酶的分子修饰

酶的分子修饰与化学催化剂相比，酶缺点医用酶缺点：稳定性差、分子量大、成本高、来源有限、有异体反应工业酶缺点：热稳定性差、活力低、耐受pH范围窄第2页,共56页，2024年2月25日，星期天酶的分子工程分子生物学水平，即用基因工程方法对DNA进行分子改造，以获得化学结构更为合理的酶蛋白对天然酶分子进行改造，包括酶一级结构中氨基酸置换、肽链切割、氨基酸侧链修饰等第3页,共56页，2024年2月25日，星期天酶的化学修饰定义从广义讲，凡涉及共价部分或部分共价键的形成或破坏的转变都可看作是酶的修饰从狭义讲，酶的化学修饰则是指在较温和的条件下，以可以控制的方式使一种蛋白质同某些化学试剂起特异反应，从而引起单个氨基酸残基或其功能基团发生共价的化学改变第4页,共56页，2024年2月25日，星期天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immunologicalproperty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

第5页,共56页，2024年2月25日，星期天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。酶的稳定性热稳定性、酸碱稳定性、作用温度、pH、抑制剂等。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。第6页,共56页，2024年2月25日，星期天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。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。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。反应体系中酶与修饰剂的比例

第7页,共56页，2024年2月25日，星期天影响酶化学修饰的因素影响酶蛋白功能基团反应性的因素影响修饰剂反应性的因素第8页,共56页，2024年2月25日，星期天影响酶蛋白功能基团反应性的因素微区的极性、基团之间的氢键及静电相互作用等因素对功能基pKa的影响；基团之间的空间障碍。功能基团的反应性往往通过其亲核性来衡量，但并不是用亲核性就可解释一切，功能基的反应性比较复杂，超反应性就是一种；超反应性：指的是蛋白质的某个侧链基团与个别试剂发生迅速的反应。第9页,共56页，2024年2月25日，星期天影响修饰剂反应性的因素选择吸附：修饰剂根据各自特点选择性吸附在低极性区或高级性区静电相互作用：带电的修饰剂能被选择性地吸附到蛋白质表明带相反电荷的部位位阻因素：可阻止修饰剂与功能基正常反应催化因素：不同修饰剂，其反应速度核反应部位有明显差异第10页,共56页，2024年2月25日，星期天修饰反应专一性的控制试剂的选择反应条件的选择反应的专一性第11页,共56页，2024年2月25日，星期天修饰反应专一性的控制试剂的选择：选择试剂在很大程度上要依据修饰的目的。选择蛋白修饰应注意问题包括：

1）修饰反应要完成到什么程度；

2）对个别氨基酸是否专一；

3）在反应条件下，修饰反应有没有限度；

4）修饰后蛋白的构象是否基本保持不变；

5）是否需要分离修饰后的衍生物；

6）反应是否需可逆；

7）是否适合于建立快速、方便的分析方法。第12页,共56页，2024年2月25日，星期天反应条件的选择不造成蛋白质的不可逆变性有利于专一性修饰蛋白第13页,共56页，2024年2月25日，星期天反应的专一性利于蛋白质分子中某些基团的特殊性选择不同的反应pH值利于某些产物的不稳定性亲和标记差别标记利用蛋白质状态的差异第14页,共56页，2024年2月25日，星期天修饰程度和修饰部位的测定分析方法化学修饰数据的分析

1）化学修饰时间的进程分析

2）确定必需基团的性质和数目第15页,共56页，2024年2月25日，星期天设计酶化学修饰前提条件对酶性质应充分了解：酶的活性部位、酶的稳定条件、酶反应最佳条件及酶侧链基团性质及反应活性的了解对修饰剂要求：1）修饰剂的相对分子量、修饰剂链长度对蛋白质的吸附性；2）修饰剂上反应基团的数目和位置；3）修饰剂上反应基团的活化方法与条件对酶反应条件的选择：1）反应体系中酶与修饰剂的分子比例；2）反应体系中的溶剂性质、盐浓度和pH条件；3）反应温度及时间第16页,共56页，2024年2月25日，星期天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酶分子的物理修饰

