酶工程全套课件

酶反應器第一節酶反應器的特點與類型以酶作為催化劑進行反應所需的設備稱為酶反應器。酶反應器基本上是游離酶、固定化酶或固定化細胞催化反應的容器(附加上混合取樣和檢測設備)。反應器的作用是以盡可能低的成本，按一定的速度由規定的反應物製備特定產物。酶反應器不同於化學反應器，它是在低溫、低壓下發揮作用，反應時的耗能和產能也比較少。酶反應器也不同於發酵反應器，因為它不表現自催化方式，即細胞的連續再生。

一、游離酶反應器

1．攪拌罐式反應器它由容器、攪拌器及保溫裝置組成。

2．超濾膜酶反應器此反應器可以作用於膠態或不溶性底物，特別是產物對酶有抑制作用時．採用此裝置較合適。但是，酶的長期操作穩定性差，而且酶易在起濾膜上吸附損失，或在膜表面濃縮極化二、固定化酶反應器

I．攪拌罐型反應器有分批反應器(BatchStirredTankReactorBSTR)相連續流攪拌罐反應器(ContinuosFlowStirredTankReactor，CSTR)(圖7—2)。這類反應器的特點是內容物的混合是充分均勻的。2．固定床型反應器把顆粒狀或片狀等固定化酶填充於固定床(也稱填充床，床可直立或平放)內，底物按一定方向以恒定速度通過反應床(圖7—2)。它是一種單位體積催化劑負荷量多，效率高的反應器。當前工業上多數採用此類反應器。與全混流反應器(CSTR)相反，有另一類理想的、沒有返混的反應器，稱為活塞流反應器(PFR)。在其橫截面上液體流動速度完全相同，沿流動方向底物及產物的濃度是逐漸變化的，但同一橫切面上濃度是一致的。因此，稱為活塞流反應器(PlugFlowReactorPFR)。高(長)徑比較大的管式反應器，接近於活塞流反應器。固定床反應器可使用高濃度的催化劑，反應產生的產物和抑制劑可從反應器中不斷地流出。由於產物濃度沿反應器長度是逐漸增高的，因此與CSTR相比．可減少產物的抑制作用。但是它存在下列缺點：(1)溫度和pH難以控制。(2)底物和產物會產生軸向濃度分佈。(3)清洗和更換部分固定化酶較麻煩。3．流化床型反應器流化床反應器(簡稱FBR，FluidizedBedReactor)是一種裝有較小顆粒的垂直塔式反應器(形狀可為柱形、錐形等)它有下列優點：(1)具有良好的傳質及傳熱的性能。pH、溫度控制及氣體的供給比較容易。(2)不易堵塞，可適用於處理粘度高的液體。(3)能處理粉末狀底物。(4)即使應用細粒子的催化劑，壓力降也不會很高。但也有缺點如下：(1)需保持一定的流速，運轉成本高，難於放大。(2)由於顆粒酶處於流動狀態，易導致粒子的機械破損。(3)由於流化床的空隙體積大，酶的濃度不高。(4)由於底物高速流動使酶沖出，降低了轉化率。4．膜型反應器由膜狀或板狀固定化酶或固定化微生物組裝的反應器均稱為模型反應器。用固定化酶膜組裝成的平板狀或螺旋狀反應器、轉盤型反應器、空心酶管和個空纖維膜反應器等都屬於此類反應器。圖7—3為各種反應器結構的示意圖。5．鼓抱塔型反應器在生物反應中，有不少的反應要涉及到有氣體的吸收或產生，此類反應最好採用鼓泡塔型反應器。或三相流化床反應器，其示意圖如圖7—4。三、酶反應器的發展含有輔助因數再生的酶反應器兩相或多相反應器固定化多酶反應器第二節酶反應器的設計與選型一、酶反應器的設計對於酶反應器來說，就是要設計出一個既能充分發揮生物反應的優點，又可克服一些限制因素，以最低的生產成本，獲得最高的產量和品質的酶反應器。1．酶反應器的設計原理為了設計反應器以及決定反應操作條件，理論上必須瞭解下列事項：

(1)底物的酶促反應動力學以及溫度、壓力、pH等操作參數對此特性的影響。

(2)反應器的型式和反應器內流體流動狀態及傳熱特性。

(3)需要的生產量及生產工藝流程。

2．與設計有關的參數

(1)酶反應器生產強度Qp：酶反應器的生產強度Qp表示每小時每升反應體積所生產的產品的克數。即：(2)產品轉化率Yp/s及酶的催化率Rp/e：產品轉化率Yp/s是指每克底物中有多少克轉化為產物。即：(3)產物濃度P及底物停留時間t：產物濃度P是一個影響到分離提純，也就是回收成本高低的關鍵問題。在連續工藝中，降低稀釋率或增加酶濃度可使產物濃度升高，但會使Qs減小。二、酶反應器的選擇在選擇酶反應器的時候，必須考慮各種因素。一般應考慮以下幾個方面：(1)酶的形狀、大小及機械強度；(2)底物的性質；(3)反應操作的要求：(4)反應動力學及傳質傳熱特性；(5)酶的穩定性、再生及更換；(6)反應器的製造成本及運行成本及應用的可塑性等。第三節酶反應器的操作酶反應器的操作中，應該注意如下幾個方面：(1)控制酶反應器中流動狀態；(2)維持酶反應器的恒定生產能力；(3)保持酶反應器的穩定，使其能長期運轉使用；(4)防止酶反應器的污染。一、酶反應器中流動狀態的控制二、酶反應器的恒定生產能力的控制三、酶反應器的穩定性四、酶反應器的微生物污染本章結束祝您學習愉快！酶的應用隨著酶的工業化紀產的發展，酶已廣泛地應用於工業、農業、醫藥、環保及科研等領域。酶分子修飾，酶和細胞固定化等酶工程技本的發展，使酶的應用顯示出更加廣闊美好的前景。第一節酶在輕工、食品方面的應用目的國內外最廣泛使用的領域是在食品和輕工業部門。國內外大規模工業主產的α—澱粉酶、糖化酶、蛋白酶、葡萄糖異構酶、果膠酶、脂肪酶、纖維素酶、葡萄糖氧化酶等大部分都在輕工和食品方面應用。一、酶在食品工業方面的應用食品工業是最早和最廣泛應用酶的部門之一。目前已有幾十種酶成功地用於食品工業。例如：葡萄糖、飴糖、果葡糖漿等的生產，蛋白質品加工，果蔬加工，食品保鮮以及改善食品的品質與風味等。1酶法生產葡萄糖酶法生產葡萄糖是以澱粉為原材料，先經α-澱粉酶液化成糊精，再用糖化酶催化生成葡萄糖。澱粉酶是最早實現工業生產的酶，也是迄今為止用途最廣的酶。

