酶工程_05-酶分子修饰-2012 (1)
酶工程名词解释
12、酶反应器（enzyme reactor）：用于酶催化反应的容器及其附属设备
8、固定化酶（immobilized enzyme）：固定在载体上并在一定的吸附法：利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面，而使酶固定化的方法，称……
10、包埋法：将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法
11、必需水：维持分子完整的空间构象所必须的最低水量称……
名词解释：
1。酶工程：酶的生产，改性，与应用的技术过程称为酶工程。主要内容包括：微生物发酵产酶、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。
主要任务是经过预先设计，通过人工操作活的人们所需要的酶，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。
2、酶的提取：是指在一定的条件下，用适当的溶剂或溶液处理含酶原料，使酶充分溶解到溶剂或溶液中去的过程称为酶的提取。
3、沉淀分离：通过改变某些条件或添加某种物质，使酶的溶解度降低，而从沉淀中析出，与其他溶质分离的技术过程
4、凝胶层析/凝胶过滤/分子排阻层析/分子筛层析等：是指以各种多孔凝胶为固定相，利用流动相中所含各种组分的相对分子质量不同而达到物质分离的一种层析技术。
5、酶分子修饰：通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的催化特性的技术过程称……
6、结晶：是溶质以晶体形式从溶液中析出的过程。
7、固定华生物技术（immobilization biotechnoly）；通过物理或化学手段将酶或游离细胞定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复利用。
酶工程习题(答案全)
第一章绪论一、名词解释1、酶: 是具有生物催化功能的生物大分子2、酶工程:酶的生产与应用的技术过程称为酶工程。
它是利用酶的催化作用进行物质转化的技术,是将酶学理论与化工技术、微生物技术结合而形成的新技术，是借助工程学手段利用酶或细胞、细胞器的特定功能提供产品的一门科学3、核酸类酶：为一类具有生物催化功能的核糖核酸分子。
它可以催化本身RNA 剪切或剪接作用，还可以催化其他RNA，DNA多糖，酯类等分子进行反应4、蛋白类酶：为一类具有生物催化功能的蛋白质分子，它只能催化其他分子进行反应。
5、酶的生产:是指通过人工操作获得所需酶的技术过程。
主要包括微生物发酵产酶，动植物培养产酶，酶提取和分离纯化等6、酶的改性是通过各种方法改进酶的催化特性的技术过程,主要包括酶分子的修饰，酶固定化,酶非水相催化等7、酶的应用：是通过酶的催化作用获得人们所需要的物质或者不良物质的技术过程,主要包括酶反应器的选择和设计以及酶在各领域的应用等。
8、酶的专一性:又称为特异性,是指酶在催化生化反应时对底物的选择性,即在一定条件下，一种酶只能催化一种或一类结构相似的底物进行某种类型反应的特性。
亦即酶只能催化某一类或某一种化学反应.9、酶的转换数：酶的转换数Kp。
又称为摩尔催化活性，是指每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数二、填空题1、根据分子中起催化作用的主要组分的不同,酶可以分为_________和____________两大类。
2、核酸类酶分子中起催化作用的主要组分是__________,蛋白类酶分子中起催化作用的主要组分是________________.3、进行分子内催化作用的核酸类酶可以分为________________，_________________。
4、酶活力是_______________的量度指标，酶的比活力是_______________的量度指标，酶的转换数的主要组分是________________的度量指标。
酶工程名词解释
酶工程：由酶学与化学工程技术、基因工程技术、微生物学技术相结合而产生的一门新的技术科学.它利用酶的催化作用，在一定的生物反应器中,将相应的原料转化成所需的产品。
锁钥学说（酶的专一性）：酶与底物分子或底物分子的一部分之间，在结构上有严格的互补关系诱导契合学说:酶分子的构象与底物原来并非恰当吻合，只有当底物分子与酶分子相互碰撞时，可诱导底物的构象发生变化，使其与底物配合,然后才结合形成中间络合物，进而引起底物分子发生相应的化学变化。
酶：由生物体细胞合成的具有选择性催化功能的生物大分子( 包括蛋白质和核酸）单纯酶（simple enzyme）:仅由氨基酸残基构成的酶。
结合酶(全酶)(conjugated enzyme):由蛋白部分（酶蛋白apoenzyme)和非蛋白部分(辅助因子cofactor)组成辅酶（coenzyme）：与酶蛋白结合疏松,可用透析或超滤的方法除去。
辅基（prosthetic group）：与酶结合紧密,不能用透析或超滤的方法除去。
酶的活性中心：酶蛋白上只有少数氨基酸残基参与酶对底物的结合和催化，这些相关氨基酸残基在空间上比较靠近，形成一个与酶显示活性直接有关的区域，称为酶的活性中心。
必需基团：酶活性中心的一些化学基团为酶发挥催化作用所必须，这些基团若经化学修饰使其改变,则酶的活性丧失，称为必需基团。
接触残基（contact residues）：和底物直接接触，参与底物的化学转变，是活性中心的重要组成部分。
.辅助残基(auxiliary residues)：使酶与底物相互结合，辅助接触残基。
结构残基（structural residues）:维持蛋白酶形成一种有规则的空间构象非贡献残基（non-contributing residues）：不参与酶的催化功能，对酶活性的显示不起作用结合基团：与底物结合的部位，决定酶的专一性;催化基团：促使底物发生化学变化的部位，决定反应的性质。
结构域:蛋白质肽链中一段较独立的具有完整、致密立体结构的区域。
酶工程-05-酶分子修饰
2)专一性化学修饰 （2）位点专一性修饰（亲和标记） 含有活泼反应基团的底物类似物：
①与S结构相似，与活性中心的氨基酸残基亲和力大，而与 活性中心以外的氨基酸残基亲和力小。
②具有活泼的化学基团（如卤素）可与活性中心的基团形 成稳定的共价键。
Enzyme Engineering
位点专一性修饰
18
Enzyme Engineering
酶的结构
研究酶活性中心的方法
2、化学修饰法 1)非专一性化学修饰 用非专一性的修饰试剂与氨基酸侧链基团相互作
用。
Problem???
