議酶學(xué)發(fā)展與酶制劑應(yīng)用

1、議酶學(xué)發(fā)展與酶制劑應(yīng)用摘要：酶是由活細胞產(chǎn)生的具有催化能力的特殊有機物。酶工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要 組成部分。新陳代謝是生命活動的重要特征，一切生命的活動都是由代謝的正常運轉(zhuǎn)來維持 的，而生物體代謝過程中的各種化學(xué)反應(yīng)都是在酶的作用下進行的。因此，研究酶的理化性 質(zhì)及其作用機理，對于闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)有重要意義。作為生物工程的重要組成部分，酶和 酶工程不但受到生物化學(xué)工作者的重視，也日益被廣大工農(nóng)業(yè)，醫(yī)藥保健工作者重視。 關(guān)鍵詞：酶工程酶制劑 酶學(xué) 新陳代謝引言 當(dāng)前，生命科學(xué)處于大綜合和大發(fā)展的時期，它適用領(lǐng)域廣泛，將成 為自然科學(xué)中發(fā)展前景最廣泛的科學(xué)，各學(xué)科間相互滲透，邊緣學(xué)科蓬勃發(fā)展，酶

2、工程是其 中較突出者。酶鮮明的體現(xiàn)了生物識別、催化、調(diào)節(jié)等奇妙功能。酶的研究會深刻影響美工 程乃至整個生命科學(xué)領(lǐng)域，而且還會刺激許多其他學(xué)科的研究。現(xiàn)在酶及其模擬體系已應(yīng)用 與有機合成工業(yè)、藥物、化學(xué)品和精細化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，在可再生資源、能源、環(huán)境保護等 一些根本性重大問題上，也有引人入勝的前景。本文只就酶學(xué)及酶工程的發(fā)展，酶制劑的應(yīng) 用做一概述，希望讓更多的人了解這一廣泛的學(xué)科領(lǐng)域。酶學(xué)的產(chǎn)生當(dāng)今，酶學(xué)已成為一門內(nèi)容廣泛，發(fā)展迅速的科學(xué)。它的分支遍及很多領(lǐng)域，并于許多 學(xué)科緊密聯(lián)系，特別是同生物化學(xué)、物理化學(xué)、微生物化學(xué)、遺傳學(xué)、植物學(xué)、農(nóng)學(xué)、藥理 學(xué)以及生物工程的關(guān)系更為密切，由于酶的獨特

3、的催化功能，今年來，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī) 藥等各個方面的應(yīng)用也越來越廣泛。2. 1酶及酶學(xué)酶是由活細胞產(chǎn)生的具有催化能力的一類特殊的有機物，包括蛋白質(zhì)和rna,這些酶大 部分位于細胞體內(nèi)，部分分泌到細胞體內(nèi)，參與新陳代謝過程。酶學(xué)簡單的說就是研究酶的 科學(xué)，是人們研究利用酶的組成、作用機理，制備及其利用的一門學(xué)科。2.2酶學(xué)研究簡史要準(zhǔn)確的說出酶是何時出現(xiàn)的是非?？针y的事情，人們對酶的認(rèn)識是起源與某些生產(chǎn)活 動。我國在夏商時代釀酒已盛行，酒是酵母發(fā)酵的產(chǎn)物。約3000年前，利用麥曲含有淀粉 酶將淀粉降解為麥芽糖，制造了。1春秋戰(zhàn)國時代，漆以被廣泛利用，那時所用的漆是漆 樹的樹脂被漆酶作用的氧化產(chǎn)

