1、Chapter 5 Modification of Enzyme Molecule酶分子修饰的产生酶分子修饰的产生 酶在生物技术与工程中占有十分重要的地位。酶所具有的反应专一性、催化高效性及反应条件温和等优点，使其广泛应用在工业、农业、医药、环保及能源等领域。由于酶的本质是蛋白质的特点，在催化反应中受到稳定性、反应条件等制约，早期能大规模应用的酶还不够多，酶工艺也不完善。酶在使用中的缺陷有：稳定性差、活力不够高、抗原性等，如对酸、碱、重金属、有机介质、高温等物理化学环境敏感，且活性、专一性、作用条件不能满足生产工艺要求。酶分子修饰成为酶工程中具有重要意义和应用前景的领域。随着蛋白质工程的兴起与
2、发展，酶分子修饰与基因工程技术结合在一起，使酶分子修饰展现出更广阔的前景。Contents of Chapter 51、什么是酶分子修饰2、酶分子修饰的基本要求和条件3、酶分子的修饰方法GoGoGo4、酶分子修饰的应用Go5.1 5.1 什么是酶分子修饰？什么是酶分子修饰？n通过各种方法使酶分子的结构发生某些通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的催化特性的技术过改变，从而改变酶的催化特性的技术过程称为酶分子修饰。程称为酶分子修饰。即：在体外将酶分即：在体外将酶分子通过人工的方法与一些化学基团（物子通过人工的方法与一些化学基团（物质），特别是具有生物相容性的物质，质），特别是具有生
3、物相容性的物质，进行共价连接，从而改变酶的结构和性进行共价连接，从而改变酶的结构和性质。质。酶分子修饰的意义酶分子修饰的意义n提高酶的提高酶的活力活力 activityactivityn增强酶的增强酶的稳定性稳定性 stabilitystabilityn降低或消除酶的降低或消除酶的抗原性抗原性 immunological immunological propertypropertyn研究和了解酶分子中主链、侧链、组成单位、研究和了解酶分子中主链、侧链、组成单位、金属离子和各种物理因素对金属离子和各种物理因素对酶分子空间构象酶分子空间构象的影响的影响 structurestructure 5.2
4、 5.2 酶分子修饰的基本要求和条件酶分子修饰的基本要求和条件 n对酶分子进行修饰必须在修饰原理、修饰剂和反应条对酶分子进行修饰必须在修饰原理、修饰剂和反应条件的选择以及酶学性质等方面都要有足够的了解。件的选择以及酶学性质等方面都要有足够的了解。（1 1）酶的稳定性酶的稳定性n热稳定性、酸碱稳定性、作用温度、热稳定性、酸碱稳定性、作用温度、pHpH、抑制剂等。、抑制剂等。（2 2）酶活性中心的状况酶活性中心的状况 n活性中心基团、辅因子等。其他如分子大小、性状、活性中心基团、辅因子等。其他如分子大小、性状、亚基数等。亚基数等。酶分子修饰的条件酶分子修饰的条件n修饰反应尽可能在修饰反应尽可能在酶
5、稳定条件酶稳定条件下进行，并尽量下进行，并尽量不破不破坏酶活性功能的必需基团坏酶活性功能的必需基团，使，使修饰率高修饰率高，同时酶的，同时酶的活力回收高活力回收高。（1 1）pHpH与离子强度与离子强度 npHpH决定了酶蛋白分子中反应基团的解离状态。由决定了酶蛋白分子中反应基团的解离状态。由于它们的解离状态不同，反应性能也不同。于它们的解离状态不同，反应性能也不同。（2 2）修饰反应的温度与时间修饰反应的温度与时间 n严格控制温度和时间可以减少以至消除一些非专严格控制温度和时间可以减少以至消除一些非专一性的修饰反应。一性的修饰反应。（3 3）反应体系中酶与修饰剂的比例反应体系中酶与修饰剂的比
