12-蛋白质分子的化学修饰

1、蛋白质分子的化学修饰,第一节 酶的活性中心 第二节 酶化学修饰的目的 第三节 酶化学修饰的原理 第四节 酶化学修饰的设计 第五节 酶化学修饰的应用 第六节 酶的蛋白质工程,第一节 酶的活性中心（active site） 一、活性中心的概念 酶的必需基团(essential group): 与酶活性有关的基团 酶的活性中心(active center): 由必需基团构成的与酶催化活性有关的特定区域.,酶分子,非必需基团,必需基团,活性中心 必需基团,活性中心外 必需基团,结合基团,催化基团,非活性中心,活性中心,活性中心的重要化学基团 7种氨基酸出现的频率最高 Lys Asp Glu Cys H

2、is Tyr Ser 某些功能基团,如（氨基、羧基、巯基、羟基 和咪唑基）是酶的必需基团。 赖氨酸的氨基 天冬氨酸和谷氨酸的羧基 半胱氨酸的巯基 组氨酸的咪唑基 酪氨酸和丝氨酸的羟基,OH,活性部位只占酶分子很小的一部分,胰凝乳蛋白酶,活性部位是一个三维实体,二、活性中心的共性,(1)活性部位只占酶分子很小的一部分（1-2%）。 (2)活性部位是一个三维实体。 (3)活性中心位于酶分子表面的疏水性裂缝中。 (4)活性中心构象不是固定不变的（诱导契合）。 (5)酶与底物通过盐键、氢键、范德华力和疏水作用等次级键结合。,酶的稳定性 1.酶稳定的分子原因 1）共价键： 肽键（peptide bond

3、） 稳定蛋白质和酶主链的核心力量。 二硫键（disulfide bond） 由两个Cys的侧链-SH氧化而成，是某些蛋白质维持结构稳定性的主要因素。,2）非共价键： 疏水相互作用（hydrophobic interaction）: 是维持蛋白质分子稳定的主要的作用力。 氢键（hydrogen bond）： 是稳定蛋白质分子的空间结构，特别是二级结构的重要力量。,静电相互作用（electrostatic interaction）： 又称离子键、盐键、盐桥，是正负电荷间的作用力。对酶分子稳定性有关的盐键大部分形成于分子表面上。 范德华力： 在电中性分子之间的非共价结合。分子间形成的范德华力越大越稳

4、定。 金属离子： Ca2+、Mg2+和Zn2+等高价阳离子与多肽链不稳定的弯曲部分结合，可显著增加酶分子的稳定性。,2. 稳定酶的方法,三、研究酶活性中心的方法 1.物理学方法： 用X射线衍射法直接检测底物或其类似物与酶形成的中间复合物（包括酶和底物）的相对位置。,2.化学修饰法： 根据所用修饰试剂不同，分为 1)非专一性化学修饰 用非专一性的修饰试剂与氨基酸侧链基团作用。 若某基团被修饰后： 酶活性不变该基团可能不是酶的必需基团 酶活性降低或丧失该基团可能是酶的必需基团 但不能确定化学试剂是同活性中心内的必需基团结合。,活性中心基团的鉴定标准 失活程度与修饰剂浓度成一定比例关系。 S或可逆抑

5、制剂有保护作用（活性中心）。 先加S或竞 加共价修饰剂 透析除去S或竞 活性不丧失,差别标记： 底物或抑制剂存在 活性基团不与修饰剂作用 去除底物或抑制剂 原来被保护的基团带同位素标记 可直接得到蛋白质发挥功能作用的必需基团。,化学修饰,含同位素标记,的同样试剂,2)专一性化学修饰（基团专一性修饰） 用专一性化学修饰剂修饰酶活性中心的某一氨基酸残基的侧链基团。 3)亲和标记（位点专一性修饰） 采用的修饰试剂是根据底物的化学结构设计合成的含有活泼反应基团的底物类似物。 作用机制：利用酶对底物的特殊亲和力将酶加以修饰标记。,化学修饰的专一性,亲和修饰剂： 与S结构相似，与活性中心的氨基酸残基 亲和

