酶固定化
酶与细胞的固定化

发酵液中含菌体少,有利于产品的分离纯化,提高产品质量等
第五节 固定化酶和固定化细胞的表征
• 缺点:酶与载体相互作用力弱,酶易脱落等 1)引入功能团和间隔臂;
第五节 固定化酶和固定化细胞的表征
酶被物理吸附于不溶性载体的一种固定化方 固定化后酶的哪些主要性质发生了变化?变化的趋势及原因分析.
常见非共价法?常见共价法?
法。 少量的持续不断的配基的脱落;
交联法由于不需要活化基团,所以条件比较温和,酶活的回收率比较高? 活力回收:指固定化后固定化酶(或细胞)所显示的活力占被固定的等当量游离酶(细胞)总活力的百分比. 第五节 固定化酶和固定化细胞的表征
颗粒、线条、薄膜和酶管等形状。颗粒状占 绝大多数,它和线条主要用于工业发酵生产 ,薄膜主要用于酶电极。酶管机械强度较大 ,主要用于工业生产。
固定化酶的优势:
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,简化了提纯工艺;
② 可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱 连续反应
③ 酶反应过程能够加以严格控制; ④ 较游离酶更适合于多酶反应; ⑤ 在大多数情况下,能够提高酶的稳定性; ⑥ 可以增加产物的收率,提高产物的质量; ⑦ 酶的使用效率提高、成本降低。
在中性pH下优先与a-氨基反应,因此有一定的选择性 缺点:在包埋过程发生的化学反应同样会导致酶的失活。
• 优点:酶活性中心不易被破坏,酶高级结构 二、载体活化程度和固定化配基密度的测定
固定化过程中,酶分子空间构象会有所变化,甚至影响了活性中心的氨基酸;
用此法制备的固定化酶有蛋白酶、脲酶、核糖核酸酶等。
酶的固定化方法

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酶的固定化方法
酶的固定化方法不下百种,归纳起来大致可以分为三类,即载体结合法、交联法和包埋法。
载体结合法是指将酶固定到非水溶性载体上的方法。
根据固定方式的不同,这种方法又可以分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法。
物理吸附法是指将酶吸附到固体吸附剂表面的方法,固体吸附剂多为活性碳、多孔玻璃等。
离子结合法是指通过离子键将酶结合到具有离子交换基团的非水溶性载体上的方法,载体有离子交换树脂等。
共价结合法是指酶和载体以共价键的形式结合在一起的方法,这种方法需要酶和载体都具有氨基、羧基或羟基等官能团。
交联法是指通过双功能试剂,将酶和酶联结成网状结构的方法。
交联法使用的交联剂是戊二醛等水溶性化合物。
包埋法是指将酶包裹在多孔的载体中,如将酶包裹在聚丙烯酰胺凝胶等高分子凝胶中,或包裹在硝酸纤维素等半透性高分子膜中。
前者包埋成格子型,后者包埋成微胶囊型。
清华同方教育技术研究院。
酶的固定化

酶的固定化
酶的固定化是将活性酶和不溶性物质或其他支架结合到一起,使酶的活性能够稳定地保持,并且具有较高的活性。
酶的固定化主要应用于分子生物学、生物工程和生物分析等多个领域,具有提高效率、方便操作的优势。
常用的酶固定化方法包括疏水键结合、静电结合、covalent bond结合和特异性结合等。
疏水键结合可以将酶和支架表面上带有疏水基团的物质结合起来,当改变温度、pH、离子浓度和复杂度时,这种结合可能会发生改变。
静电结合将酶和带有电荷的支架结合起来,它的稳定性受温度、pH、离子浓度和复杂度的影响较小。
而covalent bond结合则是将酶和支架通过有机化学反应结合起来,结合强度较大,但同时又比较复杂。
特异性结合则是将酶和特异性结合剂结合起来,这种结合可以确保酶的稳定性。
酶六章酶的固定化

迄今已有许多酶用离子结合 法固定化,例如1969年最早应用 于工业生产的固定化氨基酰化酶 就是使用多糖类阴离子交换剂 DEAE-葡聚糖凝胶固定化的。
(二)化学结合法
