第七章 酶工程制药

第七章第一节 第二节 第三节 第四节 第五节

酶工程制药

概述 酶和细胞的固定化 固定化酶和固定化细胞的反应器 酶工程研究的进展 酶工程在医药工业中的应用

第一节

概

述

一、酶的特性 酶是生物催化剂，大多数酶的本质是蛋 白质，有些酶是核酸。 酶是由活细胞产生的具有特殊催化功能 的一类蛋白质。其特点： ①催化效率高； ②专一性强； ③反应条件温和； ④催化活性受到调节和控制。

酶由国际酶学委员会分为六大类： 氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、 裂合酶类、异构酶类、合成酶类。

二、酶工程简介 酶工程是酶学和工程学相互渗透结合发 展而形成一门新的技术学科。 它是从应用的目的出发研究酶、应用酶 的特异性催化功能，并通过工程化将相应 原料转化成有用物质的技术。

20世纪20年代初出现，当时主要是自然 酶制剂在工业上的大规模应用，1953年提 出固定化酶技术，1969年利用该技术成功 拆分了混旋氨基酸。 1971年第一届国际酶工程会议提出的酶 工程主要内容是：酶的生产、分离、纯化、 固定化、固定化的反应器、酶与固定化酶 的应用。

现代酶工程的主要研究内容： (1)酶的分离、提纯、大批量生产及应用开 发。 (2)酶和细胞的固定化及酶反应器的研究 (包括酶传感器、反应检测等)。 (3)酶生产中基因工程技术的应用及遗传修 饰酶(突变酶)的研究。

(4)酶的分子改造与化学修饰以及酶的结构 与功能之间关系的研究。 (5)有机相中酶反应的研究。 (6)酶的抑制剂、激活剂的开发及应用研究。 (7)抗体酶、核酸酶的研究。 (8)模拟酶、合成酶及酶分子的人工设计、 合成的研究。

酶工程优点： 工艺简单、效率高、生产成本低、环境污 染小、产品收率高、纯度高。

三、酶的来源 动物、植物、微生物，直接从生物体中 分离提纯。化学合成方法目前还不成熟。 早期是以动植物为原料进行提取，由于 动植物生长周期长、来源有限、受地理、 气候和季节等因素的影响，不适于大规模 生产。 目前的工业生产一般都以微生物为主要 来源，工业上应用的酶大多采用微生物发 酵法来生产。

微生物生产酶制剂的优点： (1)种类繁多，酶的品种齐全。 (2)生长繁殖快，生产周期短、产量高。 (3)培养方法简单，原料来源丰富，价格低， 效益高，并可通过控制培养条件来提高酶 的产量。 (4)有较强的适应性和应变能力，可以通过 各种遗传手段，培育出新的高产菌株。

四、酶的生产菌 1、对菌种的要求 产酶量高，酶的性能符合使用要求，最 好是胞外酶； 不是致病菌、在系统发育上

与病源体无 关，不产生毒素； 稳定，不易变异退化，不易感染噬菌体； 能利用廉价原料，发酵周期短，易于培 养。

2、生产菌的来源 菌种保藏机构、有关研究部门； 从自然界中分离筛选：土壤、深海、温 泉、火山、森林都是菌种采集地。 筛选包括菌样采集、菌种分离、初筛、 纯化、复筛、生产性能鉴定。 生产菌的改良：基因突变、基因转移、 基因克隆。

3、目前常用的产酶微生物 (1)大肠杆菌：一般属于胞内酶，需要经过 细胞破碎才能得到。 谷氨酸脱羧酶，用于测定谷氨酸含量或 γ-氨基丁酸；天冬氨酸酶，催化延胡索酸 加氨生成L-天冬氨酸；苄青霉素酰化酶， 生成新的半合成青霉素或头孢霉素；β-半 乳糖苷酶，用于分解乳糖。

(2)枯草杆菌：淀粉酶、葡萄糖氧化酶、碱 性磷酸酯酶等。 (3)啤酒酵母：转化酶、丙酮酸脱羧酶、乙 醇脱氢酶等。 (4)曲霉(黑曲霉和黄曲霉):有胞外酶和 胞内酶，糖化酶、酸性蛋白酶、淀粉酶、 果胶酶、葡萄糖氧化酶、氨基酰化酶、脂 肪酶等。

(5)米曲霉：糖化酶和蛋白酶，在传统的酒 曲和酱油曲中得到广泛应用。 (6)木霉：纤维素酶，含有较强的17α-羟化 酶，常用于甾体转化。 (7)青霉：产黄青霉用于生产葡萄糖氧化酶、 青霉素酰化酶；橘青霉用于生产脂肪酶、 葡萄糖氧化酶、凝乳蛋白酶。

(8)根霉：糖化酶、α-淀粉酶、转化酶、酸 性蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶，含有较强 的11α-羟化酶，常用于甾体转化。 。 (9)链霉菌：葡萄糖异构酶、青霉素酰化酶、 纤维素酶、碱性蛋白酶、中性蛋白酶，含 有丰富的11α-羟化酶，可用于甾体转化。 。 (10)植物细胞：大蒜-超氧化物歧化酶、木 瓜-木瓜蛋白酶、菠萝-菠萝蛋白酶。

五、提高药用酶产量的措施 1、添加诱导物 诱导酶的发酵生产，在发酵培养基中添 加适当的诱导物，可使产酶量显著提高。 乳糖诱导β -半乳糖苷酶，纤维二糖诱 导纤维素酶。 诱导物可分为三种：酶的作用底物、酶 的反应产物、酶的底物类似物。

2、控制阻遏物浓度 有些酶的合成受到阻遏物的阻遏作用， 应设法解除阻遏作用来提高酶的产量。 3、添加表面活性剂 表面活性剂的离子型对细胞有毒害作用， 只能使用非离子型表面活性剂， 表面活性剂可聚集在细胞膜上，增加细 胞通透性，有利于酶的分泌，可增加酶的 产量。

4、添加刺激剂 在植物细胞培养生产次级代谢产物的过 程中，添加某些刺激剂可显著提高次级代 谢物的产量。 真菌的细胞壁碎片或其有效成分、微生 物胞外酶以及一些小分子物质。 5、添加产酶促进剂 植酸钙镁可使霉菌蛋白酶

和橘青霉磷酸 二酯酶的产量提高1-20倍。