酶的固定化及在医药中的应用PPT课件

LOGO1固定化酶及在医药中的应用固定化酶及在医药中的应用2Contents酶工程及固定化技术发展史酶工程及固定化技术发展史1酶的固定化方法酶的固定化方法2应用应用3展望展望43酶工程简介 酶工程酶工程是是酶学酶学和和工程学工程学相相互渗透发展而成的一门新的技互渗透发展而成的一门新的技术科学。它是从应用的目的出术科学。它是从应用的目的出发，研究酶，应用酶的特异性、发，研究酶，应用酶的特异性、催化功能，并通过催化功能，并通过工程化工程化将相将相应的原料转化成有用物质的技应的原料转化成有用物质的技术术4酶工程及固定化技术发展史在在2020世纪世纪2020年代，就出现了年代，就出现了酶工程酶工程，以自然酶制，以自然酶制剂在工业上大规模应用的特征，原料以动植物为主剂在工业上大规模应用的特征，原料以动植物为主19531953年，年，Grubhoger Schleith Grubhoger Schleith 用重氮化聚氨基聚苯乙烯树脂用重氮化聚氨基聚苯乙烯树脂对羧肽酶、蛋白酶、核酸酶等进行固定，产生了对羧肽酶、蛋白酶、核酸酶等进行固定，产生了固定化酶技术固定化酶技术。5酶工程及固定化技术发展史 1969 1969年，千田一郎等用固定化氨基酰化年，千田一郎等用固定化氨基酰化酶技术拆分了酶技术拆分了DL-DL-氨基酸，生产氨基酸，生产L-L-氨基酸，氨基酸，随后固定化天冬氨酸酶生产随后固定化天冬氨酸酶生产L-L-天冬氨酸天冬氨酸等，开创了等，开创了固定化酶应用的局面。固定化酶应用的局面。19711971年，第一次国际酶工程会议在美国召年，第一次国际酶工程会议在美国召开，会议主题是固定化酶的研制和应用开，会议主题是固定化酶的研制和应用 确定固定化酶（确定固定化酶（Immobilized EnzymeImmobilized Enzyme）统一名称）统一名称6酶工程及固定化技术发展史 19731973年，日本首次在工业上固定化大肠杆菌菌体中天门冬年，日本首次在工业上固定化大肠杆菌菌体中天门冬氨酸酶，由反丁烯二酸连续生产氨酸酶，由反丁烯二酸连续生产L-L-天门冬氨酸天门冬氨酸固定化死菌体固定化死菌体 19761976年，法国首次用固定化酵母细胞生产啤酒和酒精年，法国首次用固定化酵母细胞生产啤酒和酒精固定化细胞固定化细胞 1979 1979年固定化毛地黄细胞和长春花细胞成功年固定化毛地黄细胞和长春花细胞成功固定化植物细胞固定化植物细胞 1982 1982年日本固定化黄色短杆菌原生质体生产谷氨酸年日本固定化黄色短杆菌原生质体生产谷氨酸固定化原生质体固定化原生质体7固定化酶 固定化酶固定化酶( (Immobilized Enzyme）：通过物）：通过物理的或化学的手段，将酶理的或化学的手段，将酶束缚束缚于水不溶的于水不溶的载载体体上，或将酶束缚在一定的空间内，限制酶上，或将酶束缚在一定的空间内，限制酶分子的自由流动，但能使酶充分发挥分子的自由流动，但能使酶充分发挥催化作催化作用用水溶性酶水溶性酶水不容性的载体水不容性的载体固定化酶固定化酶固定化技术固定化技术8固定化酶制备原则（1 1）维持酶的催化活性及专一性）维持酶的催化活性及专一性（2 2）有利于生产自动化、连续化）有利于生产自动化、连续化（3 3）应有最小的空间位阻）应有最小的空间位阻（4 