——1 共价结合法 ——2 交联法
共价偶联法
酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价偶联
• 酶分子;(a)酶分子之间用双功能基团的化学交联试剂相
N OH
O
O O CO N
O
P-NH2
O CO NH P
CH2COOH SOCl2
CH2COCl
P-NH2 pH8~9
CH2CONH P
多胺载体
CH2NH2 Cl-CS-Cl
CH2 N C S P-NH2
HO CH2 N C NHP
CH2COOH
MeOH HCl
CH2COOMe NH2NH2
CH2CON3 P-NH2
O OH O CH2CH2 O S OH
O
O OH O CH2CH2 O S OH
O
NH2 N N-P
无机载体
——可采用直接法和涂层法(用 活化的聚合物如白蛋白或葡聚糖 涂层)
O P-NH2
Si (CH2)3NH CH(CH2)3CHO
O
(1)
OHC-(CH2)3CHO
O Si (CH2)3NH CH(CH2)3CH=N-P O
O Si OH H2N(CH2)3Si (OEt)3 O Si OH
制备固定化酶要根据不同情况 (不同酶、不同应用目的和应用环境) 来选择不同的方法,但是无论如何选 择,确定什么样的方法,都要遵循几 个基本原则
原则1
——必须注意维持酶的催化活性 及专一性,保持酶原有的专一性、 高效催化能力和在常温常压下能 起催化反应的特点。
酶的固定化

固定化技术
一、固定化酶的概念
固定化酶是指固定在一定载体上并在一定 的空间范围内进行催化反应的酶。 水溶性酶 水不溶性载体
固定化技术 水不溶性酶 ( 固相酶)
酶的固定化技术和固定化酶
酶 可溶 间歇 固定化
吸附
包埋
间歇
交联
连续
结合
固定化酶与游离酶相比,具有下列优点:
1.极易将固定化酶与底物、产物分开; 2.可以在较长时间内进行反复分批反应和装柱连续反应; 3.在大多数情况下,能够提高酶的稳定性; 4.酶反应过程能够加以严格控制; 5.产物溶液中没有酶的残留,简化了提纯工艺; 6.较游离酶更适合于多酶反应; 7.可以增加产物的收率,提高产物的质量; 8.酶的使用效率提高,成本降低。
吸附法
常用的固体吸附剂:活性炭、氧化铝、 硅藻土、羟基磷灰石等。 优点:操作简便,条件温和,不引起 酶失活,载体廉价,而且可反复使用。 缺点:结合力弱,易解吸附由于靠物 理吸附作用,结合力较弱,酶与载体 结合不牢固而容易脱落,所以使用受 到一定的限制。
吸附法
(1)常用载体
无机物
活性炭、白陶土、 氧化铝、多孔玻璃、 硅胶、碳酸钙凝胶 有机物 高分子化合物 淀粉麸质、大孔树脂、 DEAE纤维素、 DEAE葡聚糖凝胶
共价键结合法
酶与不溶于水的载体以共价键形式结合制备 固定化酶的方法。即,通过化学共价键,把与酶 蛋白活性无关的氨基酸功能基团连接在不溶于水 的载体上。
(1)酶与载体反应的主要功能基团
游离羟基:肽链C-末端的α –羧基,天门冬酰氨酸 ,谷氨酸的β-γ羧基 游离氨基:肽链N-末端的δ -氨基, 赖氨酸ε -氨基 巯基:半胱氨酸 羟基:丝氨酸,苏氨酸 酚基:酪氨酸 咪唑基:组氨酸
酶的固定化

1)酶传感器的原理
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。
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(2)酶电极(葡萄糖氧化酶电极) 半透膜 酶胶层
感应电极
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。
酶分子中可以形成共价键的基团:
氨基、羧基、巯基、羟基、酚基、咪唑基
载体 活泼基团
载体活化的方法
1. 活化
酶辅助蛋白交联法
酶分子之间共价交联和与水不溶性载体共价偶联
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固定化方法与载体的选择
