酶分子的化学修饰方法具体实例
酶分子的化学修饰方法具体实例
酶分子的化学修饰方法1.酶的表面修饰2.酶分子的内部修饰3.与辅因子相关的修饰4.金属酶的金属取代1.1酶的表面修饰1.1.1化学固定化例如:①固定在电荷载体上，由于介质中的质子靠近载体，并与载体上的电荷发生作用，使酶的最适pH向碱性(阴离子载体)或向酸性(阳离子载体)方向偏移。
这样，在生产工艺中需几个酶协同作用时，由于固定化可使不同酶的最适pH彼此靠近。
②将糖化酶固定在阴离子载体上，其最适pH由4.5升到6.5，与D-木糖异构酶的最适PH(7.5)靠近，这样，可简化高果糖浆生产工艺。
如果载体与底物带相同电荷，固定化后反应系统Km值增加；带相反电荷，Km值降低。
当酶与载体连接点达到一定数目时，可增加酶分子构象稳定性，防止其构象伸展而失活。
1.1.2 酶的小分子修饰作用例如:③将α—胰凝乳蛋白酶表面的氨基修饰成亲水性更强的NH2COOH并达到一定程度时，酶的热稳定性在60℃时，提高了1000倍，温度更高时稳定化效应更强烈。
这个稳定的酶能经受灭菌的极端条件而不失活.1.1.3酶的大分子修饰例如:④聚乙二醇连到脂肪酶、胰凝乳蛋白酶上所得产物溶于有机溶剂，在有机溶剂存在下能够有效地起作用。
嗜热菌蛋白酶在水介质中通常催化肽链裂解，但用聚乙二醇共价修饰后，其催化活性显著改变，在有机溶剂中催化肽键合成，已用于制造合成甜味剂。
1.1.4 分子间交联例如:⑤戊二醛将胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶交联在一起。
这种杂化酶的优点是，胰凝乳蛋白酶的自溶作用降低，也使其反应器体积减少。
将胰蛋白酶与碱性磷酸脂酶交联而形成的杂化酶，可作为部分代谢途径的模型，则有可能在体内将它们输送到同一部位而提高药效。
1.2酶分子的内部修饰1.2.1非催化活性基团的修饰例如: ①将胰凝乳蛋白酶的Met192氧化成亚砜，则使该酶对含芳香族或大体积脂肪族取代基的专一性底物的束缚口袋有关．也说明底物的非反应部分束缚在酶的催化作用中有重要作用。
1.2.2酶蛋白主链修饰例如: ②用蛋白酶对ATP酶有限水解，切除其十几个残基后，酶活力提高了5.5倍。
第三章 酶的化学修饰
第三章酶的化学修饰第一节酶的分子修饰一、酶的化学修饰原因1、稳定性2、酶反应的最适条件3、酶的专一性4、米式常数过大5、临床应用的特殊要求6、酶种类的限制改变酶特性有两种主要的方法：1)通过分子修饰的方法来改变已分离出来的天然酶的活性。
2)通过基因工程方法改变编码酶分子的基因而达到改造酶的目的。
二、酶分子修饰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技术过程称为酶分子修饰。
即在体外将酶分子通过人工的方法与一些化学基团（物质），特别是具有生物相容性的物质，进行共价连接，从而改变酶的结构和性质。
