第五章酶分子修饰剖析.ppt

Chapter 5 Modification of Enzyme Molecule,酶分子修饰,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 5,1、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,Go,Go,Go,4、酶分子修饰的应用,Go,5.1 什么是酶分子修饰？,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程称为酶分子修饰。即：在体外将酶分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，进行共价连接，从而改变酶的结构和性质。,酶分子修饰的意义,提高酶的活力 activity 增强酶的稳定性 stability 降低或消除酶的抗原性 immunological property 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酶分子空间构象的影响 structure,5.2 酶分子修饰的基本要求和条件,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。 （1）酶的稳定性 热稳定性、酸碱稳定性、作用温度、pH、抑制剂等。 （2）酶活性中心的状况 活性中心基团、辅因子等。其他如分子大小、性状、亚基数等。,酶分子修饰的条件,修饰反应尽可能在酶稳定条件下进行，并尽量不破坏酶活性功能的必需基团，使修饰率高，同时酶的活力回收高。 （1）pH与离子强度 pH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。 （2）修饰反应的温度与时间 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。 （3）反应体系中酶与修饰剂的比例,5.3 酶分子的修饰方法,金属离子置换修饰 大分子结合修饰(共价/非共价) 侧链基团修饰 肽链有限水解修饰 氨基酸置换修饰 核苷酸置换修饰 酶分子的物理修饰,第一节 酶的金属离子置换修饰,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法称为金属离子置换修饰。 -淀粉酶中的钙离子（Ca2+），谷氨酸脱氢酶中的锌离子(Zn2+)，过氧化氢酶分子中的铁离子(Fe2+)，酰基氨基酸酶分子中的锌离子（Zn2+）,超氧化物歧化酶分子中的铜、锌离子(Cu2+,Zn2+),第一节 酶的金属离子置换修饰,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。 如果重新加入原有的金属离子，酶的催化活性可以恢复或者部分恢复。 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。 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。,一、金属离子置换修饰的方法,1、酶的分离纯化 2、除去原有的金属离子：加入金属螯合剂 3、加入置换离子,一、金属离子置换修饰的方法,金属离子置换修饰只适用于那些在分子结构中本来含有金属离子的酶。 用于金属离子置换修饰的金属离子，一般都是二价金属离子。,二、金属离子置换修饰的作用,阐明金属离子对酶催化作用的影响 提高酶活力 增强酶的稳定性 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(heparin)、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 大分子结合修饰,用可溶性大分子，如聚乙二醇、右旋糖苷、肝素等，通过共价键连接于酶分子的表面，形成一层覆盖层。 例如：用聚乙二醇修饰超氧物歧化酶 ，不仅可以降低或消除酶的抗原性，而且提高了抗蛋白酶的能力，延长了酶在体内的半衰期从而提高了酶药效。,共价修饰,第二节 大分子结合修饰,每分子核糖核酸酶与6.5分子的右旋糖酐结合，可以使酶活力提高到原有酶活力的2.25倍； 每分子胰凝乳蛋白酶与11分子右旋糖酐结合，酶活力达到原有酶活力的5.1倍,共价修饰,第二节 大分子结合修饰,一、大分子结合修饰的方法,1、修饰剂的选择：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（PEG）、右旋糖酐、蔗糖聚合物（Ficoll）、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：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。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。,3、修饰：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，在一定的温度、pH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以共价键结合，对酶分子进行修饰。 4、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，从中获得具有较好修饰效果的修饰酶。,一、大分子结合修饰的方法,一、大分子结合修饰的方法,聚乙二醇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、无残留、无免疫原性，并可消除酶的抗原性，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。,二、大分子结合修饰的作用,提高酶活力 增强酶的稳定性 降低或消除酶蛋白的抗原性,1、通过修饰提高酶活力： 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： 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。,3、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： 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 酶分子的侧链基团修饰,定义：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，从而改变酶分子的特性和功能的修饰方法。 可以用于研究各种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。在研究酶的活性中心中的必需基团时经常采用。,第三节 酶分子的侧链基团修饰,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。主要包括氨基、羧基、巯基、胍基、酚基等。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。,催化活性/非催化活性基团的修饰,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。 经常被修饰的残基是： 亲核的Ser、Cys、Met、Thr、Lys、His 亲电的Tyr、Trp,常用的化学修饰剂 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,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,碳二亚胺,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、巯基,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,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,六、咪唑基,七、吲哚基,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,双功能试剂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，从而提高酶的稳定性。 同型双功能试剂 异型双功能试剂,第四节 酶蛋白主链修饰 (肽链有限水解修饰),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变，从而改变酶的特性和功能的方法。 酶蛋白主链修饰主要是靠酶切/酶原激活法。,第四节 酶蛋白主链修饰 (肽链有限水解修饰),a、胃蛋白酶原（pepsinogen）的激活,b、胰蛋白酶原（trypsinogen）的激活,c、胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）的激活,第五节 核苷酸链剪切修饰,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。,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-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。,提高酶活力 增强酶的稳定性 改变酶的专一性,第六节 氨基酸置换修饰,置换修饰的作用,Bender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转换为半胱氨酸。 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酯等底物水解的活性。 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行修饰，操作复杂，难以工业化生产。,第六节 氨基酸置换修饰,置换修饰的方法,化学修饰法,在DNA序列中的某一特定位点上进行碱基的改变从而获得突变基因的操作技术,第六节