第六章-酶工程制药课件

1、第六章 酶工程制药本章重点: 产酶菌的要求； 酶和细胞的固定化； 本章难点：酶的人工模拟； 酶的化学修饰； 有机相的酶反应。“绿色健康，“酶”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 酶工程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。二、酶的来源目前工业生产酶制剂一般都以微生物为主要来源，原因：1.微生物种类多，酶的品种齐全2.微生物生长繁殖快，生产

2、周期短，产量高3.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量。4.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。故目前工业上应用的酶大多采用微生物发酵法来生产。三、酶的生产菌种1.对菌种的要求一个优良的菌种应具备以下几点要求：（1）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；（2）不是病原菌，也不产生有毒物质；（3）产酶性能稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体；（4）能利用廉价的原料，发酵周期短，易于培养。2.生产菌的来源（了解）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。筛选的主

3、要步骤：菌样采集 菌种的分离初筛 纯化 复筛 生产性能鉴定通过遗传学原理改良菌种的基本途径有：基因突变、基因转移和基因克隆。3.目前常用的产酶微生物 工业上应用最广泛的产酶菌有： 大肠杆菌、枯草芽孢杆菌。四、酶在医药领域的应用（了解）1.在疾病诊断方面的应用包括两个方面：根据体内酶活力的变化来诊断疾病；用酶测定体液中某些物质的量诊断疾病。2.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。3.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。4.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。第二节 酶的固定化一、什么是固定化酶？

4、水溶性酶水不溶性载体固定化技术水不溶性酶（固定化酶）固定化酶：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。 优点：不溶于水，易于与产物分离；可反复使用，反应易于控制；可连续化生产；稳定性好。缺点：固定化过程中往往会引起酶的失活。 增加了生产的成本 只能用于水溶性底物，而且较适用于小分子底物 胞内酶必须经过酶的分离纯化过程 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 载体结合法 交联法 包埋法 网格型 微囊型物理吸附法 离子结合法 共价结合法 热处理（细胞）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。根据酶分子与载体吸附的性质有物理吸附、

5、离子吸附和共价结合三种。物理吸附法 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。 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。离子结合法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

6、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：DEAE Cellulose固定化过氧化氢酶第一个工业化的固定化酶：DEAE-Sephadex A-50固定化氨基酰化酶共价结合法 酶蛋白的非必需基团通过共价键和载体形成不可逆的连接。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C-末端的-羧基等）、游离氨基（如肽链N-末端的-氨基）等。优点：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时，都不会造成酶的脱落，因而可以反复使用。缺点：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

7、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、咪唑基及巯基均可参与交连反应。双功能试剂：常用的是戊二醛 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结合酶分子；(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酶；（b）酶分子被结合到水不溶性载体上形成水不溶性的固定化酶（3）包埋法 将酶包埋在凝胶的微小

8、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。 微胶囊包埋法将酶包埋在半透性聚合体膜内，形成的直径为1100um。例如，天门冬酰胺酶（asparaginase)就是用这种方法作成微胶囊。胶格包埋法首先被采用的胶格包埋法是： 固定化胰蛋白酶 木瓜蛋白酶 淀粉酶Enzyme+N, N-甲叉双丙稀酰胺, 丙稀酰胺引发剂inactiation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。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。二、固定化细胞1.定义：将细

9、胞限制或定位于特定空间位置的方法。被限制或定位于特定空间位置的细胞称为固定化细胞。2.固定化细胞的特点优点（1）无需进行酶的分离纯化 （2）细胞保持酶的原始状态，固定化过程中酶可回收； （3）细胞内酶比固定化酶稳定性更高； （4）细胞内酶的辅因子可再生； （5）细胞本身含多酶体系，可催化一系列反应； （6）抗污染能力强。缺点（1）利用的仅是胞内酶； （2）细胞膜、细胞壁和载体都存在扩散限制作用； （3）载体形成的孔隙影响高分子底物的通透性。 （1) 直接固定法 （无载体法） 不使用载体，借助物理（如加热、冰冻）、化学方法（如柠檬酸、各种絮凝剂）将细胞直接固定。 一般只用于单酶或少数几种酶催化的

