酶工程在医药工业中的应用

1、酶工程在医药工业中的应用1161001413168 郑峰摘要：酶工程是现代工业生物技术的重要组成部分，它作为一项高新 技术，为各工业的发展起到了极大的推动作用，本文简要介绍了酶固 定化、基因工程菌（细胞）的固定化、植物细胞培养产酶、酶的化学修 饰、核酸酶、杭体酶、酶标药物的理论和技术研究的最新进展以及酶 工程在医药工业中的应用，对酶工程的发展前景进行了探讨。关键词：酶工程；酶的固定化；核酸酶；抗体酶；医药应用目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 一、酶工程技术3 HYPERLINK l bookmark23 o C

2、urrent Document （一）酶和细胞的固定化3 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document （二）酶的化学修饰3 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document （三）核酸酶和抗体酶4 HYPERLINK l bookmark35 o Current Document （四）酶标药物4 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document （五）职务细胞培养产酶5 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 二、酶工程技术在医药工业中的应用

3、5 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document （一）应用酶工程制备生物代谢产物5 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document （二）应用酶工程技术转化凿体6 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document （三）应用酶工程生产抗生素6 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document （四）应用酶工程生产氨基酸和有机酸6 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document （五）应用酶工程生产维生素7 HYPER

4、LINK l bookmark67 o Current Document （六）应用酶工程生产核苷酸类药物7 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 三、酶工程在医疗中的应用7 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 四、展望8 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document 参考文献:9一、酶工程技术（一）酶和细胞的固定化将酶或细胞通过物理或化学方法固定在水溶性或非水溶性的膜状、颗粒状、 管状的载体土，称为固定化酶或固定化细胞。我国研制过的固定化酶（细胞）已有 50种左

5、右，分为二种类型:固定化单酶或含特定酶的细胞、固定化双酶、固定化 各类激酶构成ATP再生系统。一般能明显地提高酶对热与酸碱度的稳定性。固 定化的方法主要有吸附、共价结合、包埋和选择性热变性等。目前又发展了利用 光、辐射等物理技术和定点固定化技术固定酶1。在制药工业中包埋法应用较多， 其次是吸附法。固定化细胞包括微生物细胞（含基因工程菌）、动物细胞和植物细胞,目前更多 地注重活细胞和增殖细胞的固定化。植物细胞固定化大多采用包埋法，至今已报 道了固定化南洋金花、烟草、胡萝卜等十多种细胞的研究，植物细胞固定化技术 在中药有效成分的生产应用研究上有更好的前景。动物细胞只有吸附和包埋法得 以成功。目前动

6、物细胞微囊化法用得最多的是聚赖氨酸/海藻酸（PIJL/Al,G）法，细 胞生长密度可达106 一 109个mL。微囊化细胞主要有两方面的应用：培养微囊 化动物细胞生产一些药物；作为药物直接用于治疗或作为药物筛选之用，如用来 生产单克隆抗体、干扰素、组织纤溶酶原激活剂（TPA）、自细胞介素、胰岛素生 长因子和乙肝病毒表面抗原等。未来将有一大批具有生物活性的蛋白质可依靠固 定化细胞在生物体外大规模的合成。应用基因重组技术将生物细胞中存在极少的 催化某一生化反应的酶通过基因扩增和增强表达，建立高效表达特定酶制剂的基 因工程菌或基因工程细胞，从而进一步构建成固定化一工程菌或固定化工程细胞 的新一代催化

7、剂。如德国BM公司应用蛋白质工程技术对表达青霉素酞化的基因 进行点突变改造，重建了青霉素酞化酶工程菌，从而大大延长了固定化青霉素酞 化酶的使用半衰期，其酶柱可连续使用700d以上。（二）酶的化学修饰酶的化学修饰是指利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上，或 将酶分子的某部分删除或置换，改变酶的理化性质，最终达到改变酶的催化性质的 目的。修饰剂的选用和修饰方法分为：（1）修饰酶的功能基团如氨基、经基、咪 哇基等可离解基团，如抗白血病药物天冬酞胺酶3，（2）进行酶分子内或分子间 交联，应用某些双功能试剂分子两端的功能基团可使酶分子内或分子间肤链的两 个游离氨基分别发生交联，如交联后的人a

8、一半乳糖昔酶A,其热稳定性和抗蛋 白酶的性能都有明显提高，（3）酶与高分子化合物结合后，可以增加酶的稳定性 和活力。例如抗白血病药物天冬酞胺酶经游离氨作用、酞化反应进行修饰后，在 血浆中的稳定性有很大提高；胰凝乳蛋白酶与水溶性大分子化合物右旋糖醉结合 后，其催化活力提高4倍4。常用修饰剂主要有乙酸配、氮芥类、磷氧酞氯、环氧 丙烷、重氮盐类、经胺等5。（三）核酸酶和抗体酶核酸类酶（Ribozyme）是一类由核糖核酸（RNA ）组成的酶，具有核酸序列的高 度特异性，从而具有很大的应用价值。只要知道某种核酸酶的核昔酸序列，就可 以设计合成催化其自我切割和断裂的核酸组成，根据这些基因组的全部序列，就