4、物。公元10世紀(jì)左右，我國已能用豆類做醬。用曲霉治療消 化障礙也是我國人民最早發(fā)現(xiàn)的，曲富含酶和維生素，至今仍是常用的健胃藥。這些是我國 人民在生活中經(jīng)驗的總結(jié)，并來形成理論。國外人們對酶的認(rèn)識也與了解發(fā)酵和消化現(xiàn)象有關(guān)。1833年payen和person從麥芽糖 的水抽提物中用酒精沉淀得到了一種對熱不穩(wěn)定的活性物質(zhì)。這就是淀粉酶制劑。1878年 德國人kuhane首先將上述物質(zhì)稱為酶。1896年德國學(xué)者buchner兄弟發(fā)現(xiàn)了一種能發(fā)酵 的蛋白質(zhì)成分一酒化酶。20世紀(jì)初，酶學(xué)得到了迅速的發(fā)展。1973年michaelidme酶促反應(yīng)動力學(xué)原理 米氏學(xué)說。1926年，summer從刀豆中得到腺

5、酶結(jié)晶?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的生物體內(nèi)存在近8000種 酶。20世紀(jì)5060年代koshlond提出了 “誘導(dǎo)契合”理論，1982年rna催化能力被發(fā)現(xiàn)，說明酶不一定是蛋白質(zhì)。1986年sohulti和leatner兩個小組同時獲得了抗體酶。com3酶工程簡介酶工程是生物工程的重要組成部分，是隨酶學(xué)研究的迅速發(fā)展，特別是酶的應(yīng)用推廣發(fā) 展起來的一們新的技術(shù)科學(xué)，也是酶學(xué)、微生物學(xué)的基本原理與化學(xué)工程有機結(jié)合而產(chǎn)生的 邊緣科學(xué)技術(shù)2。它是在一定的反應(yīng)裝置中利用酶的催化性質(zhì)將相應(yīng)原料轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì) 的技術(shù)。酶是生物體內(nèi)進行新陳代謝不可或缺的生物催化劑，所以酶的開發(fā)利用是當(dāng)代新技術(shù)革 命的一個重要課題。酶工程主

6、要指天然酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模的應(yīng)用，由四個部分組成 酶的生產(chǎn)；酶的分離純化；酶的固定化；生物反應(yīng)器3。2.4酶工程的研究意義酶是促進一切新陳代謝反應(yīng)的物質(zhì)，沒有酶就沒有生命。酶研究深刻影響生物化學(xué)以至 整個生物學(xué)領(lǐng)域。20世紀(jì)以來?；瘜W(xué)與生物學(xué)相互滲透，形成了生物化學(xué)、生物有機化學(xué) 等。這些學(xué)科的發(fā)展將為自然科學(xué)的發(fā)展提供巨大的推動力。生物技術(shù)以在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品等方面得到了廣泛的利用，并在解決能源、資源、環(huán)境等方面問題上起著重要作用。作為生物工程的重要分支的酶工程將有巨大的發(fā)展?jié)摿Αom酶的分類組成和作用機理3.1酶的分類1964年，國際生物化學(xué)聯(lián)合會中的酶學(xué)委員會公布了酶的系統(tǒng)命

7、名法及其分類報告。1972年、1978年和1984年又先后三次作了修改、補充。這一修改已得到了普遍同意。按 酶的催化反應(yīng)類型和作用的底物可將酶分成六大類：3. 1. 1氧化還原酶在體內(nèi)參與產(chǎn)能，解毒和某些生理活性物質(zhì)的合成。重要的有各種脫氫酶、氧化酶、過 氧化酶等。1. 2轉(zhuǎn)移酶在體內(nèi)轉(zhuǎn)移化合物的基因，參與核酸蛋白質(zhì)，糖及脂肪的代謝合成。重要的有酮醛基轉(zhuǎn) 移酶、?；D(zhuǎn)移酶、磷酸基轉(zhuǎn)移酶等。3. 1. 3水解酶在體內(nèi)外起降解作用，也是人類應(yīng)用最廣的酶類。重要的有各種脂肪酶、糖昔酶、肽酶 等。3. 1. 4裂合酶此類酶可脫去底物上某一基團而產(chǎn)生雙鍵， 或在雙鍵處加入某一基團。 它們分別可催化c-c