4）酶与载体必须结合牢固）酶与载体必须结合牢固（5 5）应有最大稳定性，载体不与废物、产物或）应有最大稳定性，载体不与废物、产物或 反反应液发生化学反应应液发生化学反应（6 6）成本要低）成本要低9固定化酶的优点长时间使用，长时间使用，在绝大多数情在绝大多数情况下提高了酶况下提高了酶的稳定性，有的稳定性，有利用工艺的连利用工艺的连续化和管道续化和管道化化酶的使用效率酶的使用效率提高，适合于提高，适合于多酶反应多酶反应酶反应过程可以酶反应过程可以严格控制，有利严格控制，有利于工艺自动化和于工艺自动化和微电脑化微电脑化极易将固定化极易将固定化酶与底物、产酶与底物、产物分开物分开1234优点优点10固定化酶的缺点增加了固定化的成本，使增加了固定化的成本，使工厂开始投资大工厂开始投资大只能用于可溶性的底物和小只能用于可溶性的底物和小分子底物，对大分子底物不分子底物，对大分子底物不适宜适宜酶固定化时酶的酶固定化时酶的活力有所损失活力有所损失.11酶的固定化方法酶的固定方法酶的固定方法载体结合法载体结合法物理吸附法离子结合法共价结合法交联法交联法包埋法包埋法网格型微囊型12载体结合法12313物理吸附法 通过通过氢键氢键、疏水作用疏水作用和和电子亲和力电子亲和力等物理作用，等物理作用，将酶固定于水不溶载体上从而制成固定化酶将酶固定于水不溶载体上从而制成固定化酶 常用载体：常用载体： 无机载体：活性炭，多孔玻璃，氧化铝，硅胶等无机载体：活性炭，多孔玻璃，氧化铝，硅胶等 天然高分子载体：淀粉，谷蛋白等天然高分子载体：淀粉，谷蛋白等 优点优点：操作简单，条件温和，不：操作简单，条件温和，不会引起酶变性失活，载体廉价易得，会引起酶变性失活，载体廉价易得，可反复使用可反复使用 缺点缺点：物理吸附结合能力弱，酶：物理吸附结合能力弱，酶与载体结合不牢固易脱落与载体结合不牢固易脱落14离子结合法 利用含有利用含有离子交换基团离子交换基团的固相载体与酶蛋白分子的固相载体与酶蛋白分子的的带电基团带电基团互相吸引（靠离子链）而形成络合物互相吸引（靠离子链）而形成络合物 载体：多糖类离子交换剂、合成高分子交换树脂载体：多糖类离子交换剂、合成高分子交换树脂 如如DEAE-纤维素，纤维素，IR-45等等 优点：操作简单，处理条件温和，能得到酶活回优点：操作简单，处理条件温和，能得到酶活回收率较高的固定化酶收率较高的固定化酶 缺点：载体和酶的结合力较弱，离子键结合较松缺点：载体和酶的结合力较弱，离子键结合较松散，易受缓冲液种类或散，易受缓冲液种类或pH的影响，的影响，15共价结合法 是酶以是酶以共价键共价键结合于载体上的固定化方法结合于载体上的固定化方法 常用载体：常用载体： 天然有机载体：多糖、蛋白质、细胞等天然有机载体：多糖、蛋白质、细胞等 无机物：玻璃、陶瓷等无机物：玻璃、陶瓷等 合成聚合物：聚酯、聚胺、尼龙等合成聚合物：聚酯、聚胺、尼龙等 优点：酶与载体结合牢固，稳定性好，酶不易优点：酶与载体结合牢固，稳定性好，酶不易脱落脱落 缺点：反应条件苛刻，操作复杂，可能会破坏缺点：反应条件苛刻，操作复杂，可能会破坏酶的活性中心酶的活性中心16交联法 借助借助双功能试剂双功能试剂使酶分子之间发生使酶分子之间发生交联交联作用，制作用，制成网状结构成网状结构 