第17页,共56页，2024年2月25日，星期天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。α-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+)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。第18页,共56页，2024年2月25日，星期天金属离子置换修饰过程

酶的分离纯化：首先将欲进行修饰的酶经过分离纯化，除去杂质，获得具有一定纯度的酶液。除去原有的金属离子：在经过纯化的酶液中加入一定量的金属螯合剂，如乙二胺四乙酸（EDTA）等，使酶分子中的金属离子与EDTA等形成螯合物。通过透析、超滤、分子筛层析等方法，将EDTA-金属螯合物从酶液中除去。此时，酶往往成为无活性状态。加入置换离子：于去离子的酶液中加入一定量的另一种金属离子，酶蛋白与新加入的金属离子结合，除去多余的置换离子，就可以得到经过金属离子置换后的酶。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。

第19页,共56页，2024年2月25日，星期天酶的大分子修饰——非共价修饰使用一些能与酶非共价地相互作用而又能有效地保护酶的一些添加物，如聚乙二醇、右旋糖苷等，它们既能通过氢键固定在酶分子表面，也能通过氢键有效地与外部水相连，从而保护酶的活力。一些添加物，如多元醇、多糖、多聚氨基酸、多胺等能通过调节酶的微环境来保护酶的活力。另一类添加物就是蛋白质。蛋白质分子之间相互作用时，其表面区域内排除了水分子，因而增加了相互作用力，其稳定性也就增加了。第20页,共56页，2024年2月25日，星期天用可溶性大分子，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。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

酶的大分子修饰——共价修饰第21页,共56页，2024年2月25日，星期天大分子修饰(共价)的过程修饰剂的选择：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、肝素、蛋白质类及其他、蔗糖聚合物（Ficoll）、葡聚糖、环状糊精、羧甲基纤维素等。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。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。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。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。

