固定化酶在医疗应用.ppt

固定化酶在医疗中的 应用 应化0701 李洋 酶是一类具有催化功能的蛋白质, 和化学催化剂相比具有 反应速度快, 化学、立体和分子部位选择性好, 反应条件温和 , 底物专一性强, 可在水溶液和中性pH下操作等优点, 同时酶 本身可以被微生物降解, 符合绿色化学的要求.已在食品、医 药、轻工和农业等许多领域得到广泛的应用 , 但和多相催化 过程相比, 酶在能源和化工中的应用还存在如下问题. (1) 酶一旦从细胞中分离出来, 其活性迅速下降, 并且在实 际应用中对外界因素非常敏感, 容易因反应条件的变化和杂 质的毒化作用而失活. (2)酶的分离和纯化手续繁杂, 大规模制备和应用成本较高. (3)酶是溶于水的, 在水溶液中进行反应, 会导致酶和底物、 产物从水中分离的困难, 不利于循环使用. (4)由于反应产物是酶的排泄物, 对酶催化反应有抑制作用, 限制了产物浓度的提高, 因此生产强度低. 酶的固定化技术就是为了克服上述缺点, 使酶催化反应能 像化学催化剂一样在多相反应过程中稳定操作, 并易于回收 和反复使用而发展起来的一项酶化学与酶工程技术. 一、酶在治疗疾病中的应用 目前药用酶的治疗作用包括 （1）由于体内有害物质的积累所引起的疾病，可以用酶来消 除毒物。例如：用脲酶来消除血液中过量的尿素。 （2）由于酶功能不正常、或者酶缺乏、酶量不足所产生的疾 病，可以用酶来调整作用，或者补充酶量。如，用苯丙氨酸 羟化酶可以治疗先天性缺苯丙氨酸羟化酶的苯基酮尿症患者 。 （3）癌细胞内异常的生化环境可用酶来破坏，以杀死癌细胞 。 （4）由于细菌、病毒引起机体产生的疾病，可以用抗生素抑 制微生物代谢所需要的酶，使微生物死亡，从而恢复人体健 康。 但是目前，酶治疗中遇到下列几个难题： （1）外源酶具有抗原性，注入人体后易产生过敏反应。 （2）外源酶进入人体后极易被蛋白酶水解，被抑制剂抑制， 因而在体内的半衰期很短。 （3）外源酶进入人体后如何集中到发病部位以达到最高疗效 。 为了解决以上难题，采用了固定化酶的方法。 药用酶的固定化提高了其稳定性及缓释性、并可 除去免疫原性 . 前列腺素衍生物是药物在20世纪的 重要发现之一, 用大孔径N2聚氨乙基丙烯酰胺为载 体, 使前列腺素合成酶固定化, 合成前列腺素衍生物 E1, 显示出良好的活性及贮存稳定性. 微囊固定化过 氧化氢酶具有良好的酶活性及稳定性, 在临床检测 及卫生防疫方面具有广泛用途. 葡聚糖磁性纳米微 粒固定化L-天冬酰胺酶, 具有通过血液注射治疗急性 淋巴白血病的医用前景. 超氧化物歧化酶SOD在清 除机体代谢过程中产生的过量超氧阴离子方面也发 挥着至关重要的作用.下面就L-天冬酰胺酶和SOD的 固定化进行拓展。 L-天冬酰胺酶 L-天冬酰胺酶(E.C.3.5.1.1，L-asparaginase)能 将肿瘤细胞生长所需的L-天冬酰胺水解为天冬氨酸 和氨，影响肿瘤细胞的蛋白质的合成，从而抑制肿 瘤的生长，临床上主要用于治疗急性淋巴性白血病 ，其有效率为6O%左右。但直接使用游离的L-天门 冬酰胺酶存在着一些缺点：存在较多的副作用，可 引起急性胰腺炎、胃肠道反应、肝功能和其它代谢 异常及过敏反应 ；游离酶稳定性较差，易被蛋白酶 水解。这些缺点限制了游离L-天冬酰胺酶的应用， 固定化L-天冬酰胺酶的研究受到了较多的关注。 在37水浴中使海藻酸钠在蒸馏水中融化 ，加入一定体积的酶溶液，吸入注射器内， 逐滴滴入磁力搅拌下的2%氯化钙溶液中，即 可形成光滑的微球体。4下硬化2 h，用去 离子水洗涤。再用一定浓度的戊二醛交联2 h ，然后用大量的去离子水洗涤直到无戊二醛 为止(加入奈氏试剂检测)即得固定化酶。取 0.2 mI 游离酶或1.5 g固定化酶，加入0.8mI 不同pH 值(6.09.0)的缓冲液，再加入2.0mI 的L一天冬酰胺溶液(0.04 mol/mI )，测定酶 活力，结果如图1所示。 从图1中可以看出，固定化酶的 最适pH 值为85，与游离酶的 最适pH 值相比没有发生偏移。 影响固定化酶最适pH值的因素主 要有两个，一是扩散效应，另一 个是载体带电性质。