d-酶固定化蛋白质工程.ppt

Understandingenzymeimmobilisation Enzymesareversatilecatalystsinthelaboratoryandonanindustrialscale Tobroadentheirapplicabilityinthelaboratoryandtoensuretheir re useinmanufacturingthestabilityofenzymescanoftenrequireimprovement Immobilisationcanaddresstheissueofenzymaticinstability Immobilisationcanalsohelptoenabletheemploymentofenzymesindifferentsolvents atextremesofpHandtemperatureandexceptionallyhighsubstrateconcentrations Atthesametimesubstrate specificity enantioselectivityandreactivitycanbemodified However mostoftenthemolecularandphysical chemicalbasesofthesephenomenahavenotbeenelucidatedyet ChemSocRev 2009Feb 38 2 453 68 HanefeldU GardossiL MagnerE Recentadvancesinimmobilizedenzymaticreactorsandtheirapplicationsinproteomeanalysis Immobilizedenzymaticreactorsrecentlyhavedrawnmuchattentionbecauseofthestrikingadvantages suchashighsubstrateturnoverrateandeaseincouplingwiththeseparationanddetectionsystems Carriermaterials whichhavegreateffectsonthedevelopmentoftheimmobilizedenzymaticreactors havealwaysbeingthefocusofstudy Inthispaper thecontributions mainlyinthelast5years ontheenzymaticreactorsandtheirapplicationsinproteomestudyarereviewed withsomenewlydevelopedinorganicandorganiccarriersforenzymeimmobilizationdescribedindetails Moreover thehyphenationofimmobilizedenzymaticreactorswiththeseparationandidentificationsystemsisalsosummarized Byreviewingtheseachievements itcouldbeseenthatenzymaticreactorshaveverybrightfuture especiallyinproteomeanalysis AnalChimActa 2009Jan19 632 1 1 8 MaJ ZhangL LiangZ ZhangW ZhangY 固定化酶的研究内容 固定化方法载体酶学性质 固定化酶的特性稳定性研究 改进最适温度最适pH底物特异性 固定化酶的制备方法 一 吸附法 1 物理吸附 利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上 选择载体的原则 1 要有巨大的比表面积 2 要有活泼的表面 3 便于装柱进行连续反应 优点 固定化时酶分子的构象很少或基本不发生变化 缺点 结合力弱 易解吸附 载体 纤维素 琼脂糖 活性炭 沸石及硅胶等 二 结合法 1离子键结合法酶分子含有离子交换基团的固相载体常用载体 DEAE 纤维素 DEAE 葡聚糖凝胶使用注意 pH 离子强度 温度 2共价键结合法 1 酶分子中可以形成共价键的基团 游离氨基 