固定化酶与固定化细胞

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/11/3,*,本章讲授,固定化生物催化剂的概念以及吸附法、包埋法、共价结合法、无载体固定化酶的基本技术和原理；,细胞固定化的基本技术和原理；,简要介绍固定化酶基本性质的影响及辅因子的固定化方法和辅酶的再生体系。,2020/11/3,1,2020/11/3,2,1.酶是蛋白质，稳定性差（热、酸碱、有机溶剂对其有影响）。,2.不能回收，使用成本高。,3.酶在游离体系中更容易自水解,4.分离纯化困难，也使产物中混杂酶蛋白,游离酶的缺点：,2020/11/3,3,固定化酶,（定义）：用物理或化学手段定位在限定的空间区域，并使其保持,催化活性,，可重复利用的酶,。（1971年在美国召开的第一届国际酶工程会议）,固定化细胞,（定义）：将具有一定,生理功能,的生物细胞,（如微生物细胞、植物细胞或动物细胞等），,用一定的方法将其固定，作为固体生物催化剂而加以利用的一门技术。,固定化细胞意义,：用完整的细胞作为生物催化剂，以充分有效地利用生物细胞内的特定,酶或多酶,系统。,2020/11/3,4,优点,省去对酶的提取过程，使酶的损失和生产,成本,降到最低程度；,可以利用细胞的,多酶系统,直接生产有价值的产物。,2020/11/3,5,第一节 酶和细胞的固定化,一、,固定化酶,和细胞的定义及特点,二、固定化,方法,三,细胞的固定化方法,四,原生质体的固定化方法,2020/11/3,6,一、固定化酶和细胞的定义及特点,1.,固定化酶,(immobilized enzyme),通过化学或物理的手段将酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复利用。,2020/11/3,7,什么是固定化酶？,水溶性酶,水不溶性载体,水不溶性酶,（固定化酶）,固定化技术,2020/11/3,8,酶固定化方法,要求,不破坏,酶活性中心的构象,：酶的固定化不能破坏酶活性中心的构象，尽量防止活性部位的氨基酸残基受到影响；,载体要求,：,a.固定化的载体应与酶结合较为牢固。,B.载体不能与底物、产物等发生化学反应。,C.载体必须有一定的机械强度，防止因机械搅拌而破碎。,位阻,应该较小：尽可能不妨碍酶与底物的接近。,成本,低：酶固定化的成本要尽可能的低。,2020/11/3,9,优点,：,(1)可提高稳定性。,(2)能回收，易与产物分离，可反复使用。,缺点,：,(1)存在扩散限制。适于催化小分子物质。,(2)酶活性下降。,2020/11/3,10,2.,固定化细胞,（immobilized cell）,固定在载体上并在一定空间范围内进行生命活动（生长、繁殖、新陈代谢）的细胞。,2020/11/3,11,优越性,：,(1)降低成本，省去酶的分离纯化工作;,(2)既可作为单一酶，也可作为复合酶系,完成部分代谢过程。,局限性,：,(1)细胞内多种酶的存在，会形成不需要的副,产物。,(2)细胞膜、细胞壁和载体都存在着扩散限制,作用。,2020/11/3,12,3.,固定化原生质体,意义,：,(1)固定化原生质体去除了细胞壁的扩散障碍，有利于氧的传递，营养成分的吸收和胞内产物的分泌。,(2)原生质体不稳定，容易破裂，固定化后，由于载体的保护作用，稳定性提高,。,2020/11/3,13,二、固定化方法,固定化方法,（一）酶的固定化方法,吸附法,共价偶联法,交联法,包埋法,网格型,微囊型,离子交,换吸附,物理,吸附法,2020/11/3,14,依据带电的酶或细胞和载体之间的静电作用，使酶吸附于惰性固体的表面或离子交换剂上。,1.吸附法（adsorption）,2020/11/3,15,根据吸附剂的特点分:,1）物理吸附法（physical adsortion）,作用力：,氢键、疏水键,常用载体,：,氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、,硅胶、羟基磷灰石、纤维素等。