第22页,共56页，2024年2月25日，星期天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。酶

半衰期相对稳定性

天然SOD6min1

右旋糖酐-SOD7h70Ficoll(低分子量)–SOD14h140Ficoll(高分子量)–SOD24h240

聚乙二醇-SOD

35h

350第23页,共56页，2024年2月25日，星期天酶分子的侧链基团修饰采用一定的方法（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。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。第24页,共56页，2024年2月25日，星期天催化活性/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对催化活性基团可以通过选择性修饰侧链成分来实现氨基酸的取代。第25页,共56页，2024年2月25日，星期天氨基修饰采用某些化合物使酶蛋白侧链上的氨基发生改变，从而改变酶蛋白的空间构象的方法称为氨基修饰。凡能够使蛋白质侧链上的氨基发生改变的化合物，称为氨基修饰剂，主要有：亚硝酸、二硝基氟苯、醋酸酐、琥珀酸酐、二硫化碳、乙亚胺甲酯、O-甲基异脲、顺丁烯二酸酐等。这些氨基修饰剂作用于蛋白质侧链上的氨基，可以产生脱氨基作用或与氨基共价结合将氨基屏蔽起来。例如，用亚硝酸修饰天冬酰胺酶，使其氨基末端的亮氨酸和肽链中的赖氨酸残基上的氨基产生脱氨基作用，变成羟基。经过修饰后，酶的稳定性大大提高，使其在体内的半衰期延长2倍；用O-甲基异脲修饰溶菌酶，使酶分子中的赖氨酸残基上的氨基与它结合，将氨基屏蔽起来，修饰后，酶活力基本不变，但稳定性显著提高，而且很容易形成结晶。第26页,共56页，2024年2月25日，星期天常见基团的化学修饰反应：氨基第27页,共56页，2024年2月25日，星期天羧基修饰采用各种羧基修饰剂与酶蛋白侧链的羧基进行酯化、酰基化等反应，使蛋白质的空间构象发生改变的方法称为羧基修饰。可与蛋白质侧链上的羧基反应的化合物称为羧基修饰剂，如乙醇-盐酸试剂、碳化二亚胺、异恶唑盐等。第28页,共56页，2024年2月25日，星期天常见基团的化学修饰反应：羧基第29页,共56页，2024年2月25日，星期天胍基修饰蛋白质分子中精氨酸残基的侧链含有胍基。采用二羰基化合物与胍基反应生成稳定的杂环，从而改变酶分子的空间构象的方法称为胍基修饰。用作胍基修饰剂的二羰基化合物主要有环己二酮、丙二醛、苯乙二醛等。第30页,共56页，2024年2月25日，星期天常见基团的化学修饰反应：胍基第31页,共56页，2024年2月25日，星期天巯基修饰蛋白质分子中半胱氨酸残基的侧链含有巯基。巯基在许多酶中是活性中心的催化基团，巯基还可以与另一巯基形成二硫键，所以巯基对稳定酶的结构和发挥催化功能有重要作用。使酶蛋白侧链上的巯基发生改变，从而改变酶的空间构象、特性和功能的修饰方法称为巯基修饰。常用的巯基修饰剂有：二硫苏糖醇、巯基乙醇、硫代硫酸盐、硼氢化钠等还原剂以及各种酰化剂、烷基化剂等。第32页,共56页，2024年2月25日，星期天常见基团的化学修饰反应：巯基第33页,共56页，2024年2月25日，星期天酚羟基修饰蛋白质分子的酪氨酸残基上含有酚基。使酚基发生改变，从而改变酶蛋白的空间构象的修饰方法称为酚基修饰。酚基修饰的方法主要有碘化法、硝化法、琥珀酰化法等。例如，枯草杆菌蛋白酶的第104位酪氨酸残基上的酚基经四硝基甲烷（TNM）硝化修饰后，生成硝基酚残基，由于负电荷的引入，使酶对带正电荷的底物的结合力显著增加；葡萄糖异构酶经过琥珀酰化修饰后，其最适pH值下降0.5单位，并增加酶的稳定性。第34页,共56页，2024年2月25日，星期天常见基团的化学修饰反应：酚羟基第35页,共56页，2024年2月25日，星期天常见基团的化学修饰反应：咪唑基第36页,共56页，2024年2月25日，星期天常见基团的化学修饰反应：色氨酸吲哚基第37页,共56页，2024年2月25日，星期天酶蛋白主链修饰(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。a、胃蛋白酶原的激活

第38页,共56页，2024年2月25日，星期天第39页,共56页，2024年2月25日，星期天b、胰蛋白酶原（trypsinogen）的激活

第40页,共56页，2024年2月25日，星期天第41页,共56页，2024年2月25日，星期天c、胰凝乳蛋白酶原（chymotrypsinogen）的激活

第42页,共56页，2024年2月25日，星期天氨基酸或核苷酸的置换修饰可以采用化学修饰方法，例如，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。

