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酶的化学修饰基本原理及修饰酶的性质特点

【摘要】酶是高效生物催化剂，在工业、医学、科研等领域有着非常广泛的应

用，尤其在工业生产中创造出巨大的经济效益。但由于酶是蛋白质，稳定性差且

在生物体内具有较大的免疫原性，因而严重制约了其应用。对酶分子进行化学修

饰是提高其稳定性的方法并且能够降低在生物体内的免疫原性，能够扩大其应用

范围，极大地改善酶本质的不足。简要介绍酶的化学修饰基本原理及修饰酶的性

质特点。

1酶的化学修饰的基本原理

酶分子的化学修饰就是在分子水平上对酶进行改造，包括对酶分子主链结构

的改变和对其侧链基团的改变。前者是分子生物学层次上的修饰，即在己知酶的

结构与功能盖系的基础上，有目的地改变酶的某个活性基团或氨基酸残基，从而

使酶产生新的性状，又称理性分子设计，理性分子设计主要应用于改造酶的底物

特异性．催化特性以及热稳定性,Shaffer等通过将天冬氨酸转氨酶的Val39、

Lys41、Thr47、Ash69、Thrl09和Ash297突变为酪氨酸转氨酶所对应的Lcu、Tyr、

Ile、Leu、Set和Ser，修饰酶对Phe的活性增加3个数量级，而对Asp的活件没

有影响，然而，由于酶的结构、功能和作用机制没自完全了解，而且仅仅把氨基

酸序列的同源性作为氨基酸取代的标准，加上氨基酸取代后有可能导致没构想的

改变，所以，并非所有理性分子设计都能取得预期效果，这就严重制约了理性分

子设计的应用。

1.1功能基团的修饰

酶分子可离解的基团如氨基(NH2)、羧基(～COOH)、羟基（OH)、巯基(sH)、

咪锉基等都可用来修饰。脱氨基作用可改善酶的稳定性，消除酶分子表面的氨基

酸的电荷，酰化反应，可改变侧链羟基性质。这些修饰反应，可稳定酶分子有利

的催化活性现象，提高抗变性的能力。

1.2用表面活性剂对酶进行化学修饰

除糖基修饰外，也有人用表面活性剂对酶进行化学修饰。表面活性剂的亲水

部分与酶连在一起，而亲油部分伸向有机溶剂，从而提高了酶在有机溶剂中的溶

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解度和分散度。Ken，chiMogi和MilsatoshiNakajima发现表面活性剂HLB值

和脂肪酸功能团部都显著影响酶的活性和产物的量。在有机溶剂中表面活性剂的

疏水基团数目越多时对酶的修饰效果越好

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1.3酶分子内和分子间的交联

双功能试剂如二异硫氰酸脂戊二醛可与酶分子中或分子间肽链的两个游离

氨基分别发生反应使它们交联起来，增加酶的稳定性和活性回收率。

1.4酶与高分子化合物结合

某些高分子化合物如蛋白质、多糖、聚乙二烯(PEG)等可以与酶结合，增加

酶的稳定性，如淀粉酶在65℃时半衰期为25min，当与葡萄糖结合后，半寿期延

长至63min

1.5用化学衍生法修饰酶

随着分子生物学的进展，目前已能用多种方法随机突变产酶基因DNA，再

与合适的载体(细菌)进行表达，并且构建了突变基因库来改进传统的筛选方法(将

所有的细菌分别从琼脂板上取出再移至含营养液的板上培养繁殖，产生大量酶后

再进行催化实验)。Pleltner等引用组台法制备并筛选化学衍生化的枯草溶菌RL

酶。利用该酶与硫甲磺酸试剂(MTS)反应的定量、快速以及几乎不发生变性的特

点，将酶中的3个关键活性位点分别与7种MTS试剂在96孔平板上分别进行组

合衍生化，并按标准酶活力测定方法快速测定它们作为脂肪酸计酰胺酶的催化活

性，初步得到分别具有最佳脂酶及酰胺酶的改良催化剂

2修饰酶的性质特点

2.1增强酶的稳定性

尹亮等利用PEG6000修饰SOD、发现修饰酶在70℃下保温3h后活性残余

率比天然SOD高37.2%。Gomez等利用壳聚糖修饰酵母蔗糖酶，发现修饰酶在

65℃0.05mo发现修饰酶在65℃0.05mol／L的pH5．0HAc—NaAc缓冲液中

的半衰期为5h．而人然酶在相同条什下的半哀期为5min；同时，修饰酶蛋白

变性剂的抵抗能力也有所提高．在30℃005mol/l到6mol／I．尿素的pH5.

0HA-NaAc缓冲液中保温120m