1.必须注意维持酶的催化活性和专一性 2.酶与载体结合牢固 3.载体的机械强度 4.固定化酶要有最小的空间位阻 5.载体稳定,不可与底物、产物发生反应 6.固定化酶要廉价
3
4
5 6
7
游离酶:
固定化酶:
四、固定化酶的应用
Go 1.在工、农业生产上的应用 Go 2.在医药、治疗上的应用 Go 3.在分析化学中的应用
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1、固定化酶在工农业生产上的应用
产物
酶或细胞
L-氨基酸 果糖浆
氨基酰化酶 葡萄糖异构酶或含该酶菌体
6-APA L-门冬氨酸 L-苹果酸 低乳糖牛奶
原料
乙酰-DL-氨基酸 葡萄糖 青霉素G 反丁烯二酸 反丁烯二酸 牛奶 牛奶 蛋白 桔类果汁 生啤酒 植物油 植物油
55
产物
类固醇 L-丙氨酸
D-苯甘氨酸 ATP 核苷酸类味 精 乙醇
啤酒
固定化酶的方法和应用

固定化酶是将酶固定在载体上,形成固定化酶催化系统的过程。
通过固定化,可使酶的活性和稳定性得到提高,并能够重复使用。
常用的固定化酶方法包括吸附法、共价连接法、包埋法和交联法等。
1. 吸附法:利用载体表面与酶相互吸附的原理将酶固定在载体表面。
常用的载体包括硅胶、纤维素、聚丙烯酰胺凝胶等。
2. 共价连接法:通过将酶分子与载体分子之间的化学键共价连接,在载体表面上固定酶。
常用的共价连接剂包括辛二酸二酐、戊二酸二酐等。
3. 包埋法:将酶包裹在聚合物中,在聚合物内部形成微观环境,保护酶免受外界环境的影响。
常用的包埋材料包括明胶、蛋白质和聚乙烯醇等。
4. 交联法:将酶和载体分子之间形成交联结构,将酶牢固地固定在载体表面上。
常用的交联剂包括戊二醛、葡萄糖等。
固定化酶在生物技术、食品工业、医药工业等领域有着广泛的应用。
其中,利用固定化酶在生物技术领域中最为突出。
例如,固定化酶可以应用于产生大量纯度高的特定酶,用于DNA重组、制备抗体和识别特定分子等。
此外,在医药工业中也广泛使用固定化酶,如利用固定化酶制备药物、检测生物标志物等方面。
在食品工业中,固定化酶可用于生产乳制品、果汁、啤酒等食品中。
总之,固定化酶是一种重要的生物技术手段,具有广泛应用前景,可推动生物技术、食品工业、医药工业等领域的发展。
第五章-固定化酶

2.离子结合法 酶通过离子键结合于具有离子交换剂的水不溶 性载体的固定化方法。 • 常用载体:各种阴、阳离子交换剂。 如CM-纤
维素、DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等
• 优点:操作简单,酶活性中心不易被破坏和酶
高级结构变化少,酶活力损失很少。
• 缺点:载体和酶的结合力 比较弱,酶易脱落。
3.共价结合法
• 相对活力:固定化酶活力与同量蛋白量
的溶液酶活力的比值
固定化酶活力 相对活力 100% 溶液酶总活力 残留酶活力
四、固定化酶(细胞)的半衰期
• t1/2 :固定化酶(细胞)的活力下降为最 初活力1/2所经历的连续工作时间;衡量 操作稳定性的指标。
Fig. 2. Kinetic of ROL adsorption on the silica aerogels. The activity was measured using olive oil emulsion as substrate at pH 8.5 and 37 °C.
第五章 固定化酶与固定化细胞
第一节 酶的固定化
一、固定化酶(immobilized enzyme):是 指在一定空间内呈闭锁状态存在的酶,能 连续进行反应,反应后的酶可以回收重复 使用。
优点:
①极易将固定化酶与底物、产物分开,简 化了提纯工艺,提高酶的使用效率; ②在大多数情况下,能够提高酶的稳定;
(五)固定化酶的米氏常数(Km)变化 • 中性载体:固定化酶的表观Km值上升。
• 载体与底物电荷相同:表观Km值显著 上升; • 载体与底物电荷相反:Km
?