游离羧基 巯基 咪唑基 酚基 羟基 甲硫基 吲哚基 二硫键 2 常用载体 天然高分子 人工合成的高聚物 无机载体 共价键结合法制备固定化酶的 通式 首先载体上引进活泼基团关键然后活化该活泼基团最后此活泼基团再与酶分子上某一基团形成共价键 4 载体活化的方法 A 重氮法B 叠氮法C 烷基化反应法D 硅烷化法E 溴化氰法 A 重氮法 目前用的较多的载体是对氨基苯磺酰乙基 ABSE 纤维素 琼脂糖 葡聚糖凝胶和琼脂等 A 重氮法 反应式及原理 B叠氮法 例用羧甲基纤维素叠氮衍生物制备固定化胰蛋白酶 步骤如下 酯化 肼解 叠氮化 4 偶联 B叠氮法 对含有羧基的载体 与肼基作用生成含有酰肼基团的载体 再与亚硝酸活化 生成叠氮化合物 最后于酶偶联 C 烷基化反应法 含羟基的载体可用三氯三嗪等多卤代物进行活化 形成含有卤素基团的活化载体 D 硅烷化法 一般常用的载体 多孔玻璃 多孔陶瓷 多孔玻璃特点 机械强度好 表面积大 耐有机溶剂和微生物破坏 载体可以再生 寿命长等 D 硅烷化法 D 硅烷化法 D 硅烷化法 E 溴化氰法 主要用溴化氰 CNBr 活化多糖类物质 如纤维素 葡聚糖 琼脂糖等 其中以琼脂糖为载体的占多数 大孔网状结构 用溴化氰法活化琼脂糖制备得到的固定化酶目前使用很广 特别用作亲和层析 有着良好的性能 E 溴化氰法 三 交联法 借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作用 制成网状结构的固定化酶的方法称为交联法 也可用于含酶菌体或菌体碎片的固定化 三 交联法常用试剂 常用试剂 戊二醛 异氰酸酯 N N 乙烯马来亚胺 双重氮联苯胺等 应用最广泛的是戊二醛 它两个醛基都可以与酶或蛋白质的游离氨基形成席夫碱 shiff 双功能试剂 常用的是戊二醛OOH C CH2 CH2 CH2 C H 第一篇报道是 戊二醛交联羧肽酶得到一种分子间交联的固定化酶 图酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价偶联酶分子 a 酶分子之间用双功能基团的化学交联试剂相互交联成水不溶性的固定化酶 b 酶分子被偶联到水不溶性载体上形成水不溶性的固定化酶 表常用于固定化酶的交联剂交联剂参考文献戊二醛13 16二重氮联苯胺 2 2 二磺酸17 184 4 二氟 3 3 二硝基二苯砜19二苯基 4 4 二硫氰酸 2 2 二磺酸201 5 二氟 2 4 二硝基苯21酚 2 4 二磺酰氯223 甲氧基二苯基甲烷 4 4 二异氰酸盐23 三 交联法的形式 交联法有2种形式 酶直接交联法酶辅助蛋白交联双重固定法 1 吸附交联法 2 交联包埋法 酶直接交联法 在酶液中加入适量多功能试剂 使其形成不溶性衍生物 固定化依赖酶与试剂的浓度 溶液pH和离子强度 温度和反应时间之间的平衡 酶辅助蛋白交联 为避免分子内交联和在交联过程中因化学修饰而引起酶失活 可使用第二个 载体 蛋白质 即辅助蛋白质 如白蛋白 明胶 血红蛋白等 来增加蛋白质浓度 使酶与惰性蛋白质共交联 1 吸附交联法 先将酶吸附在硅胶 皂土 氧化铝 球状酚醛树脂或其他大孔型离子交换树脂上 再用戊二醛等双功能试剂交联 用此法所得固定化酶也可称为壳状固定化酶 2 交联包埋法 把酶液和双功能试剂 戊二醛 凝结成颗粒很细的集合体 然后用高分子或多糖一类物质进行包埋成颗粒 这样制得的固定化酶稳定性好 四 包埋法 entrappingmethod 定义 将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中 使酶固定化的方法称为包埋法 包埋法分为网格型和微囊型1 网格型2 微囊型 1 网格型 1 概念将酶或含酶菌体包埋在凝胶细微网格中 制成一定形状的固定化酶 称为网格型包埋法 也称为凝胶包埋法 2 微囊型包埋法 是将酶包埋在各种高分子聚合物制成的小球内 制成固定化酶 由于固定化形成的酶小球直径一般只有几微米至几百微米 所以也称为微囊化法 微囊化法制备固定化酶有两种方法 界面沉淀法 界面聚合法 界面沉淀法 这是一种简单的物理法 它是利用某些高聚物在水相和有机相的界面上溶解度较低而形成的皮膜将酶包埋 界面聚合法 是用化学手段制备微囊的方法 利用油水界面上发生聚合反应形成聚合体而将酶包裹起来 各类固定化方法的特点比较 酶的固定化技术和固定化酶 选择方法依据 1 酶的性质 2 载体的性质 3 制备方法的选择 固定化后酶的考察项目 