第5章 酶工程技术与生化反应制药
酶工程技术在制药工业中的应用
酶工程技术在制药工业中的应用酶在制药工业中的作用主要是催化前体物质转化为药物，另外固定化酶膜或者酶管也广泛应用于制药过程的参数检测与测量，特别是生物制药过程。
下面以几个典型的应用为例进行叙述。
一、青霉素酰化酶在新型抗生素生产中的应用青霉素酰化酶能以青霉素或头孢霉素为原料，可以分别在青霉素的6位或者头孢霉素的7位催化酰氨键的形成与断裂。
典型的应用顺序为首先催化青霉素或头孢霉素酰氨键的断裂，获得半合成抗生素的直接底物6-氨基青霉烷酸(6-APA)或7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)；然后在其他酰基供体存在的条件下催化形成新的酰氨键，从而获得具有全新侧链的新型抗生素。
天然发酵生成的青霉素有两种，一为青霉素G，另一为青霉素V。
通过青霉素酰化酶催化下进行酰基置换反应，用新的酰基供体置换苯乙酰基，则可以获得许多新型的半合成青霉素。
比如用α氨基苯乙酰置换原来的苯乙酰基，可以获得氨苄西林。
羟氨苄西林、羧苄西林和磺氨苄西林等也都是采用酶催化半合成的方法通过青霉素的酰基置换反应获得的。
天然发酵生成的头孢霉素是头孢霉素C，头孢霉素C在青霉素酰化酶催化下，首先水解生成7-ACA，再与侧链羧酸衍生物反应形成各种新型头孢霉素。
例如：头孢利定、头孢噻吩、头孢氨苄等。
虽然青霉素酰化酶既可以催化酰氨键的形成，也可以催化其水解，具有催化正逆两个反应的能力。
但催化水解反应和催化合成反应时所要求的条件存在较大差异，特别是最优催化pH相差较大。
常用的催化水解反应的pH为7.0～8.0，而催化合成反应的pH应降低到5.0～7.0。
因此应采用两个连续但独立的反应器顺序进行水解和合成反应。
二、酶应用于生物大分子由于中草药多来源于植物，即药源植物。
但只有这些植物中的一些特定小分子成分，才是其中的药效成分。
中草药制剂提取就是将这些有效成分从植物整体或者器官中提取出来，并结合辅料，制备成适合保存、运输和服用的药物。
这个过程的第1步就是中草药药材的粉碎提取，由于植物中纤维素的存在，使得药材的粉碎难度加大。
05—酶工程制药
一般健康人体内所含有的某些酶的量是
恒定在某一范围的。当人们患上某些疾病时， 则由于组织、细胞受到损伤或者代谢异常而引 起体内的某种或某些酶的活力发生相应的变化。 故此，可以根据体内某些酶的活力变化情况，
而诊断出某些疾病。
17
（二）用酶测定体液中某些物质的变化诊断疾病：
人体在出现某些疾病时，由于代谢异常或者
在酶液中加入某些物质，使它与酶形成复合物而沉淀 下来 选择一定的条件使酶液中存在的某些杂质变性沉淀， 而不影响所需的酶
35
复合沉淀法 选择性变性沉 淀法
三、酶的纯化
过滤与膜分离 电泳
离子交换层析
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第三节 酶和细胞的固定化
水溶性酶 水不溶性载体 固定化技术
水不溶性酶
（固定化酶）
酶应用过程中的一些不足
酶的基础知识
（一）酶是生物催化剂
酶是生物细胞产生的、具有催化能力的生物催 化剂。 催化高效性 专一性：结构专一性；立体异构专一性 酶具有不稳定性 反应条件温和
（二）酶的化学本质
单纯酶
酶 蛋白质 结合酶 辅酶 辅因子 辅基 （全酶）= 酶蛋白 + 辅因子 与酶蛋白结合得比较松的小分子有机物。 与膜蛋白结合得紧密的小分子有机物。
的一种。
多数是蛋白质水解酶，分解发炎部位纤维蛋白的
凝结物，消除伤口周围的坏疽、腐肉和碎屑。
其中有些酶能够分解脓液中的核蛋白使成简单的
嘌呤和嘧啶，降低脓液的粘性、达到净洁创口、
消除痴皮、排除脓液抗炎消肿的目的。
主要有胰蛋白酶、糜蛋白酶、双链酶，α-淀粉酶、
胰脱氧核糖核酸酶等。
25
