现代酶工程 5 酶分子的化学修饰

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1、第五章酶分子的化学修饰酶分子化学修饰——在体外将酶分子通过人工的方法与一些化学物质，特别是一些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。这些化学物质称为修饰试剂，酶化学修饰主要用于基础酶学的研究和疾病治疗。酶化学修饰的应用领域在基础酶学研究上探测酶活性必需氨基酸的性质和数目酶蛋白一级结构的测定酶蛋白的结构变化与运动酶蛋白部分区域的构象状态酶的作用机理与催化反应历程酶分子的拓扑学以及寡聚酶的亚基结合状态酶的固定化技术酶纯度的分析与检测在疾病治疗上—克服酶在体内的不稳定性—消除或降低酶的抗原性—有助于酶分子到达并集中于病灶部位在工业上的应用—

2、酶稳定性提高，使生产成本降低—反应条件的改善和酶寿命的延长导致生产工艺的技术革新和改进。——大多数的化学修饰的目的在于人为地改变天然酶的某些性质，创造天然酶所不具备的某些优良特性甚创造出新的活性，扩大酶的应用范围。——酶经过修饰后，会产生各种各样的变化，概括起来有：—１提高生物活性（包括某些在修　饰后对效应物的反应性能改变）—２增强在不良环境中的稳定性；—３针对特异性反应降低生物识别能　力，解除免疫原性；—４产生新的催化能力。主要内容第一节酶分子的化学修饰方法第二节酶化学修饰的基本要求第三节修饰酶的化学性质酶的化学修饰的基本原理——大量研究表明，酶

3、分子表面外形的不规则、各原子间极性和电荷的不同、各氨基酸残基间相互作用等使酶分子结构的局部形成了一种包含了酶活性部位的微环境，不管这种微环境是极性的还是非极性的，都直接影响到酶活性部位氨基酸残基的电离状态，并为活性部位发挥催化作用提供合适的条件。——但天然酶分子中的这种微环境是可以通过人为的方法进行适当的改造，通过对酶分子的侧链基团、酶分子的功能基团等进行化学修饰或改造，就可以获得结构或性能更合理的修饰酶。——酶经过化学修饰后，除了能减少由于内部平衡力被破坏而引起的酶分子伸展打开外，还可能会在酶分子的表面形成一层“缓冲外壳”，能在一定程度上抵御外界环境

4、的电荷、极性等变化对酶分子的影响，进而维持酶活性部位微环境的相对稳定，使酶分子能在更广泛的条件下发挥作用。——酶化学修饰的基本原则都是充分利用化学修饰剂所具有的各类化学基团的特性，或直接或间接地经过一定的活化过程与酶分子中的某种氨基酸残基（通常选择非酶活必需基团）产生化学反应，从而对酶分子的结构进行改造。——在酶的化学修饰过程中需要涉及被修饰酶、修饰剂的性质以及修饰反应条件的选择。一般在开始设计酶化学修饰反应时须对被修饰酶的活性部位、稳定条件、侧链基团性质等应尽可能全面掌握。　　在此基础上选择合适的化学修饰剂进行化学修饰，在选择化学修饰剂时，除了需

5、要考虑修饰剂的种类、修饰剂上的反应基团的数目和位置以及修饰剂上反应基团的活化方法和条件以外，还需要考虑修饰剂的分子量等其它可能会影响修饰反应的因素。值得注意的是酶的修饰反应一般总是尽可能在酶稳定的条件下进行，需要尽可能少破坏酶活性功能的必需基团，以提高酶和修饰剂的结合率和酶活回收率。酶的化学修饰反应条件主要包括——体系中酶与修饰剂的分子比例、——反应体系（包括溶剂性质、盐浓　　度以及pH等）——反应温度和时间等　　一般来说，修饰反应条件随酶的性质、修饰剂的种类、修饰反应的类型等的不同而不同，一个合适的修饰反应需要由大量的实验来予以确定。第一节酶分

6、子的化学修饰方法酶分子的化学修饰方法——酶的表面修饰——酶分子的内部修饰——与辅因子相关的修饰——金属酶的金属取代酶的表面修饰——化学固定化——酶的小分子修饰作用——酶的大分子修饰作用——大分子非共价修饰——大分子共价修饰——分子内交联——分子间交联——脂质体包埋——反相胶团微囊化：酶的表面修饰（一）化学固定化——一般是直接通过酶表面的氨基酸残基将酶分子共价连接到惰性载体上；由于载体的引入，使酶所处的微环境发生改变，进而改变了酶的性质，特别是动力学性质发生了改变。（二）酶的小分子修饰作用——主要是利用一些小分子修饰试剂，通过共价结合来修饰酶的一些基团（

7、如-COO-、-NH3+、-SH、-OH、咪唑基等），提高酶的稳定性。常用的小分子修饰试剂有乙基、糖基和甲基等。酶的表面修饰（三）酶的大分子修饰作用——非共价修饰——共价修饰大分子非共价修饰——利用一些大分子试剂通过与酶非共价相互作用，对酶进行有效的保护——例如聚乙二醇、右旋糖苷等通过氢键固定于酶分子的表面，同时又有效地与外部水相连，从而保护酶的活力；一些多元醇、多糖、多聚氨基酸、多胺等能通过调节酶的微环境来保护酶活力；另外一些蛋白质可以通过相互作用，排除分子表面的水分子，降低介电常数，使酶的稳定性增加。大分子共价修饰：——利用一些可溶性大分子，通过共

8、价键连接于酶分子的表面，形成一层覆盖层，形成的可溶性酶具有许多有用的性质。例如用聚乙二醇共价修