生物催化技术

生物催化技术

摘要：本文主要探讨生物催化剂的种类、生物催化酶的制备、表征、应用等方面。其中固定化酶有许多粗酶液没有的特点,但制备固定酶首先要经过大量复杂的分离、纯化工作,而且一种固定化酶只能用于特定的单步反应，以及对现代生物催化技术的发展及研究。

关键词：生物催化剂；性质；用途；发展

引言：

生物催化剂是游离的或固定的细胞或酶的总称，它们在生物反应中起着催化剂的作用。

生物催化是利用生物催化剂，改变（通常是加速）化学反应速率，合成有机化学品和药物制品。生物催化涉及三个学科的不同部分：化学中的生物化学和有机化学；生物学中的微生物学、分子生物学和酶学；化学工程学中的催化、传递工程和反应工程学。人类很早就知道利用酶和微生物细胞作为生物催化剂进行生物催化已有几千年历史，早已发明了麦芽制曲酿酒工艺，古埃及和古代中国都有历史记载。近现代认识酶是与发酵和消化现象联系在一起的。后来创造了“酶”这一术语以表述催化活性，近代科学技术对酶的认识研究，成为现代酶学与生物催化研究的基础[。

现代科学技术以及化工行业的不断发展，对于催化剂的要求越来越高，人们不断探索新的催化技术以满足不发展的化工行业的需求。与化学工业相反，生物催化技术工业是产销量不大的行业，主要应用与制药领域及少数的化工行业及视频行业。生物催化技术对化学工业的影响主要是可再生资源的生物加工。

自生物技术诞生之日起，人们就一直致力于把它应用到工业生产当中去。工业生物催化技术是生物技术应用中一个新兴和关键的领域。生物催化技术首先从和它联系做紧密的医药、农业开始，逐渐涉及到化工、材料等行业，并通过它们影响社会生产、生活的各个方面。美国21实际发展规划中预计，到2020年，通过生物催化技术，将实现降低化学工业原料消耗、水资源消耗、能量消耗30%，

减少污染物的排放和污染扩散

以蛋白质酶的工程应用为核心的工业生物催化技术,被认为是生物技术继生物医药和转基因植物之后的第三次浪潮。它的发展与应用将对人类的工业化学过程带来根本的变革。

工业生物催化的兴起与以下的两个关键技术因素有密切的关系:(1)蛋白质定向进化技术的出现,(2)基因组学和蛋白质组学的发展。探讨了工业生物催化技术的现状和发展趋势,

并对我国如何发展该领域的基础和应用研究提出一些见解。

1.生物催化剂的种类及性质

1.1 生物催化剂的种类：

从酶的作用和功能的发现过程中了解到，人们最早使用的是游离的细胞活体，即使用这些细胞中的酶作为生物催化剂；在此基础上考虑将该酶蛋白质从细胞中提取分离出来。

比较纯的催化剂形态进行的反应催化，也可以采用固定化技术将酶或细胞固定在惰性固体表面后再使用。

因此，固定化细胞和固定化酶又称固定化催化剂

生物催化剂的类别如下：

生长细胞、休止细胞、冻干细胞、处理细胞

1.2 生物催化剂的性质

生物催化剂具有催化高效性，催化种类的专一性及反应条件专一性三大基本性质。生物催化剂的三大特征决定了生物催化剂的广泛的用途[6]。

2.固定化酶的制备方法:

2.1传统的制备方法：

2.1.1吸附法

吸附法是利用物理吸附法，将酶固定在纤维素、琼脂糖等多糖类或多孔玻璃、离子交换树脂等载体上的固定方式。显著特点是：工艺简便及条件温和，包括无

机、有机高分子材料，吸附过程可同时达到纯化和固定化；酶失活后可重新活化，载体也可再生。但要求载体的比表面积要求较大，有活泼的表面。

2.1.2包埋法

包埋固定化法是把酶固定聚合物材料的格子结构或微囊结构等多空载体中，而底物仍能渗入格子或微囊内与酶相接触。这个方法比较简便，酶分子仅仅是被包埋起来，生物活性被破坏的程度低，但此法对大分子底物不适用。