四、影响固定化酶性能的因素
1.构象改变、立体屏蔽
• 构象改变:指固定化过程及酶和载体的 相互作用,引起了酶的活性中心构象发 生改变,从而导致酶活性改变的—种效 应。
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1、固定化酶在工业生产上的应用
氨基酰化酶; 葡萄糖异构酶; 天冬氨酸酶; 青霉素酰化酶; 延胡索酸酶; β-半乳糖苷酶; 天冬氨酸-β-脱羧酶
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DL-氨基酸的光学拆分
Aminoacylase
氨基酰化酶
乙酰 -DL — Ala
L — Ala +乙酸
乙酰 -D — Ala
这是世界上固定化酶在工业生产上应 用的第一个实例。
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A-L-Ala A-D-Ala
储 罐
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固定化酶 柱子
泵 反应产物
消
离心机
旋
反
应
器
L-Ala A-D-Ala
晶体 L-Ala
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(2)酶传感器(酶电极)
酶传感器
微生物传感器
Hale Waihona Puke 生物传感器• 吸附法特别适合于动物细胞的固定化。
• 常用的吸附固定化载体的方法有转瓶、 微载体和中空纤维。
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二、包埋法
将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体 中,使酶固定化的方法。
根据载体材料和方法的不同,分为凝 胶包埋法和半透膜包埋法。
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1、凝胶包埋法
将酶或含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微 孔中,制成一定形状的固定化酶或固定化 含酶菌体。应用最广 。
化的。此外,DEAE-纤维素吸附的α-淀
粉酶、蔗糖酶已作为商品固定化酶。
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离子吸附法所使用的载体是某些离子交换
剂。常用的阴离子交换剂有DEAE-纤维素、
混合胺类(ECTEOLA)-纤维素、四乙氨基乙
基(TEAE)-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶、
Amberlite IRA-93、410、900等;阳离子
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固定化酶
水溶性酶
水不溶性载体
固定化技术 水不溶性酶 (固定化酶)
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固定化菌体:固定在载体上的菌体或菌 体碎片。 固定化酶和固定化菌体都是以酶的应用 为目的。
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酶的固定化技术和固定化酶
酶 可溶
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四、交联法
借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作
用,制成网状结构的固定化酶的方法。
双功能试剂:戊二醛、己二胺、顺丁烯二
酸酐、双偶氮苯等。
戊二醛[OHC-(CH2)3-CHO]
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五、热处理法
将含酶细胞在一定温度下加热处理 一段时间,使酶固定在菌体内,而 制备得到固定化菌体。 只适用于那些热稳定性较好的酶的 固定化。
第七章 酶固定化
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1
酶的一些不足之处
(1)酶的稳定性较差 (2)酶的一次性使用 (3)产物的分离纯化较困难
固定化技术的应用改善酶的不足。
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2
• 早在1916年,美国科学家奈尔森和格 里芬就发现,酶和载体结合以后,在 水中呈不溶解状态时,仍然具有生物 催化活性。
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•物理吸附法制备固定化酶,操作简单、价廉、 条件温和,载体可反复使用,酶与载体结合后, 活性部位及空间构象变化不大,故所制得的固 定化酶活力较高。但由于靠物理吸附作用,酶 和载体结合不牢固,在使用过程中容易脱落, 所以使用受到限制。常与交联法结合使用。
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吸附法
• 吸附法(adsorption)是通过载体表面和酶分子表面间的 次级键相互作用而达到固定目的的方法,是固定化中最简 单的方法。酶与载体之间的亲和力是范德华力、疏水相互 作用、离子键和氢键等。
• 吸附法又可分为物理吸附法和离子吸附法。
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物理吸附法
• 1971年,第一次国际酶工程学术会议 在美国召开,会议的主题就是固定化 酶的研制和应用。
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固定化酶(Immobilized Enzyme): 固定在载体上并在一定的空间范围内进 行催化反应的酶。
采用各种方法,将酶与水不溶性的载体 结合,制备固定化酶的过程。
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特点:活力损失少,结合力弱,应用时要 严格控制好pH、温度、离子强度。
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(2)共价键结合法