现在常用的氨基酸置换修饰的方法是定点突变技术。定点突变（sitedirectedmutagenesis）是20世纪80年代发展起来的一种基因操作技术。是指在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。是蛋白质工程（ProteinEngineering）和酶分子组成单位置换修饰中常用的技术。定点突变技术，为氨基酸或核苷酸的置换修饰提供了先进、可靠、行之有效的手段。氨基酸置换修饰第43页,共56页，2024年2月25日，星期天酶分子的定点突变基因序列分析蛋白质结构分析酶活性中心分析引物设计进行基因定点突变酶基因克隆表达变异特性分析第44页,共56页，2024年2月25日，星期天修饰酶性质和特点（一）热稳定性：酶与修饰剂交联后，可使酶的天然构象产生“刚性”，不易伸展打开，同时可减少酶分子内部基团热振动，从而增强酶的热稳定性抗原性：通过酶化学修饰，有些组成抗原决定簇的基团与修饰剂形成共价键，使酶分子上抗原决定簇的结构被破坏，使酶的抗原性降低乃至消除最适pH：大部分酶经化学修饰后，酶的最适pH发生了变化，这种变化在应用研究上有时具有重要意义。修饰酶最适pH更接近于生理环境，在临床应用上有较大意义。第45页,共56页，2024年2月25日，星期天修饰酶性质和特点（二）热稳定性：酶与修饰剂交联后，可使酶的天然构象产生“刚性”，不易酶学性质的变化：Vm不变，但Km会增大。主要由于交联于酶上的大分子修饰剂所产生的空间障碍影响底物对酶的接近和结合对组织的分布能力变化：各类失活因子的抵抗力：修饰酶对蛋白酶、抑制剂均有一定的抵抗能力，从而提高其稳定性。半衰期：一般在体内的半衰期得到有效延长。由于酶分子经修饰后，增强对热、蛋白酶、抑制剂等的稳定性，从而延长了在体内的半衰期。第46页,共56页，2024年2月25日，星期天酶的分子定向进化定向进化概念：利用基因工程手段对酶的蛋白质分子进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子，这一技术又称为蛋白质工程酶分子的合理设计(rationaldesign)：利用各种生物化学、晶体学、光谱学等方法对天然酶或其突变体进行研究，从而获得酶分子特征、空间结构、结构与功能之间关系以及氨基酸残基功能等方面的信息，以此为依据对酶分子进行改造，如化学修饰、定点突变等酶分子的合理设计(irrationaldesign)：不需要准确的酶分子结构信息而通过随机突变、基因重组、定向筛选等方法对其进行改造，如定向进化、杂和进化等第47页,共56页，2024年2月25日，星期天分子定向进化技术以易错PCR技术为代表的无性进化以DNA改组技术为代表的有性进化：1）DNA改组技术；2）体外随机引发重组；3）交错延伸法；4）SCRTCH技术：临时模板随机嵌合技术通过基因嵌合获得改性的杂合酶应用核苷酸类似物进行分子定向进化第48页,共56页，2024年2月25日，星期天定向进化的选择策略定向进化中，突变具有随机性，但通过选择特定方向的突变限定了进化趋势，加之控制实验条件，限定突变种类，降低突变率，缩小突变库的容量，这不仅减少了工作量，更重要的是加快了酶在某一方向的进化速度。通常,筛选方法必须灵敏,至少与目的性质相关。另有一些其他的筛选方法，如加入能产生可见光信号的底物或利用绿色荧光蛋白的荧光性质等。高通量的筛选体系第49页,共56页，2024年2月25日，星期天定向进化的原理在待进化酶基因的PCR扩增反应中，利用TaqDNA聚合酶不具有3’->5’校对功能的性质，配合适当条件，以很低的比率向目的基因中随机引入突变，构建突变库，凭借定向的选择方法，选出所需性质的优化酶(或蛋白质)，从而排除其他突变体。定向进化的基本规则是“获取所筛选的突变体”。定向进化=随机突变+选择。前者是人为引发的，后者虽相当于环境，但只作用于突变后的分子群，起着选择某一方向的进化而排除其他方向突变的作用，整个进化过程完全是在人为控制下进行。第50页,共56页，2024年2月25日，星期天酶的合理设计第51页,共56页，2024年2月25日，星期天DNA改组和外显子改组DNA改组（DNAshuffling）又称有性PCR(sexualPCR)，原理。该策略的目的是创造将亲本基因群中的突变尽可能组合的机会，导致更大的变异，最终获取最佳突变组合的酶。通过DNA改组,不仅可加速积累有益突变，而且可使酶的2个或更多的已优化性质合为一体。外显子改组（exonshuffling）类似于DNA改组，两者都是在各自含突变的片段间进行交换，前者尤其适用于真核生物。在自然界中，不同分子的内含子间发生同源重组，导致