三、酶分子修饰的意义⏹提高酶的活力⏹增强酶的稳定性⏹降低或消除酶的抗原性⏹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化学修饰效果举例用纤维蛋白的专一性单克隆抗体修饰尿激酶，使其溶血栓性提高了100倍。
用乙醛酸修饰胰凝乳蛋白酶的表面氨基，形成亲水性的α－NHCH2COOH后，该酶对60℃热处理的稳定性增高了1000倍。
超氧化物歧化酶(SOD)、L-谷氨酰胺酶、L-天门冬酰胺酶、尿酸酶等用PEG(聚乙二醇)修饰后，完全消除了酶的抗原性和免疫原性，减慢了它们在动物血液循环中被清除的速度，酶的活力可以保存15％-45％。
四、酶化学修饰的基本原理1、如何增强酶天然构象的稳定性与耐热性修饰剂分子存在多个反应基团，可与酶形成多点交联。
使酶的天然构象产生“刚性”结构。
2、如何保护酶活性部位与抗抑制剂大分子修饰剂与酶结合后，产生的空间障碍或静电斥力阻挡抑制剂，“遮盖”了酶的活性部位。
3、如何维持酶功能结构的完整性与抗蛋白水解酶酶化学修饰后通过两种途径抗蛋白水解酶：A 大分子修饰剂产生空间障碍阻挡蛋白水解酶接近酶分子。
“遮盖”酶分子上敏感键免遭破坏。
B 酶分子上许多敏感基团交联上修饰剂后，减少了受蛋白水解酶破坏的可能性。
4、如何消除酶的抗原性酶蛋白氨基酸组成的抗原决定簇，与修饰剂形成了共价键。
酶分子的化学修饰
2、定点突变和化学修饰结合技术
利用定点突变法来改变酶的底物专一性，开发出 了新型的酶制剂。将定点突变所得酶进行化学修饰， 得到一些新颖的酶制剂。利用定点突变技术在酶的关 键活性位点引入一个氨基酸残基，然后利用化学修饰 法对突变的氨基酸残基进行修饰，引入一个小分子化 合物，得到一种化学修饰突变酶。
枯草杆菌蛋白酶化学修饰突变过程
1、交联技术
酶的人工交联可在一条多肽链内形成，是一种作 用于分子间或分子内部的交联方式，能提高酶的稳定 性，防止酶在不良环境中失活。 Fernandez 等提出了一种新颖的分子内交联方式。 实验表明这种方式在酶主要的氨基基团上，戊二醛 （GLU）对其进行了交联修饰（修饰度45% ~ 55%）， 然后把修饰酶在pH 9 和20C 的条件下老化30 min。在 这段时间内酶的活性虽然有所损失，但是稳定性提高 了3 倍。
实验结果分析： 反应pH对PA-PPL活性的影响—— 修饰酶PA-PPL的水解活性明显高于原酶PPL， 且PPL在修饰前后，最适pH范围未发生明显变 化，均为7.0-8.0。
实验结果分析： 反应温度对PA-PPL活性的影响——
在试验温度范围内，修饰酶PA-PPL的水解活性明显高 于原酶PPL，但二者的最适反应温度相同，都为 40℃ ．
刘宏芳,侯瑶,赵新淮;大豆蛋白限制性酶解修饰与产品的溶解性和保 水性变化[J];东北农业大学学报;2009-01,40(1):97-103. 田国贺,郭佳宓,吕团伟等；聚乙二醇对菠萝蛋白酶的化学修饰[J]； 生物技术；2006-02,16(1):35-38.