製造葡萄糖時酸糖化法與酶糖化法的比較澱粉糖化生產葡萄糖的工藝流程。2.果葡糖漿的生產果葡糖漿是由葡萄糖異構酶催化葡萄糖異構化生成部分果糖而得到的葡萄糖與果糖的混合糖漿。3.飴糖的生產4.酶在蛋白質品加工方面的應用5.酶在果蔬加工方面的應用6.用酶改善食品的品質和風味二、酶在輕工方面的應用酶在輕工業方面的應用,概括起來主要有以下三個方面：（1）原料處理（2）用酶生產各種產品（3）用酶增強產品的使用效果。1.原料處理許多輕工原料在應用或加工之前都需要經過原料處理。用酶處理原料可以縮短原料處理時間，提高處理效果，提高產品品質等。（1）發酵原料的處理酵母或細菌等微生物進行酒精、酒類、甘油、乳酸、氨基酸核苷酸等生產時，大多數以澱粉、纖維素為主要原料。由於有些微生物本身缺乏澱粉酶和纖維素酶系，因而無法直接利用這些原料。因此必須經過原料處理，將原料轉化為微生物可利用的小分子物質。（2）紡織原料的處理在紡織工業中，為了增強纖維的強度和光滑性，便於紡織，需要先行上漿。將澱粉用α-澱粉酶處理一段時間，使粘度達到一定程度就可用作上漿的漿料。紡織品在漂白、印染之前，還須將附著在其上的漿料除去，利用α-澱粉酶使漿料水解，就可使漿料褪盡，這稱為退漿。有些紡織品上漿使用的是動物膠作膠漿，可用蛋白酶使之退漿。(3).造紙原料的制漿 造紙原料的纖維中含有大量木質素，它容易使紙變為褐色，強度降低。通常使用鹼性硫酸鹽和二氯化鹽處理以除去木質素，這些化學藥品的致癌性已被證實，因而造成嚴重的環境污染。用木質素酶可以使木質素水解，這樣不但可以提高紙的品質，而且使環境污染的程度大為減輕。(4).生絲的脫膠處理 天然蠶絲的主要成分是不溶於水的有光澤的絲蛋白。絲蛋白的表面有一層絲膠包裹著，在高級絲綢的製作過程中，必須進行脫膠處理，即將表面上的絲膠除去，以提高絲的品質。採用胰蛋白酶、木瓜蛋白酶或微生物蛋白酶處理，可在比較溫和的條件下催化絲膠蛋白水解，進行生絲脫膠。(5).羊毛的除垢羊毛表面有鱗狀物質，即一些蛋白質聚合體。目前應用枯草桿菌蛋白酶處理後，可以消除鱗狀物質，而且還使毛料具有防縮水性，防止羊毛起球，形成毛氈。處理後的毛料很柔軟，易於染色。2.

輕工產品製造方面的應用(1)酶法生產L-氨基酸

L-型氨基酸是人體內蛋白質合成的原料，因而L-型氨基酸在醫學和食品工業上有很重要的意義。工業上已用固定化大腸桿菌菌體的天門冬氨酸酶將延胡索酸（反丁烯二酸）氨基化生成L-天門冬氨酸。以L-天門冬氨酸為底物，採用固定化假單胞菌菌體的天門冬氨酸脫羧酶，可連續生產L-丙氨酸。用己內醯胺水解酶生產L-賴氨酸：該法由L­-α-氨基-ε-己內醯氨水解酶與α–氨基-ε-己內醯胺消旋酶聯合作用，將DL-α氨基－ε－己內醯胺轉化為Ｌ－賴氨酸。所用的原料DL-α-氨基-ε-己內醯胺是由合成尼龍的副產品環己烯通過化學合成法得到的。原料中的Ｌ－α－氨基－ε－己內醯胺，經Ｌ－α－氨基－ε－己內醯胺水解酶作用後生成L-賴氨酸。餘下的D－α－氨基－ε－己內醯胺在消旋酶的作用下變成DL-型，再把其中的L-型水解為L-賴氨酸。如此重複進行，可把原料幾乎都變成L-賴氨酸。用噻唑啉羧酸水解酶合成L-半胱氨酸:將化學合成的DL-2-氨基噻唑啉-4-羧酸中的L-2-氨基噻唑啉-4-羧酸經噻唑啉羧酸水解酶作用生成L-半胱氨酸。餘下的D-2-氨基噻唑啉-4-羧酸再經消旋酶作用變成DL-型。反復進行，不斷生成L-半胱氨酸。(2)酶法生產核苷酸核苷酸在食品和醫藥等方面有重要用途，可利用多種酶進行生產。例如：用桔青酶或產黃青酶產生的5ˊ-磷酸二酯酶水解核糖核酸（RNA），生產各種5ˊ-核苷酸。用腺苷酸脫氨酶水解AMP生成肌苷酸（IMP）。用核苷磷酸化酶，可催化肌苷進行磷酸化生成5ˊ-肌苷酸，催化鳥苷生成5ˊ-鳥苷酸等。用核苷酸磷酸化酶，催化AMP生成ADP和ATP等。(3)酶法生產有機酸酶法合成有機酸也是結合有機化學合成與生化合成的長處而構成的生產工藝，已經用於工業生產的有蘋果酸，酒石酸和長鏈脂肪酸等。此外乳酸等也可用於酶法合成。如：蘋果酸的酶法合成L-蘋果酸在食品工業為一優良的酸味劑，在化工，印染，醫藥品生產上也有不少用途，可用發酵法和酶法生產，工業上以富馬酸為原料，通過微生物富馬酸酶合成的。3.加酶增加產品的使用效果在某些輕工產品中添加一定量的酶，可以顯著地增加產品的使用效果。（1）加酶洗滌劑：洗滌用的酶製劑需要滿足下列條件：（1）鹼性條件（pH9-10）下能夠有效洗滌；（2）表面活性劑（LAS,AOS）存在下，很少失活；（3）在螢光染料、漂白劑、香料等洗滌劑輔助成分存在下不失活；（4）在洗滌溫度下能有效地發揮作用。衣服上有機污垢15-40%以蛋白質與纖維結合的方式存在，如果將酶加入洗衣粉中,用酶來分解汙物上的蛋白質、油脂及澱粉類物質,能有效地除去污垢，大大縮短洗滌時間，防止衣物發黃變色,提高洗滌效果。（2）加酶牙膏，牙粉和漱口水：將適當的酶添加到牙膏，牙粉或漱口水中，可以利用酶的催化作用，增加潔齒效果，減少牙垢並防止齲齒的發生。可添加到潔齒用品中的酶有蛋白酶，澱粉酶，脂肪酶和右旋糖酐酶等。其中右旋糖酐酶對預防齲齒有顯著效果。（3）加酶飼料：酶應用於飼料，其作用一為補充畜禽內源酶的不足。，有助於提高畜禽健康水準和生產性能。另一作用為解除飼料中抗營養因數。所謂抗營養因數，是指飼料中對養分起拮抗作用的一些成分，（4）加酶護膚品在各種護膚品及化妝品中添加超氧化物歧化酶（SOD）、鹼性磷酸酶、尿酸酶和彈性蛋白酶等，可有效地提高護膚效果。因溶菌酶可以水解細菌的細胞膜，除治療以外，還可以做潤膚霜、洗髮膏和洗面奶等。NovoNordisk公司生產與化妝品相關的製品，含有可以清除皮膚表面死亡的細胞的蛋白酶。另外為了清除皮膚表面的自由基，使用抗衰老的超氧化物歧化酶也在計畫之中。第二節酶在醫藥方面的應用隨著對疾病發生的分子機制的深入瞭解，醫藥用酶的應用範圍越來越廣泛。酶在醫藥領域的應用主要是用於疾病的診斷、治療和製造藥物。一、疾病診斷方面的應用疾病治療效果的好壞，在很大程度上決定於診斷的準確性。疾病診斷的方法很多，其中酶學診斷發展迅速。由於酶催化的高效性和特異性，酶學診斷方法具有可靠、簡便又快捷的特點，在臨床診斷中已被廣泛應用。酶學診斷方法包括兩個方面，一是根據體內原有酶活力的變化來診斷某些疾病，二是利用酶來測定體內某些物質的含量，從而診斷某些疾病。1.根據體液內酶活力的變化診斷疾病一般健康人體液內所含有的某些酶的量是恒定在某一範圍的。若出現某些疾病，則體液內的某種或某些酶的活力將會發生相應的變化。故此，可以根據體液內某些酶的活力變化情況，而診斷出某些疾病。