(1)网格型将酶或包埋在凝胶细微网格中，制成一定形状的固定化酶，称为网格型包埋法。也称为凝胶包埋法。(2)微囊型把酶包埋在由高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶。由于形成的酶小球直径一般只有几微米至几百微米，所以也称为微囊化法。

2.1.3结合法

酶蛋白分子上与不溶性固相支持物表面上通过离子键结合而使酶固定的方法，叫离子键结合法。其间形成化学共价键结合的固定化方法叫共价键结合法。共价键结合法结合力牢固，使用过程中不易发生酶的脱落，稳定性能好。该法的缺点是载体的活化或固定化操作比较复杂，反应条件也比较强烈，所以往往需要严格控制条件才能获得活力较高的固定化酶。

2.1.4交联法

交联法是用多功能试剂进行酶蛋白之间的交联，使酶分子和多功能试剂之间形成共价键，得到三向的交联网架结构，除了酶分子之间发生交联外，还存在着一定的分子内交联。多功能试剂制备固定化酶方法可分为：(1) 单独与酶作用；( 2) 酶吸附在载体表面上再经受交联；( 3) 多功能团试剂与载体反应得到有功能团的载体，再连接酶。交联剂的种类很多，最常用的是戊二醛，其他的还有异氰酸衍生物、双偶氮二联苯胺、N，N-乙烯马来酰亚胺等。交联法的优点是酶与载体结合牢固，稳定性较高；缺点是有的方法固定化操作较复杂，进行化学修饰时易造成酶失活。

2.2新型的制备方法：

2.2.1共价固定法:

酶分子表面存在很多可供利用的化学基团。选择性地利用酶分子表面远离活

性位点的特定稀有基团(如巯基)进行反应，使该基团与载体上另一基团共价交联来同定酶蛋白，使其活性中心朝向溶液方向，以达到控制其空间取向的目的。Collioud等化学合成一个异双功能试剂(N-[m一[3一(trifluoromethyl)diazirin-3-yl]phenyl]一4一maleimidobutyr amide)，他们利用这种双功能试剂成功地实现了氨基酸、合成肽和抗体Fab片段的定向固定。Stein等通过衍生全氟叠氮基苯疏水交联共价固定一种脂链细胞蛋白，取得了一致的空间取向。固定后的蛋白质分子结合牢固、稳定性佳，不能被离子或非离子去污剂清除。

2.2.2氨基酸置换法:

利用基因定点突变技术在蛋白质分子表面合适位置置换一个氨基酸分子，通过该氨基酸残基特殊的侧链基团控制固定方向。Huang等通过定点突变在枯草蛋白酶(subtil2isin)分子表面远离活性中心的位置引入半胱氨酸(Cys)残基。经蛋白质空间折叠后暴露出Cys，然后利用Cys残基上的巯基固定枯草蛋白酶分子，取得了较好的固定效果，固定效率和固定后催化活性均有很大提高。

2.2.3抗体耦联法:

大多数抗体具有足够的稳定性承受各种活化与偶联方法。抗体分子中很多可供偶联用的官能团可以通过赖氨酸的ε-氨基或末端氨基、天冬氨酸的β-氨基、谷氨酸的γ-氨基或末端羧基进行一般性的偶联。Spitznagel等用碘乙酸活化多孔玻璃珠来定向固定抗体酶(abzyme)48G7-4A1的Fab片段，抗体酶Fab片段保持了很好的催化活性。抗体分子Fc区的糖链部分氧化可产生醛基，醛基与载体上的氨基通过缩合反应可实现定向固定。醛基若与载体上的酰肼通过腙键结合实现抗体分子的定向固定，与随机固定相比，固定后抗体稳定性提高的同时免疫吸附活性也提高了3倍。

2.2.4生物素--亲和素亲合法:

生物素是存在于所有活细胞内但含量甚微(<0．0001％)的中性小分子辅酶。亲和素是一个含有四个相同亚基的四聚体，每个亚基均含一个生物素结合位点(解离常数10~5mol／L) 。生物素与亲和素或相应细菌中的链霉亲和素有高专一