酶分子的修饰与应用.ppt

第四章 酶分子的修饰与应用,第一节 酶分子的主链修饰 第二节 酶的侧链基团修饰 第三节 酶的组成单位置换修饰 第四节 金属离子置换修饰 第五节 酶分子的物理修饰 第六节 酶分子修饰的应用,酶是具有完整的化学结构和空间结构的生物大分子。酶分子的结构决定了酶的性质和功能。当酶分子的结构发生改变时，将会引起酶的性质和功能的改变。 正是酶分子的完整结构赋予酶分子以生物催化功能，使酶具有催化效率高、专一性强和作用条件温和的特点。但是在另一方面，也使酶的分子结构具有稳定性差、活性不够高和可能具有抗原性等弱点使酶的应用受到限制。为了克服酶的弱点，人们进行了酶分子修饰方面的研究。,通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的过程称为酶分子修饰。 意义：提高酶的活力；增强酶的稳定性；降低或消除酶的抗原性。,第一节 酶分子的主链修饰,肽链是蛋白酶的主链；核苷酸链是核酸类酶的主链。 利用酶分子主链的切断和连接，使酶分子的化学结构发生某些改变，从而改变酶的特性和功能的方法，称为酶分子的主链修饰。 意义：提高酶的活力；增强酶的稳定性；降低或消除酶的抗原性；并可以知道酶活性中心在主链上的位置，从而了解主链的不同位置对酶的催化功能的贡献等。,一、主链的切断修饰,主链被切断后，可能出现下列三种情况。 （1）、若主链的断裂引起酶活性中心的破坏，酶将丧失其催化功能，这种修饰主要用于探测酶活性中心的位置。 （2）、若主链断裂后，仍然可以维持酶活性中心的空间构象，则酶的催化功能可以保持不变或损失不多，但是其抗原性等特性将发生改变。这将提高某些酶特别是药用酶的使用价值。,药用酶大多数来自各种动物、植物或微生物，当其进入体内后，对于机体来说，酶是一种外源物质，在它的刺激下，体内会运用某些机制对其进行排斥。除了酶分子的结构特点以外，还由于酶是生物大分子，所以有些酶蛋白具有抗原性。酶蛋白的抗原性与其分子大小有关，大分子的酶蛋白往往有较强的抗原性，而小分子的蛋白质或肽段的抗原性较低或无抗原性。若采用适当的方法使酶分子的肽链在特定的位点断裂，其分子质量减少，就可以在基本保持酶活力的同时使酶的抗原性降低或消失，这种修饰方法又称为肽链有限水解修饰。例如木瓜蛋白酶用亮氨酸氨肽酶进行有限水解，除去其肽链的三分之二，该酶的活力基本保持，其抗原性性却大大降低；又如，酵母的烯醇化酶经肽链有限水解，除去由150个氨基酸残基组成的肽段后，酶活力仍然可以保持，抗原性却显著降低。,若主链的断裂有利于酶活性中心的形成，则可使酶分子显示其催化功能或使酶活力提高。有些生物体可以通过生物合成得到不显示酶催化活性的酶原，这些酶原分子经过适当的修饰，可以转化为具有催化活性的酶。,例如，胰蛋白酶原本来没有催化活性，当受到胰蛋白酶或肠激酶的修饰作用，从N_端除去一个六肽(ValAspAspAspAspLys)后，就显示胰蛋白酶的催化功能， 某些RNA分子原本也不具有催化活性，经过适当的修饰作用，在适当位置去除一部分核苷酸残基以后，可以显示酶的催化活性，成为一种核酸类酶。 有些酶原来活性较低，通过酶分子主链修饰可以显著提高酶的催化活性例如，天冬氨酸酶通过胰蛋白酶修饰，从其羧基末端切除10个氨基酸残基的肽段，可以使天冬氨酸酶的活力提高5倍左右。,二、主链的连接修饰,将两种或两种以上的酶通过主链连接在一起，形成一个酶分子具有两种或多种催化活性的修饰方法称为酶的主链连接修饰。 在一个酶分子上具有两种或多种催化活性的酶称为多酶融合体。,第二节 酶的侧链基团修饰,采用一定的方法（一般为化学法）使酶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称为侧链基团修饰。,意义,（1）、通过酶分子侧链基团修饰，可以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，并可以用于研究酶的活性中心的必须基团。如果某基团修饰后不引起酶活力的显著变化，则可以认为此基团属于非必须基团。（2）、通过酶分子侧链基团修饰，可以测定某一种基团在酶分子中的数量，例如，采用三硝基苯磺酸测定氨基的数量；用对汞苯甲酸测定巯基的数量；用碳二亚胺测定羧基的数量；用四唑重氮盐测定咪唑基的数量等。,（3）、酶分子侧链基团修饰，在酶工程方面可以提高酶的活力、增加酶的稳定性、降低酶的抗原性，并且可以引起酶催化特性和催化功能的改变，以提高酶的使用价值。