8、,c0, p0等鍵。3. 1. 5異構(gòu)酶此類酶可對分子進行異構(gòu)化，而進行順反異構(gòu)、醛酮異構(gòu)、分子內(nèi)轉(zhuǎn)移和裂解等。3. 1. 6合成酶這些酶與合成許多生命物質(zhì)有關(guān)，其特點是需要能量，有的還需要金屬離子作為輔助因 子?？尚纬蒫-0, c-s, c-c等鍵。3. 2酶的組成和結(jié)構(gòu)特點雖然1982年rna的催化能力被發(fā)現(xiàn)，但大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)。因此酶必然具有四級結(jié) 構(gòu)：一級結(jié)構(gòu)是具有一定氨基酸排列順序的多肽鏈；二級結(jié)構(gòu)是一級多肽鏈由氫鍵作用而形 成的帶有螺旋、折疊、轉(zhuǎn)角、卷曲等細微結(jié)構(gòu)；三級結(jié)構(gòu)是在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步盤曲而 形成的包括主側(cè)鏈的三維排列；低聚蛋白各折疊多肽鏈在空間專一性三維排列即為四級

9、結(jié) 構(gòu)。低聚蛋白（寡聚酶）必須具有正確的四級結(jié)構(gòu)才有活性。酶蛋白有三種組成形式：單體酶；寡聚酶；多酶復(fù)合體。僅有少部分酶是由單 一蛋白質(zhì)組成，大部分酶是復(fù)合蛋白，它是由蛋白質(zhì)部分和非蛋白質(zhì)部分組成。酶蛋白本身 無活性，在輔助因子存在下才有活性。輔助因子可以是無機離子，也可以是有機物。在六類 酶中，除水解酶和連接酶外，其它酶在反應(yīng)時都需要特定的輔酶4。5.2.3酶的作用機理酶一般是通過其活性中心一氨基酸側(cè)煉基團，先與底物形成一個中間復(fù)合物，隨后再分 解成產(chǎn)物，釋放出酶。酶的活性部位是它結(jié)合底物和將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的區(qū)域，通常是整個 酶分子相當(dāng)小的部分，它是由在線性多肽鏈中可能相隔很遠氨基酸殘基形成

10、的三維實體。酶 活性部位的活性殘基與底物分子結(jié)合，首先將它轉(zhuǎn)錄為過渡態(tài)，然后生成產(chǎn)物。目前有兩種模型解釋酶如何與它的底物結(jié)合：鎖和鑰匙模型：emi 1 fisher提出底物 形狀和酶活性部位像鑰匙插入鎖中，當(dāng)正確組合在一起時，正好相互補充。誘導(dǎo)契合模型：1958年daniel e koshland ji.提出底物的結(jié)合在酶的活性部位誘導(dǎo)出夠象變化。這就是誘 導(dǎo)契合學(xué)說。5.3.酶作為催化劑的特點。和其他催化劑比較，酶具有以下三方面的顯著特點：高催化效率；高專一性；酶 活性受一些化合物調(diào)控。4.1催化能力酶加快反應(yīng)的速度達1014倍。2專一性大多數(shù)酶對所作用的底物和催化的反應(yīng)都具有高度的專一性，

11、不同的酶專一性不同。4. 3調(diào)節(jié)性生命現(xiàn)象表現(xiàn)了它內(nèi)部反應(yīng)歷程的有序性。這種有序性是受多方面的因素調(diào)節(jié)和控制 的，而酶活性的控制又是代謝調(diào)節(jié)作用的主要方式。酶活性的調(diào)節(jié)控制主要有以下七種方式: 酶濃度調(diào)節(jié)；共價修飾調(diào)節(jié)；限制性蛋白水解作用與酶活性調(diào)節(jié)；抑制劑的調(diào)節(jié) 反饋調(diào)節(jié)；金屬離子和其他小分子化合物的調(diào)節(jié)5;激素調(diào)節(jié)。5.酶的產(chǎn)生，分離與純化1酶的產(chǎn)生植物細胞培養(yǎng)產(chǎn)酶，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新技術(shù)。首先，選擇適宜的植物外植 體，經(jīng)誘導(dǎo)，選育得到優(yōu)良的植物細胞，再在人為控制條件下，從生物反應(yīng)器中培養(yǎng)出能產(chǎn) 色素，香精和藥物等次級代謝產(chǎn)物的植物細胞。郭勇等人先后進行了植物細胞培養(yǎng)生成次級