6、力大，而与活性中心以外的氨基酸 残基亲和力小。 具有活泼的化学基团（如卤素）可与活性 中心的基团形成稳定的共价键。,3.蛋白质工程： 将酶相应的cDNA定点突变，突变的cDNA只表达一个或几个氨基酸被置换的酶蛋白，测定其活性可知被置换的氨基酸是否为活力所必需。,第二节 酶化学修饰及修饰目的 一、酶化学修饰 1.限制酶大规模应用的原因：,酶作为生物催化剂，其高效性和专一性是其他催化剂所无法比拟的。因此，日益增多的酶制剂已用于食品发酵、疾病诊治和预防、环境保护和监测、化工产品的生产，以及基因工程等生物技术领域。 但是酶在实际应用中有局限性： 1、作为异体蛋白在体内难于吸收、易引起免疫反应和被识别降

7、解(具有抗原性)； 2、酶蛋白经不起温度、酸碱、有机溶剂及时间的考验， 半衰期短、易变性失活(细胞外稳定性差)； 3、酶的活性、作用专一性和最适条件不一定能适应生产工艺要求，限制了酶制剂的应用范围(酶活性不够高)。,2. 改变酶特性有两种主要的方法： 1)通过分子修饰的方法来改变已分离出来的天然酶的活性。 2)通过基因工程方法改变编码酶分子的基因而达到改造酶的目的。,3. 酶化学修饰的概念 （原理 、方法、应用）酶的化学修饰（chemical modification）： 通过化学基团的引入或除去，使蛋白质共价结构发生改变。 化学修饰是分子酶工程的重要手段之一。只要选择合适的修饰剂和修饰条件，

8、在保持酶活性的基础上，能够在较大范围内改变酶的性质，创造天然酶所不具备的优良特性，甚至创造出新的活性。酶选择性化学修饰： 肽链侧链基团被化学试剂专一性地修饰 化学修饰方法虽多，但基本都是利用修饰剂所具有的各种化学基团特性，或直接或经过一定的活化过程，与酶分子上某氨基酸残基（一般尽量选酶活性非必需基团）产生化学反应，对酶分子结构进行改造。,二、酶化学修饰的目的 1. 研究酶的结构与功能的关系。（50年代末） 2. 人为改变天然酶的某些性质，扩大酶的应用 范围。（70年代末之后） 1）提高酶的生物活性（酶活力）。 2）增强酶的稳定性（热稳定性、体内半衰期）。 3）消除抗原性（针对特异性反应降低生物

9、识别能力）。 4）产生新的催化能力。,第三节 酶化学修饰的原理,凡通过化学基团的引入或除去而使酶蛋白共价结构发生改变（侧链基团的取代、肽链的限制性水解、分子内或分子间的交联），都可称为蛋白质的化学修饰。 达到： 改造酶的作用特性（包括改变酶活性、专一性、对效应物响应性能及对辅助因子的要求） 提高酶的稳定性 扩大在体内应用可能性（防止在体内非专一性水解、减少和消除免疫原性以利于医疗应用）,一、如何增强酶天然构象的稳定性与耐热性 修饰剂分子存在多个反应基团，可与酶形成多点交联。使酶的天然构象产生“刚性”结构。 二、如何保护酶活性部位与抗抑制剂 大分子修饰剂与酶结合后，产生的空间障碍或静电斥力阻挡抑

10、制剂，“遮盖”了酶的活性部位。,三、如何维持酶功能结构的完整性与抗蛋白水解酶 酶化学修饰后通过两种途径抗蛋白水解酶： 1. 大分子修饰剂产生空间障碍阻挡蛋白水解酶接近酶分子。“遮盖”酶分子上敏感键免遭破坏。 2. 酶分子上许多敏感基团交联上修饰剂后，减少了受蛋白水解酶破坏的可能性。,四、如何消除酶的抗原性及稳定酶的微环境 1. 酶蛋白氨基酸组成的抗原决定簇，与修饰剂形成了共价键。 破坏了抗原决定簇抗原性降低乃至消除 “遮盖”了抗原决定簇阻碍抗原、抗体结合 2. 大分子修饰剂本身是多聚电荷体，能在酶分子表面形成“缓冲外壳”，抵御外界环境的极性变化，维持酶活性部位微环境相对稳定。,第四节 酶化学修

11、饰的设计 一、充分认识酶分子的特性 包括酶的 1. 活性部位情况 2. 稳定条件及反应最佳条件 3. 侧链基团的化学性质及反应活泼性,二、 修饰剂的选择 要考虑 1.修饰剂的分子量及链的长度（要求有较大的分子量） 2.修饰剂上反应基团的数目及位置（要求有较多的反应活性基团） 3.修饰剂上反应基团的活化方法与条件,三、反应条件的选择 要注意 1. 酶与修饰剂的分子比例 2. 反应体系的溶剂性质、盐浓度、pH条件 3. 反应温度及时间,第五节 酶化学修饰的种类及应用 一、酶的表面化学修饰 （一）大分子修饰（大分子结合修饰） 是目前应用最广的酶分子修饰方法。 1.定义：利用水溶性大分子与酶结合，使酶