,2）离子结合法（ion binding）,作用力,：,离子键,常用载体：,DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶、CM-,纤维素,2020/11/3,16,优点：,条件温和，操作简便，酶活力损失少。,缺点：,结合力弱，易解吸附,。,2020/11/3,17,借助共价键将酶的活性非必需侧链基团和载体的功能基团进行偶联。,2.共价偶联法,（covalent binding or covalent coupling）,2020/11/3,18,1）载体：亲水载体优于疏水载体,如:,天然高分子衍生物:,纤维素,葡聚糖凝胶 亲和性好，机械性能差,琼脂糖,合成聚合物：,聚丙烯酰胺,聚苯乙烯 机械性能好，但有疏水结构,尼龙,2020/11/3,19,2）偶联方法：,偶联成功与否取决于：,载体：,功能基团：芳香氨基，羧基，羧甲基等。,酶分子:,侧链非必需基团：羧基，巯基，羟基，酚基，咪唑基。,2020/11/3,20,常用的偶联反应有：重氮化法、叠氮法、溴化氰法、烷基化法等。,2020/11/3,21,优点：,酶与载体结合牢固，不会轻易脱落，可连续使用。,缺点：,反应条件较激烈，易影响酶的空间构象而影响酶的催化活性。,2020/11/3,22,3.交联法,（crosslinking）,借助双功能试剂使酶分子之间发生交联的固定化方法。,双功能试剂,：,常用的是,戊二醛,O,O,H C CH,2, CH,2,CH,2,C H,2020/11/3,23,戊二醛有两个醛基，均可与酶或蛋白质的游离氨基反应,使酶蛋白交联。,此法与共价偶联法利用的均是共价键，,不同之处：,交联法,不使用载体,。,2020/11/3,24,交联反应既能发生在分子间，也可发生在分子内。,酶,浓度低,时，交联发生在,分子内,，酶仍保持溶解状态。,酶,浓度高,时，交联发生在,分子间,，酶变为不溶态。,2020/11/3,25,缺点：,(1)反应条件激烈，酶分子的多个基团被交联，酶活力损失大。,(2)制备的固定化酶颗粒较小，给使用带来不便。,2020/11/3,26,4.,包埋法,（entrapment）,将酶用物理的方法包埋在各种载体（高聚物）内。分为：,网格型,：,将酶包埋在高分子凝胶细微网格中。,微囊型,：,将酶包埋在高分子半透膜中。,2020/11/3,27,1）,网格型包埋法,（gel (lattic) entrapment）,又称凝胶包埋法,凝胶,包埋条件,酶活性,强度,天然凝胶,琼脂、海藻酸钙、角叉菜胶、明胶,温和,不变,差,合成凝胶,聚丙烯酰胺、光交联树脂,聚合反应,部分失活,高,使用的多孔载体及其特点,2020/11/3,28,海藻酸钙凝胶,包埋法：,滴至,海藻酸钠溶液E (or cell) CaCl,2,溶液中 IE(or IC),角叉菜胶,包埋法：,滴至,角叉菜胶E (or cell) KCl,溶液中 IE (or IC),聚丙烯酰胺凝胶,包埋法：,AP,Acr+ Bis+E (or cell) IE (or IC),TEMED,2020/11/3,29,2）微囊型包埋法,（microencapsulation）,又称,半透膜,包埋法,将一定量酶液包在半透性的高分子微孔膜内 。,半透膜,：直径几十微米到几百微米，厚约25nm。,半透膜,孔径,80%活性。,2020/11/3,50,（,三）酶的最适温度,最适温度与酶稳定性有关。,多数酶固定化后热稳定性上升，最适温度也上升（有例外）。,（四）酶的最适pH,带负电荷载体 ：最适pH 向碱性偏移。,带正电荷载体 ：最适pH 向酸性偏移。,2020/11/3,51,2020/11/3,52,固定化酶的表观米氏常数K,m,随载体的带电性能变化。,固定化载体与底物电荷相反,固定化酶的表观K,m,值降低。