第六章 固定化酶和固定化活性细胞

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第六章固定化酶

第六章固定化酶
酶的pH值低; 催化反应的产物为中性时,固定化酶的最适pH值一般不
变;
这是由于固定化载体成为扩散障碍,使反应
产物向外扩散受到一定的限制所造成的。当
反应产物为酸性时,由于扩散受到限制而积
累在固定化酶所处的催化区域内,使此区域 内的pH比降低,必须提高周围反应液的pH, 才能达到酶所要求的pH。为此,固定化酶的 最适pH比游离酶要高一些。反之,反应产物
固定化酶作用的最适温度可能会受到固定方法和固定化载 体的影响。
5. 底物特异性变化
固定化酶的底物特异性与游离酶比较可能有些不同, 其变化与底物相对分子质量的大小有一定关系。
作用于小分子底物的酶
特异性没有明显变化
既可作用于小分子底物又可作用于大分子底物的酶 特异性往往会变化。
Eg:胰蛋白酶:高分子蛋白、低分子(二肽、多肽),固定在羧甲基 纤维素上,对二肽或多肽的作用保持不变,而对酪蛋白的作用仅为游 离酶的3%;
为碱性时,由于它的积累使固定化酶催化区 域的pH升高,故此使固定化酶的最适pH比游 离酶的最适pH要低一些。
固定化酶最适温度的变化
一般与游离酶差不多,但有些会有较明显的变化
Eg:用重氮法制备的固定化胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶,其 作用的最适温度比游离酶高5—10
以共价结合法固定化的色氨酸酶,其最适温度比游离酶高
——这种固定化的酶既具有酶的催化特性, 又具有一般化学催化剂能回收、反复使 用等优点,并且生产工艺可以连续化、 自动化。
3
进展
1916年Nelson和Griffin利用活性炭吸附蔗糖酶
固定化酶的研究从20世纪50年代开始
1953年德国的Grubhofer和Schleith采用聚氨基苯 乙烯树脂为载体,经重氮法活化后,分别与羧肽 酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等结合,而 制成固定化酶。

酶工程 第六章酶与细胞固定化 第二节酶和菌体固定化

酶工程 第六章酶与细胞固定化  第二节酶和菌体固定化

第二节 酶和菌体固定化
半透膜包埋法制成的固定化酶小球,直径—般只有几 ㎛至几百㎛,称为微胶囊。制备时,—般是将酶液分散在 与水互不相溶的有机溶剂中,再在酶液滴表面形成半透膜, 将酶包埋在微胶囊之中。例如:将欲固定化的酶及亲水性 单体(如已二胺等)溶于水制成水溶液,另外将疏水性单体 (如癸二酰氯等)溶于与水不相混溶的有机溶剂中,然后将 这两种互不相溶的液体混和在一起,加入乳化剂(如司盘 -85等)进行乳化,使酶液分散成小液滴,此时亲水性的 已二胺与疏水住的癸二酰氯就在两相的界面上聚合成半透 膜,将酶包理在小球之内。再加进吐温-20(Tween-20), 使乳化破坏,用离心分离即可得到用半透膜包埋的微胶囊 型的固定化酶。
第二节 酶和菌体固定化
用离子键结合法进行酶固定化,条件温和,操作简便。 只需在一定的pH值、温度和离子强度等条件下,将酶液 与载体混合搅拌几个小时,或者将酶液缓慢地流过处理好 的离于交换柱,就可使酶结合在离于交换剂上,制备得到 固定化酶。例如:将处理成-OH型的DEAE-葡聚糖凝胶加 至含有氨基酰化酶的0.1mo1/L的pH7.0磷酸缓冲液中,于 37℃条件下,搅拌5h,氨基酰化酶就可与DEAE-葡聚糖 凝胶通过离子键结合,制成固定化氨基酰化酶。或者将处 理过的DEAE-葡聚糖凝胶装进离子交换柱,用氢氧化钠处 理,使之成为-OH型,用无离子水冲洗,再用pH 7.0的 0.1mo1/L磷酸缓冲液平衡备用。另将一定量的氨基酰化酶 溶于pH7.0的0.1mol/L磷酸缓冲液中配成一定浓度的酶液, 在37℃的条件下,让酶液慢慢流过离子交换柱,就可制备 成固定化氨基酰化酶。用于拆分乙酰—DL—氨基酸,生 产L—氨基酸
酶工程
第六章 酶与细胞固定化
第二节 酶和菌体固定化
将酶与水不溶性的载体结合,制备固定化酶的过程称 为酶的固定化。