6、例 5.3 5.3 酶分子的修饰方法酶分子的修饰方法 n金属离子置换修饰金属离子置换修饰n大分子结合修饰大分子结合修饰(共价共价/非共价非共价)n侧链基团修饰侧链基团修饰n肽链有限水解修饰肽链有限水解修饰n氨基酸置换修饰氨基酸置换修饰n核苷酸置换修饰核苷酸置换修饰n酶分子的物理修饰酶分子的物理修饰 第一节第一节 酶的金属离子置换修饰酶的金属离子置换修饰n把酶分子中的金属离子换成另一种金属离把酶分子中的金属离子换成另一种金属离子，使酶的特性和功能发生改变的修饰方子，使酶的特性和功能发生改变的修饰方法称为法称为金属离子置换修饰金属离子置换修饰。n-淀粉酶中的钙离子（淀粉酶中的钙离子（CaCa2+2
7、+），谷氨酸脱），谷氨酸脱氢酶中的锌离子氢酶中的锌离子(Zn(Zn2+2+)，过氧化氢酶分子，过氧化氢酶分子中的铁离子中的铁离子(Fe(Fe2+2+)，酰基氨基酸酶分子中，酰基氨基酸酶分子中的锌离子（的锌离子（ZnZn2+2+）,超氧化物歧化酶分子中超氧化物歧化酶分子中的铜、锌离子的铜、锌离子(Cu(Cu2+2+,Zn,Zn2+2+)第一节第一节 酶的金属离子置换修饰酶的金属离子置换修饰n若从酶分子中除去其所含的金属离子，酶往往会丧若从酶分子中除去其所含的金属离子，酶往往会丧失其催化活性。失其催化活性。n如果重新加入原有的金属离子，酶的催化活性可以如果重新加入原有的金属离子，酶的催化活性可以恢
8、复或者部分恢复。恢复或者部分恢复。n若用另一种金属离子进行置换，则可使酶呈现出不若用另一种金属离子进行置换，则可使酶呈现出不同的特性。同的特性。n有的可以使酶的活性降低甚至丧失，有的却可以使有的可以使酶的活性降低甚至丧失，有的却可以使酶的活力提高或者增加酶的稳定性。酶的活力提高或者增加酶的稳定性。一、金属离子置换修饰的方法一、金属离子置换修饰的方法 1 1、酶的分离纯化、酶的分离纯化2 2、除去原有的金属离子：加入金属螯合、除去原有的金属离子：加入金属螯合剂剂3 3、加入置换离子、加入置换离子一、金属离子置换修饰的方法一、金属离子置换修饰的方法 p 金属离子置换修饰只适用于那些在分子金属离子置
9、换修饰只适用于那些在分子结构中结构中本来含有金属离子的酶本来含有金属离子的酶。p 用于金属离子置换修饰的金属离子，用于金属离子置换修饰的金属离子，一般都是一般都是二价金属离子二价金属离子。二、金属离子置换修饰的作用二、金属离子置换修饰的作用n阐明金属离子对酶催化作用的影响阐明金属离子对酶催化作用的影响n提高酶活力提高酶活力n增强酶的稳定性增强酶的稳定性n改变酶的动力学特性改变酶的动力学特性定义：利用水溶性大分子与酶结合,使酶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称为大分子结合修饰法。简称为大分子结合法。常用的修饰剂：右旋糖酐（dextran）、聚乙二醇（PEG）、肝素(he