1 测定固定化酶的活力 以确定固定化过程的活力回收率 2 考察固定化酶稳定性 3 考察固定化酶最适反应条件 一 影响固定化酶性质的因素 1 酶本身的变化发生了变化活性中心的氨基酸残基高级结构电荷状态等 一 影响固定化酶性质的因素 2 载体的影响 1 扩散限制效应 2 空间障碍效应 二 固定化后酶性质的变化 1 固定化对酶活性的影响 酶活性下降 反应速度下降原因 二 固定化酶的性质 2 固定化对酶稳定性的影响 1 操作稳定性提高 2 贮存稳定性比游离酶大多数提高 3 对热稳定性 大多数升高 有些反而降低 4 对分解酶的稳定性提高 5 对变性剂的耐受力升高 2 固定化后酶稳定性提高的原因 a 固定化后酶分子与载体多点连接 b 抑制自降解 提高了酶稳定性 3 pH的变化 PH对酶活性的影响 1 改变酶的空间构象 2 影响酶的催化基团的解离 3 影响酶的结合基团的解离 4 改变底物的解离状态 酶与底物不能结合或结合后不能生成产物 4 最适温度变化 一般与游离酶差不多 但有些会有较明显的变化 5 底物特异性变化作用于低分子底物的酶特异性没有明显变化既可作用于低分子底物又可作用于大分子低物的酶特异性往往会变化 6 米氏常数Km的变化 Km值随载体性质变化 1 载体与底物带相同电荷 Km Km固定化酶降低了酶的亲和力 2 载体与底物电荷相反 静电作用 Km Km 三 评价固定化酶的指标 1 固定化酶的比活 每 克 干固定化酶所具有的酶活力单位 或 单位面积 cm2 的酶活力单位表示 酶膜 酶管 酶板 2 操作半衰期 衡量稳定性的指标 连续测活条件下固定化酶活力下降为最初活力一半所需要的时间 t1 2 三 评价固定化酶的指标 3 4 或称偶联效率 活力保留百分数 5 相对酶活力 具有相同酶蛋白 或RNA 量的固定化酶活力与游离酶活力的比值称为相对酶活力 细胞固定化 固定在载体上并在一定的空间范围内进行生命活动的细胞称为固定化细胞 该细胞能进行正常的生长 繁殖和新陈代谢 又称固定化活细胞或固定化增殖细胞 固定化细胞的特点 类型 微生物细胞 植物细胞 动物细胞生理状态 死细胞 完整细胞 细胞碎片 细胞器 活细胞 增殖细胞 静止细胞 完整细胞 形状 颗粒状 块状 条状 薄膜状或不规则形状 最多使用 颗粒状珠体使用周期 理论上讲 固定化增殖细胞保持了细胞原有的全部活性 只要载体不解体 不污染就可以长期使用 固定化培养优点 细胞可维持在较小体积培养液中生长 细胞损伤程度低 易于更换培养液 细胞和培养液易于分离 培养液中产物浓度高 简化了产品分离纯化操作 细胞固定化培养法 动物细胞限制或定位于特定空间位置的培养技术谓之细胞固定化培养法 动物细胞几乎都可采用固定化方法培养 固定化方法有 吸附法 所用载体有陶瓷颗粒 玻璃珠及硅胶颗粒 包埋法 将细胞包埋于琼脂 琼脂糖 胶原及血纤维等海绵状基质中 吸附法 它主要通过载体与细胞间的静电引力 即细胞表面与载体之间范德华作用力 离子键和氢键作用力 才使细胞固定在载体上的 影响吸附法的主要因素 1 Z 电位 Z 电位能近似地代表表面电荷密度的大小 2 细胞的性质和细胞壁的组成 细胞壁的电荷性质 3 载体的性质 特别是玻璃 陶瓷等无机材料 包埋固定法 包埋法是在细胞自身并不与凝胶基体发生化学键合的情况下将其包埋在半透性聚合物颗粒 或膜 内的一种固定化方法 包埋法的最大优点是能较好的保持细胞内多酶系统的活力 可象游离细胞那样进行产物的发酵生产 包埋法分类 常用载体 琼脂 海藻酸钙 角叉菜胶 明胶 聚丙烯酰胺常用凝胶包埋法 举例海藻酸钙包埋法 基本原理是 称取一定量的海藻酸钠配成水溶液 经杀菌冷却后 与一定体积的细胞或孢子悬浮液混合均匀 然后用注射器或滴管将冷悬液滴入一定浓度的凝固浴中 常用CaCl2溶液 形成球状固定化细胞 通过改变载体溶液参数包埋细胞 改变载体溶液 操作温度 盐浓度 pH值和溶剂等参数时 亦可使其转变为凝胶状态 将细胞包埋其中 研究热点 光交联树脂包埋法 例 相对分子量为1000 3000的光交联聚氨酯预聚物等 加入1 左右的光敏剂 加水配成一定浓度 加热至50 然后与一定浓度的细胞悬浮液混合均匀 摊成一定厚度的薄层 用紫外照射3min 就可制得 固定化培养装置 多层平板装置螺旋卷膜培养器多层托盘式培养器卷带式培养器中空纤维及流化床式培养器 中空纤维培养器优点 细胞生长密度高 可达l08个 毫升以上 细胞处于接近生理状态的理化梯度中 营养物质可有效分布 代谢废物可及时排除 细胞培养可达数月 