酶的化学修饰方法及应用

2023-11-22 理论教育版权反馈

【摘要】：酶的化学修饰主要方法有以下几种。例如，用聚乙二醇修饰精氨酸酶及SOD后，可使其抗原性显著降低；对白血病有显著疗效的L-天冬酰胺酶经右旋糖酐或聚乙二醇结合修饰后，都可使抗原性显著降低甚至消除。这种修饰通常使用某些专一性较高的蛋白酶或肽酶作为修饰剂。例如，利用化学修饰法将枯草杆菌蛋白酶活性部位的丝氨酸转换为半胱氨酸，但是化学修饰法专一性差，而且要对酶分子进行逐个修饰，难以工业化生产。

酶的化学修饰（chemical modification）是指利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上，或将酶分子的某部分删除或置换，改变酶的理化性质，最终达到改变酶的催化性质的目的。酶的化学修饰主要方法有以下几种。

（一）大分子结合修饰

大分子结合修饰是酶分子修饰中重要修饰方法之一。经过修饰后的酶可显著提高酶活力。例如，每分子胰凝乳蛋白酶与11分子右旋糖酐结合，酶活力比原来酶活力提高5.1倍；大分子物质可在酶分子外围形成保护层，从而保护酶的空间构象，使酶稳定性大大提高。如超氧化物歧化酶（SOD）在血浆中的半衰期仅为6～30min，经过大分子结合修饰后，半衰期延长70～350倍（表9-1）。经过大分子结合修饰后，可大大降低或消除酶蛋白的抗原性。例如，用聚乙二醇修饰精氨酸酶及SOD后，可使其抗原性显著降低；对白血病有显著疗效的L-天冬酰胺酶经右旋糖酐或聚乙二醇结合修饰后，都可使抗原性显著降低甚至消除。

表9-1 天然及经修饰的SOD在人血浆中的半衰期

目前，通常采用的水溶性大分子修饰剂有：右旋糖苷、聚乙二醇（PEG）、聚蔗糖、β-环糊精、琼脂糖、壳聚糖、聚丙氨酸、白蛋白、明胶、淀粉、硬脂酸等。

（二）肽链有限水解修饰

将酶蛋白中的肽链进行有限水解，使酶的空间结构发生某些改变，从而改变酶的特性和功能的方法，称为肽链有限水解修饰。这种修饰通常使用某些专一性较高的蛋白酶或肽酶作为修饰剂。

肽链有限水解既可保持酶活力，又可降低其抗原性。有此法修饰的酶有木瓜蛋白酶、真菌蛋白酶、胰酶和胃蛋白酶等。例如，木瓜蛋白酶由180个氨基酸连接而成，若用蛋白酶有限水解，除去其肽链的2/3，即除去120个氨基酸组成的多肽段，仍可保持其酶活力，但是，其抗原性大大降低；又如，酵母的烯醇化酶水解除去150个氨基酸组成的肽段后，酶活力仍可保持，抗原性也可显著降低。

除用蛋白酶对酶进行有限水解外，也可用化学方法进行修饰。例如，枯草杆菌中性蛋白酶，先用乙二胺四乙酸（EDTA）等金属螫合剂处理，再经纯水或稀盐溶液透析，可使蛋白酶部分水解，得到仍有酶活力的小分子肽段。用作消炎剂时，不产生抗原性，仍可表现良好的疗效。但是化学方法水解修饰，往往作用条件剧烈，易导致蛋白质功能特性及生物活性降低或丧失。

（三）侧链基团修饰(www.chuimin.cn)

酶分子的侧链基团修饰，可采用荧光剂作为修饰剂，可通过荧光光谱分析了解酶分子的构象；可研究各种基团在酶分子中的作用、结构、特性和功能。如α-胰凝乳蛋白酶侧链的氨基修饰形成亲水性更强的-NH-COOH，酶的热稳定性在60℃时提高1000倍，这种酶能在极端条件而不失活，具有很高的应用价值。经过这种方法修饰后的酶制剂，特别是蛋白酶和脂肪酶，在食品行业和洗涤剂行业中显示出巨大的应用潜力。

（四）分子内或分子间交联

某些含有双功能基团的化合物如戊二醛、己二胺、葡聚糖二乙醛等，它们可使酶分子内或分子间肽链的两个游离氨基酸侧链基团之间形成共价交联，这种修饰方法称为分子内或分子间交联。

通过分子内交联修饰，可以使酶分子的空间构象更稳定，从而提高酶分子的稳定性。例如，采用葡聚糖二乙醛对青霉素酰化酶进行分子内交联修饰，可使该酶在55℃时半衰期延长9倍，而最大反应速度不变。

分子间修饰主要产生杂合酶，如有人用戊二醛将胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶交联在一起，可将生理功能不同的两种药用酶交联在一起，便可在体内将它们输送到同一个部位从而提高药效。

（五）氨基酸置换修饰

将酶分子肽链上的某一个氨基酸置换成另一个氨基酸的修饰方法，称为氨基酸置换修饰。例如，利用化学修饰法将枯草杆菌蛋白酶活性部位的丝氨酸转换为半胱氨酸，但是化学修饰法专一性差，而且要对酶分子进行逐个修饰，难以工业化生产。

（六）金属离子置换修饰

通过金属离子置换修饰，可以了解各种金属离子在酶催化过程中的作用。例如，酰基化氨基酸水解的活性部位含有Zn^{2 +}，用Co^{2 +}置换后，其催化N-氯-乙酰丙氨酸水解的最适pH从8.5降低为7.0。该酶对N-氯-乙酰丙氨酸的米氏常数K_m增大，亲和力降低；同时，Co^{2 +}对N-氯-乙酰丙氨酸等六种底物的水解活力增加，而对N-氯-乙酰蛋氨酸等三种底物活力降低。在实际应用中可对不同底物选用不同的酶。

酶的化学修饰方法及应用

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