9、可以设计并合成出防治由这些病毒引起的人、畜和植物病毒病的核酸酶，如能够 防治流感、肝炎、艾滋病和烟草花叶病等。核酸酶也可以治疗某些遗传病和癌症， 还可以用作研究核酸图谱和基因表达工具。抗体酶（Abzyme）又称为催化性抗体，是一类具有生物催化功能的抗体分子， 可以采用诱导法和修饰法获得。抗体酶已经用于酶作用机理的研究、手性药物的 合成和拆分、抗癌药物的制备等。（四）酶标药物近来，人们可以根据药物在生物体内可能的作用目标（如酶或受体）来设计 药物，由此获得的药物被称为酶标药物。目前，这种设计方法已经成为药物设计 的主流，在新药设计中发挥了巨大的作用。血管紧张素肽转换酶（ACE）抑制剂 是酶标药物

10、的一个成功的实例，AEC抑制剂已经成为重要的常用降压药物。近 来的研究发现，艾滋病的感染和传播，主要是由艾滋病病毒颗粒表面的蛋白酶引 起的。因此，艾滋病病毒蛋白酶的研究成为一个热点，人们希望通过对艾滋病病毒蛋白酶抑制剂的研究，寻找出防止艾滋病病毒感染和治疗艾滋病的方法。（五）职务细胞培养产酶首先，选择适宜的植物外植体，经诱导、选育得到优良的植物细胞，再在人 工控制条件的生物反应器中培养植物细胞，以生产色素、香精和药物等次级代谢 物。植物细胞培养不受地理环境和气候条件等的影响，具有生产周期短、产率高 等显著特点，已经发展成为生物五程研究和开发的重要领域。郭勇7、先后进行了 植物细胞培养生产次级代

11、谢物的研究，选育出了优良的木瓜细胞、大蒜细胞、鼠 尾草细胞、玫瑰茄细胞、黄花篙细胞、胡萝卜细胞、巴戟天细胞和银杏细胞等， 分别用于生产木瓜蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等药 用酶以及色素、药物等次级代谢物。曾庆平等吕在国内外首次采用植物细胞培 养技术，从木瓜外植体的木瓜细胞中经细胞培养生产木瓜凝乳蛋自酶。该成果已 申请中国发明专利。二、酶工程技术在医药工业中的应用现代酶工程具有技术先进、投资小、工艺简单、能耗粮耗低、产品收率高、 效率高、效益大和污染小等优点，成为化学、医药工业应用方面的主力军。以往 采用化学合成、微生物发酵及生物材料提取等传统技术生产的药品，皆可通过现 代

12、酶工程生产，甚至可获得传统技术不可能得到的昂贵药品，如人胰岛素、McAb、 1FN、6 一 APA、7 一 ACA及7 一 ADCA等。固定化基因工程菌、工程细胞以 及固定化技术与连续生物反应器的巧妙结合，将导致整个发酵工业和化学合成工 业的根本性变革。（一）应用酶工程制备生物代谢产物应用固定化细胞可大量生产各种初级或中间产物，如糖、有机酸和氨基酸 等。产品有D葡萄糖、D 一果糖、甘油、1，6 一二磷酸果糖、柠檬酸、苹果酸、 富马酸、乳酸、右旋糖醉、丙氨酸、天冬氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸等利 用酶工程技术生产抗菌素、色素、生物碱、性引诱剂、信息素等生物次级代谢产 物,典型的产品有6 一氨基

13、青霉烷酸(6 APA)、7 一烷基头袍烷酸(7 AC八) 及7 一氨基脱乙酞氧头抱烷酸(7 ADCA)、麦角生物碱、轻化孕酮、可的松和 肉瘤碱等。我国用固定化大环内脂一 4一丙醋化酶将螺旋霉素转化为丙酞螺旋霉 素，用固定化生产米卡链霉菌突变菌株也可完成产品的转化。应用酶工程技术转化凿体利用微生物酶工程技术不仅研究提高某一步转化反应的专一性和收率或寻 找某一转化反应代替某一个用化学合成法难以进行的反应,而且进一步综合应用 了酶抑制剂、生化阻断突变株和细胞通透性的改变等生物技术从而制得了雄街一 1,4 一二烯一 3,17 一二酮(ADD)、雄街一 4 一烯一 3,17 一二酮(;lAD)和 3 一

14、氧联 降胆肖-王,4 一二烯一 2。酸(BDA)等关键中间体，使复杂的天然资源经过儿步反 应就合成了各种性激素和皮质激素。应用固定化微生物细胞技术可生产强的松、 11 一去氧强的松、氢化可的松、一胆街烯酮、一雄二烯一 3,17 一二酮等幽 体化合物。应用酶工程生产抗生素应用酶工程可以制备6 一 APA仁青霉素酞化酶、7-ACA头抱菌素酞化酶、 头抱菌素W仁头抱菌素酞化酶、7 一 ADCA仁青霉素V酞化酶、脱乙酸头抱 菌素仁头抱菌素乙酸醋酶，近年来还进行固定化产黄青霉(青霉素合成酶系)细胞 生产青霉素的研究，合成青霉索和头抱菌素前体物的最新工艺也采用酶工程的方 法。应用酶工程生产氨基酸和有机酸生