怎样判断化学试剂是同活性中心内的必需基团结 合？
How to determine ?
Enzyme Engineering
催化特性
研究角度 —— 酶学
环境适应性
研究酶分子中一级结构的改变对酶空间构象的影响，进一步探 索酶的结构与催化特性之间的关系
探测酶活性必需氨基酸的性质和数目 探索酶分子的拓扑学及寡聚酶的亚基结合状态 探测酶蛋白部分区域的构象状态，以及结构变化与运动 探索酶的作用机理和催化反应历程
Enzyme Engineering
Enzyme Engineering
酶分子修饰
大分子结合修饰
Macromolecules combine modification
采用水溶性大分子与酶的侧链基团共价结合，使酶分子的空
间构象发生某些精细的改变，从而改变酶催化特性的方法 常用的大分子
Enzyme Engபைடு நூலகம்neering
酶分子修饰
酶分子修饰的条件
修饰反应尽可能在酶稳定条件下进行，并尽量不破坏维 持酶活性功能的必需基团
现代酶工程-5-酶分子的化学修饰
天然酶与修饰酶在生物体内半衰期的比较
修饰剂 酶 羧肽酶C 精氨酸酶 -淀粉酶 谷氨酰胺酶-天门 冬酰胺酶 L-天门冬酰胺酶 尿酸酶 -葡萄糖苷酶 超氧化岐化酶 尿激酶 氨基己糖苷酶A 精氨酸酶 酰苷脱氨酶 L-天门冬酰胺酶 过氧化氢酶 右旋糖酐 右旋糖酐 右旋糖酐 糖肽 聚丙氨酸 白蛋白 白蛋白 白蛋白 白蛋白 PVP PEG PEG PEG PEG PEG 半衰期或酶活残留率(%)/时间 天然酶 3.5 h 1.4 h 16%/2 h 1h 3h 4h 10 min 6 min 20 min 5 min 1h 30min 2h 0%/6 h 18%/3 h 修饰酶 17 h 12 h 75%/2 h 8.2 h 21 h 20 h 3h 4h 90 min 35 min 12 h 28 h 24 h 10%/8 h 65%/3 h
（三）酶的大分子修饰作用 ——非共价修饰 ——共价修饰
大分子非共价修饰
——利用一些大分子试剂通过与酶非共价相互 作用，对酶进行有效的保护 ——例如聚乙二醇、右旋糖苷等通过氢键固定 于酶分子的表面，同时又有效地与外部水相连， 从而保护酶的活力；一些多元醇、多糖、多聚 氨基酸、多胺等能通过调节酶的微环境来保护 酶活力；另外一些蛋白质可以通过相互作用， 排除分子表面的水分子，降低介电常数，使酶 的稳定性增加。
一、被修饰酶的性质 （一）酶的稳定性： （二）酶活性中心的状况： （三）酶侧链基团的性质与反应性 二、修饰反应的条件： （一）pH与离子强度 （二）修饰反应的温度与时间 （三）反应体系中酶与修饰剂的比例
一、被修饰酶的性质
（一）酶的稳定性 —包括热稳定性、酸碱稳定性，作用温度以 及pH，酶蛋白解离时的电化学性质，抑制剂 的性质等。 （二）酶活性中心的状况 —包括酶分子活性中心的组成，如参与活性 中心的氨基酸残基、辅因子等。酶分子的形 状、大小以及寡聚酶的亚基组成。
2012级名词解释酶工程
名词解释：每章的关键词（英文），就是表达本章中心内容的有实质意义的词汇。
各章重点第一章绪论一、酶工程的概念、分类及其研究内容。
生物酶工程的内容、什么是核酶二、简述酶活力测定方法的原理；酶活力单位；比活力等第二章酶的生物合成与发酵生产一、克隆酶：利用DNA重组技术而大量生产的酶。
二、什么是抗体酶？抗体酶：抗体酶是一类免疫系统产生的、具有催化活性的抗体。
三、酶生物合成的模式四、一些概念的区别：操纵子与操纵基因、诱导酶与组成酶、胞内酶与胞外酶、产酶动力学五、原核酶合成调节的类型有哪些？六、在酶制剂工业生产中为什么以微生物发酵生产为主？七、如何提高酶的产量？1选育优良的产酶细胞株系（生产组成型酶突变株的筛选，抗分解代谢阻遏突变株的选育，抗反馈阻抑突变株的筛选）2添加诱导物3控制阻遏物浓度4添加表面活性剂5添加产酶促进剂第三章酶的提取与分离纯化一、细胞破碎的目的、方法及原理。
二、酶抽提的目的及方法。
三、常用沉淀法的种类及原理。
四、常用沉淀法的种类及原理。
盐析法分离蛋白质的原理。
五、简述酶分离纯化方法及工艺程序的选择策略。
先选用非特异的、低分辨的技术，去除主要的杂质并使酶溶液浓缩；如沉淀、超滤和吸附等。
随后采用高效分离的手段；如离子交换层析、亲和层析。
将最昂贵、最费时的分离单元放在最后阶段。
如凝胶过滤层析。
六、简述影响酶提取的主要因素及影响规律。
抽提溶质的性质（酸性酶宜用碱性溶剂抽提，碱性酶宜用酸性溶液抽提，极性大的酶宜用极性溶剂抽提，含有较多非极性基团的酶宜用有机溶剂抽提。
）。
抽提溶剂的用量（增加用量可以提高酶的提取率。
但是过量的抽提溶剂，会使酶的浓度降低，对酶的进一步分离纯化不利。
用量一般为原料体积的3~5倍，最好分次抽提）温度（提取时温度对酶的提前效果有明显影响。
一般来说，适当提高温度，可以提高酶的溶解度，增大酶分子的扩散速度。
但温度过高易引起酶变性失活，所以提取温度不宜过高。
要根据被抽提酶的酶学性质选择适宜温度）pH 对酶的溶解度和稳定性有显著影响。
酶工程
一. 何谓酶工程，试述其主要内容和任务。
酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程。
酶工程的主要内容包括：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。
酶工程的主要任务是经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，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。