固定化酶和固定化细胞

固定化酶和固定化细胞
再加DEAE-纤维素结合 结果:结合力增大(吸附量也大),也相当稳定,使
用寿命长,有时可以连续使用3个星期
吸附方法:
1.静态吸附,自然吸附、解吸、再吸附的固定化方法。 效率低,时间比较长,而且不完全。
2.电沉积,在载体附近加电极,酶移向载体表面的固 定化方法。需要酶在电场中不破坏,保持原来酶性 能。。
➢ 特点:操作简便、条件温和、不会引起酶变性失活, 载体廉价易得,可反复使用,但结合力较弱,酶与 载体结合不牢固易脱落。
物理吸附(氢键、疏水键等作用力将酶固定于不溶性载体上) 无机吸附剂(高岭土、皂土、硅酸、氧化铝等)
吸附量小、有些酶发生吸附变性 有机吸附剂(纤维素、胶原等)
吸附量略大(~50mg/g载体),不产生变性失活,比较 受重视。
吸附力弱,不适宜的pH,高盐浓度,高底物浓 度,高温等都能把吸附的酶解吸下来。
可以改善的方法: 1.选择最佳条件操作(如温度、pH) 2.选吸附量大的载体,控制酶和载体量
如烃基-琼脂糖衍生物吸附在酸性pH的酶(脲 酶)用亲和吸附剂 ConA-葡聚糖能专一吸附糖蛋白
对酶进行修饰以后再与载体结合,胰蛋白酶+丙 烯酸与顺丁烯二酸酐的水溶性共聚体共价偶联
避免影响酶的活性构型和相应基团
酶的偶联量: 单位载体上偶联酶的总量与“相对酶活力”之间的
平衡。
相对酶活力: 指固定化酶和蛋白量与相等的原酶的活力比。
由于固定化时,受到载体、方法、条件、酶反应系 统的影响,即使以上因素一定,还会受到酶偶联量的影响。
1.只有达到一定的偶联量,酶活性达到最高。 2.超过一定的偶联量,酶过多集中于载体的局部, 造成空间位阻效应,部分酶无法表现活性。随酶偶联量上 升酶活性反而下降。
寻找二者平衡点关系,才能使固定化酶活性达到最高。

名词解释

名词解释

点。
(1)差速离心特点:用于分离大小和密度差异较大的颗粒。
(2)密度梯度离心特点::
区带内的液相介质密度小于样品物质颗粒的密度。
适宜分离密度相近而大小不同的固相物质。
(3)等密度梯度离心特点:
介质的密度梯度范围包括所有待分离物质的密度。
适于分离沉降系数相近,但密度不同的物质。
5、酶的分离纯化过程中常用沉淀法的种类及原理。
第一章 绪论
1、 何谓酶工程,试述其主要内容和任务。 答:酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程。 酶的生产:微生物发酵产酶、动植物培养产酶、酶的提取和分离纯化 酶的改性:酶分子修饰、酶固定化、酶非水相催化和酶的定向进化 酶的应用:通过酶的催化作用获得人们所需的酶,并通过各种方法使 酶的催化特性得以改进,充分发挥其催化功能。 酶工程的内容:微生物细胞发酵产酶,动植物细胞培养产酶,酶的提 取与分离纯化,酶分子的修饰,酶、细胞、原生质体固定化,酶非水 相催化,酶定向进化,酶反应器和酶的应用等。
第二章 酶的生物合成与发酵生产
1、提高酶的产量的措施。 (一)遗传控制 诱变育种 (1)使诱导型变为组成型——选育组成型突变株 (2)使阻遏型变为去阻遏型
选育营养缺陷型突变株 解除反馈阻遏
选育结构类似物抗性突变株 解除分解代谢物阻遏——选育抗分解代谢阻遏突变株 基因工程育种 改变细胞调节基因,使菌种由诱导型变为组成型。 增加结构基因的拷贝数,增加细胞专一性酶的生产。 (二)条件控制 (1)添加诱导物
缺点:只适合作用于小分子底物和产物的酶。 ④共价结合法:结合牢固,不易脱落,可连续使用较长的时间 载体活化操作复杂,对酶的活性有影响。 ⑤交联法:交联法制备的固定化酶或固定化菌体结合牢固,可以长时 间使用。交联法也用于含酶菌体或菌体碎片的固定化。 2、酶固定化后性质会发生什么变化?原因是什么?酶固定化后稳定性 提高中,包括哪几方面的稳定性? (1)酶的活性 :通常低于天然酶(有例外)。 (2)酶的稳定性 酶的耐热性、对变性剂、抑制剂、蛋白酶的抵抗力增加,固定化可以 增强贮存稳定性和操作稳定性。 可能的原因:①固定化增加了酶活性构象的牢固程度,可防止酶分子 伸展变形; ②抑制酶的自身降解。 ③固定化部分阻挡了外界不利因素对酶的侵袭。 包括:(一)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)。 (二)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 (三)酶的动力学特征 固定化酶的表观米氏常数Km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Km值降低。

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• 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。
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4
优点
①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;
②可以利用细胞的多酶系统直接生产有价值 的产物。
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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
缺点:结合力弱,易解吸 附。
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2.共价偶联法(covalent binding or covalent coupling)
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。
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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
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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。
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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。
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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。
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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。