10、反应。 （2)载体结合法：将细胞悬液直接与水不溶性的载体相结合的方法。原理同吸附法。 （3)包埋法：将细胞定位于凝胶网格内的技术。应用最多的方法。操作方法与包埋酶法相同。 （4）交联法：用多功能试剂对细胞进行交联的固定化方法。较少使用（所用试剂对细胞毒性较大）3. 固定化方法三、固定化方法与载体的选择依据（了解）1.固定化方法的选择应考虑以下几个因素：（1）固定化酶应用的安全性：应尽可能选择无毒性试剂参与固定化。（2）固定化酶在操作中的稳定性：应选择最佳的固定化方法，以制备稳定性高的固定化酶。才能长期反复使用。（3）固定化的成本：包括水、电、气、设备和劳务投资。2.载体的选择最好选择工业化生产

11、中已大量使用的廉价材料为载体。 四、固定化酶和固定化细胞的性状和性质1、形状（1）颗粒状固定化酶：包括酶珠、酶块酶片和酶粉。特点：制备方法简单，比表面积大，转化效率高，适用于各种类型的反应器。（2）纤维状固定化酶：特点：比表面大，转化效率高，但只适用于填充床反应器。（3）膜状固定化酶：特点：表面积大，渗透阻力小，可用于酶电极，破碎后也可用于填充式反应器。（4）管状固定化酶：特点：机械强度大，切短后可用于填充床式反应器，也可组装成列管式反应器。2.固定化酶的性质 （1）酶的活性 ： 通常低于天然酶（有例外）。 如：氨基酰化酶， 70，15分钟，酶失去活性。 而固定化后， 70，15分钟，有80%

12、活性。 （2）酶的稳定性 酶的耐热性、对变性剂、抑制剂、蛋白酶的抵抗力增加。 可能的原因：固定化增加了酶活性构象的牢固程度， 可防止酶分子伸展变形；抑制酶的自身降解。固定化部分阻挡了外界不利因素对酶的侵袭。 （3）酶的最适温度 最适温度与酶稳定性有关。 多数酶固定化后热稳定性上升，最适温度也上升（有例外）。 （4）酶的最适pH 带负电荷载体 ：最适pH 向碱性偏移。 带正电荷载体 ：最适pH 向酸性偏移。 （5）酶的动力学特征 Km是表示酶和底物的亲和力大小的客观指标 酶经固定化后，Km一般都增大。最大反应速度Vm与天然酶接近。 与自然酶基本相同。但大分子底物难于接近酶分子，导致酶的专一性发生

13、改变。（6）酶的作用专一性 与固定化酶相比，固定化细胞的情况比较复杂。 （1）有活性升高的现象。（2）稳定性的增加 。（3）最适温度和最适pH常保持不变。3、固定化细胞的性质 (1)酶(细胞)的活力 固定化酶通常呈颗粒状，一般用于测定自然酶活力的方法改进后才能用于测定固定化酶。有两种方法：分批测量和连续测量。 五、固定化酶（细胞）的评价指标 (2)偶联率及相对活力 偶联率=(加入蛋白活力一上清液蛋白活力)/加入蛋白活力100%活力回收=固定化酶总活力/加入酶的总活力100%相对活力=固定化酶总活力/ (加入酶的总活力-上清液中未偶联酶活力)100% (3)半衰期 在连续测定条件下，固定化酶(细

14、胞)的活力下降为最初活力一半所经历的连续工作时间，以t1/2表示。 是衡量稳定性的一项重要指标。思考题一、名词解释1.固定化酶 2.固定化细胞二、单项选择1. _只适合于固定作用于小分子底物和产物的酶。A.物理吸附 B.包埋法 C.交联法 D.离子结合法2._反应条件比较激烈，固定化酶的酶活回收率较低。A.物理吸附 B.包埋法 C.交联法 D.离子结合法3.固定化细胞应用最多的方法是_。A.物理吸附 B.包埋法 C.交联法 D.离子结合法4._固定化酶比表面积大，转化效率高，适用于各种类型的生物反应器。A.颗粒状 B.纤维状 C.膜状 D.管状5.酶被固定化后，活力大都_，稳定性_。A.上升，