二. 蛋白类酶和核酸类酶的分类和命名有何异同？按照分子中起催化作用的主要组分的不同，酶可以分为蛋白类酶和核酸类酶两大类别。
它们的分类和命名总原则是相同的，都是根据酶作用的底物和催化反应的类型进行分类和命名。
两者分类与命名的显著区别是蛋白类酶只能催化其他分子进行反应，而核酸类酶既可以催化酶分子本身也可以催化其他分子进行反应。
三. 蛋白类酶的分类原则如下：1.按照酶催化作用的类型，将蛋白类酶分为六大类：第一大类，氧化还原酶；第二大类，转移酶；第三大类，水解酶；第四大类，裂合酶；第五大类，异构酶；第六大类，合成酶；2.每个大类中，按照酶作用的底物、化学键或基团的不同，分为若干亚类；3.每一亚类中再分为若干小类；4.每一小类中包含若干个具体的酶。
四. 核酸类酶采用以下分类原则：1.根据酶作用的底物是其本身RNA分子还是其他分子，将核酸类酶分为分子内催化R酶（自我剪切酶、自我剪接酶）和分子间R酶（RNA剪切酶、DNA剪切酶、多肽剪切酶、多糖剪切酶、氨基酸酯剪切酶、多功能酶）两大类；2.在每个大类中，根据酶的催化类型不同，将R酶分为若干亚类。
五. 酶活力单位：在特定条件下，每1min催化1μmol的底物转化为产物的酶量定义为1个酶活力单位，单位为UI。
六. 酶活力的测定方法：1.根据酶催化的专一性，选择适宜的底物，并配制一定浓度的底物溶液；2.根据酶的动力学性质，确定酶催化反应的温度、pH、底物浓度、激活剂浓度等反应条件；3.在一定条件下，将一定量的酶液和底物溶液混合均匀，适时记下反应开始的时间；4.反应到一定的时间，取出适量的反应液，运用各种生化检测技术，测定产物的生成量或底物的减少量七. 酶的生物合成有生长偶联型、中期合成型、延续合成型和非生长偶联型4种模式。
酶工程教学大纲
《酶工程》课程教学大纲总学时数：30一、课程的地位、性质和任务酶工程（enzyme engneering）是生物技术专业的主干必修课，是酶学、微生物学的基本原理与化学工程有机结合而产生的一门新的科学技术，在生物技术人才培养中处于至关重要的地位。
它涉及细胞工程、基因工程、发酵工程、生物分离工程和化学工程等诸多学科，主要内容包括酶的发酵生产、酶的分离纯化、酶和细胞固定化以及酶的分子工程。
学生通过酶工程的学习，能够掌握酶的生产与分离纯化的基本理论、基本技术以及自然酶、化学修饰酶、固定化酶的研究和应用，了解酶在各行各业中的最新发展及研究趋势。
二、课程教学的基本要求学生通过酶工程的学习，应熟悉从应用目的出发研究酶，在一定生物反应装置中利用酶的催化性质的研究路线，掌握酶的生产与应用的基本理论、基本技术、酶的分离纯化、固定化酶以及酶的化学修饰的研究和应用，进一步了解酶在各行各业中实际应用的最新发展和发展趋势，在以后的毕业环节和工作中能够自觉地应用这些技术方法来指导自己的工作。
本课程理论课30学时，于本科三年级第二学期开设。
讲授方式：1．讲授2．利用CAI课件三、各章主要内容、学时分配及教学要求第一章绪论 2学时【单元目标】1．了解酶工程的研究意义；2．掌握酶工程的概念及研究内容。
【授课内容】一．酶与酶工程发展简史（一）酶学研究简史（二）酶工程研究简史二. 酶工程简介1.酶工程2.组成3.分类第二章微生物发酵产酶 4学时【单元目标】1.掌握酶生物合成的调节类型及调节机制2.了解产酶微生物的分离和选育方法3.了解动植物细胞与微生物细胞发酵产酶的异同【授课内容】第一节酶生物合成及调节一、酶的生物合成（一）RNA的生物合成--转录(transcription) （二）蛋白质的生物合成--翻译(translation) 1．翻译2．翻译过程即蛋白质的合成过程二、酶生物合成的调节（一）基因调控理论（二）酶合成调节的类型1.诱导 (induction)2.阻遏 (repression)（三）酶合成的调节机制三、提高酶产量的策略（一）菌种选育1.诱变育种2.基因工程育种（二）条件控制第二节酶发酵动力学一、细胞生长动力学（Monod方程）二、产酶动力学(一) 酶生物合成的模式1.生长偶联型2.部分生长偶联型3.非生长偶联型(二) 产酶动力学第三节微生物发酵产酶一、产酶微生物的分离和选育二、微生物发酵产酶方法1.固体培养2.液体培养3.固定化细胞三、微生物酶的类型1.胞外酶2.胞内酶第三章动、植物细胞培养产酶2学时一、动植物细胞与微生物细胞主要特性差异二、植物细胞培养产酶1.植物细胞培养的特点、提取法缺点2.培养基特点3.培养方法4.培养条件的影响与控制5.植物细胞培养产酶实例三、动物细胞培养产酶1.动物细胞培养的特点2.培养基3.培养方法4.培养条件的影响与控制第四章酶的提取与分离纯化 12学时【单元目标】1．掌握酶分离纯化的常用方法及其原理2．掌握几种常用的电泳方法及操作步骤2．了解酶的纯化方案的设计【授课内容】第一节酶的分离4学时一、发酵液预处理(一)发酵液的相对纯化(二)发酵液的固液分离二、细胞破碎（一）细胞壁组成（二）细胞破碎的方法（三）细胞破碎确认三、酶的提取(extraction)（一）理想提取液具备的条件、目标原则（二）提取方法四、离心分离（一）基本原理（二）离心机的种类（三）常用离心方法1．差速离心2．密度梯度离心3. 等密度梯度离心又称沉降平衡离心（四）应用五、沉淀分离（根据溶解度的不同）（一）盐析沉淀法（改变离子强度）（二）有机溶剂沉淀（降低介电常数）（三）等电点沉淀(isoelectric precipitation) （四）有机聚合物沉淀法（五）选择性变性沉淀法六、萃取（extraction）分离（一）溶剂萃取法（二）双水相萃取技术（三）超临界流体萃取（四）反胶团萃取第二节酶的精制5学时一、膜分离技术（一）扩散膜分离（二）加压膜分离（三）电场膜分离二、层析法（一）吸附层析（adsorption chromatography）1.