以共价键使酶与载体结合的固定化方法。 载体:纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、 甲壳质、氨基酸共聚物等。
使载体与酶形成共价键,必须首先使载
体活化。
重氮法
载体活化方法
迭氮法 溴化氰法
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①对热稳定性提高 ②保存稳定性好 ③对蛋白酶的抵抗性增强 ④对变性剂的耐受性提高
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2、最适温度: 一般与游离酶差不多,活化能也变化不大。
3、最适pH值: 往往会发生一些变化。 影响因素主要有两个,一个是载体的带电 性质,另一个是酶催化反应产物的性质。
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离子吸附法(ion adsorption)是将酶与含 有离子交换基团的水不溶性载体以静电 作用力相结合的固定化方法,即通过离 子键使酶与载体相结合的固定化方法。 此法固定的酶有葡萄糖异构酶、糖化酶、
β-淀粉酶、纤维素酶等,在工业上用途
较广。如最早应用于工业化生产的氨基 酰化酶,就是使用多糖类阴离子交换剂 二乙基氨基乙基(DEAE)-葡聚糖凝胶固定
烷化法
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酶蛋白分子上可供结合的功能基团有
(1)酶蛋白N末端的α-氨基或赖氨酸残基 的ε-氨基。 (2)酶蛋白C末端的α-羧基、天门冬氨酸 残基的β-羧基以及谷氨酸残基的γ-羧基。 (3)半胱氨酸残基的巯基。 (4)丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基的羟基。 (5)组氨酸残基的咪唑基。 (6)色氨酸残基的吲哚基。 (7)苯丙氨酸和酪氨酸残基的苯环。
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• 在具体选择时,一般应遵循以下几个原则。
–(1)必须注意维持酶的构象,特别是活性中 心的构象。酶的催化反应取决于酶本身蛋白质 分子所特有的高级结构和活性中心,为了不损 害酶的催化活性及专一性,酶在固定化状态下 发挥催化作用时,既需要保证其高级结构,又 要使构成活性中心的氨基酸残基不发生变化。
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–(2)酶与载体必须有一定的结合程度。酶的 固定化既不影响酶的原有构象,又能使固定化 酶能有效回收贮藏,利于反复使用。
–(3)固定化应有利于自动化、机械化操作。 这要求用于固定化的载体必须有一定的机械强 度,才能使之在制备过程中不易破坏或受损。
–(4)固定化酶应有最小的空间位阻。固定化 应尽可能不妨碍酶与底物的接近,以提高催化 效率和产物的量。
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几种酶固定化方法各有所长,如几种方 法合用,往往效果更好。
采用固定化方法要考虑的因素: ①固定化酶的稳定性; ②酶、载体及试剂的费用、操作难易等 与工业化有关的因素; ③安全性。
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二、固定化酶的特性
1、稳定性: 一般比游离酶的稳定性好。
ß-D-葡萄糖+O2 D-葡萄糖酸-1,5-内酯+H2O
半透膜 葡萄糖氧化酶胶层
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固定化酶的优点:
(1)同一批固定化酶能在工艺流程中重复多 次地使用;
(2)固定化后,和反应物分开,有利于控制 生产过程,同时也省去了热处理使酶失活 的步骤;
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(3)稳定性显著提高; (4)可长期使用,并可预测衰变的速度; (5)提供了研究酶动力学的良好模型。
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细胞传感器
组织传感器
免疫传感器
是利用酶、抗体、微生物等作为敏感
材料,将所感受的生物信息转换成电信号
进行检测的传感器。
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酶传感器:
是由固定化酶与电化学电极构成。 常用的电化学装置:
O2电极、pH电极、CO2电极、NH3电极 等。
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酶传感器的分类
电流型酶传感器:是从与催化反应有关物
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4、底物特异性: 其变化与底物分子量的大小有一定关系。 对于那些作用于小分子底物的酶,固定 化前后的底物特异性没有明显变化。 原因:载体的空间位阻作用
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三、固定化酶的应用
固定化酶的优点:
①酶的稳定性增加; ②可反复和连续使用; ③易于和反应产物分开。
间歇
吸附
包埋
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间歇
固定化
交联
化学偶联
连续
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第一节 酶的固定化方法
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• 固定化酶的制备方法、制备材料多种多样, 不同的制备方法和材料,固定化后酶的特 性不同。对于特定的目标酶,要根据酶自 身的性质、应用目的、应用环境来选择固 定化载体和方法。
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交换剂有羧甲基(CM)-纤维素、纤维素柠
檬酸盐、Amberlite CG-50、IRC-50、IR-
200、Dowex-50等。其吸附容量一般大
于物理吸附剂。
离子吸附法具有操作简便、条件温和、酶
活力不易丧失等优点。此外,吸附过程同