10、parin)、蔗糖聚合物（Ficoll）、聚氨基酸等。大分子结合修饰是目前应用最广的酶分子修饰方法。第二节第二节 大分子结合修饰大分子结合修饰n用可溶性大分子，如聚乙二醇、右旋糖苷、肝素用可溶性大分子，如聚乙二醇、右旋糖苷、肝素等，通过等，通过共价键共价键连接于酶分子的表面，形成一层连接于酶分子的表面，形成一层覆盖层。覆盖层。n例如：用聚乙二醇修饰超氧物歧化酶例如：用聚乙二醇修饰超氧物歧化酶 ，不仅可以，不仅可以降低或消除酶的抗原性降低或消除酶的抗原性，而且提高了，而且提高了抗蛋白酶的抗蛋白酶的能力能力，延长了酶在体内的，延长了酶在体内的半衰期半衰期从而提高了酶药从而提高了酶药效。效。共价修饰
11、共价修饰第二节第二节 大分子结合修饰大分子结合修饰n每分子核糖核酸酶与每分子核糖核酸酶与6.56.5分子的右旋糖酐结分子的右旋糖酐结合，可以使酶活力提高到原有酶活力的合，可以使酶活力提高到原有酶活力的2.252.25倍；倍；n每分子胰凝乳蛋白酶与每分子胰凝乳蛋白酶与1111分子右旋糖酐结合，分子右旋糖酐结合，酶活力达到原有酶活力的酶活力达到原有酶活力的5.15.1倍倍 共价修饰共价修饰第二节第二节 大分子结合修饰大分子结合修饰一、大分子结合修饰的方法一、大分子结合修饰的方法1、修饰剂的选择、修饰剂的选择：大分子结合修饰采用的修饰剂是：大分子结合修饰采用的修饰剂是水溶性大分子。例如，聚乙二醇（水
12、溶性大分子。例如，聚乙二醇（PEG）、右旋）、右旋糖酐、蔗糖聚合物（糖酐、蔗糖聚合物（Ficoll）、环状糊精、肝素、）、环状糊精、肝素、羧甲基纤维素、聚氨基酸等。要根据酶分子的结羧甲基纤维素、聚氨基酸等。要根据酶分子的结构和修饰剂的特性选择适宜的水溶性大分子。构和修饰剂的特性选择适宜的水溶性大分子。2、修饰剂的活化、修饰剂的活化：作为修饰剂中含有的基团往往不：作为修饰剂中含有的基团往往不能直接与酶分子的基团进行反应而结合在一起。能直接与酶分子的基团进行反应而结合在一起。在使用之前一般需要经过活化，然后才可以与酶在使用之前一般需要经过活化，然后才可以与酶分子的某侧链基团进行反应。分子的某侧链基
13、团进行反应。3、修饰、修饰：将带有活化基团的大分子修饰剂与经：将带有活化基团的大分子修饰剂与经过分离纯化的酶液，以一定的比例混合，在过分离纯化的酶液，以一定的比例混合，在一定的温度、一定的温度、pH值等条件下反应一段时间，值等条件下反应一段时间，使修饰剂的活化基团与酶分子的某侧链基团使修饰剂的活化基团与酶分子的某侧链基团以共价键结合，对酶分子进行修饰。以共价键结合，对酶分子进行修饰。4、分离、分离：需要通过凝胶层析等方法进行分离，：需要通过凝胶层析等方法进行分离，将具有不同修饰度的酶分子分开，从中获得将具有不同修饰度的酶分子分开，从中获得具有较好修饰效果的修饰酶。具有较好修饰效果的修饰酶。一、
14、大分子结合修饰的方法一、大分子结合修饰的方法一、大分子结合修饰的方法一、大分子结合修饰的方法n聚乙二醇聚乙二醇是线性分子具有良好的生物是线性分子具有良好的生物相容性和水溶性，在体内无毒性、无相容性和水溶性，在体内无毒性、无残留、无免疫原性，并残留、无免疫原性，并可消除酶的抗可消除酶的抗原性原性，使其末端活化后可以与酶产生，使其末端活化后可以与酶产生交联，因而，它被广泛用于酶的修饰。交联，因而，它被广泛用于酶的修饰。二、大分子结合修饰的作用二、大分子结合修饰的作用n提高酶活力提高酶活力n增强酶的稳定性增强酶的稳定性n降低或消除酶蛋白的抗原性降低或消除酶蛋白的抗原性1、通过修饰提高酶活力：、通过修