原理2.吸附剂3.洗脱剂4.应用（二）凝胶过滤层析)(gel filtration chromatography)1.基本原理2.凝胶的种类和性质3.操作4.应用（三）离子交换层析（ion exchange chromatography，IEC）1. 原理2. 阴离子交换剂分离蛋白质的过程3. 操作4. 应用- 制备纯化生物大分子（四）疏水层析（hydrophobic interaction）1、原理2. 吸附剂3. 操作4. 应用（五）亲和层析(affinity chromatography)1. 原理2. 基质的选择3. 配体的选择4. 偶联（亲和吸附剂的制备）5. 操作及应用(六) 高效（压）液相层析（HPLC：high performance（pressure）liquid chromatography)1. 基本原理2. 分类3. 色谱仪组成第三节电泳一、电泳的基本理论1. 原理2. 电泳的分类3. 电泳常用设备二、聚丙烯酰胺凝胶电泳1.原理2.分离效应三、SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳1. 原理2. 操作四、等电聚焦 ( isoelectric focusing，IEF )1. 原理2. 操作3. 应用第四节酶的浓缩、干燥与结晶2学时一、酶的浓缩(一)蒸发浓缩(二)超滤浓缩(三)吸水剂(四)反复冻融浓缩(五)沉淀法二、酶的干燥三、酶的结晶（一）结晶的条件（二）结晶的方法第五节纯化方案的设计与评价１学时一、纯化方案的设计（一）纯化方法的选择依据（二）纯化方法的排序二、纯化方案的评价（一）酶活力测定（二）蛋白质浓度测定（三）提纯倍数与回收率第五章酶分子的化学修饰 2学时【单元目标】1．掌握酶活性中心的概念及共性2．了解酶化学修饰的目的及原理3．了解酶化学修饰的种类及应用【授课内容】第一节酶的活性中心一、活性中心的概念二、活性中心的共性三、研究酶活性中心的方法1.物理学方法2.化学修饰法3.蛋白质工程第二节酶化学修饰及修饰目的一、酶化学修饰1.限制酶大规模应用的原因2.改变酶特性有两种主要的方法3.酶化学修饰的概念二、酶化学修饰的目的1.研究酶的结构与功能的关系2.人为改变天然酶的某些性质，扩大酶的应用范围第三节酶化学修饰的原理一、如何增强酶天然构象的稳定性与耐热性二、如何保护酶活性部位与抗抑制剂三、如何维持酶功能结构的完整性与抗蛋白水解酶四、如何消除酶的抗原性及稳定酶的微环境第四节酶化学修饰的设计一、充分认识酶分子的特性二、修饰剂的选择三、反应条件的选择第五节酶化学修饰的种类及应用一、酶的表面化学修饰（一）大分子修饰（大分子结合修饰）1．定义2．修饰剂3．应用（二）小分子修饰（酶蛋白侧链基团修饰）1．定义2．侧链基团修饰剂3．几种重要的修饰反应（三）交联修饰（交联法）（四）固定化修饰（共价偶联法）二、酶分子内部修饰（一）蛋白主链修饰（肽链有限水解修饰）（二）氨基酸置换修饰（三）金属离子置换修饰第六章酶与细胞的固定化 2学时【单元目标】1．掌握固定化酶和固定化细胞的定义及特点2．了解固定化酶和固定化细胞的性质及应用【授课内容】第一节酶与细胞的固定化一、固定化酶和固定化细胞的定义及特点1.固定化酶 (immobilized enzyme)2.固定化细胞（immobilized cell）二、固定化方法（一）酶的固定化方法1.吸附法（adsorption）2.共价偶联法（covalent binding or covalent coupling）3.交联法（crosslinking）4.包埋法(encapsulation)（二）各种固定化方法的优缺点比较（三）细胞的固定化方法1.固定化细胞的分类2.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一、固定化酶的性质二、固定化细胞的性质三、固定化酶（细胞）的评价指标第三节固定化酶与固定化细胞的应用一、在工业生产上的应用1．氨基酰化酶（Aminoacylase）2．葡萄糖异构酶二、固定化酶在医学上的应用1．消血栓2. 人工肾三、在分析检测中的应用1. 酶传感器1）酶传感器的原理2）酶传感器的应用2. 酶联免疫测定第七章酶反应器 2学时【单元目标】1．了解酶反应器的几种类型2．了解酶反应器的设计原理及操作【授课内容】第一节酶反应器的特点与类型一、酶反应器的类型（一）搅拌罐型（Stirred Tank Reacter, STR）（二）固定床型（也称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ）（三）流化床型(Fludized Bed Reactor, FBR)（四）膜式反应器(Membrane Reactor)（五）鼓泡塔型反应器二、酶反应器的发展第二节酶反应器的设计与选择一、酶反应器的设计1.设计目的2.设计原理（依据）二、酶反应器的选择（一）酶的应用形式（二）底物的物理性质（三）反应操作要求（四）酶的稳定性（五）应用的可塑性及成本三、酶反应器的操作第八章酶的应用 4学时【单元目标】1．了解酶在医药方面的应用2．了解酶在食品方面的应用3．了解酶在化工方面的应用4. 了解酶在环境保护方面的应用5. 了解酶在生物技术领域的应用【授课内容】第一节酶在医药方面的应用第二节酶在食品方面的应用第三节酶在化工方面的应用第四节酶在环境保护方面的应用第五节酶在生物技术领域的应用四、使用教材与主要参考书目录1教材《酶工程》（第二版）作者：郭勇科学出版社 20042 主要参考书目郭勇现代生化技术，华南理工大学出版社， 1996郭勇酶的生产与应用，化学工业出版社个，2003罗贵民酶工程，化学工业出版社，2002张树政酶制剂工业，科学出版社，1984邹国林酶学，武汉大学出版社， 1997五、考核方法和成绩构成本课程为考试考核，包括两部分：期中及平时为30%，期末70%。