二、原理、修饰剂及反应
1、化学修饰原理
1）增强酶天然构象的稳定性与耐热性
修饰剂分子存在多个反应基团，可与酶 形成多点交联。使酶的天然构象产生 “刚性”结构。
酶的化学修饰
第五章酶分子的化学修饰主要内容：●酶的活性中心●酶化学修饰的目的●酶化学修饰的原理●酶化学修饰的设计●酶化学修饰的应用第一节酶的活性中心（active site）一、活性中心的概念P12酶的必需基团(essential group): 与酶活性有关的基团酶的活性中心(active center): 由必需基团构成的与酶催化活性有关的特定区域.酶的必需集团在一级结构上并不互相毗邻，往往分散在氨基酸系列中，甚至分布在不同肽链上。
当肽链盘曲、折叠形成空间结构时，互相隔离的必需基团彼此靠近，集中在酶分子表面而形成具有三维结构的特定区域。
该区域能与底物结合并发挥催化作用，故称酶的活性中心(active center)活性部位（active site）。
对于结合酶来说，辅酶或辅基参与酶活性中心的组成。
活性中心的重要化学基团——7种氨基酸出现的频率最高：Lys、Asp、Glu、Cys、His、Tyr和Ser（兰天果拌猪肉丝）。
某些功能基团（氨基、羧基、巯基、羟基和咪唑基）是酶的必需基团。
图释左图：丝氨酸的羟基、半胱氨酸的巯基、组氨酸的咪唑基右图：天冬氨酸和谷氨酸的羧基、赖氨酸的氨基、酪氨酸和丝氨酸的羟基。
二、活性中心的共性P12(1)活性部位只占酶分子很小的一部分（1-2%）。
(2)活性部位是一个三维实体(entity)(3)活性中心位于酶分子表面的疏水性裂缝中。
(4)活性中心构象不是固定不变的（诱导契合）(5)酶与底物通过盐键、氢键、范德华力和疏水作用等次级键结合。
1．The active site takes up a relatively small part of the total volume of an enzyme.左图：肌球蛋白模型。
只显示出α-碳原子，红的为血红素，绿的是两种关键的组氨酸残基。
右图：来自胞质热激蛋白的ATP酶片段的结构图。
ADP（红的）位于两个结构域（黄和蓝的）之间的裂缝中。
酶的化学修饰法
酶的化学修饰方法通过对酶蛋白分子的主链进行“切割”、“剪切”以及在侧链上进行化学修饰来达到改造酶分子的目的。
这种应用化学方法对酶分子施行种种“手术”的技术称为酶化学修饰。
PEG化修饰聚乙二醇或甲基聚乙二醇有一系列不同分子量分布的产品(常用的分子量分布在5000 ~ 10000之间) , 无毒副作用, 无免疫原性, 具有良好的生物相容性。
1977 年 Abuchowski等[1]率先用 PEG修饰牛血蛋白BSA, 发现 PEG化的BSA保持了蛋白质的原有活性, 在体内的半衰期大大延长, 且无免疫原性。
其后人们利用PEG化技术先后对大量的蛋白和酶制剂进行了修饰。
PEG必须经活化才能用于脂肪酶的化学修饰。
活化的方法如图1所示.图1聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)是一种pH中性, 无毒, 水溶性较高的亲水聚合物,其重复单元为氧乙烯基, 端基为两个羟基, 呈线性或支化链状结构[2]. PEG聚合物是迄今为止已知聚合物中蛋白和细胞吸收水平最低的聚合物[3]。
姚文兵等[4] 用三光气和羟基琥珀酰亚胺对mPEG5000进行活化, 再对人干扰素α-2b进行了修饰研究, 反应方程式如Eq. 1所示.Goodson等[5]通过重组技术把Cys残基引入白介素(rIL-2)的非活性单糖基化位点, 采用马来酰亚胺活化的PEG (PEG-maleimide)对其进行修饰, 反应方程式如Eq. 2所示.