,固定化载体与底物电荷相同,固定化酶的表观K,m,值显著增加。,（五）酶的动力学特征,2020/11/3,53,与自然酶基本相同。但大分子底物难于接近酶分子，导致酶的专一性发生改变。,（六）酶的作用专一性,2020/11/3,54,与固定化酶相比，固定化细胞的情况比较复杂。,（1）有活性升高的现象。,（2）稳定性的增加 。,（3）最适温度和最适pH常保持不变。,二、固定化细胞的性质,2020/11/3,55,(一)酶(细胞)的活力,固定化酶通常呈颗粒状，一般用于测定自然酶活力的方法改进后才能用于测定固定化酶。,(二) 蛋白总量,1.双辛可宁酸法(BCA法),2.考马斯亮蓝法,三、固定化酶（细胞）的评价指标,2020/11/3,56,(三)偶联率及相对活力,偶联率=(加入蛋白活力一上清液蛋白活力)/加入蛋白活力100%,活力回收=固定化酶总活力/加入酶的总活力100%,相对活力=固定化酶总活力/ (加入酶的总活力-上清液中未偶联酶活力)100%,2020/11/3,57,(四)半衰期,在连续测定条件下，固定化酶(细胞)的活力下降为最初活力一半所经历的连续工作时间，以t,1/2,表示。,是衡量稳定性的一项重要指标。,2020/11/3,58,不同固定化方法的比较,carriers,Recovery of enzyme activity(%),Agar,54.0,po1yacrvlamlde,l5.24,Gelatin,40.77,carragheenan,69.13,Glutaraldehyde,0,2020/11/3,59,第三节 固定化酶与固定化细胞的应用,一、在,工业生产上,的应用,二、固定化酶在,医学上,的应用,三、在,分析检测,中的应用,2020/11/3,60,乙酰 -DL Ala L Ala +乙酸,乙酰 -D Ala,一、在工业生产上的应用,1.,氨基酰化酶（,Aminoacylase）,世界上第一种工业化生产的固定化酶,2020/11/3,61,泵,储,罐,反应产物,离心机,消旋反应器,固定化酶柱子,晶体 L-Ala,L-Ala A-D-Ala,A-L-Ala,A-D-Ala,2020/11/3,62,2.葡萄糖异构酶,世界上生产规模最大，应用最为成功的一种固定化酶。,2020/11/3,63,二、固定化酶在医学上的应用,1.,消血栓：,纤溶酶是异源蛋白质，在人体内引起免疫反应，无法长期使用。,酶的不稳定性使其在较短的时间内失活。,用包埋法制备的酶固定化技术可克服上述弊端，酶在囊中不能漏出，小分子物质能自由进出。,2020/11/3,64,2. 人工肾：,原理：将病人血液中的尿素经脲酶水解成氨，再用活性炭吸附。即：用固定化脲酶和微胶囊活性炭组成人工肾。,2020/11/3,65,2020/11/3,66,酶传感器,固定化酶和电化学传感器的结合。,优点：,既有不溶性酶体系的优点，又具有电化学电极的高灵敏度；,酶的专一反应性，使其具有较高的选择性，能够直接在复杂试样中进行测定,。,三、在分析检测中的应用,2020/11/3,67,Sensitive and specific,Rapid,Simple,Biosensor,2020/11/3,68,1967年Updike等采用酶的固定化技术，将葡萄糖氧化酶固定在疏水膜上，然后再和氧电极结合，组装成了世界上第一个生物传感器葡萄糖氧化酶电极,。,2020/11/3,69,葡萄糖酶电极,酶电极示意图,D葡萄糖O,2,D葡萄糖酸1，5内酯H,2,O,2,半透膜,酶胶层,感应电极,2020/11/3,70,Glucose,Gluconic acid,Glucose oxidase,Oxygen,Hydrogen peroxide,Membrane,Electrode,根据反应中消耗的O,2,、生成的葡萄糖酸和H,2,O,2,的量，可以用氧电极、pH电极和H,2,O,2,电极来测定葡萄糖的含量。