可能是由于 采用了带负电荷的载体，载体带 电性质产生的影响和扩散效应产 生的影响相互抵消，使得固定化 酶的最适pH 与游离酶相比没有 大的改变。 同理对固定化酶和游离酶的米氏常数，最适 反应温度以及半衰期进行测量比较，发现2者 基本一致，说明酶的固定化对其活性未产生 较大影响. 超氧化物歧化酶SOD SOD即超氧化物歧化酶, 是人体细胞代谢不可缺少的活性 蛋白酶。超氧化物歧化酶是一种金属酶。人们在研究中发现 超氧化物歧化酶是机体代谢所产生的有害物质超氧阴离子自 由基的天然清除剂。机体在代谢中产生的自由基以氧自由基 对机体的危害最大。氧自由基包括超氧阴离子自由基、羟基 自由基、过氧化氢及单线态氧等, 这些自由基是机体正常代 谢产物, 尽管它们在代谢中连续不断的产生, 但由于机体中存 在防御系统, 所以正常情况下危害不大, 其中的超氧阴离子自 由基就可以被SOD清除。研究表明,SOD对人体血栓症、动 脉硬化症、糖尿病等疾病有一定的预防和辅助治疗作用,并且 在抗肿瘤发生、消炎和抗衰老等领域也具有广泛的应用前景 。 SOD是一种含金属的酶, 按金属辅基的不同可 分成三种。最常见的一种含有铜锌金属辅基(Cu、 Zn - SOD) , 主要存在于真核细胞的细胞质中, 也存 在于高等植物的叶绿体基质、类囊体内以及线粒体 膜间隙中。该酶纯品呈蓝绿色, 由2条肽链组成, 每 条肽链含有铜、锌原子各一个,活性中心的核心是铜 ; 第二种含有锰原子(Mn -SOD ) , 主要存在真核细 胞的线粒体及原核细胞中, 也存在于植物的叶绿体 基质和类囊体膜上(纯品呈粉红色, 由4条或2条肽链 组成) ; 第三种是Fe - SOD, 主要存在于原核细胞中, Fe -SOD在高等植物中一般仅存在绿体中(纯品呈黄 色或黄褐色, 由2条肽链组成) , 多数情况下一个二聚 体中含有一个Fe原子。 以壳聚糖为载体、戊二醛为交联剂，采用固定化的方法 对超氧化物歧化酶进行优化。并采用邻苯三酚自氧化法测定 SOD 的活性。邻苯三酚在碱性条件下发生自氧化反应，在 自氧化过程中，超氧阴离子（O2-）不断消失又不断生成， 当达到稳态时，其浓度保持恒定，邻苯三酚的自氧化率呈O2 -浓度相性。SOD 能催化O2-发生歧化反应，生成H2O2 和O2 ，从而抑制邻苯三酚的自氧化。样品对邻苯三酚的抑制程度 ，可反映样品中SOD 的含量。实验测定在325 nm 处有色醌 类的吸光度变化，反映出邻苯三酚自氧化反应的抑制程度。 O2-在水溶液中是中等强度的还原剂和弱氧化剂，它能迅速 参与单电子还原反应，但也能被强氧化剂还原。当强还原剂 维生素C作为终止剂加到反应体系时，便迅速与O2-反应，阻 止自氧化反应的继续进行，为同时测定多样品争取了时间 。经检测，固定化超氧化物歧化酶活力可达333 U / g，酶活 回收率为86. 32%，均明显高于其他同类实验（192 U /g， 34%；123 U /g，41%）。 固定化酶在85高温条件下，活力并没有明显下降，反 而有微小上升，可能是由于高温使固定化酶的载体更为活跃 ，空间位阻变小，更有利于酶与底物的结合。固定化酶在强 酸、强碱条件下活性维持得更久，但在2 h 后也会降低至 50%以下。在较强的酸碱环境下固定化酶比溶液酶稳定，这 是由于溶液酶在强酸、强碱中，酶与底物的结合位点构象被 破坏，不能有效地结合底物，表现为活力大幅度下降；而固 定化酶由于载体的保护作用，其结合位点构象较稳定，受酸 碱的破坏程度降低，表现为耐酸碱能力增强。固定化酶的 Km 比溶液酶稍大，显示固定化酶与底物的亲和能力稍有下 降。有文献表明，Km 值的下降主要由以下因素引起：酶 分子构象的改变； 微环境的影响；底物在载体和溶液间 存在分配效应；扩散效应的影响。 此外固定化酶在临床分析中也已得到应用, 如,SBA一4JD 型尿素氮葡萄糖分析仪的关键部件, 是由三种酶复合而成的 固定化酶膜圈, 将它装配在过氧化氢电极上, 可以通过血液或 尿液中尿素的变化, 检测运动后的疲劳程度. 萤火虫荧光素酶 ( fire2fly luciferase)可以用来检测三磷酸腺苷(ATP) 的含量 . 三磷酸腺苷是所有生物能量的贮备形式, 也是细胞代谢活动 的能量来源, 又是萤火虫荧光素酶催化的发光反应中不可替