血凝和解凝类：这类酶都是从血液中提取出来的。
第24讲 第五章 酶工程制药技术(2)
过滤
6－APA
滤液
转化液
青霉素G（V）
药物的酶法生产
工艺控制要求
（1）大肠杆菌培养 • 菌株：E.coli D8165（产青霉素酰化酶） （2）E.coli固定化 • E.coli湿菌体＋10%明胶（包埋法）＋25%戊二醛（交联法）→粉碎 过筛→颗粒状固定化E.coli细胞→洗涤抽干 （3）固定化E.coli反应堆制备 • 填充床反应器 （4）转化反应 • 青霉素G（或V）→3%→pH7.5～7.8→40℃→循环转化→pH不变为 止 （5）6-APA的提取 • 过滤→浓缩→冷却→萃取→脱色→过滤→pH4.0，5℃→结晶→过滤、 洗涤、抽干、烘干→成品6-APA
药用酶的生产
酶分离纯化过程应该注意的问题 • ①防止酶的变性 温度（４℃），中性pH • ②防止辅助因子丢失 特别在超滤、透析时，要特别注意 • ③防止被蛋白酶降解 组织自身的蛋白酶、污染菌的蛋白酶
▲
药用酶的改造
为什么改造酶？
天然酶的稳定性比较差 酶催化的反应类型仅六类 在生物细胞中含量太少 专一性太强，缺乏广谱性 催化性能不能满足要求 绝大多数酶具有抗原性
药用酶的改造
改造酶的分类：
常规酶 天然酶 极端酶
酶
修饰酶 工程酶
物理修饰酶 包括固定化酶 化学修饰酶 生物修饰酶（基因修饰、蛋白质修饰等） 抗体酶 杂合酶 生物工程酶 进化酶 人工酶 化学工程酶 印迹酶 合成酶
▲
药物的酶法生产
概念： 利用酶的催化作用，将前体物质转化为药物的 过程。 主要完成一些生物自身无法完成的反应，没有 相应的催化酶、非生物反应环境（如有机相） 酶的选择： １、天然酶 ２、工程酶
药物的酶法生产
固定化细胞法生产6-氨基青霉烷酸（6-APA）
酶工程制药
• 1897年，德国的Bü chner兄弟成功地用不含细胞的酵 母汁实现了发酵，证明了发酵与细胞无关。 • 1908年，德国的Robm制得胰酶用于皮革的软化。法 国的Boidin制得细菌淀粉酶用于纺织品的退浆。 • 1911年，美国的Wallerstein制得木瓜蛋白酶用于除 去啤酒中的蛋白质浑浊。 • 1913年，Michaelis提出了酶的动力学说。 • 1916年，美国的Nelson和Griffin发现酶与载体结合 后，在水中呈卜溶状态时仍具有催化活性的现象。 • 1926年，Sumner第一次从刀豆中提出脲酶结晶，并 证明酶具有蛋白质性质。 • 1930年，Northrop分离出结晶的胃蛋白酶、胰蛋白 酶及凝乳蛋白酶，并进行了动力学探讨，确立了酶 的蛋白质本质。 • 1953年，德国的Grubhofer和Schleith将聚氨基苯乙 烯树脂重氮化，然后与各种酶结合而制成固定化酶。 他们首先提出了固定化技术。
EC---国际酶学委员会 反应类型
第二节 酶的来源和生产菌
一、酶的来源 多数酶的生产目前只宜直接从生物体中提取分离。
一、酶的来源 多数酶的生产目前只宜直接从生物体中提取分离。 早期酶的生产多以动植物为主要原料，如激肽释放 酶、菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶。近10年来，研究发 展了动植物组织培养技术，但周期长、成本高。工 业生产一般都以微生物为主要来源。目前使用的千 余种商品酶，大多数是微生物生产的。其特点是： A、微生物种类繁多，凡是动植物产周期短、培养简便，并可通 过控制培养条件来提高酶的产量。 C、微生物具有较强的适应性，通过各种遗传变异的 手段，能培育出新的高产菌珠。
什么是固定化酶？
水溶性酶
水不溶性载体
固定化技术 水不溶性酶 （固定化酶） ①可多次使用。②反应后,酶底物产物易分开,产物 中无残留酶,易纯化,产品质量高。③反应条件易控 制。④酶的利用效率高。⑤比水溶性酶更适合于多 酶反应。
酶工程制药讲解.
