固定化酶和固定化细胞技术

1、张 海 龙山东教育学院 生物系Shan Dong Institute of Education第九章第九章固固定化酶与固定化细胞技术第一节固定化酶固定化酶:是指在在一定空间内呈闭锁状态存在的酶,能连续地进行反应,反应后的酶可以回收重复利用。酶的固定化是将酶与水溶性载体结合,制备固定化酶的过程。固定化酶的特点(与游离酶相比(1极易将固定化酶与底物、产物分开,产物溶液中没有酶的残留,提纯工艺简化;(2能够在较长时间 进行反应,便于实现连续化和自动化;(3大多数情况下,能够提高酶的稳定性;(4酶的反应过程能够严格控制;(5酶的利用率提高,生产成本降低;(6能够进行多酶反应;(7可以增加产物收率,提高

2、产物的质量;(8增加了生产的成本;(9只能用于可溶性小分子底物,对大分子的底物适应性差,与完整的菌体细胞相比,不适宜于多酶反应,特别是需要辅助因子的反应。一、固定化酶的制备方法根据不同应用目的和不同应用环境选择不同的方法,遵循如下原则:(1必须维持酶的催化活性以及专一性;(2有利于实现连续化和自动化;(3固定化酶应有最小的空间位阻,尽可能不妨碍酶与底物的接近,以便提高产品的质量;(4酶与载体必须结合牢固,便于回收贮存,反复利用;(5固定化酶应有最大的稳定性,所选载体不应与产物或反应液发生化学反应;(6成本要低,以便于工业使用;实践中,可根据酶的性质,反应特征选择合适的方法。(一包埋法:1、网格

3、型2、微囊型:界面沉淀法、界面聚合、二级乳化法、脂质包埋法(二吸附法:1、物理吸附法2、离子吸附法(三、共价偶联法(四、交联法(五、共价结合法1、结晶法2、分散法酶固定化方法示意图二、固定化酶的性质1、稳定性2、最适温度最适pH pH3、最适4、底物特异性go稳定性比游离酶的好(1对热的稳定性提高,可以耐受较高的温度2040608010030405060708090Temperature ( ºC R e l a t i v e a c t i v i t y (%A BA 固定化酶B 游离酶稳定性(续(2保存稳定性好,保存时间延长(3对蛋白酶的抵抗性增强,不易被蛋白(4对变性剂对变

4、性剂(如尿素、有机溶剂、盐酸胍等如尿素、有机溶剂、盐酸胍等的耐受性提高,保留较高酶活(5对酶抑制剂、对不同对酶抑制剂、对不同pH pH pH稳定性提高稳定性提高稳定性提高. (back back最适温度与游离酶差不多4050607080Temperature ( ºC R e l a t i v e a c t i v i t y (%A B最适温度(续例外用重氮法制备的固定化胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶,5-10;比游离酶高比游离酶高5-105-15 以共价结合法固定的色氨酸酶,比游离酶高5-15 以共价结合法固定的色氨酸酶,比游离酶高汤亚杰以交联法用壳聚糖固定胰蛋白酶最适温度为30 同

5、一种酶;80 ,比固定化前提高了,比固定化前提高了30用不同的方法或载体进行固定化,其最适温度可能不同不同方法和载体固定化氨基酰化酶的最适温度 <60烷基化法DEAE-DEAE-葡聚糖凝胶葡聚糖凝胶 67离子键结合法DEAE-DEAE-纤维素纤维素 72离子键结合法DEAE-DEAE-葡聚糖凝胶葡聚糖凝胶 60游离最适温度最适温度( 方法载体载体最适pH 值酶固定化后,对底物作用的最适酶固定化后,对底物作用的最适pH pH pH和酶和酶pH pH曲线常发生偏曲线常发生偏移(见图,原因是微环境表面电荷性质的影响带负电荷的载体,固定化酶最适pH 值比游离酶的高(1载体的带电性质对最适pH 的

