第五章 酶分子的化学修饰
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第五章 酶分子的化学修饰
酶分子化学修饰：就是在分子水平上对 酶进行改造，以达到改构和改性的目的。 在体外将酶分子通过人工的方法与一些 化学物质，特别是一些有生物相容性的 物质进行共价连接，从而改变酶的结构 和性质。这些化学物质称为修饰试剂， 酶化学修饰主要用于基础酶学的研究和 疾病治疗。
酶化学修饰的应用领域
加H2OLeabharlann Baidu亲水头部 疏水尾部
加酶液
EE E
SP
图：反相胶团的结构和酶的分布
二、酶分子的内部修饰
（一）非催化活性基团的修饰：通过对非 催化残基的修饰可以改变酶的动力学性 质，改变酶对特殊底物的亲和力；通常 可被修饰的氨基酸残基既可以是亲核的， 也可以是亲电子的，还可以是是可氧化 残基。
（二）酶蛋白主链的修饰：主要是靠酶法 进行修饰，用蛋白酶对主联进行部分水 解，可以改变酶的催化特性。
在工业上的应用 酶稳定性提高，使生产成本降低 反应条件的改善和酶寿命的延长导致生产工
艺的技术革新和改进。
主要研究内容
第一节 酶分子的化学修饰方法 第二节 酶化学修饰的基本要求 第三节 酶蛋白肽链的大分子修饰 第四节 修饰酶的化学性质
第一节 酶分子的化学修饰方法
一、酶的表面修饰
（一）化学固定化：一般是直接通过 酶表面的氨基酸残基将酶分子共价 连接到惰性载体上；由于载体的引 入，使酶所处的微环境发生改变， 进而改变了酶的性质，特别是动力 学性质发生了改变。
丁二酮、1，2-环己二酮、苯乙 二醛等。
二、修饰反应的条件：修饰反应应尽 量在酶稳定条件下进行，并尽量不 破坏酶活性必需基团，修饰率高， 活力回收要高。
（五）分子间交联：利用一些双功能 或多功能试剂将不同的酶交联在一 起形成杂化酶。例如用戊二醛把胰 蛋白酶和胰凝乳蛋白酶交联在一起， 可以降低胰凝乳蛋白酶的自溶性； 将胰蛋白酶与碱性磷酸脂酶交联形 成的杂化酶可作为部分代谢途径的 模型。
（六）脂质体包埋：一些医药用酶， 如 SOD、溶菌酶等，由于分子量较 大，不易进入人体细胞内，而且在 体内半衰期短，产生免疫原性反应； 用脂质体包埋法纪可解决这些问题。 制止提是天然脂类或类固醇组成的 微球体，酶分子包埋在其内部，可 以通过与细胞的膜融合或内吞作用 而进入细胞内。
（七）反相胶团微囊化：这是近年 来发展起来的酶在有机相中进行催 化的技术，反相胶团中酶的稳定性 大大提高；一些表面活性剂溶解在 非极性有机溶剂中时可自发地形成 近似球状的反相胶团，反相胶团是 表面活性剂的疏水尾部朝外而极性 头部朝内的微胶团，其内部可容纳 一定量的水，酶溶解在其中避免变 性（见图）。
（二）酶的小分子修饰作用
主要是利用一些小分子修饰试剂， 通过共价结合来修饰酶的一些基 团（如-COO-、-NH3+、-SH、
-OH、咪唑基等），提高酶的稳定 性。常用的小分子修饰试剂有乙 基、糖基和甲基等。
（三）酶的大分子修饰作用
可分为非共价修饰和共价修饰两大类：
1、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。
5、吲哚基的化学修饰：
2-羟基-5-硝基苄溴、光敏试 剂、4-硝基苯硫氯等。
6、甲硫氨酸侧链基团的化学修饰：
H2O2、光敏试剂、碘代乙酰胺等。 7、二硫键的化学修饰：
2-巯基乙醇、二硫苏糖醇、过 甲酸等。
8、酚基的化学修饰：
N-乙酰咪唑、碘化反应、四硝 基甲烷、偶氮化试剂、二异丙基氟 磷酸。
9、胍基的化学修饰：
在基础酶学研究上
探测酶活性必需氨基酸的性质和数目 酶蛋白一级结构的测定 酶蛋白的结构变化与运动 酶蛋白部分区域的构象状态 酶的作用机理与催化反应历程 酶分子的拓扑学以及寡聚酶的亚基结合状态 酶的固定化技术 酶纯度的分析与检测