⒊酶和细胞的固定化方法
B、离子结合法：
酶通过离子键结合于具有离子交换基的水不 溶性载体上。
优点：操作简单，处理条件温和，酶的高级结 构和活性中心的氨基酸残基不易被破坏。
缺点：载体和酶的结合力弱，易受缓冲液种类 或pH的影响，离子强度高时，酶易脱落。
⒊酶和细胞的固定化方法
C、共价结合法： 酶以共价键结合于载体上。即将酶分
〔2〕包埋法制备技术：
凝胶包埋：先将凝胶材料与水混合， 加热使之溶解，再降至其凝固点以下的温度， 然后假设预保稳的酶液，混合均匀，最后冷 却凝固成型和破碎即成固定化酶。
5、固定化酶的制备技术
微囊化包埋：将酶定位于具有半透膜的微小囊内。半透 膜厚约20nm，膜孔径40 nm ,其外表积与体积比很大， 包埋酶量也多。
〔2〕对酸碱有一定的耐受性；
〔3〕有一定的机械强度； 有一定的亲水性和稳定性；
〔4〕
〔5〕有一定的疏松网状结构，颗粒均匀；
〔6〕共价结合时有可活化基团；
〔7〕有耐受酶和微生物细胞的能力：
〔8〕廉价易得。
5、固定化酶的制备技术
〔1〕吸附法制备技术：将酶的水溶液与具有 高度吸附能力的载体混合，然后洗去杂质和 未吸附的酶即得固定化酶。
固定化细胞的缺点：
(1)必须保持菌体的完整，防止菌体自溶， 否那么，将影响产品纯度。 (2)必须防止细胞内蛋白酶对所需酶的分解， 同时，需抑制胞内其他酶的活性止副产物 的形成。 (3)细胞膜、壁会阻碍底物渗透和扩散。
⒊固定化细胞的制备技术
⑴载体结合法 是将细胞悬液直接与水不溶性的载体 相
结合的固定化方法。 载体：主要为阴离子交换树脂、阴离子交 换纤维素、聚氯乙烯。 优点：操作简单，符合细胞的生理条件， 不影响细胞的生长及酶活性。 缺点：吸附容量小结合强度低。
第五章 酶工程制药技术
消除伤口周围坏疽、腐肉和碎屑。 有些可以分解脓液中核蛋白，达到净洁创口、消炎
目的。 主要有胰蛋白酶、糜蛋白酶、双链酶。
➢ 血凝和解凝类：这类从血液中提取。 凝血酶 使血液凝固，防止微血管出血
纤维蛋白溶解酶 溶解血块，治疗血栓静脉炎、 冠状动脉栓塞。
➢ 作用力：离子键
➢ 常用载体：DEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖 凝胶、CM-纤维素
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。
➢ 2.共价偶联法
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。
➢ （1）载体：亲水载体优于疏水载体
如:天然高分子衍生物:
➢ （3）水解酶：
催化由水分子介入使基质共价键水解反应，切断键有酯键、糖苷键、醚键、 肽键。
➢ （4）裂解酶：
催化用水解以外的方法使原子团和基质分离，在基质上生成双键反应，
➢ （5）异构酶：
催化不伴有基质分子水解、转移、氧化还原的分子异构反应。
➢ （6）连接酶：
催化将ATP或类似三磷酸化合物的焦磷酸键切断，使连个分子连接反应。
第五章 酶工程制药技术
重点内容：酶固化技术；
第一节 酶工程概述
➢ 一、酶工程简介（Enzyme Engineering） 酶工程是酶学和工程学相互渗透结合和
发展而成的一门新的技术学科。它是从应 用的目的出发研究酶、应用酶的特殊催化 性能，并通过工程化将相应原料转化成有 用物质的技术。
➢ 酶工程这个名字出现在20世纪20年代，主 要指自然酶制剂在工业上的规模应用。
纤维素
葡聚糖凝胶
酶工程技术在制药工业中的应用
酶工程技术在制药工业中的应用酶在制药工业中的作用主要是催化前体物质转化为药物，另外固定化酶膜或者酶管也广泛应用于制药过程的参数检测与测量，特别是生物制药过程。
下面以几个典型的应用为例进行叙述。
一、青霉素酰化酶在新型抗生素生产中的应用青霉素酰化酶能以青霉素或头孢霉素为原料，可以分别在青霉素的6位或者头孢霉素的7位催化酰氨键的形成与断裂。
典型的应用顺序为首先催化青霉素或头孢霉素酰氨键的断裂，获得半合成抗生素的直接底物6-氨基青霉烷酸(6-APA)或7-氨基头孢霉烷酸(7-ACA)；然后在其他酰基供体存在的条件下催化形成新的酰氨键，从而获得具有全新侧链的新型抗生素。
