CH2)3-CH=N-酶=N=CH-/生物技術(shù)制藥酶工程制藥交聯(lián)法

13、一般用交聯(lián)法所得到的固定化酶顆粒小，結(jié)構(gòu)性能差、酶活性低，故常與吸附法或包埋法聯(lián)合使用。如先使用明膠（蛋白質(zhì)）包埋，再用戊二醛交聯(lián)；或先用尼龍（聚酰胺類）膜或活性炭、Fe2O3等吸附后，再交聯(lián)。由于酶的功能團，如氨基、酚基、羧基、巰基等參與了反應，會引起酶活性中心結(jié)構(gòu)的改變，導致酶活性下降。為了避免和減少這種影響，常在被交聯(lián)的酶溶液中添加一定量的輔助蛋白如牛血清白蛋白，以提高固定化酶的穩(wěn)定性。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥(3)包埋法包埋法分為網(wǎng)格型和微囊型兩種。將酶或細胞包埋在高分子凝膠網(wǎng)絡(luò)中的稱為網(wǎng)格型；將酶或細胞包埋在高分子半透膜中的稱為微囊型。包埋法注意事項：防止高分子聚合造成酶的失活，只適

14、于小分子底物和產(chǎn)物。網(wǎng)格型中用的高分子有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和光敏樹脂等合成高分子和淀粉、明膠、膠原、海藻膠和角叉菜膠等天然高分子。網(wǎng)格型包埋法是固定化細胞中用得最多、最有效的方法。由包埋法制得的微囊型固定化酶通常為直徑幾微米到幾百微米的球狀體，顆粒比網(wǎng)格型要小得多，比較有利于底物與產(chǎn)物的擴散，但是反應條件要求高，制備成本也高/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（4）選擇性熱變性法專用于細胞固定化，是將細胞在適當溫度下處理使細胞膜蛋白變性但不使酶變形而使酶固定于細胞內(nèi)的方法。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥4、酶和細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為載體或基質(zhì)。固定化載體必須符合一定的條件

15、：固定化過程不引起酶變性；對酸堿有一定的耐受性；有一定的機械強度；有一定的餓親水性及良好的穩(wěn)定性；有一定的疏松網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒均勻；共價結(jié)合時具有可活化基團；有耐受酶和微生物細胞的能力；廉價易得。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥吸附載體，主要有物理吸附和離子吸附兩種，物理吸附有無機物和有機物。包埋載體，目前工業(yè)上用的包埋載體主要有卡拉膠、海藻膠等。共價結(jié)合載體，有纖維素、Sephadex A200、瓊脂、瓊脂糖、苯胺多孔玻璃等。交聯(lián)法是通過雙或多功能試劑進行固定化，因此不需要固定化載體。也可用與吸附法和包埋法相同的載體進行交聯(lián)。酶和細胞固定化的載體見書中表7-1/生物技術(shù)制藥酶工程制藥5、固定化酶的制備

16、技術(shù)（1）吸附法制備固定化酶技術(shù)（2）包埋法制備固定化酶技術(shù)/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（1）吸附法制備固定化酶技術(shù)物理吸附用酶的水溶液與對此酶具有高度吸附能力的載體混合洗去雜質(zhì)和未吸附的酶即得固定化酶（易脫落，故不常用）離子交換吸附處理方法與物理吸附相同，但離子間力強（較常用）/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（2）包埋法制備固定化酶技術(shù)凝膠包埋法和微囊化包埋法：凝膠包埋法將酶或細胞限制于高聚物網(wǎng)格中的技術(shù)；可以通過調(diào)節(jié)凝膠材料的濃度來改變包埋率和固定化酶的機械強度。還可通過先包埋再交聯(lián)的方法，使保留更堅固。微囊化法將酶或細胞固定于不同構(gòu)型的膜的外殼內(nèi)的技術(shù)。包有酶的半透膜厚約20nm，膜孔徑40nm，有

17、界面沉降法和界面聚合法兩種。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥 界面沉降法是物理法，其利用某些在水相和有機相界面上溶解度極低的高聚物成膜的過程將酶包埋的方法。其過程為酶溶液在表面活性劑幫助下與水不混溶的沸點比水低的有機相中乳化將溶于有機溶劑的高聚物加入攪拌下的乳化液中加入另一種不能溶解高聚物的有機溶劑使高聚物在油水界面上沉淀、析出及成膜最后在乳化劑作用下使微囊從有機相中轉(zhuǎn)移至水相，即成固定化酶。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥界面聚合法是化學法，其利用不溶于水的高聚物單體在油-水界面上聚合成膜的過程制備微囊。成膜的高聚物有尼龍、聚酰胺及聚脲等。見下例：含酶的10%血紅蛋白溶液己甲叉二胺水溶液+混合液1含1%Sp

18、an85的氯仿-環(huán)己烷+混合液2溶于有機相的癸二酰氯+Tween20去乳化，轉(zhuǎn)移至水相微囊/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（3）交聯(lián)法制備固定化酶技術(shù)主要是多功能試劑的使用。交聯(lián)酶法：主要是通過多功能試劑使酶分子間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而固定化酶-輔助蛋白交聯(lián)法：是指向酶溶液中加入輔助蛋白的交聯(lián)過程，酶活回收率和機械強度較交聯(lián)酶法高。吸附交聯(lián)法：吸附與交聯(lián)相結(jié)合的方法載體交聯(lián)法：利用多功能試劑分子的一些化學基團與載體偶聯(lián)而另一些化學基團與酶分子偶聯(lián)的方法。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（4）共價結(jié)合法制備固定化酶技術(shù)共價結(jié)合法是通過酶分子的非活性基團與載體表面的活潑基團之間發(fā)生化學反應而形成共價鍵的連接法。共價結(jié)合法