酶疾病與酶活力變化葡萄糖氧化酶測定血糖含量，診斷糖尿病膽鹼脂酶測定膽固醇含量，治療皮膚病、支氣管炎、氣喘尿酸酶測定尿酸含量，治療痛風澱粉酶胰髒疾病，腎臟疾病時升高；肝病時下降膽鹼酯酶肝病時下降酸性磷酸酶前列腺癌、肝炎、紅血球病變時，活力升高鹼性磷酸酶佝僂病、軟骨化病、骨瘤、甲狀旁腺機能亢進時，活力升高；軟骨發育不全等，活力下降穀丙轉氨酶肝炎等疾病、心肌梗塞等，活力升高穀草轉氨酶肝病、心肌梗塞等，活力升高胃蛋白酶胃癌時，活力升高；十二指腸潰瘍時，活力下降磷酸葡糖變位酶肝炎、癌症時、活力下降醛縮酶癌症、肝病心肌梗塞等，活力升高葡萄糖醛縮酶腎癌及膀胱癌，活力升高碳酸酐酶壞血病、貧血等，活力升高乳酸脫氫酶癌症、肝病、心肌梗塞、活力升高2.用酶測定體液中某些物質的量診斷疾病酶具有專一性強、催化效率高等特點，可以利用酶來測定體液中某些物質的含量從而診斷某些疾病。例如：利用葡萄糖氧化酶和過氧化氫酶的聯合作用，檢測血液或尿液中葡萄糖的含量，從而作為糖尿病臨床診斷的依據，這兩種酶都可以固定化後製成酶試紙或酶電極，可十分方便的用於臨床檢測。此外，酶標免疫測定在疾病診斷方面的應用也越來越廣泛。所謂酶標免疫測定，是先把酶與某種抗體或抗原結合，製成酶標記的抗體或抗原。然後利用酶標抗體（或酶標抗原）與待測定的抗原（或抗體）結合，再借助於酶的催化特性進行定量測定，測出酶-抗體-抗原結合物中的酶的含量，就可以計算出欲測定的抗體或抗原的含量。通過抗體或抗原的量就可診斷某種疾病。二、疾病治療方面的應用由於酶具有專一性和高效率的特點，所以在醫藥方面使用的酶具有種類多，用量少，純度高的特點。1.蛋白酶蛋白水解酶是能夠使蛋白質構造和功能發生變化的酶，它對於細胞運動、組織的破壞和變形、激素的活化、受體和配基的相互作用、感染、細胞增殖等過程都有影響。蛋白酶可用於治療多種疾病，是臨床上使用最早、用途最廣的藥用酶之一。目前臨床上使用的蛋白酶大部分來自於動物和植物，如胰蛋白酶、胃蛋白酶和鳳梨蛋白酶等。蛋白酶在醫藥領域的應用最初是在消化藥上，用於治療消化不良和食欲不振。2.溶菌酶溶菌酶也是一種應用廣泛的藥用酶，具有抗菌、消炎、鎮痛等作用。用於治療手術性出血、咯血、鼻出血，分解膿液，消炎鎮痛，治療外傷性浮腫，增強放射線治療的效果等。3.超氧化物歧化酶超氧化物歧化酶（SOD）催化超氧負離子（O2ˉ）進行氧化還原反應，使機體免遭O2ˉ的損害。因此SOD具有抗輻射作用，並對紅斑狼瘡、皮炎、結腸炎及氧中毒等疾病有顯著療效。4.L-天門冬醯胺酶

L-天門冬醯胺酶是第一種用於治療白血病的酶。因為癌細胞生長時需要天冬醯氨。L-天門冬醯胺酶可以切斷天冬醯胺的供給，因此對癌症，特別是白血病的治療有顯著療效。三、在藥物生產方面的應用酶在藥物製造方面的應用是利用酶的催化作用將前體物質轉變為藥物。這方面的應用日益增多。現已有不少藥物包括一些貴重藥物都是由酶法生產的（表9-14）。1.青黴素醯化酶2.β-酪氨酸酶β-酪氨酸酶可催化L-酪氨酸或鄰苯二酚生成二羥苯丙氨酸（DOPA,多巴）。反應如下。多巴(Dopa)是治療帕金森氏(Parkinson)綜合症的一種重要藥物。所謂帕金森氏綜合症是1817年英國醫師Parkinson所描述的一種大腦中樞神經系統發生病變的老年性疾病。其主要症狀為手指顫抖，肌肉僵直，行動不便。病因是由於遺傳原因或人體代謝失調，不能由酪氨酸生成多巴或多巴胺（一種神經傳遞介質）。3.核苷磷酸化酶核苷中的核糖被阿拉伯糖取代可以形成阿糖苷。阿糖苷具有抗癌和抗病毒的作用，是令人注目的藥物。其中阿糖腺苷療效顯著。阿糖腺苷（腺嘌呤阿拉伯糖苷）可由嘌呤核苷磷酸化酶催化阿糖尿苷（尿嘧啶阿拉伯糖苷）轉化而成。由阿糖尿苷生成阿糖腺苷的反應分兩步完成。首先阿糖尿苷在尿苷磷酸化酶的作用下生成阿拉伯糖-1-磷酸：然後阿糖-1-磷酸再在嘌呤核苷磷酸化酶的作用下生成阿糖腺苷。4.無色桿菌蛋白酶人胰島素與豬胰島素只有在B鏈第30位的氨基酸不同。無色桿菌（Achromobacterlydicus）蛋白酶可以特異性地催化胰島素B鏈羧基末端（第30位）上的氨基酸置換反應，由豬胰島素（Ala-30）轉變為人胰島素（Thr-30），以增加療效。具體過程為：在無色桿菌蛋白酶作用下，豬胰島素第30位的丙氨酸被水解除去，然後在同一酶的作用下使之與蘇氨酸丁脂偶聯。然後用三氟乙酸（TFA）和苯甲醚除去丁醇，即得到人胰島素。第三節在分析檢測方面的應用利用酶催化作用的高度專一性對物質進行檢測，已成為物質分析檢測的重要手段。用酶進行物質分析檢測的方法統稱為酶法檢測或酶法分析。酶法檢測是以酶的專一性為基礎、以酶作用後物質的變化為依據來進行的。故此，要進行酶法檢測必須具備兩個基本條件：一是要有專一性高的酶，二是對酶作用後的物質變化要有可靠的檢測方法。酶法檢測一般包括兩個步驟。第一步是酶反應。將酶與樣品接觸，在適宜的條件下（包括溫度、pH值、抑制劑和啟動劑濃度等）進行催化反應。第二步是測定反應前後物質的變化情況，即測定底物的減少，產物的增加或輔酶的變化等。根據酶反應的不同，酶法檢測可以分成單酶反應，多酶偶連反應和酶標免疫反應等三類