易于实现连续培养 细胞分泌的蛋白质浓度高 产品纯度可高达60 一90 利于降低成本 反应器体积小并可用于培养多种细胞 微载体培养方法 将动物细胞吸附于微载体表面 在培养液中进行悬浮培养 使细胞在微载体表面长成单层的培养方法称为微载体培养法或微珠培养法 制备微载体的材料主要有 葡聚糖 DEAE SephadexA50及A25 塑料明胶玻璃纤维素 微载体培养优点 兼具单层培养和悬浮培养的优势 且是均相培养 细胞所处环境均一 放大容易 培养操作可系统化 自动化 障低了污染发生的机会 固定化原生质体 何为原生质体 有何优点 一原生质体的制备 将对数生长期的细胞收集 悬浮在含有渗透压稳定剂的高渗缓冲液中 加入水解酶 分离 得到原生质体 高渗缓冲液 高渗缓冲液处理指对细胞或组织进行渗透压调节 即受体组织或细胞在适当浓度的高渗液进行一定时间的浸泡处理 靶体经过高渗液一定时间的处理 体积缩小到原来的80 左右 细胞膜内外形成一个渗透压梯度 渗透压调节能导致细胞发生质壁分离 阻止细胞质外渗 减少细胞的损伤 提高细胞的活性 在基因枪法 电击穿孔法 微注射法等直接转化方法都有应用 首先必须消除细胞壁 它是微生物细胞之间进行遗传物质交换的主要障碍 通常采用蜗牛酶除去细胞壁 缓冲液 1 0 1mol LpH6 0磷酸缓冲液 2 高渗缓冲液 于上述缓冲液中加入0 8mol L甘露醇 原生质体稳定液 SMM 0 5mol L蔗糖 20mol LMgC12 0 02mol L顺丁烯二酸 调pH6 5 一 原生质体的制备1 活化菌体将单倍体酿酒酵母菌Y 1和Y 4活化分别转接新鲜斜面 自新鲜斜面分别挑取一环接入装有25mL完全培养基的锥形瓶中 30 培养16h至对数期 2 离心洗涤 收集细胞分别取5mL上述培养至对数生长期的酵母细胞培养液 3000r min离心10min 弃上清液 向沉淀的菌体中加入5mL缓冲液 用无菌接种环 搅散菌体 振荡均匀后离心洗涤一次 再用5mL高渗缓冲液离心洗涤一次 将菌体分别悬浮于5mL高渗缓冲液中 振荡均匀 分别取样0 5mL 用生理盐水稀释至10 6 分别各取0 1mL10 4 10 5 10 6稀释液 于相应编号的完全培养基平板上 每个稀释度做两个平板 用刮棒涂布 30 培养48h后进行总菌数测定 3 酶解脱壁各取3mL菌液于无菌小试管中 3000r min离心10min 弃上清液 加入3mL含2 0mg蜗牛酶的高渗缓冲液 此高渗缓冲液含有0 1 EDTA和0 3 SH OH 于30 振荡保温 定时取样镜检观察至细胞变成球状原生质体为止 此时原生质体形成 二 原生质体再生及剩余菌数的测定1 再生分别吸取0 5mL原生质体 经酶处理 加入装有4 5mL高渗缓冲液及4 5mL无菌水试管中 经高渗缓冲液稀释至10 5 分别吸取0 1mL10 3 10 4 10 5 稀释液于相应编号的再生培养基平板上 30 培养48h后 进行再生菌数测定 用双层再生培养基 2 未脱壁菌数测定分别取0 5mL原生质体至装有无菌水试管中 稀释到10 4 各取0 1mL10 2 10 3 10 4的稀释液于相应编号的完全培养基平板上 30 培养48h后 进行未脱壁菌数测定 二原生质体固定化的方法 将原生质替制备好后 把离心收集到的原生质体重新悬浮在含有渗透压稳定剂的缓冲液中 配成一定浓度的原生质体悬浮液 然后采用包埋法制成固定化原生质体 四辅酶固定化 1原因有机辅因子中具有某些特殊的化学基团 参与酶的催化反应有机辅因子在使用过程中要流失 并且不能自行再生有机辅因子价格昂贵 工业上应用全酶的关键是有机辅因子的保留和再生 辅酶固定化的方法 2固定化方法与酶相似 一般采用溴化氰法 碳二亚胺法以及重氮偶联法等共价偶联 或将其进行适当的化学修饰后固定在超滤器中 3辅酶固定化必须解决辅酶在多个酶之间传递的障碍 辅酶的固定化 辅酶固定化的形式 图生物催化剂作用方式示意 固定化酶 细胞 的应用 固定化酶和细胞的应用 工农业 医药 分析化学 酶电极 亲和色谱 环境保护 能源开发 基础理论研究 二 固定化酶 细胞 的应用 1 固定化酶 细胞 在工农业生产上的应用2 固定化酶在医药治疗上的应用3 固定化酶在分析化学中应用4 固定化酶和亲和色谱5 固定化酶与环境保护6 新能源开发中的应用7 固定化酶在基础理论研究中应用 1 固定化酶 细胞 在工农业生产上的应用 葡萄糖异构酶 世界上生产规模最大的一种固定化酶 利用固定化乳糖酶可以连续生产低乳糖奶固定化酵