15、不变 B.不变，上升 C.下降，下降 D.下降，上升6.带负电荷的载体使固定化酶的最适PH向_偏移。A.酸性 B.碱性 C. 不变7.相比在均相介质中的酶，固定化酶的一大优点是酶在使用中可以_。 A.活性更高 B.永久 C.耐高温 D.多次三、多项选择选择1.通过遗传学原理对产酶菌进行改良，其基本途径有_。A.基因突变 B.基因克隆 C.基因转移 D.基因连接 E.基因剪切2.应用广泛的产酶菌有。A.金黄色葡萄球菌 B.链霉菌 C.枯草芽孢杆菌 D.大肠杆菌 E.啤酒酵母3.固定化酶或细胞,工业上应用的包埋载体主要为 _ 。A.卡拉胶 B.海藻胶 C.碳酸钙 D.硅胶 E.甲壳素四、简答、论述

16、1.为什么工业生产酶以微生物作为主要原料？2.优良的产酶菌应具备哪几点要求？3.固定化酶的常用方法有哪些？ 4.解释固定化酶活力大都下降的原因。5.举例说明如何选择固定化酶的方法。第三节固定化酶和固定化细胞的反应器酶和固定化酶在体外进行催化反应时，都必需在一定的反应容器中进行，以便控制酶催化反应的各种条件和催化反应的速度。用于酶进行催化反应的容器及其附属设备称为酶反应器。酶反应器是用于完成酶促反应的核心装置。它为酶催化反应提供合适的场所和最佳的反应条件，以便在酶的催化下，使底物（原料）最大限度地转化成产物。它处于酶催化应过程的中心地位，是连接原料和产物的桥梁。酶催化反应过程示意图过程调控生物反

17、应器 消毒原料预处理 产物分离提纯 产品生物催化剂制备空气除菌能量热量1 理想的酶反应器的要求生物反应器设计的主要目标：使产品的质量最高，生产成本最低。评价生物反应器的主要标准：反应器生产能力的大小和产品质量的高低。(4) 应具有最佳的无菌条件，否则，杂菌污染使反应器的生产能力下降。(1) 所用生物催化剂应具有较高的比活和酶浓度（或细胞浓度），才能得到较大的产品转化率。(2) 能用电脑自动检测和调控，从而获得最佳的反应条件。(3) 应具有良好的传质和混合性能。传质是指底物和产物在反应介质中的传递。传质阻力是反应器速度限制的主要因素。3 各种酶反应器的特点（了解）反应器类型适用的操作方式适用的酶

18、特点搅拌罐式反应器分批式,流加分批式连续式,游离酶固定化酶反应比较完全，反应条件容易调节控制。填充床式反应器连续式固定化酶密度大，可以提高酶催化反应的速度。在工业生产中普遍使用。流化床反应器分批式流加分批式连续式固定化酶流化床反应器具有混合均匀，传质和传热效果好，温度和pH值的调节控制比较容易，不易堵塞，对粘度较大反应液也可进行催化反应。反应器类型适用的操作方式适用的酶 特点鼓泡式反应器分批式流加分批式连续式游离酶固定化酶鼓泡式反应器的结构简单，操作容易，剪切力小，混合效果好，传质、传热效率高,适合于有气体参与的反应。膜反应器连续式游离酶固定化酶清洗比较困难 喷射式反应器连续式游离酶通入高压喷

19、射蒸汽，实现酶与底物的混合，进行高温短时催化反应，适用于某些耐高温酶的反应(1)间歇式酶反应器又称为批量反应器（Batch Reactor BSTR）、间歇式搅拌罐、搅拌式反应罐。其特点是：底物与酶一次性投入反应器内，产物一次性取出；反应完成之后，固定化酶（细胞）用过滤法或超滤法回收，再转入下一批反应。 优点是：装置较简单，造价较低，传质阻力很小，反应能很迅速达到稳态。缺点是：操作麻烦，固定化酶经反复回收使用时，易失去活性，故在工业生产中，间歇式酶反应器很少用于固定化酶，但常用于游离酶。(2) 连续式酶反应器又称为连续搅拌釜式反应器（Continuous Stirred Tank Reacto