酶工程名词解释
酶工程名词解释
一、酶工程
酶工程是以酶为有效的生物催化剂，设计、构建、运用和优化不同的复合体（如多肽、蛋白质、核酸、抗原或抗体）在生命过程中进行酶反应的研究和应用。
它涉及技术有基因工程、蛋白质工程、分子生物学以及分子生物计算等。
酶工程主要用于增强活性及特性，修饰活性中心位点，调整热稳定性，改介质和改变温度等来改善反应的速率、生物效率、稳定性以及产物的生产效率。
酶工程是一种创新的可持续发展的生物技术方法，可有效地改进和提高酶的功能，提高活性，改进反应条件以及提高应用性能。
二、酶
酶是一种特殊的蛋白质，它以酶基因的形式存在于细胞中，在体内发生化学反应可以催化，并以消除不必要的化学反应而达到一定目的。
酶有许多作用，比如可以分解有机分子、形成新的分子或改变分子结构，改变酶结构调节性质和功能，可以促进重要化学反应的进行，维持细胞代谢的正常发挥作用，可以帮助细胞适应外界环境变化，抑制和抗毒素的作用。
三、酶的催化机理
酶的催化机理是指酶通过把化学反应的活性中心结合到自身的
活性中心，形成一个活性复合物，使反应次序从量子化学反应的一步
反应，变成现代酶催化反应的多步复杂反应，从而提高反应速率和效率。
酶催化反应的催化机理可分为几个步骤：
1. 抑制反应体：酶将会抑制原始反应体，从而降低反应的活化能；
2. 促进反应发生：酶通过质点，可以促进反应物间的作用力和配位作用力，从而促进反应的发生；
3. 选择性反应：酶可以选择性地使反应物与活性中心结合，从而确保反应发生的选择性；
4. 调节反应进程：酶还可以调节反应的进程，防止反应的不必要产生，保证反应发生的稳定性。
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。
酶工程-酶分子修饰-Enzyme Engineering
第二节 酶分子的侧链基团修饰
酶分子侧链基团修饰（side residues modification）就指是 通过采用一定的方法使酶分子的侧链基团发生改变，从而 改变酶分子的特性和功能的修饰方法。
酶分子的侧链基团修饰的作用 ① 研究各种基团在酶分子中的作用及其对酶的结构、特性
和功能的影响，分析酶的活性中心中的必需基团 修饰后不引起酶活力显著变化——非必须基团 修饰后酶活性显著降低或消失——必需基团
分子内交联修饰
大分子结合修饰
亲和修饰
酶分子的组成单位置换修饰
酶分子的金属离子置换修饰
酶分子的物理修饰
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第一节 酶分子的主链修饰
定义 酶分子的主链修饰（main chain modification）就是利用酶
分子主链的切断和连接，使酶分子的化学结构及空间结构 发生某些改变，从而改变酶的特性和功能的技术方法。 酶分子的主链修饰的技术方法
主链连接修饰的方法 基因工程技术与酶工程技术交叉融合 经过分子生物学操作，将两种或两种以上的酶的基因 融合在一些形成融合基因，再经过克隆和表达，就有 可能获得各种多酶融合体
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天冬氨酸激酶—高丝氨酸脱氢酶融合体 双头酶（double-headed enzyme）：一条主链具有两
种酶活性的酶。
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一、氨基修饰
氨基修饰：采用某些化合物使酶分子侧链上的氨基发生改 变，从而改变酶蛋白的空间构象的方法称为氨基修饰。
氨基修饰剂：凡能够使酶分子侧链上的氨基发生改变的化 合物，称为氨基修饰剂。
亚硝酸，2,4-二硝基氟苯（DNFB）、丹磺酰氯（DNS）、 2,4,6-三硝基苯磺酸（TNBS）、醋酸酐、琥珀酸酐、二硫化 碳、乙亚胺甲酯、O-甲基异脲（MIU）、顺丁烯二酸酐等。
生物工程酶工程（名词解释打印版）
酶工程：酶分为蛋白类酶和核酸类酶。
没的生产，改性与应用技术过程叫酶工程。
酶的生产是指通过各种方法获得人们所需的酶的技术过程，主要包括微生物发酵产酶，动植物培养产酶和酶的提取与分离纯化等。
酶的改性是通过各种方法改进酶的催化特性的技术工程，主要包括酶分子修饰，酶固定化，酶非水相催化和酶定向进化等。
酶的应用是通过酶的催化作用获得人们所需的物质或者除去不良物质的技术过程，主要包括酶反应器的选择与设计以及酶在各个领域的应用等。
酶工程主要包括：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。
酶工程的主要任务是经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，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。
抑制剂：能够使酶的催化活性降低或者丧失的物质称为酶的抑制剂。
抑制剂有可逆性抑制剂和不可逆抑制剂之分。
不可逆抑制剂与酶分子结合后，抑制剂难于除去，酶活性不能恢复。
可逆抑制剂与酶结合是可逆的，只要将抑制剂除去，酶活性即可恢复。
根据可逆性抑制作用的机制不同，酶的可逆性抑制作用可分为竞争性抑制，非竞争性抑制和反竞争性抑制三种。
竞争性抑制：是指抑制剂和底物竞争与酶分子结合而引起的抑制作用。
