酶在制药方面的应用之生物工程期末综述

摘要 酶的生产与应用的技术过程称为酶工程。它是现代生物技术的重要组成部分，为各工业的发展起到了推动作用。酶工程制药是生物制药的主要内容之一，主要包括药用酶的生产和酶法制药的技术。酶法制药技术中就包括了固定化酶在制药方面的应用。

关键词 酶工程 酶制药 酶的固定化 游离酶 固定化酶

英文 Enzyme production and application of technical process is called enzyme engineering. It is the important component of modern biological technology, played the impetus for the development of various industries. The enzyme project drugs manufacture is one of the pharmabio primary coverages, mainly includes the technology of production and enzyme law drugs manufacture of medicinal enzyme. In enzyme law drugs manufacture technology has included the application of fossilization enzyme in drugs manufacture.

正文

一、固定化酶的发展

  固定化酶是指固定在载体上并在一定的空间范围内进行催化反应的酶。

  固定化酶的研究是从上世纪50年代开始，以聚氨基苯乙烯树脂为载体，经过重氮化法活化后分别与羧肽酶、淀粉酶、胃蛋白酶、核糖核酸酶等结合而制成固定化酶。60年代后期，固定化技术迅速发展，使得酶工程作为一个的学科从发酵工程中脱颖而出。

  在固定化酶的研究制备过程中，起初是采用经提取和分离纯化后的酶进行固定化。后来随着固定化技术的发展，也可以采用含酶菌体或菌体碎片进行固定化，直接应用菌体或菌体碎片的酶或酶系进行催化反应，这称之为固定化菌体。

二、固定化酶的特性

  将酶固定化制成固定化酶以后，可以基本保持酶的空间结构和活性中心的完整性，能够在一定的空间范围内进行催化反应。但是受到载体的影响，酶的结构发生了某些改变从而使酶的催化特性发生某些变化。酶的特性有以下几点：

1.稳定性

  固定化酶的稳定性比游离酶要稳定。固定化酶可以耐受较高的温度，在一定条件下其保存时间较长。对蛋白酶的抵抗性较强，不易被蛋白酶水解。

2.最适温度

  固定化酶的最适温度和游离酶差不多，但也有一些固定化酶的最适温度会有所变化。而且，同一种酶在不同的方法或不同的载体进行固定化后，其最适温度也可能会不同。因此，固定化酶受到固定化方法和固定化载体的影响。

3.最适pH

  酶进过固定化后，其最适pH会发生一些变化。影响固定化酶最适pH的因素有主要两个，载体的带电性质和酶催化反应产物的性质。

4.底物特性

  固定化酶底物特异性与底物分子量的大小有关。固定化酶底物特异性的改变是由载体的空间位阻作用引起的。酶固定在载体上以后使大分子底物难以接近酶分子而使催化速度大大降低，而分子量较小的底物受空间位阻作用的影响较小或不受影响，故与游离酶的作用没有显著不同。

三、固定化酶在药物生产中的应用

  现代酶工程的技术先进，投资小，能耗量低，效率高效益大和污染小等优点。酶在制药工业中的作用主要是催化前提物质转化为药物，因此，固定化酶已广泛得应用于医疗、食品、化学等等领域中。

1.固定化酶在生物传感器方面的应用

  生物传感器是用生物活性材料与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的检测方法和监控方法。生物传感器采用的是固定化生物活性物质作为催化剂，可以多次使用。生物传感器具有以下特点：

 ⑴专一性强，只对特定的底物有反应作用

⑵准确度高，误差小

⑶分析速度快，可以在1分钟内得到结果

⑷成本低，大大降低了生产资金

⑸操作系统比较简单，容易实现自动化分析

  应用于最早的葡萄糖传感器是采用固定化葡萄糖氧化酶的生物膜作为活性材料，有氧的条件下，样品中的葡萄糖组分接触到固定在膜上的葡萄糖氧化酶时会被转化为过氧化氢和葡萄糖酸。产生的过氧化氢可以通过电化学的方法测量，而葡萄糖的浓度和过氧化氢的浓度之间存在着线性关系，因此可以得出葡萄糖的浓度。利用此原理可用于多种物质的测量。