[1]Abuchowski A, Van Es T, Palczuk C N, e t al . Ef f e ct of covalent at tach mentof polyethylene glycol on immun ogenicity and circulating life of bovine liver catalase [ J ] . J . Biol .Chem. , 1977 , 252: 3578- 3581.[2]Bailon, P.; Berthold, W.Pharm. Sci.Technol. Today 1998, 1, 352.[3]Hooftman, G.; Herman, S.; Schacht, E. J. Bioact. Compat. Polym. 1996, 11, 135.[4]Yao, W. B.; Lin, B. R.; Shen, Z. L.; Wu, W. T. Chin. J. Biochem. Pharm. 2001, 22, 289 (in Chinese).(姚文兵, 林碧蓉, 沈子龙, 吴梧桐, 中国生化药物杂志, 2001, 22, 289.)[5]Goodson, R. J.; Katre, N. V. Bio/technology 1990, 8, 343.。
名词解释酶的化学修饰
名词解释酶的化学修饰酶的化学修饰是指酶在细胞内经过一系列化学反应，导致其分子结构发生变化，从而改变其生物学活性的过程。
这种修饰过程可以发生在酶的分子内部或表面，并且可以引起酶的活性增加、降低或改变。
以下是对酶的化学修饰的几种主要类型的解释：1.磷酸化磷酸化是一种常见的酶修饰方式，是通过将磷酸基团添加到酶的分子上而实现的。
磷酸化可以影响酶的活性、调节酶的底物特异性、改变酶的分子大小和电荷分布等。
例如，在糖原磷酸化酶的修饰中，磷酸化可以使其活性增加，促进糖原分解为葡萄糖的过程。
2.乙酰化乙酰化修饰是在酶的分子上添加乙酰基团的过程。
这种修饰通常影响酶的活性中心，改变酶对底物的亲和力和催化效率。
例如，在乙酰化转移酶的修饰中，乙酰化可以增加酶对乙酰基团的转移能力，从而促进脂肪酸的合成。
3.甲基化甲基化修饰是在酶的分子上添加甲基基团的过程。
甲基化可以影响酶的活性、调节酶的底物特异性和稳定性。
例如，在组蛋白甲基转移酶的修饰中，甲基化可以影响染色体的结构和基因表达水平。
4.糖基化糖基化是在酶的分子上添加糖链的过程。
糖基化可以改变酶的分子大小、调节酶的溶解性和稳定性、保护酶免受细胞外酶的降解等。
例如，在免疫球蛋白糖基转移酶的修饰中，糖基化可以调节抗体的抗原特异性，影响免疫应答的效果。
5.硫化硫化修饰是在酶的分子上添加硫原子或硫基团的过程。
硫化修饰通常发生在某些金属蛋白酶中，可以影响酶的活性中心和底物特异性。
例如，在胱氨酸蛋白酶的修饰中，硫化可以使其对底物的催化效率提高数百倍。
6.肽化肽化修饰是通过将肽键添加到酶的分子上而实现的。
肽化可以改变酶的分子大小、调节酶的底物特异性和溶解性等。
例如，在胰岛素原的修饰中，肽化可以使其转化为有活性的胰岛素，从而调节血糖水平。
7.氧化还原氧化还原修饰是通过改变酶分子上的氧化态或还原态的硫基团、氮基团或碳基团来实现的。
这种修饰可以影响酶的活性、调节底物特异性、改变酶对氧化剂或还原剂的敏感性。
酶分子化学修饰
分子共价结合。
酶分子化学修饰
3. 应用： 如：PEG－超氧化物歧化酶（SOD）
PEG－溶血类蛋白质（链激酶、尿激酶等） PEG－天门冬酰胺酶（ASNase） • 消除了抗原性 • 延长了酶在体内的半衰期 又如：用Dextran 右旋糖酐 修饰-淀粉酶，－淀粉酶，胰 蛋白酶、过氧化氢酶，提高了酶的热稳定性。
酶分子化学修饰
根据氨基酸侧链R基的极性，20种氨基酸可分成4类。 ① 非极性R基氨基酸（共8种）： 丙氨酸(Alanine,Ala,A), 亮氨酸(Leucine,Leu, L), 缬氨酸(Valine,Val,V)), 异亮氨酸(Isoleucine,Ile,I), 苯丙氨酸(Phenylalanine,Phe,F), 色氨酸(Tryptophan,Trp,W), 甲硫氨酸(Methionine,Met,M), 脯氨酸(Proline,Pro,P)