在疾病治疗上 克服酶在体内的不稳定性 消除或降低酶的抗原性 有助于酶分子到达并集中于病灶细胞
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。
（三）酶侧链基团的性质与反应性质
1、对巯基的化学修饰：
常用的修饰试剂有烷化剂、汞试剂 和Ellman试剂等。
2、大分子共价修饰：利用一些可溶性 大分子，通过共价键连接于酶分子的 表面，形成一层覆盖层，形成的可溶 性酶具有许多有用的性质。例如用聚 乙二醇共价修饰超氧化物歧化酶 （SOD），不仅可以降低或消除酶 的抗原性，而且提高了抗蛋白酶的能 力，延长了半衰期，从而提高了药效。
（四）分子内交联：增加酶分 子表面的交联键数目是提高酶 稳定性的有效方法之一，例如 胰凝乳蛋白酶上的羧基经过羰 二亚胺活化后，可以与一系列 二胺发生作用，使酶的稳定性 得到改善。
2、氨基的化学修饰：
常用的修饰试剂有乙酸酐、2，4，6三硝基苯磺酸、2，4-二硝基氟苯、烷基 化试剂、丹磺酰氯(DNS)和苯异硫氰酸酯 （ PITC）等。
3、羧基的化学修饰：
水溶性羰二亚胺或氨化反应、 硼氟化三甲锌盐反应、甲醇-盐酸 酯化反应等。
4、咪唑基的修饰反应：
焦碳酸二乙酯反应、碘代反应、 碘化反应等。
对依赖辅因子的酶可用两种方法进行修饰：
如果辅因子与酶是非共价结合的,可以将 辅因子共价结合于酶分子上；
引入新的具有更强反应的辅因子。 四、金属酶的金属取代
酶分子中的金属离子可以被其他金 属离子取代，可以改变酶的专一性、稳 定性等。
第二节 酶化学修饰的基本要求
一、被修饰酶的性质 （一）酶的稳定性：包括热稳定性、酸
（三）催化活性基团的修饰：通过选择 性修饰催化活性氨基酸的侧链来实现 氨基酸残基的取代，使一种氨基酸侧 链转化为另一种氨基酸侧链，这种方 法又称为化学突变法。
（四）肽链伸展后的修饰：酶蛋白经过 脲、盐酸胍处理，使肽链充分伸展， 对酶分子内部的疏水基团进行修饰， 然后在适当条件下，重新进行折叠。
三、与辅因子相关的修饰
酶分子化学修饰：就是在分子水平上对 酶进行改造，以达到改构和改性的目的。 在体外将酶分子通过人工的方法与一些 化学物质，特别是一些有生物相容性的 物质进行共价连接，从而改变酶的结构 和性质。这些化学物质称为修饰试剂， 酶化学修饰主要用于基础酶学的研究和 疾病治疗。
酶化学修饰的应用领域
加H2OLeabharlann Baidu亲水头部 疏水尾部
加酶液
EE E
SP
图：反相胶团的结构和酶的分布
二、酶分子的内部修饰
（一）非催化活性基团的修饰：通过对非 催化残基的修饰可以改变酶的动力学性 质，改变酶对特殊底物的亲和力；通常 可被修饰的氨基酸残基既可以是亲核的， 也可以是亲电子的，还可以是是可氧化 残基。
（二）酶蛋白主链的修饰：主要是靠酶法 进行修饰，用蛋白酶对主联进行部分水 解，可以改变酶的催化特性。
在工业上的应用 酶稳定性提高，使生产成本降低 反应条件的改善和酶寿命的延长导致生产工
艺的技术革新和改进。
主要研究内容
第一节 酶分子的化学修饰方法 第二节 酶化学修饰的基本要求 第三节 酶蛋白肽链的大分子修饰 第四节 修饰酶的化学性质
第一节 酶分子的化学修饰方法
一、酶的表面修饰
（一）化学固定化：一般是直接通过 酶表面的氨基酸残基将酶分子共价 连接到惰性载体上；由于载体的引 入，使酶所处的微环境发生改变， 进而改变了酶的性质，特别是动力 学性质发生了改变。
丁二酮、1，2-环己二酮、苯乙 二醛等。
二、修饰反应的条件：修饰反应应尽 量在酶稳定条件下进行，并尽量不 破坏酶活性必需基团，修饰率高， 活力回收要高。
（五）分子间交联：利用一些双功能 或多功能试剂将不同的酶交联在一 起形成杂化酶。例如用戊二醛把胰 蛋白酶和胰凝乳蛋白酶交联在一起， 可以降低胰凝乳蛋白酶的自溶性； 将胰蛋白酶与碱性磷酸脂酶交联形 成的杂化酶可作为部分代谢途径的 模型。