,2020/11/3,71,继酶传感器（enzyme sensor）后，又出现：,细胞器传感器（cell organelle sensor）,组织传感器（tissue sensor）,微生物传感器（microbe sensor）,免疫传感器（immunosensor）,2020/11/3,72,1）酶传感器的原理,生物传感器,由生物识别单元（如酶、微生物、抗体等）和物理转换器相结合所构成的分析仪器。,2020/11/3,73,2020/11/3,74,生物识别元件,(Biological recognition element),是酶、抗原(体)、细胞器、组织切片和微生物细胞等生物分子经固定化后形成的一种膜结构，对被测定的物质有选择性的分子识别能力。,2020/11/3,75,换能器(Transducer),将识别元件上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光或热等转换为电信号，并呈现一定的比例关系,。,2020/11/3,76,2020/11/3,77,酶传感器工作原理示意图,酶传感器,主要由,固定化酶膜和变换器,组成：,固定化酶膜：,选择性地“识别”并催化被检测物质发生化学反应；,变换器：,把催化反应中底物或产物的变量转换成电信号，通过仪表显示出来。,2020/11/3,78,2020/11/3,79,2）酶传感器的应用,水质监测,用化学法测定酚时，硫化物、油类等可干扰其测定。,从马铃薯中提纯、经吸附交联得到的固定化多酚氧化酶与氧电极构成酚传感器，可检测大多数酚类化合物,。,2020/11/3,80,德国研发的环境废水BOD分析仪,2020/11/3,81,医疗方面,葡萄糖传感器和血糖测定仪,用葡萄糖氧化酶（glucose oxidase,GOD）制成葡萄糖传感器，可测定血液中葡萄糖浓度。,2020/11/3,82,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,2020/11/3,83,SBA-50型单电极生物传感分析仪,2020/11/3,84,SBA-70型血糖乳酸自动分析仪,2020/11/3,85,食品鲜度,鱼鲜度传感器,在日本、加拿大等国广泛用于鱼类鲜度的测定。鱼死后体内ATP经酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黄嘌呤和尿酸。鲜度可用K值表示：,K=肌苷+次黄嘌呤/ ATP +ADP+AMP+IMP +肌苷+次黄嘌呤+尿酸,2020/11/3,86,大多数鱼死后520h，ATP，ADP和AMP已分解尽，超过24h，鲜度主要取决于IMP-肌苷-次黄嘌呤-尿酸。,将这三个步骤的三种酶（5核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黄嘌呤氧化酶）固定在氧电极上，制成鱼鲜度测定仪。,当K20时，鱼极新鲜，可供生食。,K在2040之间为新鲜，必须熟食。,K大于40，不新鲜，不宜食用，这与嗅觉检验结果相一致。,2020/11/3,87,肉鲜度传感器,肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类测定能反映肉类的新鲜程度。,用,腐胺氧化酶,与,过氧化氢电极,构成多胺生物传感器，或用,单胺氧化酶膜,和,氧电极,组成的酶传感器测定肉在贮藏过程中的鲜度。,2020/11/3,88,污染微生物及病原菌的检测,1,通过免疫学方法，即获得相应的特异性抗原和抗体进行分析和检测。,2020/11/3,89,(1)将适宜的酶与抗原或抗体结合在一起。制成酶标抗体（或酶标抗原 ）；,(2)将酶标抗体（或酶标抗原）与样品中的待测抗原（或抗体）混合，通过免疫反应二者即可特异性地结合在一起，形成酶抗体抗原复合物。通过酶催化反应的速度即可测定复合物中酶的含量，进而测出样品中的待测抗原（或抗体）的量。,2.酶联免疫测定,2020/11/3,90,