19、反應條件劇烈，常導致酶活下降或失活，成本因失敗幾率高或效率的低下而變得不太實用，因此在醫(yī)藥工業(yè)中應用較少。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥二、固定化細胞的制備1、固定化細胞的定義將細胞限制或定位于特定空間位置的方法稱為細胞固定化技術(shù)。被限制或定位于特定空間位置的細胞稱為固定化細胞，它與固定化酶同被稱為固定化生物催化劑。固定化細胞主要利用細胞內(nèi)酶及酶系，它的應用比固定化酶更普遍。如今該技術(shù)已擴展至動植物細胞，甚至線粒體、葉綠體及微粒體等細胞器的固定化。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥2、固定化細胞的特點為什么要固定化？顆粒小、難于截流或定位，而固定化細胞不僅兼具細胞特性、生物催化功能及固相催化劑特點，還因為其具

20、有以下特點：無需進行酶的分離純化； 細胞保持酶的原始狀態(tài)，故酶活回收率高； 細胞內(nèi)酶比固定化酶穩(wěn)定性更高； 細胞內(nèi)酶的輔因子可以自動再生；細胞本身含多酶體系，可催化一系列反應； 抗污染能力強。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥3、固定化細胞的制備技術(shù)固定化酶主要適用于細胞內(nèi)酶，底物和產(chǎn)物易于透過細胞膜，細胞內(nèi)不存在產(chǎn)物分解系統(tǒng)及其它副反應，若有副反應應有相應消除措施。固定化細胞技術(shù)主要有載體結(jié)合法、包埋法、交聯(lián)法及無載體法。這些技術(shù)與前面提到的相關(guān)固定化酶的技術(shù)類似。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥三、固定化方法與載體的選擇依據(jù)1、固定化方法的選擇（1）固定化酶應用的安全性：主要是指固定化過程中應用的試劑是否有

21、毒性和殘留。（2）固定化酶在操作中的穩(wěn)定性：主要從酶活和穩(wěn)定性方面考慮，選擇折中的條件。（3）固定化的成本：應盡可能降低成本。2、載體選擇一般是為了工業(yè)化生產(chǎn)，因此性能好、價格便宜是一項重要的指標；此外，底物或產(chǎn)物性質(zhì)都是重要的考慮對象。見書P227中表7-2。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥四、固定化酶的形狀與性質(zhì)1、固定化酶的形狀目前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。固定化酶的物理形狀不僅是為了適應不同的應用目的及反應類型而制備相應形狀，其最終形狀還與基質(zhì)的性質(zhì)和制備方法有關(guān)。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（1）顆粒狀固定化酶顆粒狀固定化酶包括酶珠、酶塊、酶片和酶

22、粉等。制備簡單，顆粒比表面大，轉(zhuǎn)化效率高，適用于各種類型的反應器。（2）纖維狀固定化酶只適用于填充床反應器，已有多種酶膜被制備出來。（3）管狀固定化酶已制備出糖化酶、轉(zhuǎn)化酶和脲酶等酶管。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥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，其催化反應體系也由均相反應轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷喾磻?。由于固定化方法和所用載體性質(zhì)不同，制備的固定化酶可能會受到擴散控制、空間障礙、微環(huán)境變化和化學修飾等因素的影響，可能會導致酶學性質(zhì)和謎活力的變化。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（1）酶活力的變化一般酶活力是下降的，一般都會考慮相應的固定化過程可能對酶的影響，避免損害酶的活性中心，有時在固定化反應體系

23、中會加入抑制劑、底物或產(chǎn)物以保護酶的活性中心。書中乳糖酶的固定化就采用在其抑制劑葡萄糖-內(nèi)酯存在下進行聚丙烯酰胺凝膠的包埋，如此可獲得高活力的固定化乳糖酶。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（2）酶穩(wěn)定性的變化通常，大部分酶固定化后，雖然其活力有所下降，但其穩(wěn)定性大都有不同程度的改善。主要包括：操作穩(wěn)定性，半衰期在1個月以上，可以認為其具有一定的工業(yè)應用價值；貯藏穩(wěn)定性，一般固定化后應立即使用，但保存方法得當則其貯藏很長時間后，其酶活仍然具有可操作性；對蛋白酶的穩(wěn)定性，固定化酶對蛋白酶具有很高的穩(wěn)定性，但游離酶對蛋白酶的穩(wěn)定性則很低。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥（3）酶學特性的變化經(jīng)過固定化后，其底物專一性

24、、最適pH、最適溫度、動力學常數(shù)及最發(fā)反應速度等，均可能發(fā)生變化。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥五、固定化細胞的形狀和性質(zhì)1、固定化細胞的形狀與固定化酶一樣，可以具有珠狀、塊狀、片狀或纖維狀等。工業(yè)上應用較多的是包埋法制備的各種形狀的固定化細胞。2、固定化細胞的性質(zhì)一般是利用其胞內(nèi)酶，底物和產(chǎn)物必需是小分子。固定化細胞的穩(wěn)定性有一定提高。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥六、固定化酶活力的測定方法都可用在單位時間內(nèi)，單位體積中的底物減少量或產(chǎn)物增加量來表示，通常在酶促反應中，如底物具有光吸收、旋光、電位差或熒光等性質(zhì)的變化，可以進行直接測定。有可通過與酶產(chǎn)物相偶聯(lián)的酶促反應來測定活力。/生物技術(shù)制藥酶工程制藥第四節(jié) 固定化酶和固定化細胞的反應器一、反應器的類型和特點用于酶催化反應的裝置稱為酶反應器，它可用