1.單酶反應檢測利用單一種酶與底物反應，然後用各種方法測出反應前後物質的變化情況，從而確定底物的量。這是最簡單的酶法檢測技術。使用的酶可以是游離酶，也可以是固定化酶或單酶電極等。現舉例說明如下：（1）L-谷氨酸脫羧酶L-谷氨酸脫羧酶專一地催化L-谷氨酸脫羧生成γ-氨基丁酸和二氧化碳，生成的二氧化碳可以用華勃氏呼吸儀或二氧化碳電極等測定。該酶已經廣泛地用於L-谷氨酸的定量分析。可使用的酶形式有游離酶和酶電極。（2）脲酶脲酶能專一地催化尿素水解生成氨和二氧化碳。通過氣體檢測或者使用氨電極、二氧化碳電極等，測出氨或二氧化碳的量，從而確定尿素的含量。（3）葡萄糖氧化酶根據葡萄糖氧化酶能專一地氧化葡萄糖這一特點，可利用它進行葡萄糖的檢測。葡萄糖氧化酶能夠催化葡萄糖的氧化反應生成葡萄糖酸和雙氧水，反應中所消耗氧的量或生成的葡萄糖酸的量都與葡萄糖有定量的關係。用pH電極、氧電極和Pt（H2O2）電極等可以測定酸的生成或氧的減少來確定葡萄糖的量。該酶已廣泛地用於食品、發酵工業和臨床診斷等方面。（4）膽固醇氧化酶該酶催化膽固醇與氧反應生成膽固醇（膽甾烯酮）。通過氣體檢測技術或者使用氧電極來測出氧的減少量，就可以確定膽固醇的含量。（5）蟲螢光素酶該酶可催化螢光素（LH2）與腺三磷（ATP）反應，使ATP水解生成AMP和焦磷酸，放出的能量轉變為光。通過光度計或光量計測出光量，就可以測出ATP的量。可以將蟲螢光素酶固定在光導纖維上，並與光量計結合組成酶螢光感測器，可以快速、簡便靈敏地檢測出ATP。單酶催化反應進行物質檢測具有簡便、快捷、靈敏、準確的特點，是酶法檢測中最廣泛採用的技術。固定化酶與能量轉換器密切結合組成的單酶電極，使酶法檢測朝連續化、自動化的方向發展。

2.酶偶聯反應檢測多酶偶聯反應檢測是利用兩種或兩種以上酶的聯合作用，使底物通過兩步或多步反應，轉化為易於檢測的產物，從而測定被測物質的量。有些物質經過單酶催化反應後，對物質變化情況進行檢測時會受到其他物質的干擾，表現為檢測的靈敏度不高等現象，使檢測難於進行或檢測結果的精確度不夠。為此可採用兩種或兩種以上的酶進行連續式或平行式的偶連反應，使酶法檢測易於進行並達到較理想的結果。利用多酶偶聯反應檢測已有不少成功的例子。萄糖氧化酶與過氧化物酶偶聯β-半乳糖苷酶與葡萄糖氧化酶偶聯己糖激酶與葡萄糖氧化酶偶聯3.酶標記免疫反應檢測酶標記免疫反應檢測首先是將適宜的酶與抗原或抗體結合在一起。若要測定樣品中抗原含量，就將酶與欲測定的對應抗體結合，製成酶標抗體，反之，若要測定抗體，則需先製成酶標抗原。然後將酶標抗體（或酶標抗原）與樣品液中待測抗原（或抗體），通過免疫反應（或抗體）結合在一起，形成酶-抗體-抗原複合物。通過測定複合物中酶的含量就可得出欲測定的抗原或抗體的量。常用於酶標免疫測定的酶有鹼性磷酸酶和過氧化氫酶等。第四節酶在生物工程中的應用生物工程主要包括基因工程、細胞工程、酶工程和發酵工程等4個方面內容。一、酶在除去細胞壁方面的應用微生物細胞和植物細胞的表層部有細胞壁。細胞壁對微生物和植物維持其細胞的形狀和結構起著重要作用，可保護細胞遭外界因素的破壞。但在生物工程方面，很多時候都需要除去細胞壁。例如：(1)胞內物質的提取(2)原生質體的製備：根據不同納腦的結構和細胞壁組分的不同，除去細胞壁時所採用的酶也有所區別。現分述如下除去細菌細胞壁除去酵母細胞壁除去黴菌細胞壁植物細胞壁的破除