15、饰提高酶活力：水溶性大分子通过共价键与酶分子结合后，使酶的空间结构发生某些改变，使酶的活性中心更利于和底物结合，形成准确催化部位。例如：每分子核糖核酸酶与6.5分子的右旋糖苷结合，可使该酶的活力提高到原有酶活力的2.25倍。2、通过修饰增加酶的稳定性：、通过修饰增加酶的稳定性：酶的稳定性用半衰期（指酶的活力降低到原来活力一半时所经过的时间）表示。水溶性大分子-修饰水不溶性大分子-固定化例如：SOD能清除体内的超氧负离子，受到医药界的极大关注。但是不容易进入细胞内，在体内的作用时间短等因素限制了SOD的应用。Beckman等利用PEG修饰SOD使其在血液中的半衰期由几分钟提高到数十小时，降低了抗
16、原性，提高了对胰蛋白酶的消化抵抗功能。ASNase用聚丙氨酸修饰，热稳定性大大提高。木瓜蛋白酶与右旋糖苷结合，显著增强其抗酸碱和抗氧化能力。酶酶半衰期半衰期相对稳定性相对稳定性天然天然SODSOD6min6min1 1 右旋糖酐右旋糖酐-SOD-SOD7h7h7070Ficoll(Ficoll(低分子低分子量量)SODSOD14h14h140140Ficoll(Ficoll(高分子高分子量量)SODSOD24h24h240240聚乙二醇聚乙二醇-SOD-SOD35h35h3503503、通过修饰降低或消除抗原：、通过修饰降低或消除抗原：使抗体或抗原的特定结构改变，则它们之间不再特异结合。例如：
17、ASNase能专一地催化天门冬酰胺形成天门冬氨酸及氨，是治疗白血病的有效药物。在体内作用时间短，反复注射会在血液中产生抗体，发生免疫排斥反应。用PEG修饰修饰ASNase，其抗原性可完全消除。精氨酸酶经PEG结合修饰后，其抗原性显著降低。色氨酸酶经PEG修饰后，完全消除该酶的抗原性。第三节第三节 酶分子的侧链基团修饰酶分子的侧链基团修饰n定义：定义：采用一定的方法（一般为化学法）使采用一定的方法（一般为化学法）使酶蛋白的侧链基团发生改变，从而改变酶分酶蛋白的侧链基团发生改变，从而改变酶分子的特性和功能的修饰方法。子的特性和功能的修饰方法。n可以用于研究各种基团在酶分子中的作用及可以用于研究各种
18、基团在酶分子中的作用及其对酶的结构、特性和功能的影响。在研究其对酶的结构、特性和功能的影响。在研究酶的酶的活性中心中的必需基团活性中心中的必需基团时经常采用。时经常采用。第三节第三节 酶分子的侧链基团修饰酶分子的侧链基团修饰n酶蛋白的侧链基团是指组成蛋白质的氨基酸酶蛋白的侧链基团是指组成蛋白质的氨基酸残基上的功能团。主要包括残基上的功能团。主要包括等。这些基团可以形成各种等。这些基团可以形成各种副键，对酶蛋白空间结构的形成和稳定有重副键，对酶蛋白空间结构的形成和稳定有重要作用。侧链基团一旦改变将引起酶蛋白空要作用。侧链基团一旦改变将引起酶蛋白空间构象的改变，从而改变酶的特性和功能。间构象的改变