12、的空间结构发生某些精细的改变，从而改变酶的特性与功能的方法。,2. 修饰剂： 聚乙二醇（PEG）、右旋糖酐（dextran）、肝素（heparin）、蔗糖聚合物（Ficoll）等。 修饰方法： 修饰前修饰剂活化 一定条件下与酶分子共价结合 对酶分子进行修饰。,3、大分子修饰后酶性质的变化,（1）提高酶活力 （2）增加酶的稳定性 半衰期：酶活力降低原来活力一半所经过的时间。 （3）降低抗原抗体反应,4. 应用： 如：PEG超氧化物歧化酶（SOD） PEG溶血类蛋白质（链激酶、尿激酶等） PEG天门冬酰胺酶（ASNase） 消除了抗原性 延长了酶在体内的半衰期 又如：用Dextran修饰-淀粉酶，

13、淀粉酶，胰蛋白酶、过氧化氢酶，提高了酶的热稳定性。,（二）小分子修饰 （酶蛋白侧链基团修饰） 定义：通过选择性的试剂或亲和标记试剂与酶分子侧链上特定的功能基团发生化学反应。 侧链基团：组成蛋白质氨基酸残基上的功能团。主要有：氨基、羧基、胍基、巯基、酚基、咪唑基。 侧链基团修饰剂：采用的各种小分子化合物。 20种不同氨基酸的侧链基团中只有极性氨基酸的侧链易被修饰，它们一般具有亲核性。,根据氨基酸侧链R基的极性，20种氨基酸可分成4类。 1. 非极性R基氨基酸（共8种）： 丙氨酸(Alanine,Ala,A), 亮氨酸(Leucine,Leu, L), 缬氨酸(Valine,Val,V), 异亮氨

14、酸(Isoleucine,Ile,I), 苯丙氨酸(Phenylalanine,Phe,F), 色氨酸(Tryptophan,Trp,W), 甲硫氨酸(Methionine,Met,M), 脯氨酸(Proline,Pro,P),2.无电荷的极性R基氨基酸（共7种）： 丝氨酸(Serine,Ser,S), 苏氨酸(Threonine,Thr,T), 酪氨酸(Tyrosine,Tyr,Y), 半胱氨酸(Cysteine,Cys,C), 天冬酰胺(Asparagine,Asn,N),甘氨酸(Glycine,Gly,G), 谷氨酰胺(Glutamine,Gln,Q) 3.带正电荷的极性R基氨基酸（共3

15、种）： 赖氨酸(Lysine,Lys,K), 精氨酸(Arginine,Arg,R), 组氨酸(Histidine,His,H) 4.带负电荷的极性R基氨基酸（共2种）： 天冬氨酸(Aspartic acid,Asp,D), 谷氨酸(Glutamic acid,Glu,E),几种重要的修饰反应： 烷基化反应 酰化反应 氧化还原反应 芳香环取代反应,1. 化学修饰反应的类型,1) 烷基化反应 试剂特点：烷基上带活泼卤素，导致酶分子的亲核基团（如NH2，-SH等）发生烷基化。 可作用基团： 氨基（Lys，Arg），巯基（Cys），羧基（Asp、Glu），甲硫基（Met），咪唑基（His）。 修饰剂

16、：2，4二硝基氟苯、碘乙酸、碘乙酰胺等。,烷基化反应,2) 酰基化反应 试剂特点： 含有 结构，作用于侧链基团上的亲核基团，使之酰基化。 可作用基团： 氨基，巯基，醇羟基（Ser、Thr），酚羟基（Tyr）,酰基化反应,3) 氧化和还原反应 试剂特点：具有氧化性或还原性。 氧化剂：H2O2 ，N-溴代琥珀酰亚胺 可被氧化的侧链基团：巯基，甲硫基，吲哚基（Trp）、咪唑基，酚基等。 还原剂：2巯基乙醇、DTT等。 可被还原的侧链基团：二硫键。,连四硫酸盐氧化巯基，DTT还原逆回，用于保护巯基。,2.特定氨基酸残基侧链基团的化学修饰 1) 氨基的化学修饰： 来源：Lys, Arg, His, Gl