（4）、酶分子侧链基团修饰，还可以获得自然界原来不存在的新酶种，例如，某些抗体酶和人工改造的核酸类酶。,酶有蛋白类酶和核酸类酶。它们的侧链基团不同，修饰方法也有所区别。 (1)蛋白类酶主要由蛋白质组成，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、咪唑基、吲哚基等。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。,酶蛋白侧链基团修饰可以采用各种小分子修饰剂，例如，氨基修饰剂、羧基修饰剂、巯基修饰剂、胍基修饰剂、酚基修饰剂、咪唑基修饰剂、吲哚基修饰剂等；也可以采用具有双功能团的化合物，如戊二醛、己二胺等进行分子内交联修饰；还可以采用各种大分子与酶分子的侧链基团形成共价键而进行大分子结合修饰。其中酶分子的侧链基团与水不溶性的大分子结合的，属于酶的结合固定化方法，将在本书第五章阐述。本章主要介绍各种小分子化合物、双功能团化合物和水溶性大分子与酶分子的侧链基团相互作用的修饰方法。,(2)核酸类酶主要由核糖核酸(RNA)组成。酶RNA的侧链基团是指组成RNA的核苷酸残基上的功能团。RNA分子上的侧链基团较少，主要是核糖2-位置上的羟基(2OH)和嘌呤、嘧啶碱基上的氨基和羟基(酮基)。由于核酸类酶只有二十年的历史，对核酸类酶的侧链基团修饰研究较少。然而，其分子上的氨基和羟基(酮基)经过修饰后，也会引起核酸类酶的结构改变，从而引起酶的特性和功能的改变。,如果通过核苷酸置换修饰，将核酸类酶的尿嘧啶置换为胸腺嘧啶；再通过侧链基团修饰，把核糖上的2一OH脱去以后，RNA就变成了单链DNA，有可能从中获得有催化活性的单链DNA，即脱氧核酸类酶(deoxyribozyme，dribozyme)。在生理条件下DNA比RNA的稳定性高106倍；磷酸二酯键比肽键的抗水解能力高100倍。所以脱氧核酸类酶的稳定性较高，具有良好的开发应用前景。,阅读：P128-131 了解几种侧链修饰,九、大分子结合修饰,采用水溶性大分子与酶蛋白的侧链基团共价结合，使酶分子的空间构象发生改变，从而改变酶的特性与功能的方法称为大分子结合修饰。 大分子结合修饰是目前应用最广泛的酶分子修饰方法。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)、葡聚糖、环状糊精、肝素、羧甲基纤维素、聚氨基酸等。 这些水溶性大分子在使用之前一般需要经过活化，然后在一定条件下与酶分子的侧链基团以共价键结合，对酶分子进行修饰。,1通过修饰提高酶活力,酶的催化功能本质上是由其特定的空间结构，特别是由其活性中心的特定构象所决定的。水溶性大分子与酶蛋白的侧链基团通过共价键结合后，可使酶的空间构象发生改变，使酶活性中心更有利于与底物结合，并形成准确的催化部位，从而使酶活力提高。,2、通过修饰可以增强酶的稳定性,酶的稳定性可以用酶的半衰期表示。酶的半衰期是指酶的活力降低到原来活力的一半时所经过的时间。不同的酶有不同的半衰期，相同的酶在不同的条件下半衰期也不一样。半衰期短，则稳定性差。有些药用酶在进入体内之后，往往稳定性差，半衰期短。例如，超氧化物歧化酶(SOD)在人体血浆中的半衰期只有3060min，尿激酶在人体内的半衰期仅为220 min。为此，如何增加酶的稳定性、延长酶的半衰期，是酶工程研究的一个重要课题。,可以与酶分子结合的大分子有水溶性和水不溶性两类。采用不溶于水的大分子与酶结合制成固定化酶后，其稳定性显著提高(参看本书第五章)。采用水溶性的大分子与酶共价结合进行酶分子修饰，可以在酶分子外围形成保护层，起到保护酶的空间构象的作用，从而增加酶的稳定性。,现以SOD为例说明如下。 SOD（EC1.15.1.1）催化超氧负离子（O2-）进行氧化还原反应，生成氧和过氧化氢。具有抗氧化、抗辐射、抗衰老的功效，但是其在血浆中的半衰期仅为630min，经过大分子修饰，其稳定性显著提高，半衰期延长70350倍，见下表。,天然SOD与修饰后SOD在人血浆中的半衰期,第三节 酶的组成单位置换修饰,酶蛋白的组成单位是什么？ 酶RNA的组成单位是什么？,酶蛋白的基本组成单位是氨基酸，将酶分子肽链上的某一个氨基酸换成另一个氨基酸的修饰方法，称为氨基酸置换修饰。 酶RNA的基本组成单位是核苷酸，将酶分子核苷酸链上的某一个核苷酸换成另一个核苷酸的修饰方法，称为核苷酸置换修饰。