19、，从而改变酶的特性和功能。催化活性催化活性/非催化活性基团的修饰非催化活性基团的修饰n对非催化基团修饰可改变酶的动力学性质，对非催化基团修饰可改变酶的动力学性质，改变酶对特殊底物的束缚能力。改变酶对特殊底物的束缚能力。n经常被修饰的残基是：经常被修饰的残基是：n亲核的亲核的SerSer、CysCys、MetMet、ThrThr、LysLys、HisHisn亲电的亲电的TyrTyr、TrpTrp常用的化学修饰剂一、氨基修饰剂：一、氨基修饰剂：定义：凡能使酶蛋白侧链上的氨基发生改变的化合物。原理：这类试剂作用于酶蛋白侧链上的氨基或产生脱氨基，或与氨基共价结合将氨基屏蔽起来，使氨基原有的副键改变，从
20、而改变酶蛋白的构象。主要有：二硝基氟苯、醋酸酐、琥珀酸酐、二硫化碳、亚硝酸、乙亚胺甲酯、O-甲基异脲、顺丁烯二酸酐等。一、氨基一、氨基二、羧基修饰剂：二、羧基修饰剂：定义：可与酶蛋白侧链上的羧基反应的小分子化合物。原理：可使羧基酯化、酰基化或结合生成其他物质，改变酶蛋白的空间构象，从而改变酶的催化特性。主要有：乙醇-盐酸试剂、水溶性的碳化二亚胺等。二、羧基二、羧基碳二亚胺碳二亚胺三、巯基修饰剂：三、巯基修饰剂：原理：半胱氨酸残基侧链中含有巯基。许多酶分子中存在的巯基通过形成二硫键维持蛋白质分子的三维构象，对维持酶的结构稳定性起重要作用。常用试剂：巯基乙醇、二硫苏糖醇、硫代硫酸盐、硼氢化钠等。三
21、、巯基三、巯基四、胍基修饰剂：四、胍基修饰剂：原理：精氨酸含有胍基。二羰基化合物可与胍基缩合生成稳定的杂环。主要有：环己二酮、乙二醛、苯乙二醛等四、胍基四、胍基五、酚基修饰剂：五、酚基修饰剂：原理：酪氨酸残基上含有酚基。经酚基修饰剂修饰后，酶分子由于引入负电荷，增加了对带正电荷底物的结合力，有利于酶催化功能的发挥。修饰酚基的方法有：碘化法、硝化法、琥珀酰化法等。主要有：四硝基甲烷五、酚羟基五、酚羟基六、咪唑基六、咪唑基七、吲哚基七、吲哚基八、分子内交联剂：八、分子内交联剂：原理：用含有双功能团的化合物，与酶分子内两个侧链基团反应，在分子内共价交联，可使酶分子空间构象更加稳定，从而也使酶的催化稳
22、定性增加。主要有：戊二醛、二氨基丁烷、已二胺等。八、分子内交联修饰八、分子内交联修饰n双功能试剂双功能试剂可以在酶分子中相距较近的可以在酶分子中相距较近的两个侧链集团之间形成共价交联，从而两个侧链集团之间形成共价交联，从而提高酶的稳定性。提高酶的稳定性。同型双功能试剂同型双功能试剂异型双功能试剂异型双功能试剂第四节第四节 酶蛋白主链修饰酶蛋白主链修饰(肽链有限水解修饰肽链有限水解修饰)n利用酶分子主链的切断和连接，使酶分利用酶分子主链的切断和连接，使酶分子的化学结构及其空间结构发生某些改子的化学结构及其空间结构发生某些改变，从而改变酶的特性和功能的方法。变，从而改变酶的特性和功能的方法。n酶蛋
23、白主链修饰主要是靠酶切酶蛋白主链修饰主要是靠酶切/酶原激活酶原激活法。法。第四节第四节 酶蛋白主链修饰酶蛋白主链修饰(肽链有限水解修饰肽链有限水解修饰)a a、胃蛋白酶原（、胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活的激活 HCl胃胃蛋蛋白白酶酶原原pH1.52（从从N N端端失失去去4 44 4个个氨氨基基酸酸残残基基）自自身身激激活活胃胃蛋蛋白白酶酶b b、胰蛋白酶原（、胰蛋白酶原（trypsinogentrypsinogen）的激活）的激活 c c、胰凝乳蛋白酶原（、胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogenchymotrypsinogen）的激活）的激活 第五节第五节 核苷酸链剪切