非竞争性抑制：指抑制剂与底物分别与酶分子上的不同位点结合而引起酶活性降低的抑制作用。
反竞争性抑制：在底物与酶分子结合生成中间复合物后，抑制剂再与中间复合物结合而引起的抑制作用称为反竞争性抑制。
1.标志酶：通常可以将只分布于细胞内某个特定组分的酶称为标志酶，可以将它作为细胞组分鉴别的依据，甚至可以判别组织或器官是否发生病变。
2.寡聚酶：由两个或两个以上的亚基组成的酶，分子量一般高于30kDa，具有四级结构。
构成寡聚酶的亚基可以相同，也可以不同，亚基之间一般以非共价键排列。
3.多酶复合体：多酶复合体由两个或两个以上的酶靠非共价键连接而成4.液体深层发酵：也称浸没式培养，它利用液体培养基，在发酵罐内进行的一种搅拌通气培养方式，发酵过程需要一定的设备和技术条件，动力消耗也较大，但是原料的利用率和酶的产量都较高，培养条件容易控制。
酶工程
二、酶工程简介由酶学与化学工程、基因工程、微生物学技术相结合而产生的一门新的技术科学。
它从应用目的出发，研究酶的产生、酶的制备与改造、酶反应器以及酶的各方面应用。
（酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程）分为：化学酶工程与生物酶工程。
1.化学酶工程（初级酶工程）酶化学与化学工程技术相结合的产物。
主要研究内容：酶的制备、酶的分离纯化、酶与细胞的固定化技术、酶分子修饰、酶反应器和酶的应用。
2. 生物酶工程（高级酶工程）在化学酶工程基础上发展起来的、酶学与现代分子生物学技术相结合的产物。
生物酶工程主要研究内容（1）用基因工程技术大量生产酶（克隆酶）（2）用蛋白质工程技术定点改变酶结构基因（突变酶）（3）设计新的酶结构基因，生产自然界从未有过的性能稳定、活性更高的新酶。
当前酶工程的主要任务是：研制分解纤维素和木质素的酶、使低分子有机物聚合的酶、检测用酶、能分解有毒物质的酶及废物综合利用酶。
利用基因工程技术开发新酶品种和提高酶产量。
固定化酶和细胞、固定化多酶体系及辅助因子再生体系，特定生物反应的研究和应用。
用微生物和动植物组织研究生物传感器。
非水系统的反应技术，酶分子的修饰与改造以及酶型高效催化剂的人工合成研究。
一、酶的分类（一）根据酶的化学组成可将酶分为：1.单纯蛋白酶类：只含有蛋白质成分2.结合蛋白酶类（全酶）：含有蛋白成分（酶蛋白）和非蛋白成分（辅助因子）二）根据酶蛋白结构特点可将酶分为单体酶：以一个独立的三级结构为完整生物功能分子的最高结构形式的酶。
寡聚酶：以一个独立的四级结构为完整生物功能分子的最高结构形式的酶。
多酶复合体：由多种酶彼此镶嵌成一个功能完整的具有特定结构的复合体, 它们相互配合依次进行，催化连续的一系列相关反应。
国际酶学委员会（EC）规定，每个酶都有唯一的特定标码，其书写方式是：EC 数字.数字.数字.数字乙醇脱氢酶的编码是： EC1.1.1.1第一个“1”——第1大类，即氧化还原酶类；第二个“1”——第1亚类，供氢体为CHOH；第三个“1”——第1亚亚类，受氢体为NAD+；第四个“1”——在亚亚类中的顺序号。
酶工程 第五章酶分子修饰 第一节金属离子置换修饰
若从酶分子结构中除去其所含的金属离子，酶往 往会失活，若重新加入原有的金属离子，酶可以恢复 原有活性，若加进不同的金属离子，则可使酶呈现不 同的特性。有的可使酶活性降低，甚至失活；有的却 可使酶的活力提高并增加酶的稳定性。
第—节 金属离子置换修饰
用于酶分子修饰的金属离子，往往是二价金属离子。例如 Ca2 , Mg 2 , Mn2 , Zn2 ,Co2 ,Cu2 , Fe2等等。金属离子置换修饰法只适用于本来 在结构中含有金属离子的 金属离子置换修饰
通过改变酶分于中所含的金属离子，使酶的特性 和功能发生改变的方法称为金属离子置换修饰。简称 为离子置换法。
有些酶含有金属离子。而且金属离子往往是酶活 性中心的组成部分，对酶的催化功能起重要作用。例 如：α-淀粉酶的 Ca2 ，谷氨酸脱氢酶的 Fe2 ，过氧 化氢酶中的 Zn2等等。
在离子置换修饰的过程中，首先要加入一定量的乙二胺四乙酸 (EDTA)等金属螯合物到酶液中，使酶分子中的金属离子与EDTA形成螯 合物，此时酶成为无活性状态。通过透析或超滤、分于筛层析等方法， 可将EDTA-金属螯合物从酶液中分离除去。然后用不同的金属离子加到 酶液中，酶蛋白与金属离子结合。根据离子种类的不同，经离子置换 后的酶将会出现不同的特性。有些修饰酶活性比原来酶的活性降低， 甚至完全无活性；有些修饰酶的活性比原酶活性提高；有些修饰酶的 稳定性比原酶增加等。所以只要选择到适宜的金属离子作修饰剂，去 置换原来的金属离子，就有可能提高酶活力，增加酶稳定性。
酶工程-重点整理总结
第一章绪论1、何为酶工程，试述其主要内容和任务。
答：（1）酶工程：酶的生产、改性与应用的技术过程称为酶工程。
（2）主要内容：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。
（3）主要任务：经过预先设计，通过人工操作获得人们所需的酶，并通过各种方式使酶的催化特性得以改进，充分发挥其催化功能。
2、酶有哪些显著的催化特性？答：（1）酶催化作用的专一性强（①绝对转移性：一种酶只能催化一种第五进行一种反应；②相对专一性：一种酶能够催化一类结构相似的底物进行某种相同类型的反应）；（2）酶催化作用的效率高（107~1013倍）；（3）酶催化作用条件温和。
3、简述影响酶催化作用的主要因素。
答：（1）底物浓度的影响：决定酶催化作用的主要因素。
酶催化反应速度随底物浓度增加现增加在逐步趋向平衡再反而下降。
（2）酶浓度的影响：底物浓度足够高的条件下，酶催化反应速度与酶浓度成正比。