12、代謝物的研究，選育出了優(yōu)良的木瓜細胞，大蒜細胞，胡蘿卜細胞等，分別用于生產(chǎn)木瓜蛋 白酶，過氧化氫酶等酶及色素，藥物等次級代謝產(chǎn)物6。5.4.2酶的提取5. 2. 1生物組織的破壞各種生物組織的細胞特點不同，在破碎時，要根據(jù)細胞的性質(zhì)和量選擇合適的方法。5. 2. 1. 1機械法利用機械力的攪拌，剪切，研碎細胞。4.1.2超聲波法經(jīng)超聲波一定時間處理，細菌和酵母細胞都能得到很好的破碎。1. 3凍融法生物組織經(jīng)冰凍后，細胞胞液結(jié)成冰晶，使細胞壁脹破。1.4滲透壓法細胞在低滲溶液中由于滲透壓的作用，溶脹破碎。1.5酶消化法利用溶菌酶，蛋白水解酶，糖昔酶對細胞壁和細胞膜的酶解作用，使細胞崩解破碎。5.

13、 2. 2抽提破碎組織一般在適當(dāng)?shù)木彌_液中進行。典型的抽提由以下幾部分組成：抽提液=離子強度調(diào)節(jié)劑+ph緩沖劑+溫度效應(yīng)劑+蛋白酶抑制劑+防氧化劑+重金屬絡(luò)合 劑+增溶劑。一般，抽提生物膜中的酶需加去垢劑等增溶劑，促使酶抽提，最后用透析法去除增溶劑，恢復(fù)酶活性。5. 3酶的提純一般都依據(jù)酶的大小，形狀，電荷物質(zhì)，溶解度，專一結(jié)合位點、等性質(zhì)而建立的。5. 3. 1調(diào)整溶解度的方法5. 3. 1. 1改變離子強度當(dāng)向溶液中加入鹽離子時，蛋白質(zhì)分子周圍所帶電荷增加，促進了與溶劑分子的相互作 用，溶解度增加，稱為鹽溶。當(dāng)鹽濃度繼續(xù)增大時，鹽離子使水濃度相對降低，蛋白質(zhì)相互 凝聚而沉淀出來。大部分酶呈

14、溶解蛋白的形式存在于細胞中，因此，使用此方法可以使酶沉 淀析出。5. 3. 1. 2改變ph或溫度酶在等電點時溶解度最小，將溶液ph調(diào)節(jié)到等電點，可使酶析出。5. 3. 2根4居酶分子大小，形狀不同的方法5. 3. 2. 1離心分離離心分離有一般離心與差速和密度梯度離心分離兩種：一般離心分離：勻漿處理后， 先通過離心得到某一特定的亞細胞成分，然后再對某一特定的酶進行分離純化。差速和密 度梯度離心分離：對某一懸浮液選用一較低的轉(zhuǎn)速進行離心，分離出上清液，然后對上清液 選用較高的轉(zhuǎn)速離心，又得到沉淀和上清液，重復(fù)操作，以達到分級分離樣品的技術(shù)。5. 3. 2. 2凝膠過濾法凝膠過濾法分離酶時，大的

15、酶分子被凝膠顆粒排斥，因而在顆粒外移動，速度較快；小 分子酶則進入凝膠顆粒的小孔，路徑長，移動慢，從而將酶蛋白分離。5. 3. 3根4居酶分子電荷性質(zhì)的方法5. 3. 3. 1離子交換柱層析離子交換柱層析是根據(jù)被分離的物質(zhì)與分離介質(zhì)間異種電荷的靜電引力的不同來進行 物理分離的。5. 3. 3. 2層析聚焦法此方法分離蛋白質(zhì)分子的過程與等電聚焦電泳極其相似，區(qū)別僅在于其連續(xù)穩(wěn)定的ph梯度是在固相的離子交換載體上形成的。5. 3. 3. 3等電聚焦電泳每種蛋白質(zhì)都有其特定的等電點，如果某一處的ph等于某一蛋白質(zhì)的等電點，蛋白質(zhì) 將不再移動。等電聚焦用的緩沖液由一系列帶不同電荷性質(zhì)的聚氨基酸組成。當(dāng)