24、修饰核苷酸链剪切修饰n在核苷酸链的限定位点进行剪切，是酶在核苷酸链的限定位点进行剪切，是酶的结构发生改变，从而改变酶的特性和的结构发生改变，从而改变酶的特性和功能。功能。第六节 氨基酸置换修饰 酶蛋白是由各种氨基酸通过肽键联结而成的。在特定位置上和各种氨基酸是酶的化学结构和空间结构的基础。若将肽链上的某一个氨基酸换成另一个氨基酸，则会引起酶蛋白空间构象的某些改变，从而改变酶的催化特性，这种修饰方法，称为氨基酸置换修饰氨基酸置换修饰。例如：酪氨酰-tRNA合成酶可催化酪氨酸和其所对应tRNA，若将该酶第51位的苏氨酸由辅氨酸置换，经修饰后的酶对ATP的亲和性提高近100倍，酶活力提高25倍；T4
25、-溶菌酶分子中第3位的异亮氨酸换成半胱氨酸后，该半胱氨酸可与第97位的半胱氨酸形成二硫键，氨基酸置换修饰后的T4-溶菌酶，其活力保持不变，但该酶对热的稳定性却大大提高。n提高酶活力提高酶活力n增强酶的稳定性增强酶的稳定性n改变酶的专一性改变酶的专一性第六节第六节 氨基酸置换修饰氨基酸置换修饰置换修饰置换修饰的作用的作用nBenderBender等成功地利用化学修饰法将等成功地利用化学修饰法将枯草杆菌蛋白酶活性中心的丝氨酸枯草杆菌蛋白酶活性中心的丝氨酸转换为半胱氨酸。转换为半胱氨酸。n修饰后，该酶失去对蛋白质和多肽修饰后，该酶失去对蛋白质和多肽的水解能力，却出现了催化硝基苯的水解能力，却出现了催
26、化硝基苯酯等底物水解的活性。酯等底物水解的活性。n但是化学修饰法难度大，成本高，但是化学修饰法难度大，成本高，专一性差，而且要对酶分子逐个进专一性差，而且要对酶分子逐个进行修饰，操作复杂，难以工业化生行修饰，操作复杂，难以工业化生产。产。第六节第六节 氨基酸置换修饰氨基酸置换修饰置换修饰置换修饰的方法的方法化学修饰法化学修饰法n在在DNADNA序列中的某一特定序列中的某一特定位点上进行碱基的改变从位点上进行碱基的改变从而获得突变基因的操作技而获得突变基因的操作技术术第六节第六节 氨基酸置换修饰氨基酸置换修饰置换修饰置换修饰的方法的方法定点突变技术定点突变技术第七节第七节 核苷酸置换修饰核苷酸置
27、换修饰第八节第八节 酶分子的物理修饰酶分子的物理修饰 n通过物理修饰，可以了解不同物理条件下，通过物理修饰，可以了解不同物理条件下，特别是在极端条件下（高温、高压、高盐、特别是在极端条件下（高温、高压、高盐、极端极端pHpH值等）由于酶分子空间构象的改变而值等）由于酶分子空间构象的改变而引起酶的特性和功能的变化情况。引起酶的特性和功能的变化情况。n特点在于不改变酶的组成单位及其基团，酶特点在于不改变酶的组成单位及其基团，酶分子中的共价键不发生改变，只是在物理因分子中的共价键不发生改变，只是在物理因素的作用下，副键发生某些变化和重排。素的作用下，副键发生某些变化和重排。第九节第九节 酶分子修饰的应用酶分子修饰的应用n酶学酶学n医药医药n工业抗体酶研究开发工业抗体酶研究开发n核酸类酶人工改造核酸类酶人工改造n有机介质酶催化反应有机介质酶催化反应