（3）温度的影响：适宜温度范围内，酶能进行催化反应，最适温度条件下，酶的催化反应速度达到最大。
一般60°C以上易失活，5°C以下活性极低，Taq聚合酶95°C下仍稳定。
（4）PH的影响：适宜PH范围内，酶才能显示其催化活性，最适pH条件下，酶催化反应速度达到最大。
（5）抑制剂的影响：在抑制剂的影响下，酶的催化活性降低甚至丧失，从而影响酶的催化功能，有竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制。
（6）激活剂的影响：在激活剂的作用下，酶的催化活性提高或者由无活性的酶生成有催化活性的酶。
如Ca、Mg、Co、Zn、Mn、等金属离子和Cl等无机负离子。
第二章微生物发酵产酶1、试述酶生物合成的基本过程。
答：（1）RNA的生物合成—转录：转录的起始、RNA链的延伸、RNA链合成的终止、RNA前体的加工；（2）蛋白质的生物合成—翻译：氨基酸活化生成氨酰-tRNA、肽链合成的起始、肽链的延伸、肽链合成的终止、蛋白质前体的加工。
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Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
大分子修饰的作用 —— 增强酶的稳定性
水溶性大分子与酶结合，在酶分子外层形成保护层，可以保护 酶的空间构象 不溶性大分子与酶结合，形成固定化 酶，也提高酶的稳定性 稳定性的表征 —— 半衰期
酶的半衰期：酶活力降低到原来活力一半时所经过的时间 半衰期 6 min 7h 14 h 24 h 35 h 相对稳定性 1 70 140 240 350
例如：L-天冬酰胺酶 [EC 3.5.1.1] 经 PEG 修饰后抗原性显著降低， 已经在 1994 年被 FDA 批准用于治疗急性淋巴性白血病
修饰反应
分离
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酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）
PEG 既可溶于水，又可溶于多种有机溶剂 微毒或无毒 免疫原性低
生物相容性好，已通过 FDA 认证
分子量范围很宽，从几百到数十万，选择余地大 末端有两个能被活化的 —OH 基团
谷氨酸脱氢酶 —— Zn2+ 过氧化氢酶 —— Fe2+ 酰基氨基酸酶 —— Zn2+ 超氧化物歧化酶 —— Cu2+、Zn2+ 细胞色素 P450 单加氧酶 —— Fe2+ 固氮酶 —— Fe(II)、Mo(IV) 谷胱甘肽过氧化物酶 —— Se(IV)
Cyt P450
主要的金属离子
叠氮法：将—OH转化为—N3 基团
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酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— MPEG
琥珀酸酐法（溴代或碘代琥珀酸酐）
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酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— MPEG
重氮法：将—OH转化为—N=N 基团
酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 右旋糖酐
溴化氰（CNBr）法：糖酐活化
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酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 右旋糖酐
溴化氰（CNBr）法：与酶偶联
Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 右旋糖酐
探测酶活性必需氨基酸的性质和数目 探索酶分子的拓扑学及寡聚酶的亚基结合状态 探测酶蛋白部分区域的构象状态，以及结构变化与运动 探索酶的作用机理和催化反应历程
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酶 分 子 修 饰
酶分子修饰的条件
修饰反应尽可能在酶稳定条件下进行，并尽量不破坏维 持酶活性功能的必需基团
化特性的技术过程
酶分子工程（enzyme molecular engineering）
指按照酶的各种特性的需要，依据结构－性能间的关系，在分 子水平上实现酶的结构设计和操作
分子生物学水平：用基因工程方法对 DNA 或 RNA 进行分子改 造，以获得化学结构更合理的酶蛋白 一级结构水平：对天然的酶分子进行改造，包括酶一级结构中氨 基酸臵换、肽链切割、氨基酸侧链修饰等
pH 值与离子强度
决定了酶蛋白分子中反应基团的解离状态
修饰反应的温度与时间
严格控制温度和时间可以减少以至消除一些非专一性的修饰反应
反应体系中酶与修饰剂的比例
控制二者的比例，防止酶的过度修饰而导致的活性完全丧失
Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
影响酶蛋白化学修饰反应进程的因素
一种结合金属的酶，以一个或几个金属离子作为 辅因子 金属离子或是直接参与催化作用，或是对保持酶的活性和构象起 稳定作用 金属酶纯化时仍保留着定量 的功能金属离子
Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