17、n 修饰反应：酰基化与烷基化 酰基化修饰剂: 三硝基苯磺酸（TNBS）、丹磺酰氯（DNS） 烷基化修饰剂： 2，4二硝基氟苯（DNFB）、碘乙酸、碘乙酰胺、亚硝酸等,2) 羧基的化学修饰 修饰羧基的反应专一性较差。 常用水溶性碳化二亚胺修饰天冬氨酸和谷氨酸。可定量测定酶分子中羧基的数目。 + 水溶性碳化二亚胺,3) 胍基的化学修饰 来源：Arg 修饰反应：本质上是羰基对氨基酰基化。 修饰剂： 丁二酮 二羰基化合物 1，2环己二酮 苯乙二醛,4) 巯基的化学修饰 来源：Cys 修饰反应:烷基化 修饰剂：碘乙酸(IAA) 碘乙酰胺(IAM) E-SH + R-X E-SR +HX N-乙基马来酰亚

18、胺（NEM）（常用的专一修饰巯基试剂） ESH ,5) 二硫键的化学修饰 还原：巯基乙醇、二硫苏糖醇（DTT）,氧化：过甲酸: Performic acid,6)咪唑基的化学修饰 来源：His 修饰反应:酰基化与烷基化 酰基化修饰剂: 常用焦碳酸二乙酯（diethyl paracarbonate） + + C2H5OH +CO2 烷基化修饰剂：碘乙酸,+ ICH2COOH + HI,7）酚羟基的化学修饰 来源：Tyr 修饰反应：芳香环取代反应 修饰剂：碘、硝化试剂（四硝基甲烷）,4) 芳香环取代反应 试剂：卤（碘）化，硝化试剂。 碘代： I2 + HI 硝化： (NO2)4C + +(NO2)

19、3CH,（四硝基甲烷）,8）吲哚基的化学修饰 来源：Trp 修饰反应：氧化反应 修饰剂： N-溴代琥珀酰亚胺,各种氨基酸侧链的修饰剂,酶化学修饰的应用,在医药方面：化学修饰可以提高医用酶的稳定性，延长 它在体内半衰期，抑制免疫球蛋白的产生，降低免疫原性 和抗原性。 在生物技术领域：化学修饰酶能够提高酶对热，酸，碱 和有机溶剂的耐性，改变酶的底物专一性和最适pH等酶学 性质。 在酶结构功能研究中： 1.研究酶空间结构与功能的关系，如酶的活性中心研究； 2.确定氨基酸残基的功能； 3.测定酶分子中某种氨基酸的数量。,化学修饰效果举例,用纤维蛋白的专一性单克隆抗体修饰尿激酶，使其溶血栓性提高了100

20、倍 用乙醛酸修饰胰凝乳蛋白酶的表面氨基，形成亲水性的NHCH2COOH后，该酶对60C热处理的稳定性增高了1000倍。 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、L谷氨酰胺酶、L天门冬酰胺酶、尿酸酶等用PEG(聚乙二醇)修饰后，完全消除了酶的抗原性和免疫原性，减慢了它们在动物血液循环中被清除的速度，酶的活力可以保存1545。,酶蛋白化学修饰的局限性,1. 某种修饰剂对某一氨基酸侧链的化学修饰专一性是相对的，很少有对某一氨基酸侧链绝对专一的化学修饰剂。 2. 化学修饰后酶的构象或多或少都有一些改变，因此这种构象的变化将妨碍对修饰结果的解释。 3. 酶的化学修饰只能在具

21、有极性的氨基酸残基侧链上进行，目前还不能用化学修饰的方法研究非极性氨基酸残基在酶结构与功能关系中的作用。 4. 酶化学修饰的结果对于研究酶结构与功能的关系能提供一些信息，如某一氨基酸残基被修饰后，酶活力完全丧失，说明该残基是酶活性所“必需”的，为什么是必需的，还得用X射线和其他方法来确定。因此化学修饰法研究酶结构与功能关系尚缺乏准确性和系统性。,（三）交联修饰（交联法） 用双功能基团试剂(如戊二醛)，与酶分子内不同肽链部分共价交联，使酶分子空间构象更加稳定。 （四）固定化修饰（共价偶联法） 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，由于酶所处的微环境发生改变，使酶的最适pH、最适温