应用实例： 1）提高酶活力： 2）消除抗原性：
酶分子化学修饰
（二）氨基酸置换修饰 将肽链上的某一个氨基酸换成另一个氨基酸，引起酶
蛋白空间构象的改变，从而改变酶的某些特性和功能的方 法。
通过两个途径实现： 化学修饰法：由于可用试剂的限制，获得的种类少。 蛋白质工程：利用基因操纵技术。 （三）金属离子置换修饰 改变酶分子中所含的金属离子，使酶的特性和功能发 生改变的方法。
2，4－二硝基氟苯
碘乙酸
酶分子化学修饰
2) 羧基的化学修饰 修饰羧基的反应专一性较差。 常用水溶性碳化二亚胺修饰天冬氨酸和谷氨酸。
可定量测定酶分子中羧基的数目。
+
水溶性碳化二亚胺
酶分子化学修饰
酶工程 第五章酶分子修饰 第五节氨基酸置换修饰
第五节 氨基酸置换修饰
氨基酸置换修饰除了在酶工程方面应用之外，还可用 来修饰其他功能蛋白质或多肽分子。例如：β-干扰素原 来稳定性差。这是由于其分子中含有3个半胱氨酸，其中2 个半胱氨酸的巯基连结形成二硫键，而另一个在第17位的 半肮氨酸(Cys-17)的巯基是游离的。当β-干扰素分子的 游离巯基与另—个β-干扰素的游离巯基相结合形成二硫 键时，β-干扰素就失去其活性。若将这个半胱氨酸(Cys17)用丝氨酸置换，就使β-干扰素不会生成二聚干扰素， 从而大大提高其稳定性。经修饰后的β-干扰素在低温条 件下保存半年，仍可保持其活性不变，这就为β-干扰素 的临床使用创造了条件。
第五节 氨基酸置换修饰
氨基酸置换修饰可以用化学方法进行。例如：Bender 和Koshland成功地用化学方法将枯草杆菌蛋白酶活性中心 的丝氨酸转换为半胱氨酸，经修饰后，该酶对蛋白质和肽 的水解能力消失，但却出现了催化硝基苯酯等底物水解的 活性。但是化学方法进行氨基酸置换，难度较大，受到诸 多限制。
80年代兴起和发展起来的蛋白质工程，为氨基酸置换 修饰提供了行之有效的可靠手段。
蛋白质工程又被称为第二代遗传工程。是指通过改造 与蛋白质相对应的基因中的碱基排列次序，或设计合成新 的基因，将它克隆到寄主细胞中，通过基因表达而获得具 有新的特性的蛋白质的技术过程。
第五节 氨基酸置换修饰
蛋白质工程主要步骤如下： 1.新蛋白质结构的设计 根据已知的蛋白质或酶的化学结构、空间结构及其特 性，确定欲得到的新蛋白质或酶的氨基酸排列次序。确定 欲置换的氨基酸及位置。 2.突变基因的核苷酸序列的确定 根据欲得到蛋白质的氨基酸序列，确定其对应的m RNA上的核苷酸序列，再根据互补原则，从mRNA核苷酸序 列确定其所对应的突变基因上的核苷酸序列。依据欲置换 的氨基酸确定需要置换的核苷酸及其位置。
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酶分子的化学修饰方法
1.酶的表面修饰
2.酶分子的内部修饰
3.与辅因子相关的修饰
4.金属酶的金属取代
1.1酶的表面修饰
1.1.1化学固定化
例如:①固定在电荷载体上，由于介质中的质子靠近载体，并与载体上的电荷发生作用，使酶的最适pH向碱性(阴离子载体)或向酸性(阳离子载体)方向偏移。
这样，在生产工艺中需几个酶协同作用时，由于固定化可使不同酶的最适pH彼此靠近。
②将糖化酶固定在阴离子载体上，其最适pH由4.5升到6.5，与D-木糖异构酶的最适PH(7.5)靠近，这样，可简化高果糖浆生产工艺。
如果载体与底物带相同电荷，固定化后反应系统Km值增加；带相反电荷，Km值降低。
当酶与载体连接点达到一定数目时，可增加酶分子构象稳定性，防止其构象伸展而失活。
1.1.2 酶的小分子修饰作用
例如:③将α—胰凝乳蛋白酶表面的氨基修饰成亲水性更强的NH2COOH并达到一定程度时，酶的热稳定性在60℃时，提高了1000倍，温度更高时稳定化效应更强烈。
这个稳定的酶能经受灭菌的极端条件而不失活.