20、r, CSTR）、连续式搅拌罐。向反应器投入固定化酶和底物溶液，不断搅拌，反应达到平衡之后，再以恒定的流速连续流入底物溶液，同时，以相同流速输出反应液（含产物）。优点是：在理想状况下，混合良好，各部分组成相同，并与输出成分一致。缺点是：搅拌浆剪切力大，易打碎磨损固定化酶颗粒。底物溶液进口 反应液出口 (3) 填充床反应器填充床反应器（Packed Reactor,PBR）,又称固定床反应器。将固定化酶填充于反应器内，制成稳定的柱床，然后，通入底物溶液，在一定的反应条件下实现酶催化反应，以一定的流速，收集输出的转化液（含产物）。优点是：高效率、易操作、结构简单等，因而，PBR是目前工业生产及研究

21、中应用最为普遍的反应器。它适用于各种形状的固定化酶和不含固体颗粒、黏度不大的底物溶液，以及有产物抑制的转化反应。缺点是：传质系数和传热系数相对较低。当底物溶度含固体颗粒或黏度很大时，不宜采用PBR。(4) 流化床反应器流化床反应器（Fluidized Bed Reactor, FBR）。特点是：底物溶液以足够大的流速，从反应器底部向上通过固定化酶柱床时，便能使固定化酶颗粒始终处于流化状态。其流动方式使反应液的混合程度介于CSTR的全混型和PBR的平推流型之间。FBR可用于处理黏度较大和含有固体颗粒的底物溶度，同时，亦可用于需要供气体或排放气体的酶反应（即固、液、气三相反应）。但因FBR混合均匀

22、，故不适用于有产物抑制的酶反应。(5) 鼓泡式反应器鼓泡式反应器(bubble column reactor, BCR)是利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混合两种作用的一类反应器。也是一种无搅拌装置的反应器。鼓泡式反应器可以用于游离酶和固定化酶的催化反应。在使用鼓泡式反应器进行固定化酶的催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床式反应器。鼓泡式反应器的结构简单，操作容易, 剪切力小，物质与热量的传递效率高，是有气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。例如氧化酶催化反应需要供给氧气，羧化酶的催化反应需要供给二氧化碳等。 (6) 膜反应器膜反

23、应器（membrane reactor, MR）是将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起而成的反应器。可以用于游离酶的催化反应，也可以用于固定化酶的催化反应。用于固定化酶催化反应的膜反应器是将酶固定在具有一定孔径的多孔薄膜中，而制成的一种生物反应器。膜反应器可以制成平板型、螺旋型、管型、中空纤维型、转盘型等多种形状。常用的是中空纤维反应器。连续搅拌罐超滤膜反应器 简称CSTR-UFR。在CSTR（连续式搅拌罐）出口处设置一个超滤器。可以将小分子产物与大分子酶和底物分开，有利于产物回收。该反应器适用于颗粒较细的固定化酶、游离酶和细胞以及小分子产物与大分子底物。游离酶在膜反应器中进行催化反应时，

24、底物溶液连续地进入反应器，酶在反应容器的溶液中与底物反应，反应后，酶与反应产物一起，进入膜分离器进行分离，小分子的产物透过超滤膜而排出，大分子的酶分子被截留，可以再循环使用。3 酶反应器的选择和使用影响酶反应器选择的因素很多，但一般可以从以下几个方面考虑：酶的形式(游离/固定化.)固定化酶的形状底物的物理性质酶反应动力学性质酶的稳定性操作要求反应器制造、控制成本思考题选择题1.操作简单，且适用于溶液酶的酶反应器是A.CSTR B.FBR C.BSTR D.RCR2.的转化效率高，可采用高速液流克服外扩散的限制，但其成本高。A.CSTR B.FBR C.BSTR D.RCR3.膜状和纤维状的固定