22、度和稳定性发生改变。,二、酶分子内部修饰 （一）蛋白主链修饰（肽链有限水解修饰） 利用肽链有限水解，使酶的空间结构发生精细的改变，从而改变酶的特性与功能的方法。 蛋白主链修饰采用酶法（用专一性较强的蛋白酶或肽酶为修饰剂）。 （与前面化学修饰区别）,酶蛋白的肽链被水解后，可能出现以下 三种情况中的一种： 1 引起酶活性中心的破坏，酶失去催化功能。 2 仍维持活性中心的完整构象，保持酶活力。 3 有利于活性中心与底物结合并形成准确的催化部位，酶活力提高。 后两种情况，肽链的水解在限定的肽键上进行，称肽链有限水解。,修饰后酶性质的变化 1）提高酶活力 2）消除抗原性,（二）金属离子置换修饰,1、概念

23、 通过改变酶分子中所含金属离子，使酶的特性和功能发生改变的方法。 2、作用范围含有金属离子的酶 金属酶特点：金属离子往往是酶活性中心的组成部分，对酶的活性起重要作用。 （ 1 ）若除去酶活性中心的金属离子，酶会失活，重新加入原离子则酶复活。 （ 2 ）加入不同的金属离子（即金属离子置换）则可使酶呈现不同特性。,3、常用金属离子 （往往是二价离子）:Ca 2+，Mg 2+，Mn 2+，Zn 2+，Co 2+，Cu 2+，Fe 2+等。 4、 方法步骤向酶液加入一定量的EDTA将酶与金属鳌合物分离金属离子置换。 举例：-淀粉酶发酵生产、保存和应用过程中添加一定量的钙离子。,（三）氨基酸置换修饰 将

24、肽链上的某一个氨基酸换成另一个氨基酸，引起酶蛋白空间构象的改变，从而改变酶的某些特性和功能的方法。 通过两个途径实现： 化学修饰法：由于可用试剂的限制，获得的种类少。 蛋白质工程：利用基因操作技术。,酶的蛋白质工程 一、概念： 蛋白质工程是以创造性能更适用的蛋白质分子为目的，以结构生物学与生物信息学为基础(结合X-衍射分析技术、蛋白质溶液构象理论及计算机辅助设计)，以基因重组技术为主要手段，对天然蛋白质分子的设计和改造的技术科学。 常用：化学全合成法、限制酶酶切片断取代法等。 蛋白质工程在酶的改造方面目前研究比较系统的例子是组织型血纤维蛋白溶酶原激活剂（TpA）,二、蛋白质的功能基础 蛋白质的

25、功能在很大程度上取决于其空间结构。,蛋白质结构测定 一级结构测定： 直接法：直接测定多肽链的氨基酸顺序。 间接法：从编码蛋白质的基因的核苷酸顺序来推导蛋白质的氨基酸顺序。 三级结构测定： X-射线晶体衍射研究处在晶体状态下的蛋白质的空间结构 核磁共振(NMR)光谱研究处在溶液状态的蛋白质的结构。,X-射线衍射技术： 用于蛋白质及核酸三维结构的确定，至今已有数百种蛋白质的结构被确定。,三、蛋白质工程的主要手段 以重组DNA技术为核心的基因工程技术改造蛋白质。 位点特异性突变基于结构生物学、信息生物学 基因突变 随机突变基于高通量筛选法 基因内部的剪接 基因剪接 5或3端的剪接,四、蛋白质工程改造

26、的实际应用 1.枯草杆菌蛋白酶 1）增强抗氧化性 2）改变底物特异性 2.溶菌酶（Lysozyme） 1)抗菌范围的扩大 2)热稳定性的提高,1993年,美国科学家Arnold F H首先提出酶分子的定向进化的概念，并用于天然酶的改造或构建新的非天然酶。,蛋白质定向进化概念的提出,人为地创造特殊的进化条件，模拟自然进化机制，在体外对基因进行随机突变，从一个或多个已经存在的亲本酶（天然的或者人为获得的）出发，经过基因的突变和重组，构建一个人工突变酶库，通过一定的筛选或选择方法最终获得预先期望的具有某些特性的进化酶。,定向进化技术,定向进化的原理,定向进化随机突变选择,随机突变的策略,易错PCR技术(error-prone PCR) DNA改组(DNA shuflling)：由美国Stemmer 于1994 年首次提出 一项体外重组技术 随机引发重组(RPR) 1998 年,Arn