二、酶在大分子切割方面的應用生物工程經常與生物大分子打交道。在許多情況下需要把大分子切割成較小的分子或片斷，以便在生物工程的有關領域使用。在生物大分子的切割過程中往往要求在特定的位點上進行，這就只能借助於具有專一性的各種水解酶或其他酶類才能做到。限制性核酸內切酶DNA外切核酸酶鹼性磷酸酶核酸酶S1三、酶在分子拼接方面的應用許多酶都具有分子拼接能力，能將兩個或多個分子連接在一起而合成較大的分子。這些酶類在生物體內是至關重要的，它們催化各種各樣的生物合成反應。DNA連接酶DNA聚合酶DNA聚合酶的共同特點是：(1)需要範本或引物。(2)不能起始新的DNA鏈的合成。(3)催化去氧核苷三磷酸加到DNA鏈的3’—OH末端。(4)合成的方向是從5’—末端至3’—末端。末端去氧核苷酸轉移酶反轉錄酶本章結束祝您學習愉快！酶的分離提純酶的分離純化是酶工程的主要內容，也是酶學研究過程中必不可少的環節。酶的分離純化是指將酶從細胞或其他含酶原料中提取出來，再與雜質分開，以獲得符合研究或使用要求的酶的過程。其主要內容包括細胞破碎、酶的提取、離心分離、過濾與膜分離、沉澱分離、層析分離、電泳分離、萃取分離、結晶等。第一節細胞破碎酶的種類繁多，已知的約4000種，它們存在於不同生物體的不同部位。除了動物和植物體液中的酶和微生物胞外酶之外，大多數酶都存在於細胞之中。為了獲得細胞內的酶，就得收集細胞並進行細胞或組織破碎。對於不同的生物體，或同一生物體的不同組織的細胞，由於結構不同，所採用的細胞破碎方法和條件亦有所不同，必須根據具體情況進行適當的選擇，以達到預期的效果。細胞破碎的方法很多，可以分為機械破碎法、微量破碎法、化學破碎法和酶促破碎法等。1.機械破碎法通過機械運動所產生的剪切力的作用使細胞破碎的方法，稱為機械破碎法。常用的破碎機械有組織搗碎機、細胞研磨器、勻漿器等。2.物理破碎法通過溫度、壓力、聲波等各種物理因素的作用使組織細胞破碎的方法，稱為物理破碎法。物理破碎法多用於微生物細胞的破碎。常用的物理破碎法方法有：（1）溫度差破碎法：利用溫度的突然變化，細胞由於熱脹冷縮的作用而破碎。（2）壓力差破碎法：通過壓力的突然變化，使細胞破碎。常用的有高壓衝擊、突然降壓及滲透壓變化等方法。（3）超聲波破碎法：利用超聲波發生器所發出的10~20kHz的聲波或超聲波的作用，使細胞膜產生空穴作用（cavitation）而使細胞破碎。3.化學破碎法通過各種化學試劑對細胞膜的作用使細胞破碎的方法，稱為化學破碎法。常用的化學試劑有甲苯、丙酮、丁醇、氯仿等有機溶劑和特裏頓（Triton）、吐溫（Tween）等表面活性劑。4.酶促破碎法通過細胞本身的酶系或外加酶製劑的催化作用，使細胞外層結構受到破壞，而達到細胞破碎的目的。利用細胞本身的酶系的作用，在一定的pH值和溫度條件下保溫一段時間，使細胞破壞，而使細胞內物質釋出的方法，稱為自溶法。自溶法效果的好壞取決於溫度、pH值、離子強度等自溶條件的選擇與控制。根據細胞外層結構的特點，還可以外加適當的酶作用於細胞，使細胞壁受到破壞，並在低滲透壓的溶液中使細胞破裂。例如，革蘭氏陽性菌主要依靠肽多糖維持細胞壁的結構和形狀，外加溶菌酶，作用於肽多糖的β-1，4-糖苷鍵，而使其細胞壁破壞；酵母細胞的破碎是外加!-葡聚糖酶，使其細胞壁的β-1，3-葡聚糖水解；黴菌可用幾丁質酶機械細胞破碎；纖維素酶、半纖維素酶和果膠酶的混合使用，對植物細胞壁有良好的破碎效果。第二節酶的提取酶的提取是指在一定的條件下，用適當的溶劑處理含酶原料，使酶充分溶解到溶劑中的過程，也稱作酶的抽提。酶提取時首先應根據酶的結構和溶解性質，選擇適當的溶劑。酶都能溶解於水，可用水或稀酸、稀堿、稀鹽溶液等進行提取。有些酶與脂質結合或含有較多的非極性基團，則可用有機溶劑提取。為了提高酶的提取率並防止酶的變性失活，在提取過程中要注意控制好溫度、pH值等提取條件。根據酶提取時所採用的溶劑或溶液的不同，酶的提取方法主要有鹽溶液提取、酸溶液提取、堿溶液提取和有機溶劑提取等。1.鹽溶液提取大多數蛋白類酶（P-酶）都溶於水，而且在低濃度的鹽存在的條件下，酶的溶解度增加，這稱為鹽溶現象，所以一般採用稀鹽溶液進行酶的提取。例如，固體發酵生產的麩曲中的澱粉酶、蛋白酶等胞外酶，用0.14mol/L的氯化鈉溶液或0.02~0.05mol/L的磷酸緩衝液提取；枯草桿菌鹼性磷酸酶用0.1mol/L氯化鎂溶液提取等。有少數酶，如黴菌脂肪酶，用清水提取的效果較好。核酸類酶（R-酶）的提取，一般是在細胞破碎後，用0.14mol/L的氯化鈉溶液提取，得到核糖核蛋白提取液，再進一步與蛋白質等雜質分離，而得到酶RNA。2.酸溶液提取有些酶在酸性條件下溶解度較大，且穩定性較好，宜用酸溶液提取。例如，胰蛋白酶可用0.12mol/L的硫酸溶液提取。3.堿溶液提取有些在鹼性條件下溶解度較大且穩定性較好的酶，應採用堿溶液提取。例如，細菌L-天冬醯胺酶可用pH11~12的堿溶液鹼性提取。4.有機溶劑提取有些與脂質結合牢固或含有較多非極性基團的P-酶，可以採用與水可混溶的丁醇等有機溶劑提取。例如，琥珀酸脫氫酶、膽鹼酯酶等的提取。在R-酶的提取中，經常採用苯酚水溶液。一般是在細胞破碎、製成勻漿後，加入等體積的90%苯酚水溶液，振盪一段時間，結果DNA和蛋白質沉澱於苯酚層，而RNA溶解於水中。在酶提取過程中，為了防止酶變性失活，溫度不宜高，尤其是採用有機溶劑提取時，溫度應該控制在0~10℃。有些酶對溫度的耐受性較高，可在室溫或更高一些的溫度條件下提取。為了提高酶的溶解度，提取時pH值應該避開酶的等電點。此外，還可加入某些保護劑，以提高酶的穩定性。第三節離心分離離心分離是借助於離心機旋轉所產生的離心力，使不同大小、不同密度的物質分離的技術過程。離心機多種多樣，按照離心機的最大轉速的不同可以分為常速（低速）、高速和超速等3種。常速離心機的最大轉速在8000r/min以內，相對離心力（RCF）在1×104g以內，在酶的分離純化過程中，主要用於細胞、細胞碎片和培養基殘渣等固形物的分離。高速離心機的最大轉速為1×104~2.5×104r/min，相對離心力達到1×104g~1×105g，在酶的分離中主要用於沉澱、細胞碎片和細胞器等的分離。超速離心機的最大轉速達2.5×104

