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如何提高超氧化物歧化酶的生产能力?

【摘要】:SOD可清除生物体内超氧阴离子自由基,对抗与阻断氧自由基对细胞造成的损害,并及时修复受损细胞,因此引起了国内外生物化学界和医药界的极大关注。

一、生产前准备

(一)查找资料,了解超氧化物歧化酶生产的基本知识

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)是一种重要的氧自由基清除剂,在自然界中分布极广。SOD可清除生物体内超氧阴离子自由基,对抗与阻断氧自由基对细胞造成的损害,并及时修复受损细胞,因此引起了国内外生物化学界和医药界的极大关注。国际上将从牛红细胞中制备的SOD商品名定为“Orgotein”,经药理研究,证明它无毒、无抗原性,能抗炎、清除超氧阴离子、抗病毒感染,因而受到广泛重视,成为大有应用前景的药用酶。

1.SOD的氨基酸组成及结构

SOD是一类含有金属元素的活性蛋白酶,根据其所结合的金属离子,区分为Fe-SOD,Mn-SOD和Cu,Zn-SOD三种。Fe-SOD主要存在于原核细胞中;Mn-SOD存在于原核细胞体、真核细胞的细胞质内;Cu,Zn-SOD主要存在于真核细胞的细胞质内。另外,在牛肝中还发现一种Co,Zn-SOD。Fe-SOD和Mn-SOD在氨基酸组成、结构、性质等方面都很相似,而Cu,Zn-SOD则与它们差异较大。Fe-SOD和Mn-SOD都含有Tyr和Trp,而Cu,Zn-SOD则缺乏Tyr和Trp。SOD的活性中心有比较特殊的构象,金属辅基Cu和Zn与必需基团His的咪唑基等形成配位键。

2.SOD的理化性质

SOD的性质不仅取决于蛋白质部分,还取决于活性中心金属离子。由于SOD是一种金属蛋白,因此对热、对pH及在其他性质上表现出异常的稳定性。其主要理化性质见表1-5-2。

表1-5-2 SOD的化学组成和部分理化性质

(1)热稳定性 SOD对热稳定,牛红细胞的Cu,Zn-SOD的tm为83℃,是迄今为止发现热稳定性最高的球蛋白之一。天然牛血SOD在75℃下加热数分钟,酶活力丧失很少。酶的热稳定性与离子强度有关,如果离子强度非常低,即使加热到95℃数分钟,酶活力丧失也很少。金属辅助因子对SOD的耐热性有明显增强作用。

(2)pH的影响 SOD的活性与pH关系较大,天然Cu,Zn-SOD在pH3.6时,95%的Zn会脱落,在pH小于6.0时,Cu的结合位点要移动。当pH大于12.2时,SOD的构象会发生不可逆转变而导致酶失活。通常在pH5.3~9.5范围内,其催化反应速度不受影响。

(3)吸收光谱 Cu,Zn-SOD的吸收光谱取决于酶蛋白和金属辅基,不同来源的Cu,Zn-SOD的紫外吸收光谱略有不同。例如,人血SOD最大吸收波长在265 nm,而牛血SOD则在258 nm。几乎所有的Cu,Zn-SOD的紫外吸收光谱的共同特点是在280 nm波长处的吸收不存在或不明显,这是由于它不含色氨酸和酪氨酸,而在250~270 nm波长处均有不同程度的吸收。Cu,Zn-SOD的可见光吸收光谱反映二价铜离子的光学性质,不同来源的SOD都在680 nm波长附近呈现最大吸收。

(4)金属辅基与酶活性 SOD分子中含有金属离子,用电子顺磁共振测得1 mol酶中含1.93 mol的Cu和1.80 mol的Zn(牛血SOD)。Cu是酶活性中心的必需组分,与催化活性直接相关。如透析去除Cu,则酶活力全部丧失,重新加入Cu则酶活力又可恢复。Zn则起稳定酶分子结构的作用。在Mn-SOD和Fe-SOD中,Mn和Fe与Cu一样,对酶活力也是必不可少的。

(5)变性剂和还原剂的影响 在含有SDS、EDTA的6 mol/L脲溶液中加热,牛红细胞Cu,Zn-SOD的活性丧失很快,但单独用5 mol/L 脲溶液处理则酶活力不变。如在酶所在的缓冲液中加入一定量的EDTA,则酶活力也要丧失。这是由于EDTA螯合了酶活性中心的必需组分Cu而使酶失活。还原剂主要作用于酶的巯基或二硫键,当加入巯基乙醇后SOD会解聚,导致酶活力的下降。

3.药理作用与临床应用

(1)对自身免疫性疾病的治疗作用 类风湿性关节炎、红斑狼疮、皮肌炎等是胶原性的自身免疫性疾病(胶原病),用SOD处理,均可获得缓解或治愈。回肠结肠炎是一种极为顽固的肠道自身免疫性疾病,也可用SOD皮下注射进行治疗。

(2)治疗其他炎症及水肿 用SOD静脉注射治疗肺炎有特效。SOD对各类过敏性所致水肿(如抗血清引起的皮肤水肿、角叉菜聚糖引起的脚部水肿以及其他炎症性水肿)都有疗效,对各类细菌引起的发炎也有较好的疗效。

(3)抑制心脑血管疾病 SOD可清除人体内多余的氧自由基,降低脂质过氧化物的含量,具有调节血脂的保健作用,可预防动脉粥样硬化,预防高血脂引起的心脑血管疾病。SOD也用于抗辐射、抗肿瘤,治疗氧中毒、心肌缺氧与缺血再灌注综合征以及某些心血管疾病。