天然发酵生成的青霉素有两种，一为青霉素G，另一为青霉素V。
通过青霉素酰化酶催化下进行酰基置换反应，用新的酰基供体置换苯乙酰基，则可以获得许多新型的半合成青霉素。
比如用α氨基苯乙酰置换原来的苯乙酰基，可以获得氨苄西林。
羟氨苄西林、羧苄西林和磺氨苄西林等也都是采用酶催化半合成的方法通过青霉素的酰基置换反应获得的。
天然发酵生成的头孢霉素是头孢霉素C，头孢霉素C在青霉素酰化酶催化下，首先水解生成7-ACA，再与侧链羧酸衍生物反应形成各种新型头孢霉素。
例如：头孢利定、头孢噻吩、头孢氨苄等。
虽然青霉素酰化酶既可以催化酰氨键的形成，也可以催化其水解，具有催化正逆两个反应的能力。
但催化水解反应和催化合成反应时所要求的条件存在较大差异，特别是最优催化pH相差较大。
常用的催化水解反应的pH为7.0～8.0，而催化合成反应的pH应降低到5.0～7.0。
因此应采用两个连续但独立的反应器顺序进行水解和合成反应。
二、酶应用于生物大分子由于中草药多来源于植物，即药源植物。
但只有这些植物中的一些特定小分子成分，才是其中的药效成分。
中草药制剂提取就是将这些有效成分从植物整体或者器官中提取出来，并结合辅料，制备成适合保存、运输和服用的药物。
这个过程的第1步就是中草药药材的粉碎提取，由于植物中纤维素的存在，使得药材的粉碎难度加大。
生物技术制药酶工程制药
肌酸磷酸激酶 心肌梗塞，活力显著升高；肌炎、肌肉创伤，活力升高 （CK）
2. 用酶测定物质的量的变化进行疾病诊断
酶 葡萄糖氧化酶 尿素酶
谷氨酰胺酶
胆固醇氧化酶
DNA聚合酶
测定的物质
用途
葡萄糖
测定血糖、尿糖，诊断糖尿病源自尿素测定血液、尿液中尿素的量， 诊断肝脏、肾脏病变
谷氨酰胺
测定脑脊液中谷氨酰胺的量， 诊断肝昏迷、肝硬化
学习要求
掌握：酶的来源和生产、酶纯化的主要方法、 固定化酶和固定化细胞的制备方法、酶反应 器的基本类型
熟悉：酶分离纯化的一般过程、固定化酶的 性质和指标、酶反应器的性能评价及操作
了解：酶工程的研究现状、酶工程在制药中 的应用、治疗性的酶类药物
本章主要内容
1 概述 2 酶工程技术 3 酶工程研究新技术 4 酶工程在制药工业中的应用
酸） 制造高效链霉素 生产L-氨基酸 生产各种核苷酸 生产聚肌胞，聚肌苷酸 由猪胰岛素（Ala-30）转 变为人胰岛素（Thr-30）
生产核苷酸 生产L-氨基酸 生产人参皂甙-Rh2
5. 酶在分析检测方面的应用 （1）酶试剂盒 过氧化氢酶检测试剂盒
(Catalase Assay Kit) 通过显色反应来检测细胞、组织或其它样品
中过氧化氢酶活性
5. 酶在分析检测方面的应用
（2）酶联免疫(Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay , ELISA)
免疫检测：让抗体与酶复合物结合，然后通 过显色来检测。
间接法ELISA检测 夹心法ELISA检测 竞争法ELISA检测
5. 酶在分析检测方面的应用
青霉素酶
蜡状芽孢杆菌 治疗青霉素引起的变态反应
L-天冬酰胺酶
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一、固定化酶的应用实例
1.什么是高果糖浆？使用它有何好处？高果糖浆是果糖含量为42%左右的糖浆。作为蔗糖的替代 品，高果糖浆不会像蔗糖那样诱发肥胖、糖尿病、龋齿和心血管病，对人的健康有利。
2.生产高果糖浆需要什么酶？其作用是什么？这种酶有何特点？生产高果糖浆需要葡萄糖异构酶； 其作用是将葡萄糖转化为果糖；这种酶稳定性好，可持续发挥作用。
固定化细胞主要是利用细胞内酶和酶系，其应用比固定化酶更为普遍。
2.固定化细胞的制备
①载体结合法 ②包埋法 ③交联法 ④无载体法
四、固定化酶的形状与性质
1.固定化酶的形状 ①颗粒状固定化酶 ②纤维状固定化酶 ③膜状固定化酶 ④管状固定化酶
四、固定化酶的形状与性质
1.固定化酶的形状 ①颗粒状固定化酶 ②纤维状固定化酶 ③膜状固定化酶 ④管状固定化酶