~8×104r/min，相對離心力可以高達5×105g。超速離心可以採用差速離心、密度梯度離心或等密梯度離心等方法。超速離心可用於酶分子的分離純化。在離心過程中，應該根據需要，選擇好離心力（或離心速度）和離心時間，並且控制好溫度和pH值等條件。第四節過濾與膜分離（一）過濾過濾是借助於過濾介質將不同大小、不同形狀的物質分離的技術。過濾介質多種多樣，常用的有濾紙、濾布、纖維、多孔陶瓷和各種高分子膜等，其中以各種高分子膜為過濾介質的過濾技術稱為膜分離技術。微濾、超濾、反滲透、透析及電滲析等都屬於膜過濾技術。根據過濾介質截留的物質顆粒大小不同，過濾可以分為粗濾、微濾、超濾和反滲透等4大類。（二）膜分離技術借助於一定孔徑的高分子薄膜，將不同大小、不同形狀和不同特性的物質顆粒或分子進行分離的技術稱為膜分離技術。膜分離所使用的薄膜主要是由丙烯腈、醋酸纖維素、賽璐珞以及尼龍等高分子聚合物製成的高分子膜。有時也可以採用動物膜或羊皮紙等。在膜分離過程中，薄膜的作用是選擇性地讓小於其孔徑的物質顆粒或分子通過，而把大於其孔徑的顆粒截留。膜的孔徑有多種規格可供使用時選擇。根據物質顆粒或分子通過薄膜的原理和推動力的不同，膜分離技術可以分為3大類。2.電場膜分離電場膜分離是在半透膜的兩側分別裝上正、負電極。在電場作用下，小分子的帶電物質或離子向著與其本身所帶電荷相反的電極移動，透過半透膜而達到分離的目的。電滲析和離子交換膜電滲析即屬於此類。（1）電滲析。用兩塊半透膜將透析槽分隔成3個室，在中心室通入待分離的混合溶液，在兩側室中裝入水或緩衝液並分別裝上正、負電極。接通直流電源後，中心室溶液中的陽離子向負極移動，透過半透膜到達陰極槽，而陰離子則向正極移動，透過半透膜移向陽極槽，從而達到分離。實際應用時，可由上述相同的多個透析槽聯在一起組成一個透析系統。（2）離子交換膜電滲析。離子交換膜電滲析的裝置與一般電滲析相同。只是以離子交換膜代替一般的半透膜。離子交換膜的選擇透過性比一般半透膜強。一方面它具有一般半透膜截留大於孔徑顆粒的作用；另一方面，由於離子交換膜上帶有某種基團，根據同性電荷相斥、異性電荷相吸的原理，只讓帶異性電荷的顆粒透過，而把帶同性電荷的物質截留。3.擴散膜分離擴散膜分離是利用小分子物質的擴散作用，不斷透過半透膜擴散到膜外，而大分子被截留。常見的透析就是屬於擴散膜分離。透析時，一般將半透膜製成透析袋，將欲分離的混合液裝在袋內，袋外是水或緩衝液。在一定的溫度下，透析一段時間，使小分子物質從袋內透出到膜外。必要時，袋外的水或緩衝液可以多次或連續更換。第五節沉澱分離沉澱分離是通過改變某些條件，使溶液中某種溶質的溶解度降低，從溶液中沉澱析出，而與其他溶質分離的方法。沉澱分離是酶的分離純化過程中經常採用的方法。沉澱分離的方法有多種，諸如鹽析沉澱法、等電點沉澱法、有機溶劑沉澱法、複合沉澱法、選擇性變性沉澱法等。1.鹽析沉澱法鹽析沉澱法簡稱鹽析法，是在酶的分離純化中應用最早且至今仍在廣泛使用的方法，主要用於蛋白類酶的分離純化。蛋白質在水中的溶解度受到溶液中鹽濃度的影響。一般在低鹽濃度的情況下，蛋白質的溶解度隨鹽濃度的升高而增加，而在鹽濃度升高到一定濃度後，蛋白質的溶解度又隨鹽濃度的升高而降低，結果使蛋白質沉澱析出。在某一濃度的鹽溶液中，不同蛋白質的溶解度各不相同，由此可達到彼此分離的目的。經過鹽析得到的酶沉澱，含有大量鹽分，一般可以採用透析、超濾或層析等方法進行脫鹽。2.等電點沉澱法利用兩性電解質在等電點時溶解度最低，以及不同的兩性電解質有不同的等電點這一特性，對蛋白質、RNA、氨基酸等兩性電解質進行分離純化的方法稱為等電點沉澱法。3.有機溶劑沉澱法利用酶與其他雜質在有機溶劑中的溶解度不同，而使酶與雜質分離的方法稱為有機溶劑沉澱法。4.複合沉澱法在酶液中加入某些物質，使它與酶形成複合物而沉澱下來，分離出沉澱後，再用適當的方法，使酶從複合物中析出，這種分離純化方法稱為複合沉澱法。常用的複合沉澱劑有單寧、聚乙二醇、聚丙烯酸等高分子聚合物。5.選擇性變性沉澱法選擇一定的條件使酶液中存在的某些雜蛋白等雜質變性沉澱，而不影響所需的酶，這種分離方法稱為選擇性變性沉澱法。例如，對於熱穩定性好的酶，可以通過加熱進行熱處理，使大多數雜蛋白受熱變性沉澱而被除去。此外，還可以根據酶的特性，通過改變pH值或加進某些金屬離子等使雜蛋白變性沉澱而除去。第六節層析分離層析分離是利用混合液中各組分的物理化學性質（分子的大小和形狀、分子極性、吸附力、分子親和力、分配係數等）的不同，使各組分以不同程度分佈在兩相中，其中一個相是固定的稱為固定相；另一個相是流動的，稱為流動相。當流動相流經固定相時，各組分以不同的速度移動，從而使不同的組分分離純化。酶可以採用不同的層析方法進行分離純化，常用的有吸附層析、分配層析、離子交換層析、凝膠層析和親和層析等。1.吸附層析吸附層析是利用吸附劑對不同物質的吸附力不同而使混合物中各組分分離的方法。吸附層析是各種層析技術中應用最早且至今仍廣泛使用的技術。任何兩個相之間都可以形成一個介面，其中一個相的物質或溶質在兩相介面上的密集現象稱為吸附。凡是能夠將其他物質聚集到自己表面上的物質稱為吸附劑，能聚集於吸附劑表面的物質稱為被吸附物。吸附層析通常採用柱型裝置，將吸附劑裝在吸附柱中進行柱層析。層析時，欲分離樣品液自柱頂加入，上柱完畢後，再加入洗脫劑解吸洗脫。2.分配層析分配層析是利用各組分在兩相中的分配係數不同而分離的方法。常見的紙上層析和一些薄層層析屬於分配層析。在分配層析中，通常採用一種多孔性固體支持物（如濾紙、矽藻土、纖維素等）吸著一種溶劑（稱為固定相），另一種與固定相溶劑互不相溶的溶劑可沿著固定相流動（稱為流動相），當某溶質在流動相的帶動流經固定相時，該溶質在兩相之間進行連續的動態分配。由於不同的溶質有不同的分配係數，移動速度不同，從而達到分離。分配係數是指一種溶質在兩種互不相溶的溶劑中溶解達到平衡時，該溶質在兩相溶劑中的濃度比值。在層析條件確定後，溶質的分配係數是一常數。3.離子交換層析離子交換層析是利用離子交換劑上的可解離基團對各種離子的親和力不同而達到分離目的的一種層析分離方法。離子交換劑是含有若干活性基團的不溶性高分子物質。通過在不溶性高分子物質（母體）上引入若干可解離基團（活性基團）而製成。離子交換劑進行酶的層析分離過程包括裝柱、上柱、洗脫、收集和交換劑再生等步驟。4.凝膠層析凝膠層析又稱凝膠過濾、分子篩層析或分子排阻層析，是以各種多孔凝膠為固定相，利用溶液中各組分的相對分子品質不同而進行分離的層析技術。凝膠的種類很多，常用於凝膠層析的有葡聚糖凝膠、瓊脂糖凝膠、聚丙烯醯胺凝膠等。各種凝膠均有系列產品，不同的型號表明凝膠的孔徑不同，可根據需要選擇使用。5.親和層析親和層析是利用生物分子與配基之間所具有的專一而又可逆的親和力，使酶等生物分子分離純化的技術。酶與底物，酶與競爭性抑制劑，酶與輔助因數，抗原與抗體，酶RNA與互補的RNA分子或片段，RNA與互補的DNA分子或片段等之間都是具有專一而又可逆親和力的生物分子對。故此，親和層析在酶的分離純化中有重要應用。