25、化酶仅适宜用于。A.FBR B.PBR C.BSTR D.RCR第四节 酶的人工模拟一、模拟酶的概念 酶是一类有催化活性的蛋白质，它具有催化效率高、专一性强、反应条件温和等特点。酶容易受到多种物理、化学因素的影响而失活，所以不能用酶广泛取代工业催化剂。研究模拟酶主要是为了解决酶的以上缺点。 定义：人工模拟酶是指根据酶的作用原理，用各种方法认为制造的具有酶性质的催化剂。简称人工酶或模拟酶。二、模拟酶的分类（按属性分）（了解内容）1.主-客体酶模型最具代表性的是环糊精（CD），是一种优良的模拟酶。可提供一个疏水的结合部位并能与一些无机和有机分子形成包结络合物，以此影响和催化一些反应。环糊精的疏水区

26、处于空穴的内侧，亲水区处分子的外侧，与酶分子的微环境十分相似。空穴本身疏水，能从水溶液中抽提有机分子，并将其束缚到空穴中，这种现象类似于酶将底物束缚到酶的空穴中。环糊精对束缚的分子有选择性，被束缚的分子要空穴中与之“契合”。2.胶束模拟酶近几年比较活跃的领域之一。胶束在水溶液中提供了疏水微环境（类似于酶的结合部位），可对底物束缚，如果将催化基团如咪唑基、羟基等连接到胶束上，就可以提供“活性中心”部位，使胶束成为具有酶活力的胶束模拟酶。3.肽酶模拟天然酶活性部位而人工合成的具有催化活性的多肽。4.半合成酶以天然酶为母体，用化学或基因工程的方法引进适当的活性部位或催化基团。5.印迹酶分子印迹：指制

27、备对某一特定化合物具有选择性的聚合物的过程，这个特定化合物叫印迹分子。原理：生物体特异的分子识别功能。思考题一、名词解释人工模拟酶分子印迹第五节 酶的化学修饰一、 什么是酶化学修饰？通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的技术过程称为酶分子修饰。即：在体外将酶分子通过人工的方法与一些化学基团（物质），特别是具有生物相容性的物质，进行共价连接，从而改变酶的结构和性质。酶化学修饰的意义提高酶的活力；增强酶的稳定性； 降低或消除酶的抗原性；研究和了解酶分子中主链、侧链、组成单位、金属离子和各种物理因素对酶分子空间构象的影响二、酶分子的修饰方法 大分子修饰酶的表面化学修饰

28、小分子修饰 交联修饰 固定化修饰 非催化活性基团的修饰 蛋白主链的修饰酶分子内部修饰 催化活性基团的修饰 辅助因子的修饰 肽链伸展的修饰结合定点突变的修饰 1.酶的表面化学修饰（1）大分子修饰可溶性大分子通过共价键连接在酶分子表面，形成覆盖层。应用最广泛的是：PEG类修饰，分子量为500-20000。（2）小分子修饰利用分子化合物对酶的活性部位或活性部位之外外的侧链基团进行化学修饰，以改变酶学性质。广泛使用的小分子化合物有：氨基葡萄糖、乙酸酐、硬脂酸等。（3）交联修饰使用双功能试剂，如戊二醛、PEG等将酶蛋白分子之间、亚基之间或分子内不同肽链部分间进行共价交联，可提供其稳定性，增加其在水溶液中

29、的使用价值。（4）固定化修饰通过酶表面的酸性或碱性残基，将酶共价连接到惰性载体上后，由于酶所处的微环境改变，会使酶的性质发生改变。2.酶分子内部修饰（1）非催化活性基团的修饰最经常修饰的残基可以是亲核的，也可以是亲电的，或是可氧化的。修饰后酶的催化动力学性质发生改变。（2）蛋白主链的修饰(肽链有限水解修饰)利用酶分子主链的切断和连接，使酶分子的化学结构及其空间结构发生某些改变，从而改变酶的特性和功能的方法。蛋白主链修饰主要靠酶法。如：将猪胰岛素转变成人胰岛素。（3）催化活性基团的修饰对催化活性基团可以通过选择性修饰侧链成分来实现氨基酸的取代。（4）辅助因子的修饰有以下三个方面不是共价结合的辅助因子，可将辅助因子共价结合到酶上；引入新的或修饰过的辅助因子；将新的辅酶引入结构已经清楚的蛋白质上；金属酶中金属离子的取代。现在常用的氨基酸置换修饰的方法是定点突变技术。定点突变是20世纪80年代发展起来的一种基因操作技术。是指在DNA序列中的某一特定位点上进行