15、产DL 一氨基酸氨基酞化酶口、I厂赖氨酸仁二氨基庚二酸脱梭酶或二氨 基:一己内酞氨水解酶和消旋酶、尿醉酸L 一组氨酸氨解酶、L 一酪氨酸及卜 多巴户酪氨酸酶、L 一天冬氨酸天冬氨酸合成酶、I 一苯丙氨酸厂苯丙氨酸 氨解酶、L 一谷氨酸L 一谷氨酸合成酶三、I厂丝氨酸仁转甲基酶、I厂色氨酸 仁色氨酸合成酶、天冬酞胺仁天冬酸胺合成酶、谷肤甘肤复合酶系y 一氨基丁 酸仁谷氨酸脱梭酶、谷氨酞胺谷氨酞胺合成酶皿等，氨基酸。生产乳酸乳酸 合成酶系、葡萄糖酸仁葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶、I洲一苹果酸仁延胡索酸 酶习、长链二梭酸加氧酶和脱氢酶、衣康酸复合酶系、IJ（+）-酒石酸环氧唬拍 酸水解酶等有机酸。（五）

16、应用酶工程生产维生素制造2 一酮基一 I厂古龙糖酸山梨糖脱氢酶及L 一山梨糖醛氧化酶、肌 醇肌醇合成酶、L-肉毒碱胆碱酯酶、CoACoA合成酶系等。由山梨醇和葡萄 糖生产维生素及丙烯酰胺的生产也采用酶工程的方法。（六）应用酶工程生产核昔酸类药物腺嘌吟核昔酸（AMP）由生产蛋白假丝醇母菌体用热水提取核酸，再经核 酸酶水解制得。脱氧核昔酸由鱼蛋白提取脱氧核糖核酸（DNA）后，经5-磷酸 二酯酶酶解制得。先由富含核酸的动植物（花粉等）提取核糖核酸（RNA）,再 用5-磷酸二酯酶酶解为磷酸腺昔（AMP）、磷酸胞昔（CMP）、磷酸尿昔（UMP） 及磷酸鸟昔（GMP）制得混合核昔酸。肌昔酸由腺昔脱氨酶制得

17、。ATP和AMP 分别由氨甲酰磷酸激酶、激酶加乙酸激酶制得。三、酶工程在医疗中的应用由于外源性酶在体内易产生免疫反应，稳定性差，难以达到特定部位，因此 固定化酶、人工细胞、脂质体及红细胞膜包埋酶工程技术在临床治疗中的应用日 趋活跃。将固定化酶应用在于体内作为治疗药物；将固定化酶组装成体外生物反 应器，通过体外循环作为临床治疗剂。如用腮酶及脉酸酶治疗肾衰竭和痛风症;用 固定化胆红素氧化酶清除血中过高的胆红素;将L-天冬酰胺酶固定于中空纤维上 进行体外血液循环，可用于治疗白血病等;将胰蛋自酶、凝乳蛋白酶、溶菌酶、凝 血酶及溶葡萄球菌酶等固定于膜或纤维上制成辅料贴于伤口,可用于止血、抗炎、 促进伤日

18、愈合等。胆固醇醋酶和胆固醇氧化酶用于血胆固醇定量测定。从植物中 克隆苯丙氨酸脱氨酶基因，导人肠道有益菌-一乳酸乳球菌中表达,用以治疗引起 儿童智力障碍的苯丙酮尿症，己在动物试验中获得成功打6。生物传感器已广泛用 于临床监测及监护，如安放于静脉或动脉中的葡萄糖传感器能持续不断地监测血 糖含量，并将指令传给植人人体的胰岛素泵，控制胰岛素释放量，从而使糖尿病人 获得解救7。四、展望酶工程作为生物工程的重要组成部分,其作用之重要、研究成果之显著已为 世人所公认。充分发挥酶的催化功能、扩大酶的应用范围、提高酶的应用效率是 酶工程应用研究的主要目标。21世纪酶工程的发展主题是丁；新酶的研究与开 发、酶的优化生产和酶的高效应用。除采用常用技术外，还要借助基因组学和蛋 白质组学的最新知识，借助DNA重排和细胞、噬菌体表面展示技术进行新酶的研 究与开发,目前最令人瞩目的新酶有核酸类酶、抗体酶和端粒酶等。要采用固定 化、分子修饰和非水相催化等技术实现酶的高效应用，将固定化技术广一泛用于 生物芯片、生物传感器、生物反应器、临床诊断、药物设计、亲和层析以及蛋白 质结构和功能的研究，使酶工程技术在医药工业中发挥更大的作用。参考文献：1邓红涛.吴健.徐志康.等.酶的固定化及其应用的研究进展J.膜科学与技术,2004, 24(3)：