16、電泳開始時, 聚氨基酸因為泳動快而在電場中先形成一梯度。蛋白質(zhì)分子則在這一ph梯度內(nèi)遷移，直到 與其等電點相同的位置。經(jīng)過分別洗脫，就可以得到純化的樣品。5.3.4根據(jù)酶分子專一性結(jié)合的方法。5. 3. 4. 1親和層析該法是利用酶分子獨有的專一性結(jié)合位點或結(jié)構(gòu)的性質(zhì)分離蛋白質(zhì)。5. 3. 4. 2免疫吸附層析利用抗原抗體反應(yīng)的高度專一性分離純化蛋白質(zhì)。4. 3共價層析利用層析介質(zhì)與被分離物間形成共價鍵的方式來進行分離。6.酶工程應(yīng)用酶工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分，它作為一項高新技術(shù)將對各種工業(yè)的發(fā)展起重 要推動作用。5.5.1酶工程技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用由于外源性酶在體內(nèi)易產(chǎn)生免疫反應(yīng)，且穩(wěn)

17、定性差，因此固定化酶，人工細胞，脂質(zhì)體 及紅細胞膜包埋酶工程技術(shù)在臨床治療中應(yīng)用日趨活躍。從植物中克隆苯丙氨酸脫氫酶基 因，導(dǎo)入腸道有益菌乳酸球菌中表達， 用以治療引起兒童智力障礙的癥， 已在動物實驗中獲 得成功7。酶傳感器已廣泛用于工業(yè)發(fā)酵、臨床檢測及監(jiān)護，如安放于動脈或靜脈中的葡 萄糖傳感器能持續(xù)不斷的監(jiān)測血糖含量，并將指令出給植入人體的胰島素泵，控制胰島素釋 放能量，而是糖尿病人獲救8。2酶工程技術(shù)在醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用應(yīng)用酶工程技術(shù)生產(chǎn)核昔酸類藥物， 如atp和amp分別由氨甲酰磷酸激酶和激酶加乙酸 激酶制得9;應(yīng)用酶工程技術(shù)可以制造6-氨基青酶烷酸(6 - apa)、7-烷基頭孑包烷酸(

18、7-aca)脫乙酰頭孑包菌素、 青霉素和頭孑包菌素前體物合成的最新工藝也采用酶工程的方法10 ;應(yīng)用 酶工程技術(shù)可生產(chǎn)氨基酸，制造z-酮基-l-古龍?zhí)撬帷⒓〈?、l肉毒堿、3人等維生素11。6. 3酶工程應(yīng)用于食品工業(yè)應(yīng)用酶工程生產(chǎn)食品添加劑，如海藻酸鈣包埋乳酸菌生產(chǎn)乳酸；應(yīng)用酶工程進行功能食 品成分的開發(fā)，可生產(chǎn)活性多糖、低聚糖、活性肽及氨基酸、核昔酸和糖醇等，如動物軟骨 經(jīng)木瓜蛋白酶處理提取硫酸軟骨素，殼聚糖經(jīng)殼聚糖酶處理制得低聚殼聚糖；酶工程技術(shù)在 食品加工中也有廣泛應(yīng)用，如以玉米淀粉為原料在一定條件下加入如以玉米淀粉為原料在一 定條件下加入a-淀粉酶，采用酶脫支等反應(yīng)等手段改變淀粉原有的