在親和層析中，作為固定相的一方稱為配基（ligand）。配基必須偶聯於不溶性母體（matrix）上。母體又稱為載體或擔體。在親和層析中，一般採用瓊脂糖凝膠、葡聚糖凝膠、聚丙烯醯胺凝膠或纖維素等作為母體。當小分子物質（金屬離子等無機輔助因數、有機輔助因數等）作為配基時，由於空間位阻作用，難以與配對的大分子親和吻合，需要在母體與配基之間引入適當長度的連接臂（spacearm）。第七節電泳分離帶電粒子在電場中向著與其本身所帶電荷相反的電極移動的過程稱為電泳。不同的物質由於其帶電性質及其顆粒大小和形狀不同，在一定的電場中它們的移動方向和移動速度也不同，故此可使它們分離。物質顆粒在電場中的移動方向，決定於它們所帶電荷的種類。帶正電荷的顆粒向電場的陰極移動；帶負電荷的顆粒則向陽極移動。淨電荷為零的顆粒在電場中不移動。顆粒在電場中的移動速度主要決定於其本身所帶的淨電荷量，同時受顆粒形狀和顆粒大小的影響。此外，還受到電場強度、溶液pH值、離子強度及支持體的特性等外界條件的影響。（1）電場強度。電場強度是指每釐米距離的電壓降，又稱為電位梯度或電勢梯度。電場強度對顆粒的泳動速度起著十分重要的作用。電場強度越高，帶電顆粒的泳動速度越快。根據電場強度的大小可將電泳分為高壓電泳和常壓電泳。（2）溶液的pH值。溶液的pH值決定了溶液中顆粒分子的解離程度，也就是決定了顆粒分子所帶淨電荷的多少。溶液的pH值離開其等電點越遠，顆粒所帶淨電荷越多，泳動速度越快；反之，顆粒的泳動速度則越慢。（3）溶液的離子強度。溶液的離子強度越高，顆粒的泳動速度越慢。（4）電滲。在電場中，溶液對於固體支持物的相對移動稱為電滲。例如，在紙電泳中，由於濾紙纖維素上帶有一定量的負電荷，使與濾紙相接觸的水分子感應而帶有一些正電荷，水分子便會向負極移動並帶動溶液中的顆粒一起向負極移動。若顆粒本身向負極移動，則其表觀泳動速度將比其本來的泳動速度快；若顆粒本身向正極移動，則其表觀泳動速度慢於其本來的泳動速度。淨電荷為零的顆粒，也會隨水向負極移動。此外，緩衝液的粘度和溫度等也對顆粒的泳動速度有一定的影響。在酶學研究中，電泳技術主要用於酶的純度鑒定、酶相對分子品質測定、酶等電點測定以及少量酶的分離純化。其方法多種多樣。按其使用的支持體不同，可分為紙電泳、薄層電泳、薄膜電泳、凝膠電泳和等電點聚焦電泳等。1.紙電泳紙電泳是以濾紙為支持體的電泳技術。2.薄層電泳薄層電泳是將支持體與緩衝液調製成適當厚度的薄層而進行電泳的技術。3.薄膜電泳薄膜電泳是以醋酸纖維等高分子物質製成的薄膜為支持體的電泳技術。4.凝膠電泳凝膠電泳是以各種具有網狀結構的多孔凝膠作為支持體的電泳技術。凝膠電泳的支持體主要有聚丙烯醯胺凝膠和瓊脂糖凝膠等。常用的是聚丙烯醯胺凝膠電泳（PAGE）。聚丙烯醯胺凝膠電泳按其凝膠形狀和電泳裝置的不同，可以分為垂直管型盤狀凝膠電泳和垂直板型片狀凝膠電泳。兩者的操作原理和方式基本相同，不同的是前者在玻璃管內製成圓柱狀的凝膠，後者則在兩塊玻璃板之間製成平板狀凝膠。聚丙烯醯胺凝膠電泳按其凝膠組成系統的不同，可以分為連續凝膠電泳、不連續凝膠電泳、濃度梯度凝膠電泳和SDS凝膠電泳等4種。5.等電點聚焦電泳等電點聚焦電泳又稱為等電點聚焦或電聚焦，是20世紀60年代後期發展起來的電泳技術，在酶的等電點測定和酶的分離中廣泛使用。在電泳系統中，加進兩性電解質載體。當接通直流電時，兩性電解質載體即形成一個由陽極到陰極連續增高的pH梯度。當酶或其他兩性電解質進入這個體系時，不同的兩性電解質即移動到（聚焦於）與其等電點相當的pH值位置上，從而使不同等電點的物質得以分離。這種電泳技術稱為等電點聚焦電泳。第八節萃取分離萃取分離是利用物質在兩相中的溶解度不同而使其分離的技術。萃取分離中的兩相一般為互不相溶的兩個液相，有時也可採用其他流體。按照兩相的組成不同，萃取可以分為有機溶劑萃取、液膜萃取、雙水相萃取和超臨界萃取等。第九節酶的結晶結晶是溶質以晶體形式從溶液中析出的過程。結晶時，溶質分子按照一定的規律排列在一起，形成特定形狀的晶體顆粒。酶的結晶是酶分離純化的一種手段，也是酶的一種製品形式。在酶學研究中，酶結晶為酶的結構、功能、催化機制等方面的研究提供了適宜的樣品，同時為較高純度的酶的獲得和應用創造了條件。酶結晶的方法多種多樣，主要有鹽析結晶、有機溶劑結晶、透析平衡結晶、等電點結晶等。1.鹽析結晶在適宜的溫度和pH值等條件下，慢慢增加酶液中鹽的濃度，使酶的溶解度慢慢降低，而使酶析出結晶，此種方法稱為鹽析結晶。鹽析結晶採用的中性鹽一般是硫酸銨，也可採用硫酸鈉等其他中性鹽。2.有機溶劑結晶在適宜的溫度和pH值等條件下，慢慢加入一定量的有機溶劑到酶液中，使酶的溶解度慢慢降低，達到稍為過飽和狀態而析出結晶，此種方法稱為有機溶劑結晶。常用於酶結晶的有機溶劑主要有乙醇、丙酮、丁醇、甲醇、異丙醇甲基戊二醇、二甲亞碸等。3.透析平衡結晶將經過純化的濃縮酶液裝進透析袋，對一定濃度的鹽溶液或一定pH值的緩衝液或有機溶劑進行透析，經過一段時間，酶液中酶的濃度漸漸達到過飽和狀態而析出結晶，此種方法稱為透析平衡結晶。透析平衡結晶是常用的結晶方法之一，可用於大量樣品的結晶，也可用於微量樣品的結晶。4.等電點結晶通過慢慢改變濃縮酶液的pH值，使之逐步達到酶的等電點，使酶的溶解度降低，達到過飽和狀態而析出結晶，此種方法稱為等電點結晶。第十節濃縮與乾燥濃縮是從低濃度酶溶液中除去部分的水或其他溶劑而成為高濃度溶液的過程。乾燥是將固體、半固體或濃縮液中的水分（或其他溶劑）除去一部分，以獲得含水較少的固體的過程。乾燥的方法很多。常用的有：真空乾燥、冷凍乾燥、噴霧乾燥、氣流乾燥和吸附乾燥等。本章結束祝您學習愉快！酶分子修飾通過各種方法使酶分子的結構發生某些改變，從而改變酶的某些特性和功能的過程稱為酶分子修飾。酶分子是具有完整的化學結構和空間結構的生物大分子。酶分子的結構決定了酶的性質和功能。正是酶分子的完整空間結構賦予酶分子以生物催化功能，使酶具有催化效率高、專一性強和作用條件溫和等特點。但是在另一方面，也是酶的分子結構使酶具有穩定性較差、活性不夠高和可能具有抗原性等弱點。當酶分子的結構發生改變時，將會引起酶的性質和功能的改變。第一節金屬離子置換修飾把酶分子中的金屬離子換成另一種金屬離子，使酶的功能和特性發生改變的修飾方法稱為金屬離子修飾。通過金屬離子置換修飾，可以瞭解各種金屬離子在酶催化過程中的作用，有利於闡明酶的催化作用機制，並有可能提高酶活力，增加酶的穩定性。有些酶中含有金屬離子，而且往往是酶活性中心的組成部分，對酶催化功能的發揮有重要作用。例如，α-澱粉酶中的鈣離子（Ca2+）、谷氨酸脫氫酶中的鋅離子（Zn2+）、過氧化氫酶中的鐵離子（Fe2+）等。金屬離子置換修飾只適用於那些在分子結構中本來含有金屬離子的酶。用於金屬離子置換修飾的金屬離子，一般都是二價金屬離子，如Ca2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+、Co2+、Cu2+、Fe2+等。第二節