  目前，重组蛋白药物、抗体、疫苗等生物药物都来源于发酵过程，而发酵过程的监控是实现发酵过程最优化的前提。现在应用最成功的生物传感器都是利用固定化酶催化原理实现信号转换，从而实现发酵过程参数的测量。

2.青霉素酰化酶在新型抗生素生产中的应用

  半合成抗生素是将发酵获得的抗生素经过酶催化反应，使其结构发生某些改变，获得具有新的特性和功效的一类抗生素。青霉素酰化酶是半合成抗生素的生产上具有重要作用的一种酶。它以青霉素或头孢霉素为原料，可分别在青霉素的6位或者头孢霉素的7位催化酰氨键的形成与断裂，生产6-氨基青霉烷酸或7-氨基头孢霉烷酸。然后在其他酰基供体存在的条件下催化形成新的酰氨键，从而获得具有全新侧链的新型抗生素。

  天然发酵生成的青霉素有两种，一种为青霉素G，一种是青霉素V。通过青霉素酰化酶催化下进行酰基置换反应，用新的酰基供体置换苯乙酰基，就能获得多种新型的半合成青霉素。

  天然发酵生产的头孢霉素是头孢霉素C，头孢霉素C在青霉素酰化酶催化下，首先水解生产7-氨基头孢霉烷酸，再与侧链羧酸衍生物反应形成各种新型的头孢霉素。

  虽然青霉素酰化酶既可以催化酰氨键的形成，也可以催化其水解，具有催化正逆两个反应的能力。但催化水解反应和催化合成反应是所要求的条件相差很大，尤其是pH条件相差甚大，操作时要控制好。一般来说，催化水解反应时，pH为7.0~8.0，而催化合成反应时，pH降低到5.0~7.0。所以要采用两个连续但的反应器顺序进行水解和合成反应。

  在催化合成反应时，除了要控制好pH、温度和酶浓度外，还要注意反应液中6-氨基青霉烷酸或7-氨基头孢霉烷酸与侧链羧酸衍生物的比例，且在反应液中加入一些表面活性剂或异丁醇等可利于提高转化率。

3.氨基酰化酶

  这是世界上第一种工业化生产的固定化酶，用于生产各种的L-氨基酸药物。它是由日本的一家公司从米曲霉中提取分离得到的氨基酰化酶，用DEAE-葡聚糖凝胶为载体通过离子键结合法制成固定化酶，将L-乙酰氨基酸水解生成L-氨基酸，用来拆分D，L-乙酰氨基酸，连续生产L-氨基酸。剩余的D-乙酰氨基酸经过消旋化，生成D，L-乙酰氨基酸，再进行拆分。该方法生产成本比用游离酶生产成本低。

4.酶应用于中草药

  许多中草药来源于植物。但植物所含的大都是大分子成分，只有一些小分子成分才是其中的药效的成分。中草药制剂提取就是将这些有效成分从植物中提取出来，并结合辅料，制成合适的药物。由于中草药药材中植物纤维素的存在使得药材的粉碎提取难度加大。而采用纤维素酶降解纤维素，形成可溶性的单糖，从而提高了其溶解度降低黏度。另外，利于纤维素酶降解农作物秸秆中的纤维素形成可被微生物利用的可溶性单糖，可以使得生物只能系统中的微生物利用原来难以利用的纤维素作为碳源进行发酵，从而提高产能效率。

四、酶工程的制药前景、

  酶工程作为生物工程的重要组成部分，其作用的重要性已为公认，充分发挥酶的催化功能、扩大酶的应用范围、提高酶的应用效率是酶工程的主要目标。如何将酶优化生产和新酶的研究与开发都是研究重点。借助这科技的发展，将酶的应用在制药领域中发挥更大的作用。

文献参考

1.《化工文摘》 制药工业中酶催化技术的应用

2.《酶工程》 科学出版社，2005 施巧琴 主编

3.《酶学原理与酶工程》 中国轻工业出版社 2005-08-01 周晓云 主编

4.《生物制药技术》 中国轻工业出版社 第二版 郭勇 主编