(4)治疗辐射病及辐射防护 SOD可治疗因放疗引起的膀胱炎、皮肌炎及白细胞减少等疾病,对有可能受到电离辐射的人员,也可注射SOD作为预防措施。

(5)其他 SOD可清除自由基,延缓衰老;抗疲劳,增强肝肾功能;对白内障也有较好的预防作用;对糖尿病有明显的恢复作用。

(二)确定生产技术、生产原料和工艺路线

(1)确定生产技术:生物化学制药技术、生物制药下游技术。

(2)确定生产原料:新鲜牛血。

(3)确定生产工艺路线:如图1-5-2所示。

图1-5-2 以新鲜牛血为原料提取SOD的工艺流程

二、工艺过程

(一)分离、收集血红细胞

取新鲜牛血,按100 kg牛血加3.8 g柠檬酸钠的比例投料,搅拌均匀,以3000 r/min冷冻离心15 min,收集血红细胞。

(二)浮选、溶血、去血红蛋白

将收集的血红细胞用0.9%氯化钠溶液洗三次。在干净的血红细胞中加入等体积的去离子水,在0~4℃下,搅拌溶血30 min,再缓慢加入溶血液0.25倍体积的4℃以下的95%乙醇和0.15倍体积(相对于溶血液体积而言)的4℃以下的氯仿,搅拌15 min,使之均匀,静置15 min,冷冻离心30 min,去除血红蛋白,收集上清液。

(三)分级沉淀、热变性

向上清液中加入1.5倍体积的冷丙酮,搅拌均匀,产生大量的絮状沉淀,于冷处静置20 min,离心得沉淀物。沉淀物用1~2倍体积的去离子水溶解,在60~70℃水浴中保温10 min,冷却,冷冻离心,收集浅绿色的上清液,再用1.5倍冷丙酮使上清液沉淀,5℃以下静置过夜,冷冻离心,收集沉淀,得SOD粗品。

(四)透析、柱层析

将SOD粗品溶于pH7.8、2.5 mmol/L磷酸钾缓冲液中,以相同缓冲液平衡透析。将透析液小心加到已用pH7.8、2.5 mmol/L磷酸钾缓冲液平衡好的DEAE-纤维素(DEAE-32)柱或DEAE-Sephadex A-50上吸附,加样后,先用2.5 mmol/L、pH7.8磷酸钾缓冲液洗脱杂蛋白,然后用2.5~50 mmol/L、pH7.8的磷酸钾缓冲液进行梯度洗脱,收集具有SOD活性的洗脱液。

(五)超滤、冷冻干燥

将上述洗脱液超滤浓缩,无菌过滤,冷冻干燥,即得Cu,Zn-SOD成品(冻干粉)。

(六)质量检测

1.质量检查

主要是对SOD进行纯度检查,鉴定SOD纯度主要根据以下三个指标。

(1)均一性,常用电泳鉴定,观察其是否达到电泳纯,通常用聚丙烯酰胺凝胶电泳;也可用琼脂糖凝胶平板电泳,此法操作较简便,试剂单一且色带的间隔远比前者大,更易观察与分析;还可进行超离心分析,观察其均一性。

(2)酶的比活力要求达到一定标准,如牛红细胞的Cu,Zn-SOD,其比活力(黄嘌呤氧化酶-细胞色素c法)应不低于3000 U/mg(蛋白质)。

(3)酶的某些理化性质应符合要求,如金属离子含量、氨基酸含量和吸收光谱等。

2.酶活力测定

SOD活力测定法很多,主要有化学法、免疫法和等电聚焦法三种。其中以化学法测定最为普遍。

(1)黄嘌呤氧化酶-细胞色素c法(简称550 nm法)。

①测定系统:取pH7.8、300 mmol/L磷酸缓冲液0.5 mL(其中含0.6 mmol/L的EDTA)、6×10-6mol/L氧化型细胞色素c溶液0.5 mL、0.3 mmol/L黄嘌呤溶液0.5 mL、双蒸水1.3 mL,在25℃下保温10 min,最后加入1.7×10-3 U/mg(蛋白质)的黄嘌呤氧化酶溶液0.2 mL,并立即开始计时,速率变化在2 min内有效,要求还原速率(在550 nm波长处,每分钟内吸光度A的变化值)控制在0.025/min。测定酶活力时,加入0.3 mL被测SOD溶液,双蒸水相应减至1 mL,并控制SOD浓度,使氧化型细胞色素c还原速率降为0.0125/min。

②酶活力计算公式:

式中,V∶V定义体积=3∶3。

③酶活力定义:在上述条件下,3 mL的反应液中,每分钟抑制氧化型细胞色素c在550 nm波长处还原速率达50%(550 nm,0.0125/min)的酶量定为一个活力单位。

(2)微量邻苯三酚自氧化法(简称325 nm法)。

①测定系统:取pH8.2、50 mmol/L Tris-HCl缓冲液2.99 mL(其中含1 mmol/L EDTA),在25℃预保温10 min,最后加入50 mmol/L邻苯三酚溶液(配制于10 mmol/L盐酸中)10μL,使反应体积为3 mL,立即计时,自氧化速率变化在4 min内有效,控制邻苯三酚自氧化速率为0.070/min,测SOD活力时,加入约0.4 mL的SOD溶液,缓冲液相应减至2.55 mL,并控制SOD浓度,使邻苯三酚自氧化速率降为0.035/min左右。

②酶活力计算公式:

式中,V∶V定义体积=3∶1。

③酶活力定义:在上述条件下,1 mL反应液中,每分钟抑制邻苯三酚自氧化速率达50%时的酶量(325 nm,0.035/min)定为一个活力单位。若自氧化速率在35%~65%,通常可按比例计算,不在此范围内的数值应相应增减酶量。