特点：此法与共价结合法一样也是利用共价键固特点：此法与共价结合法一样也是利用共价键固定酶的，所不同的是不使用载体定酶的，所不同的是不使用载体 常用交联剂：常用交联剂：戊二醛、己二胺、双偶氮苯等戊二醛、己二胺、双偶氮苯等酶酶双功双功能剂能剂优点优点：结合牢固，可以长时间使用：结合牢固，可以长时间使用缺点缺点：因交联反应激烈，酶分子多：因交联反应激烈，酶分子多个基团被交联，酶活损失大，颗粒个基团被交联，酶活损失大，颗粒较小，使用不便较小，使用不便17包埋法包埋法 聚合物的单体与酶溶液混合，再借助于聚合物的单体与酶溶液混合，再借助于聚合助进聚合助进剂剂(包括交联剂包括交联剂)的作用进行聚合，酶被包埋在聚合的作用进行聚合，酶被包埋在聚合物中以达到固定化物中以达到固定化 分类：网格型（凝胶包埋法）；微囊型（微囊化分类：网格型（凝胶包埋法）；微囊型（微囊化法）法）18常用的酶固定化载体 吸附法物理吸附离子吸附活性炭氧化铝碳酸钙胶棉多孔玻璃矾土二氧化硅淀粉羟甲基纤维素DEAE-纤维素TEAT-纤维素阳离子交换树脂阴离子交换树脂包埋法卡拉胶海藻胶硅胶聚丙烯酰胺凝胶琼脂聚乙烯醇明胶共价结合法纤维素Sephadex A 200琼脂对氨基苯纤维素聚丙烯酰胺尼龙多孔玻璃珠19传统载体材料的改性 载体材料的性能直接影响其固定化酶的催化活性 理想的载体材料应具备良好的机械强度、热稳定性、化学稳定性、耐生物降解性及对酶的高度亲和性，并能保持较高的酶活性等 传统的无机载体材料一般是借助吸附方法来制备固定化酶，或经小分子化学改性以共价键合方式制备固定化酶20传统无机载体存在问题结构不易调控传质差键合酶的能力差利用组成和结构可调控的有机聚合物对传统无机载体材料改性修饰，制备兼具两者优良特性的复合载体如用右旋糖苷对硅胶表面改性修饰可改善其表面的生物亲和性，如用右旋糖苷对硅胶表面改性修饰可改善其表面的生物亲和性，用于固定葡萄糖苷酶时可大大提高酶的负载量用于固定葡萄糖苷酶时可大大提高酶的负载量21新型载体磁性载体磁性载体导电聚合物导电聚合物光敏性基团的载体光敏性基团的载体温敏载体温敏载体磁性体Fe3O4与聚苯乙烯、含醛基聚合物一起溶解混合后，再除去溶剂可获得磁性载体22应用环境保护环境保护食品工业食品工业医药医药生物传感器生物传感器23 1. 固定化酶在氨基酸生产上的应用固定化酶医药上的应用固定化酶医药上的应用反应酶DL-氨基酸 D-氨基酸 + L-氨基酸氨基酰化酶苯酚 + 丙酮酸 + NH3 L-酪氨酸-酪氨酸酶吲哚 + 丙酮酸 + 醋酸铵 色氨酸色氨酸酶DL-苯乙内酰脲 D-苯甘氨酸乙内酰脲酶DL-5-对羟基苯乙内酰脲 D-对羟基苯甘氨酸乙内酰脲酶24固定化酶医药上的应用固定化酶医药上的应用 2. 用大孔径N-聚氨乙基丙烯酰胺为载体，将前列腺素合成酶固定化，合成前列腺素衍生物E1 3.将葡聚糖磁性毫微粒固定化L-天冬酰胺酶，通过血液注射治疗急性淋巴白血病 4.琼脂糖固定化牛胰核糖核酸酶能很好地催化合成重要的寡核苷酸25固定化酶及其相应产品26展望 酶固定化技术已在食品工业、精细化学品工业、医药，尤其是手性化合物等行业得到广泛应用，在废水处理方面也取得了一定进展 固定化酶技术目前还存在固定效率低、载体的有毒性、成本高、稳定性差、不能大规模生产等问题 如何充分利用天然高分子载体对其改性，或利用超临界技术、纳米技术、膜技术等来固定酶，必定会成为研究的热点LOGO27