,一、酶分子组成单位置换修饰的作用,1通过修饰可以提高酶活力 例如，酪氨酸RNA合成酶可催化酪氨酸和与其相对应的tRNA反应生成酪氨酰tRNA，若将该酶第51位的苏氨酸(Thr51)由脯氨酸置换，修饰后的酶对ATP的亲和性提高近100倍，酶活力提高25倍。,2通过修饰可以增强酶的稳定性 例如，T4一溶菌酶分子中第3位的异亮氨酸(Ilu3)置换成半胱氨酸后，该半胱氨酸(Cys3)可以与第97位的半胱氨酸(Cys97)形成二硫键，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。,3通过修饰可以使酶的专一性发生改变 例如，采用化学方法，将枯草杆菌蛋白酶活性中心上的丝氨酸置换成半胱氨酸后，酶对蛋白质和多肽的水解活性消失，而出现了催化硝基苯酯等底物进行水解反应的活性。再如，L-19 IVS的催化中心为GGAGGG一系列，可以催化底物GGccucuAAAAAA与鸟苷酸(G)反应，生成GGCCUCU和GAAAAAA两种产物，采用定点突变方法，使活性中心上第2个鸟苷酸残基置换成胞苷酸残基(-GCAGGG-)，置换修饰后的酶对原底物无催化活性，而呈现出对底物GGCCUGUAAAAAA的催化活性。,第四节 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，使酶的功能和特性发生改变的修饰方法称为金属离子置换修饰。,通过金属离子置换修饰，可以了解各种金属离子在酶催化过程中的作用，有利于阐明酶的催化作用机制，并有可能提高酶活力，增强酶的稳定性，甚至改变酶的某些动力学性质。,有些酶分子中含有金属离子，而且往往是酶活性中心的组成部分，对酶催化功能的发挥有重要作用。例如，a-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+)等。,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。,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。例如，钙离子(Ca2+)，镁离子(Mg2+)，锰离子(Mn2+)，锌离子(Zn2+)，钴离子(Co2+)，铜离子(Cu2+)，铁离子(Fe2+)等。,在离子置换修饰过程中，首先在经过分离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。然后用一定量的另一种金属离子加到酶液中，酶蛋白与新加入的金属离子结合，就可以得到经过金属离子置换后的酶。,1提高酶活力,有些酶通过金属离子置换修饰后可以显著提高酶活力。例如，a-淀粉酶分子中大多数含有钙离子，有些则含有镁离子或锌离子等其他离子，所以一般的a-淀粉酶是杂离子型的。如果将其他杂离子都换成钙离子，则可以提高酶活力并显著增强酶的稳定性。结晶的钙型a-淀粉酶的活力比一般结晶的杂离子型a-淀粉酶的活力提高3倍以上，而且稳定性大大增加。故此，在a-淀粉酶的发酵生产、保存和应用过程中，添加一定量的钙离子，有利于提高和稳定a-淀粉酶的活力。再如，将锌型蛋白酶的锌离子除去，然后加进钙离子，置换成钙型蛋白酶，其酶活力可以提高2030。,2增强酶的稳定性 有些酶分子中的金属离子被置换以后，其稳定性显著增强。例如，铁型超氧化物歧化酶(Fe-SOD)分子中的铁离子被锰离子置换，成为锰型超氧化物歧化酶(MnSOD)后，其对过氧化氢的稳定性显著增强，对叠氮钠(NaN3)的敏感性显著降低。,3改变酶的动力学特性 有些经过金属离子置换修饰的酶，其动力学性质有所改变。例如，酰基化氨基酸水解酶的活性中心含有锌离子，用钴离子置换后，其催化N-氯-乙酰丙氨酸水解的最适pH值从8.5降低为7.0。同时该酶对N-氯-乙酰蛋氨酸的米氏常数Km增大，亲和力降低。,第五节 酶分子的物理修饰,通过各种物理方法使酶分子的空间构象发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的方法称为酶分子的物理修饰。,通过酶分子的物理修饰，可以了解在不同物理条件下，特别是在高温、高压、高盐、低温、真空、失重、极端pH值、有毒环境等极端条件下，由于酶分子空间构象的改变而引起酶的特性和功能的变化情况。极端条件下酶催化特性的研究对于探索太空、深海、地壳深处以及其他极端环境中，生物的生存可能性及其潜力有重要的意义，同时还有可能获得在通常条件下无法得到的各种酶的催化产物。,通过酶分子的物理修饰，还可能提高酶的催化活性，增强酶的稳定性，或者是酶的催化动力