6、影响原因:吸引作用带正电荷的载体,固定化酶最适pH 值比游离酶的低H +H +H +H +H +H +H +偏酸微环境OH -OH -OH -OH -OH -OH -H+H+大环境偏碱酶不带电荷的载体,固定化酶最适pH 值一般不变(2产物酸碱性对最适pH 值的影响酸性酸性:固定化酶的最适固定化酶的最适pH pH pH值比游离酶的高值比游离酶的高碱性碱性:固定化酶的最适固定化酶的最适pH pH pH值比游离酶的低值比游离酶的低中性中性:固定化酶的最适固定化酶的最适pH pH pH值一般不变值一般不变原因原因:载体障碍产物的扩散底物的特异性与底物分子量的大小有关与底物分子量的大小有关;作用于低分子

7、量底物的酶,没有明显变化,如氨基酰化酶、葡聚糖氧化酶等酰化酶、葡聚糖氧化酶等;既可作用于大分子底物,又可作用于小分子底物的酶,往往会发生变化。如,固定在羧甲基纤维素上的胰蛋白酶,对二肽或多肽的作用保持不变,而对酶蛋白的作用仅为游离酶的酶蛋白的作用仅为游离酶的3%3%3%左右左右原因原因:载体的空间位阻作用三、影响固定化酶性能的因素固定化酶制备物性质取决于所用的酶及载体材料的性质酶固定化后的变化主要是活性中心的氨基酸残基、(1(1酶固定化后的变化主要是活性中心的氨基酸残基、高级结构和电荷状态等发生变化载体影响主要是在固定化酶的周围形成了能对底(2载体影响主要是在固定化酶的周围形成了能对底(2物产

8、生立体影响的扩散层及静电的相互作用等引起的变化第二节辅酶和辅基的固定化 一、辅酶的固定化二、辅酶的再生三、辅基的固定化 第三节细胞的的固定化固定化细胞就是被限制自由移动的细胞,既细胞受到物理化学等因素约束或限制在一定的空间界限内,但细胞仍保留催化活性并具备能被反复或连续使用的活力。是在酶固定化基础上发展起来的一项技术。固定化细胞的优点1,与游离细胞相比固定化细胞可以将微生物发酵改为连续酶反应可以获得更高的细胞浓度;细胞可以重复使用;在高稀释率时,不会产生洗脱现象;单位容积的产率高;提高遗传稳定性;细胞不会受到剪切效应的影响。发酵液中菌体含量少,有利与产品的分离纯化。2,与固定化酶相比免去了破碎

9、细胞提取酶的手续酶在细胞内的稳定性较高,完整细胞固定化后酶活性损失少固定化细胞制备的成本比固定化酶低无需辅酶再生固定化细胞的缺点仅能利用胞内酶;细胞膜、细胞壁和载体都存在着扩散限制作用;载体形成的孔隙大小影响高分子底物的通透性;可能有副反应。固定化细胞的分类一、固定化细胞的分类一、1,按细胞类型分为三类:微生物动物植物2,按生理状态分为两大类死细胞:完整细胞、细胞碎片、细胞器。适用于一种酶催化的反应。活细胞:增殖细胞、静止细胞、饥饿细胞。适用于多酶反应,特别是需要辅酶的反应。3、形状固定化细胞由于其用途和制备方法不同,可以是颗粒状、块状、条状、薄膜状或不规则状等。但目前大多数制备成颗粒状珠体。

10、二、细胞固定化的制备固定化酶和固定化细胞的方法都是以酶的应用为目的,其制备方法和应用方法也基本相同。固定化完整细胞的每种方法都有其优缺点。对于特定的应用,必须找到价格低廉、简单的方法,高活力的的保留和操作稳定性,后两者是评价固定化生物催化剂的先决条件。三、固定化细胞的性质(一、目的产物的产量提高(二、克隆基因产物的表达(三、质粒的遗传稳定性四、培养条件对质粒稳定性、菌体量及克隆基因产物的影响1、接种量2、固定化颗粒数量3、介质浓度4、营养物质5、培养温度及PH值6、溶解氧浓度第四节评价固定化酶生物催化剂的指标一、固定化酶活力与其溶液酶相比,大多数固定化酶活性下降。固定化酶活力下降的原因主要有:

11、酶与不溶性载体相结合引起结构发生了变化;酶活性中心的重要氨基酸残基与裁体相结合。这两者造成的酶活力下降可以适当条件加以克服。载体与酶结合后,酶虽不失活,但酶与底物间的相互作用受到空间位阻,从而使活力下降。这个影响难以克服。另外,在包埋法中,酶活性的下降可能是在酶的固定过程中有变性所致。酶固定化效果的测定固定化酶活力测定基本上与溶液酶相似,也以反应初速度表示.即每毫克干重固定化酶每分钟转化1umol底物量或形成1umol产物的酶量为一个单位(umol/mg·min,对于酶管、酶膜、酶板等,则以单位面积(cm2的初速度来表示。二、偶联率及相对活力的测定偶联效率偶联效率以载体结合酶量(或酶

12、活力的百分数表示:由于在偶联反应中酶往往会有些失活,因此,测定残留活力还不能正确反映与载体结合的酶活力,所以,仍以测定蛋白量较为难确。在酶固定化操作中,当酶与载体结合后,用适量适当的缓冲液淋洗固定化酶,以洗除未固定的酶,收集洗脱液,并测定其中蛋白量(或酶活力,即为残留的蛋白量(或酶活力。活力回收和相对活力酶固定化般比溶液酶的活力下降,固定化酶活力占溶液酶活力的百分数称为活力回收。第五节固定化细胞的应用抗生素的生产有机酸的生产氨基酸的生产酶制剂的生产生物转化废水处理基因工程菌的固定化一、抗生素的生产抗生素是次级代谢产物,属非生长关联型,以游离细胞采用连续发酵很难生产抗生素。抗生素的发酵为非生长关

13、联型,因此生长和代谢产物合成阶段所需的营养条件不同。从理论上,阻止固定化细胞的增殖是可能的,因而可以使用较稀的培养基来连续合成抗生素。柠檬酸是有机酸中的主要品种,柠檬酸一般是以黑曲霉为菌种来生产。在发酵过程中,由于菌体的生长,导致发酵液粘度的上升,会影响氧的传递。而采用固定化细胞技术,由于生长被抑制,因而不会影响氧的传递。例如固定化Escherichia coli和Pseudomonas putida,将D,L-丝氨酸和吲哚转化为L-色氨酸。在200升的反应器中, L-色氨酸的产率可达到110g/L。丝氨酸和吲哚的摩尔转化率可分别达到91%和100%。这一过程可以连续化操作。四、酶制剂的生产五

14、、生物转化六、废水处理1,处理氨、氮废水微生物去除氨氮需经过硝化、厌氧反硝化两个阶段。硝化菌、脱氮菌的增殖速度慢,要想提高去除率,必须要较长的停留时间和较高的细胞浓度。采用固定化细胞技术可以做到这点。固定化细胞技术在处理氨氮废水中的主要优势在于可通过高浓度的固定细胞,提高硝化和反硝化速度,同时还可以使在反硝化过程低温时易失活的反硝化菌保持较高活性。2,含酚废水含酚废水的处理普遍采用活性污泥法,但此法存在污泥产率高,易产生污泥流失,处理效率低等缺点。固定化细胞对废水中酚类等有毒物质的降解能力远大于游离细胞。3,含芳香烃废水利用固定化混合菌群可降解芳香烃废水。固定化细胞能利用这些物质生长并使之完全降解。与游离细胞相比,固定化细胞表现生长稳定,降解能力强的优点。4,处理重金属废水由于微生物经固定化后,其稳定性增加,抗生物毒性物质的能力也大大