固定化酶和固定化细胞课件

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硅胶、二氧化钛、羟基磷灰石等。
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离子吸附法 ?离子吸附法 (ion adsorptio是n)通过离子键使酶与含
有离子交换基团的水不溶性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。
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? 离子吸附法常用的载体: ?阴离子交换剂: DEAE纤- 维素、四乙氨基乙基
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。
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? (4)固定化酶应有最小的空间位阻。 ? (5)固定化酶应有最大的稳定性。在应用过程中,
所选载体应不和底物、产物或反应液发生化学反 应。 ?1)凝胶包埋法 ?将聚合物的 单体与酶溶液混合,再借助于聚合 促进剂(包括交联剂 )的作用进行聚合,酶被包 埋在聚合物中以达到固定化。 ?凝胶包埋法常用的载体有海藻酸钠凝胶、角叉 菜胶、明胶、琼脂凝胶、卡拉胶等 天然凝胶以 及聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和光交联树脂等 合成 凝胶或树脂 。
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? (2)微胶囊包埋法 ?微胶囊包埋即将酶包埋在各种高聚物制成的 半 透膜微胶囊 内的方法。它使酶存在于类似细胞 内的环境中,可以防止酶的脱落,防止微囊外 的环境直接接触,从而增加了酶的稳定性。常 用于制造微胶囊的材料有聚酰胺、火棉胶、醋 酸纤维素等。
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?(3)溴化氰法 即用溴化氰将含有羟基的载体,如 纤维素、葡聚糖凝胶、琼脂糖凝胶等,活化生成亚 氨基碳酸酯衍生物,然后再与酶分子上的氨基偶联, 制成固定化酶。
? 任何具有连位羟基的高聚物都可用溴化氰法来活化。
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?(4)烷基化和芳基化法 以卤素为功能团的载体 可与酶蛋白分子上的氨基、巯基、酚基等发生烷 基化或芳基化反应而使酶固定化。

固定化酶与固定化细胞.ppt

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1)网格型包埋法 (gel (lattic) entrapment)
又称凝胶包埋法
使用的多孔载体及其特点
凝胶
包埋条件 酶活性
天然凝胶 琼脂、海藻酸钙、温和 角叉菜胶、明胶
不变
强度 差
树脂
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海藻酸钙凝胶包埋法: 滴至
海藻酸钠溶液+E (or cell) CaCl2 溶液中
②细胞固定化的基本技术和原理; ③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。
2
3
游离酶的缺点:
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
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• 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)
第6章 固定化酶与固定化细胞
概述 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、酶的固定化方法 三 细胞的固定化方法 四 原生质体的固定化方法 第二节 固定化酶和固定化细胞的性质与表征 第三节 固定化酶与固定化细胞的应用 第四节 辅酶的固定化
1
本章讲授
①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;
• 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。
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优点

固定化酶与固定化细胞

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固定化多酶反应
生化代谢产物,需由多种酶经多步酶促反应才能合成. 生化代谢产物,需由多种酶经多步酶促反应才能合成. 多酶反应器,为制造那些在有机合成上很棘手的, 多酶反应器,为制造那些在有机合成上很棘手的,结构 复杂的生化代谢物开辟了一条新的途径. 复杂的生化代谢物开辟了一条新的途径.
固定化细胞
直接把微生物细胞固定化
包埋法是制备固定化细胞最常用的方法. 包埋法是制备固定化细胞最常用的方法.将 产酶菌株用包埋剂如聚丙烯酰胺凝胶, 产酶菌株用包埋剂如聚丙烯酰胺凝胶,琼脂糖 凝胶,琼脂,海藻酸,卡拉胶, 凝胶,琼脂,海藻酸,卡拉胶,二和三醋酸纤 胶原,明胶和戊二醛等包埋起来, 维,胶原,明胶和戊二醛等包埋起来,发挥酶 或酶系的作用. 或酶系的作用. 例如: 3m1细胞悬浮液加人到 例如:海藻酸包埋 3m1细胞悬浮液加人到 2% 溶液中,置冰箱10h 10h, 20ml 2%CaCl2溶液中,置冰箱10h,用 100ml生理盐水洗二次 生理盐水洗二次. 100ml生理盐水洗二次. 注意:如果反复使用固定化细胞,需要避免 注意:如果反复使用固定化细胞, 其他微生物的污染, 其他微生物的污染,在工业生产中细胞的固 定化是在严格无菌条件下进行. 定化是在严格无菌条件下进行.
酶分子被结合到水不溶性 载体上共价结合形成水不 溶性的固定化酶
交联法
使用双功能或多功能试剂使酶分子之间相互 交联呈网状结构的固定化方法. 交联呈网状结构的固定化方法. 最常用的双功能试剂有戊二醛, 最常用的双功能试剂有戊二醛,顺丁稀二酸 酐和乙烯共聚物等.酶蛋白中的游离氨基, 酐和乙烯共聚物等.酶蛋白中的游离氨基,酚 咪唑基及巯基均可参与交联反应. 基,咪唑基及巯基均可参与交联反应. 双功能试剂: 双功能试剂: 常用的是戊二醛 常用的是戊二醛 O O
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