大分子結合修飾若採用的修飾劑是水溶性大分子，則稱為大分子結合修飾。通過分子結合修飾，可以提高酶活力，增加酶的穩定性，降低或消除酶蛋白的抗原性等。（1）水溶性分子與酶蛋白的側鏈基團通過共價鍵結合後，可使酶的空間構象發生改變，使酶活性中心更有利於與底物結合，並形成準確的催化部位，從而使酶活力提高。例如，每分子核糖核酸酶與6.5分子的右旋糖酐結合，可以使酶活力提高到原有酶活力的2.25倍；每分子胰凝乳蛋白酶與11分子右旋糖酐結合，酶活力達到原有酶活力的5.1倍等。（2）通過修飾可以增加酶的穩定性。酶的穩定性可以用酶的半衰期表示。酶的半衰期是指酶的活力降低到原來活力的一半時所經過的時間。酶的半衰期長，則說明酶的穩定性好；半衰期短，則穩定性差。例如，超氧化物歧化酶（SOD）在人體血漿中的半衰期僅為6min，經過分子結合修飾，其半衰期可以明顯延長。（3）通過修飾降低或消除酶蛋白的抗原性。酶大多數是從微生物、植物或動物中獲得的，對人體來說是一種外源蛋白質。當酶蛋白非經口（注射等）進入人體後，往往會成為一種抗原，刺激體內產生抗體。產生的抗體可與作為抗原的酶特異地結合，使酶失去其催化功能。抗體與抗原的特異結合是由它們之間特定的分子結構所引起的。通過酶分子修飾，使酶蛋白的結構發生改變，可以大大降低或消除酶的抗原性，從而保持酶的催化功能。例如，精氨酸酶經聚乙二醇結合修飾後，其抗原性顯著降低；L-天冬醯胺酶經聚乙二醇結合修飾後，抗原性完全消除。第三節肽鏈有限水解修飾酶分子的主鏈包括肽鏈和核苷酸鏈，主鏈被切斷後，可能出現下列3種情況。①若主鏈的斷裂引起酶活性中心的破壞，酶將喪失其催化功能。這種修飾主要用於探測酶活性中心的位置。②若主鏈斷裂後，仍然可以維持酶活性中心的空間構象，則酶的催化功能可以保持不變或損失不多，但是其抗原性等特性將發生改變。有些酶蛋白具有抗原性，除了酶分子的結構特點以外，還由於酶是生物大分子。酶蛋白的抗原性與其分子大小有關，大分子的外源蛋白往往有較強的抗原性，而小分子的蛋白質或肽段的抗原性較低或無抗原性。若採用適當的方法使酶分子的肽鏈在特定的位點斷裂，其相對分子品質減少，就可以在基本保持酶活力的同時使酶的抗原性降低或消失，這種修飾方法又稱為肽鏈有限水解修飾。例如，木瓜蛋白酶用亮氨酸氨肽酶進行有限水解，除去其肽鏈的三分之二，該酶的活力基本保持，其抗原性卻大大降低；又如，酵母的烯醇化酶經肽鏈有限水解，除去由150個氨基酸殘基組成的肽段後，酶活力仍然可以保持，抗原性卻顯著降低。③若主鏈的斷裂有利於酶活性中心的形成，則可使酶分子顯示其催化功能或使酶活力提高。例如，胰蛋白酶原用胰蛋白酶進行修飾，除去一個六肽，從而顯示胰蛋白酶的催化功能；天冬氨酸酶通過胰蛋白酶修飾，從其羧基末端切除10多個氨基酸殘基的肽段，可以使天冬氨酸酶的活力提高4~5倍；線性間隔序列LIVS的5′-末端切除19個核苷酸殘基後，形成多功能核酸類酶L-19IVS。第四節酶蛋白的側鏈基團修飾採用一定的方法（一般為化學法）使酶蛋白的側鏈基團發生改變，從而改變酶分子的特性和功能的修飾方法稱為側鏈基團修飾。酶蛋白的側鏈基團修飾可以用於研究各種基團在酶分子中的作用及其對酶的結構、特性和功能的影響，在研究酶的活性中心中的必需基團時經常採用。如果某基團修飾後不引起酶活力的變化，則可以認為此基團是非必需基團；如果某基團修飾後使酶活力顯著降低或喪失，則此基團很可能是酶催化的必需基團。酶蛋白的側鏈基團是指組成蛋白質的氨基酸殘基上的功能團，主要包括氨基、羧基、巰基、胍基、酚基等。這些基團可以形成各種副鍵，對酶蛋白空間結構的形成和穩定有重要作用。側鏈基團一旦改變將引起酶蛋白空間構象的改變，從而改變酶的特性和功能。1.氨基修飾採用某些化合物使酶蛋白側鏈上的氨基發生改變，從而改變酶蛋白的空間構象的方法稱為氨基修飾。凡能夠使蛋白質側鏈上的氨基發生改變的化合物，稱為氨基修飾劑