金属离子置换修饰
常见的金属酶及其离子种类
-淀粉酶 —— Ca2+、Mg2+、Zn2+
Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 肝素
碳二亚胺法（—COOH 反应）
Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 肝素
三氯均三嗪法
Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
酶蛋白功能基团反应性 功能基团 pKa值 选 择 性 吸 附
修饰剂的反应性
微 区 极 性
氢 键 效 应
静 电 效 应位 阻 效 应静 电 相 Nhomakorabea互 作 用
位 阻 效 应
催 化 因 素
局 部 环 境 极 性
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酶 分 子 修 饰
化学修饰的方法学
分析方法
直接法 ——光谱法追踪检查 间接法 ——修饰后水解测定
酶 分 子 修 饰
化学修饰的方法学
蛋白酶 功能改变
修饰发生在活性部位或必需基团上 ——蛋白质活性的丧失与修饰程度呈化学计量关系 修饰是否可逆 ——当修饰基团去除后酶是否恢复活力 是否修饰远离活性部位的氨基酸
化学修饰结果
修饰残基 的稳定性
原始修饰后，修饰残基是否发生共价改变 ——基团转移（酰基、巯基、卤素） ——基团降解或氧化（碘化物脱碘等） 修饰产物不稳定，在纯化时被水解 某些修饰反应不易检测 —— Hg 修饰巯基的同时能裂解二硫键 ——色氨酸形成配合物，但光谱被酪氨酸光谱掩盖
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酶 分 子 修 饰
对酶进行分子修饰的原因和依据
在非生理条件下，酶的某些性质不满足工程应用
生理最适温度、pH 值 ≠ 体外最适温度、pH 值 酶分子对热、酸、碱、有机溶剂的耐受性较差 酶在非生理条件下活力下降，抗原性显著
理论依据和方法
酶的结构特点与酶催化特性的关系：构效关系 理性设计（rational design）：找出关键结构，在掌握酶的构 效关系的基础上，有目的地对其进行改造 半理性设计（semi-rational design）：以基因的随机重组为手 段，参考酶的构效关系进行关键位点的改造
高碘酸（HIO4）氧化法
Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 右旋糖酐
高碘酸（HIO4）氧化法：增加连接臂
Enzyme Engineering
酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 肝素（heparin）
由 D--葡萄糖醛酸（或 L--艾杜糖醛酸）和 N-乙酰氨基葡萄 糖形成重复二糖单位组成的多糖 在体内外都有抗凝血作用 临床上主要用于血栓栓塞性疾病、心肌梗死、心血管手术、心 脏导管检查、体外循环、血液透析等
大分子结合修饰的方法
选择修饰剂
选择溶解性好、生物相容性好、抗原性弱、无毒的大分子 聚乙二醇（PEG）、寡聚糖、多糖及其衍生物等
修饰剂的活化
将修饰剂分子中的基团（—OH）转化为高反应性的基团
将活化过的修饰剂与纯化的酶液按照一定比例混合反应，控制温 度、pH 等条件 层析分离，除去多余的修饰剂
加入含另一种金属离子的溶液，酶蛋白与其结合
用透析或层析等方法除去未结合的离子
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酶 分 子 修 饰
金属离子置换修饰
金属离子臵换修饰的作用
阐明金属离子对酶催化作用的影响
一般在活性中心的金属离子能与底物或辅酶 / 辅基可逆结合，从 而起到催化作用 将 Zn 型-淀粉酶臵换成 Ca 型，活力可提高 20%～30% Fe-SOD 臵换成 Mn-SOD 后稳定性增强，对 NaN3 敏感性降低
未被发现 的修饰
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酶 分 子 修 饰
酶分子修饰的种类
金属离子臵换修饰（重点） 大分子结合修饰（重点） 侧链基团修饰（重点） 亲和修饰 肽链有限水解修饰（重点） 核苷酸链有限水解修饰 氨基酸臵换修饰 核苷酸臵换修饰 酶分子的物理修饰 酶的定向进化修饰
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酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
修饰剂 —— 右旋糖酐（dextran）
右旋糖酐是由葡萄糖通过 -1,6-糖苷键 形成的高分子多糖
水溶性较好
生物相容性好 糖链上的 2,3-双羟基 经活化后可与酶分子中的氨基结合
Enzyme Engineering
大分子修饰酶 天然 SOD 右旋糖酐-SOD Ficoll(低分子量)-SOD Ficoll(高分子量)-SOD PEG-SOD
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酶 分 子 修 饰
大分子结合修饰
大分子修饰的作用 —— 降低或消除抗原性
酶非经口（如注射）进入人体后，会成为一种抗原，刺激体内 产生抗体；当这种酶再次注射进体内时，抗体就会与作为抗原 的酶特异地结合，使酶失去催化功能 经过大分子修饰，酶蛋白的空间结构发生改变，致使酶蛋白与 抗体之间不再发生特异性识别，从而降低了酶蛋白与体内抗体 的结合几率