1.1.3酶的大分子修饰
例如:④聚乙二醇连到脂肪酶、胰凝乳蛋白酶上所得产物溶于有机溶剂，在有机溶剂存在下能够有效地起作用。
嗜热菌蛋白酶在水介质中通常催化肽链裂解，但用聚乙二醇共价修饰后，其催化活性显著改变，在有机溶剂中催化肽键合成，已用于制造合成甜味剂。
1.1.4 分子间交联
例如:⑤戊二醛将胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶交联在一起。
这种杂化酶的优点是，胰凝乳蛋白酶的自溶作用降低，也使其反应器体积减少。
将胰蛋白酶与碱性磷酸脂酶交联而形成的杂化酶，可作为部分代谢途径的模型，则有可能在体内将它们输送到同一部位而提高药效。
1.2酶分子的内部修饰
1.2.1非催化活性基团的修饰
例如: ①将胰凝乳蛋白酶的Met192氧化成亚砜，则使该酶对含芳香族或大体积脂肪族取代基的专一性底物的束缚口袋有关．也说明底物的非反应部分束缚在酶的催化作用中有重要作用。
1.2.2酶蛋白主链修饰
例如: ②用蛋白酶对ATP酶有限水解，切除其十几个残基后，酶活力提高了5.5倍。
该活化酶仍为四聚体，亚单位分子量变化不大。
这说明天然酶并非总是处于最佳的催化构象状态。
1.2.3催化活性基团的修饰
例如: ③枯草杆菌蛋白酶活性部位的Ser残基转化为Cys残基，新产生的巯基蛋白酶对肽或脂没有水解能力，但能水解高度活化的底物，如硝基苯脂。
1.2.4肽链伸展后的修饰
例如: ④为了有效地修饰酶分子内部的区域，Mozhea等提出先用脲、盐酸胍处理酶．使其肽链充分伸展。
为修饰酶分于内部疏水基团提供可能性，然后，让修饰后伸展肽链在适当条件下．重新折叠成具有某种催化活性的构象。
⑤Saraswothi等描述了一种新奇的原则上可能普遍适应改变底物专一性的方法。
即先让酶变性，然后加入相应于所希望酶活力的竞争件抑制剂，待获得所希望酶
的构象时，用戊二醛交联，以固定这个构象，然后透析除掉这种抑制剂。
他们以丙酸作竞争性抑制剂，把核糖核酸酶制成一种“酸性脂酶”，从而改变了酶的底物专一性、创造了新的酶活力。
1.3与辅因子相关的修饰
1.3.1对依赖辅因子的酶可用两种方法进行修饰
例如:第一种方法: ①NAD+衍生物共价结合到醇脱氢酶上之后，酶仍具催化活性构象，活力仍有使用过量游离NAD+时活力的40％，而且能抵抗从AMP的抑制。
这是解决合成中昂贵辅因子再循环的一个有效方法。
第二种方法: ②用二硫化四乙基秋兰姆(Disu Hiram)处理黄嘌呤脱氢酶，可将其转化为黄嘌呤氧化酶。
这类酶使某一反应化合物的氧化作用发生改变，在经济上颇有吸引力。
③KaiSer的黄素木瓜蛋白酶。
将黄素溴衍生物与木瓜蛋白酶Cys25共价结合为黄素木瓜蛋白酶．其动力学可与黄素酶相比拟。
1.4金属酶的金属取代
例如: ①α-淀粉酶中的钙离子（Ca2+）②谷氨酸脱氢酶中的锌离子(Zn2+)③过氧化氢酶分子中的铁离子(Fe2+)④酰基氨基酸酶分子中的锌离子（Zn2+）⑤超氧化物歧化酶分子中的铜、锌离子(Cu2+,Zn2+)。