作业
1，简述维生素A原发酵控制的工艺要点。 2，核酸类药物常用的生产方法有哪些？ 3，为什么在肌苷发酵生产中加入氨基酸？请简述。
作业
1、谷氨酸发酵过程中，应如何控制通气量？ 2、赖氨酸生产菌与谷氨酸生产菌相比，两者在菌营养类型上有什么异同点？ 3、黑曲霉发酵生产酸性蛋白酶与巨大芽孢杆菌发酵生产中性蛋白酶，这两种发酵都是哪种类型，各自有什 么工艺特点？请简述之。
现在，市场上的酶制剂大多采用微生 物发酵法来生产；
二、酶与细胞的固定化
1.固定化酶的制备 （1）吸附法 （2）共价结合法 （3）交联法 （4）包埋法
（5）固定化载体
2.固定化细胞的制备
将细胞限制或定位于特定空间位置的方法称为细胞固定化技术，被限制或定位于特定空间位置的 细胞称为固定化细胞，它与固定化酶同被称为固定化生物催化剂。细胞固定化技术是酶固定化技 术的发展，因此固定化细胞也称为第二代固定化酶。
（2）酶稳定性的变化
①操作稳定性 ②储藏稳定性 ③热稳定性 ④对蛋白酶的稳定性 ⑤酸碱稳定性
四、固定化细胞的特性
1.固定化细胞的形状
由于细胞的固定化技术是酶的固定化 技术的延伸，许多方法都相同，因此 许多固定化细胞的形状与固定化酶的 形状相同，如珠状、块状、片状或纤 维状等。
2.固定化细胞的性质细胞被固定化后， 其中酶的性质、稳定性、最适pH、最 适温度等的变化基本上与固定化酶相 仿。
可采用固定化细胞技术。
第一节 酶工程与固定化细胞技术
一、概述 1.酶的特性与酶工程 酶是由细胞产生的具有催化活性的蛋白质，又称为生物催化剂，酶的化学本质是蛋白质，酶的生理作 用在于其具有的高效催化特性。与非酶催化剂相比，酶的催化特性表现为： • 效率更高 • 反应专一性更强 • 反应条件十分温和 • 催化活性可以受到调节和控制
现代生物制药技术
酶工程技术与生化反应制药
学习目标
【学习目的】学习酶工程、固定化酶及固定化细胞的基本概念，酶的固定化方法，固定 化酶的特性，酶的固定化方法及固定化酶在氨基酸和核苷酸等药物生产中的应用，海藻 酸钠固定蛋白酶的方法。
【知识要求】了解酶工程、固定化酶及固定化细胞的定义，掌握固定化酶及固定化细胞 的方法及怎样利用固定化酶生产氨基酸和核苷酸类药物，熟悉固定化酶的特性及固定化 酶的应用。
3.固定化酶技术生产高果糖浆的过程
反应柱的优点： （1）反应柱能连续使用半年，大大降低了生产成本 （2）提高了果糖的产量和质量。
4.固定化酶技术的优点
（1）使酶既能与反应物接触，又能与产物分离 （2）固定在载体上的酶可以被反复利用
5、在生产实际中使用固定化酶技术的不足
一种酶只能催化一种化学反应，而在生产实际中很多产物 的形成都通过一系列的酶促反应才能进行，所以操作比较 麻烦。
四、固定化酶的形状与性质
1.固定化酶的形状 ①颗粒状固定化酶 ②纤维状固定化酶 ③膜状固定化酶 ④管状固定化酶
四、固定化酶的形状与性质
1.固定化酶的形状 ①颗粒状固定化酶 ②纤维状固定化酶 ③膜状固定化酶 ④管状固定化酶
2.固定化酶的性质
（1）酶活力的变化
酶经过固定化后活力大多下降，要 减少固定化过程中酶活力的损失， 反应条件要温和。此外，在固定化 反应体系中加入抑制剂、底物或产 物，可以保护酶的活性中心。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
酶工程又称为酶技术，将酶或者包含酶的 微生物细胞、动植物细胞、细胞器等装载 于生物反应装置中，利用酶所具有的生物 催化功能，借助工程手段将原料转化成相 应的有用物质，是酶学与工程学相互结合 渗透、涉及酶的工程化应用的一门技术。
2.酶的来源与制备
早期酶的生产多以动植物为原料直接 从生物体中提取分离；
作业
1.什么是酶工程？酶工程包括哪些内容？ 2.酶和细胞的固定化有什么区别？ 3.酶的固定化方法有很多种，请简述物理吸附法与离子吸附法之间的异同点？ 4.请简述包埋法制备固定化细胞的基本工艺流程。 5.应如何选择酶和细胞的固定化载体？请简述之。 6.细胞固定化之后，与原有的反应工艺相比有什么不同？