（六）脂质体包埋：一些医药用酶， 如 SOD、溶菌酶等，由于分子量较 大，不易进入人体细胞内，而且在 体内半衰期短，产生免疫原性反应； 用脂质体包埋法纪可解决这些问题。 制止提是天然脂类或类固醇组成的 微球体，酶分子包埋在其内部，可 以通过与细胞的膜融合或内吞作用 而进入细胞内。
（七）反相胶团微囊化：这是近年 来发展起来的酶在有机相中进行催 化的技术，反相胶团中酶的稳定性 大大提高；一些表面活性剂溶解在 非极性有机溶剂中时可自发地形成 近似球状的反相胶团，反相胶团是 表面活性剂的疏水尾部朝外而极性 头部朝内的微胶团，其内部可容纳 一定量的水，酶溶解在其中避免变 性（见图）。
（二）酶的小分子修饰作用
主要是利用一些小分子修饰试剂， 通过共价结合来修饰酶的一些基 团（如-COO-、-NH3+、-SH、
-OH、咪唑基等），提高酶的稳定 性。常用的小分子修饰试剂有乙 基、糖基和甲基等。
（三）酶的大分子修饰作用
可分为非共价修饰和共价修饰两大类：
1、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。
5、吲哚基的化学修饰：
2-羟基-5-硝基苄溴、光敏试 剂、4-硝基苯硫氯等。
6、甲硫氨酸侧链基团的化学修饰：
H2O2、光敏试剂、碘代乙酰胺等。 7、二硫键的化学修饰：
2-巯基乙醇、二硫苏糖醇、过 甲酸等。
8、酚基的化学修饰：
N-乙酰咪唑、碘化反应、四硝 基甲烷、偶氮化试剂、二异丙基氟 磷酸。
9、胍基的化学修饰：
在基础酶学研究上
探测酶活性必需氨基酸的性质和数目 酶蛋白一级结构的测定 酶蛋白的结构变化与运动 酶蛋白部分区域的构象状态 酶的作用机理与催化反应历程 酶分子的拓扑学以及寡聚酶的亚基结合状态 酶的固定化技术 酶纯度的分析与检测
在疾病治疗上 克服酶在体内的不稳定性 消除或降低酶的抗原性 有助于酶分子到达并集中于病灶细胞
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。
（三）酶侧链基团的性质与反应性质
1、对巯基的化学修饰：
常用的修饰试剂有烷化剂、汞试剂 和Ellman试剂等。
2、大分子共价修饰：利用一些可溶性 大分子，通过共价键连接于酶分子的 表面，形成一层覆盖层，形成的可溶 性酶具有许多有用的性质。例如用聚 乙二醇共价修饰超氧化物歧化酶 （SOD），不仅可以降低或消除酶 的抗原性，而且提高了抗蛋白酶的能 力，延长了半衰期，从而提高了药效。
（四）分子内交联：增加酶分 子表面的交联键数目是提高酶 稳定性的有效方法之一，例如 胰凝乳蛋白酶上的羧基经过羰 二亚胺活化后，可以与一系列 二胺发生作用，使酶的稳定性 得到改善。
2、氨基的化学修饰：
常用的修饰试剂有乙酸酐、2，4，6三硝基苯磺酸、2，4-二硝基氟苯、烷基 化试剂、丹磺酰氯(DNS)和苯异硫氰酸酯 （ PITC）等。
3、羧基的化学修饰：
水溶性羰二亚胺或氨化反应、 硼氟化三甲锌盐反应、甲醇-盐酸 酯化反应等。
4、咪唑基的修饰反应：
焦碳酸二乙酯反应、碘代反应、 碘化反应等。
对依赖辅因子的酶可用两种方法进行修饰：
如果辅因子与酶是非共价结合的,可以将 辅因子共价结合于酶分子上；
引入新的具有更强反应的辅因子。 四、金属酶的金属取代
酶分子中的金属离子可以被其他金 属离子取代，可以改变酶的专一性、稳 定性等。
第二节 酶化学修饰的基本要求
一、被修饰酶的性质 （一）酶的稳定性：包括热稳定性、酸
（三）催化活性基团的修饰：通过选择 性修饰催化活性氨基酸的侧链来实现 氨基酸残基的取代，使一种氨基酸侧 链转化为另一种氨基酸侧链，这种方 法又称为化学突变法。
（四）肽链伸展后的修饰：酶蛋白经过 脲、盐酸胍处理，使肽链充分伸展， 对酶分子内部的疏水基团进行修饰， 然后在适当条件下，重新进行折叠。
三、与辅因子相关的修饰