19、分子結(jié)構(gòu)重新結(jié)晶可提 高產(chǎn)品中抗性淀粉的含量，果膠酶可以提高果汁的澄清度，葡萄糖氧化酶用于果汁脫氧化超 氧化物酶用乳清脫色等。6. 4酶工程在環(huán)境保護中的應(yīng)用隨著國經(jīng)濟和城市化的發(fā)環(huán)境污染以成為相當(dāng)突出的問題.2003年國家環(huán)境質(zhì)量公扌艮 顯示：全國城市和生活污水排放總量為460. 0億噸，二氧化硫排放量2158.7萬噸工業(yè)固體廢 物產(chǎn)量為10 0億噸12。如果不能有效遏制這種趨勢，我過社會經(jīng)濟發(fā)展必然受到嚴(yán)重制 約。以化學(xué)和物理方法治污不但要消耗大量資金，還可能造成二次污染和生態(tài)破壞，這就促 使人們不斷研究新的治污，防污技術(shù)。酶具有反映速度快、效率高、條件溫和、能耗低、操 作簡便等優(yōu)點，是最

20、好的選擇。6.4. 1在清潔生產(chǎn)中的應(yīng)用作為生物過程代替化學(xué)過程的典型代表，酶可以在產(chǎn)品加工過程中替代一般催化劑。它 具有技術(shù)先進、廠房設(shè)備投資少、工藝簡單、效率高、污染輕等優(yōu)點，為降低工業(yè)和農(nóng)業(yè)污 染水平開辟了廣闊前景。6.4. 1. 1酶工程在工業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境效益用酶工程改造傳統(tǒng)工藝，不但可提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、增加產(chǎn)量，還可以降低原料 和能源消耗，消減污染物的排放水平。如我國的造紙工業(yè)用傳統(tǒng)的漂白工藝處理紙漿，排放 的污水氣味難聞，腐蝕性強，含有致癌物質(zhì)，模具忒用于紙漿漂白的預(yù)處理，能提高紙漿的 漂白度，該進紙漿的纖維性能，同時減少漂白劑用量，降低廢水中的氯化物和致癌物質(zhì)含量。136.

21、4. 1.2酶工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境效益現(xiàn)代酶工程技術(shù)改造農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，一方面可增加食品的產(chǎn)量和質(zhì)量，另一方面可減少農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)過程中對環(huán)境的污染和破壞。據(jù)報道，目前已經(jīng)能夠利用維生素酶將纖維素糖化在經(jīng)過 連續(xù)發(fā)酵，產(chǎn)生燃料酒精14。胡尚勤等研究了脂肪酶和蛋白酶胡混合發(fā)酵法由廢棄的豆腐 渣生產(chǎn)粉末蛋白食品的技札 變廢為寶，提高了豆腐渣的利用效率15。生產(chǎn)單細胞蛋白是 公認(rèn)的廢棄物資源化的最有效途徑，一座占地十畝的年產(chǎn)一萬噸單細胞蛋白的工廠相當(dāng)于18萬畝耕地產(chǎn)生的大豆蛋白，3000萬畝草原飼養(yǎng)牛羊生產(chǎn)的動物蛋白。5.2. 2酶工程在水污染治理中的應(yīng)用klibanov等人發(fā)現(xiàn)了酚氧化酶和木質(zhì)素分解酶能同時進行催化氧化和化學(xué)聚合，克服 了酶單一性的缺點，為酶工程在廢水處理中開辟了新的途徑。2. 1酶工程處理食品工業(yè)廢水食品加工工業(yè)廢水中的污染物主要是有機物，利用酶工程技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為飼料和其它有 經(jīng)濟價值的產(chǎn)品，在處理廢水的同時對污染物回收利用，環(huán)境經(jīng)濟效益良好16。6.4. 2. 2酶工程處理污水中的氟化物化學(xué)合成、人造織物、制藥等行業(yè)產(chǎn)生的氨化物對人類和其他生命有致命的危害，必須 嚴(yán)加處理。研究發(fā)現(xiàn)一些沒能將鼠化物分解成簡單的無毒化合物，而且反應(yīng)要求低，不被抑 制，如鼠化酶、鼠水解酶、鼠化物水合酶等。2. 3酶工程處理紡織和造紙工業(yè)廢水這類工業(yè)廢水的污