酶工程的研究进展及应用.doc
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1、酶工程的研究进展及应用 摘 要 酶工程是现代生物技术的重要组成部分,它作为一项高新技术将为工业的发展起重 要推动作用。本文主要综述了人工合成酶和模拟酶, 核酸酶与抗体酶,以及非水系酶新 酶种的理论和技术研究的最新进展及酶工程在各工业中的应用,对酶工程的发展前景进 行了探讨。 关键词关键词:酶工程 人工合成酶 核酸酶 应用前景 ABSTRACT Enzyme engineering is an important composing part of modern biotechnologies ,it will take great effect in industry as a new tec
2、hnology. The new advance in enzyme engineering research such as artificially synthase and mimic enzymes , ribozyme and abzyme , and the stream of new enzyme enzymes are introduced and the application of enzyme engineering in industry. The prospects of enzyme engineering are also explored. Key words:
3、 enzyme engineering artificially synthase ribozyme application 目 录 一 前言6 二 本论7 2.1 酶工程的最新研究进展 7 2.1.1 人工合成酶和模拟酶127 2.1.2 核酸酶和抗体酶35 7 2.1.3 非水系酶67 8 2.2 酶工程的应用 9 2.2.1 酶工程技术在医药工业中的应用 9 2.2.2 酶工程技术在环保中的应用 .10 2.2.3 酶工程技术在食品工业中的应用 .10 2.2.4 酶工程技术在农业中的应用 .11 2.3 酶工程技术研究应用前景 .12 三 结论.13 一 前言 酶工程是研究酶的生产和应
4、用的一门新兴学科, 它的应用范围已遍及工业、 农业、医药卫生行业、环保、能源开发和生命科学等各个方面。作为工业应用来 说, 主要目的就是利用酶的催化作用, 在较为温和的条件下, 如低温、低压等, 就可高效地将反应物转化为产物。但目前工业上直接利用酶制剂时还存在一些缺 点, 如稳定性差、使用效率低, 不能在有机溶剂中使用, 寿命不长等, 造成了使 用酶的成本升高. 世界上围绕着解决这些问题开展了大量的研究. 本文通过查阅 大量资料, 对酶工程的研究进展及应用进行简述。 二 本论 2.1 酶工程的最新研究进展 2.1.1 人工合成酶和模拟酶1 122 人工合成酶在结构上具有两个特殊部位, 一个是底
5、物结合位点, 一个是催 化位点。业已发现, 构建底物结合位点比较容易, 而构建催化位点比较困难。2 个位点可以分开设计。但是已经发现, 如果人工合成酶有一个反应过渡态的结 合位点, 则该位点常常会同时具有结合位点和催化位点的功能。人工合成酶通 常也遵循 MichaelisMenten 方程。例如.高分子聚合物聚- 4 - 乙烯基吡啶- 烷化物, 具有糜蛋白酶的功能, 含辅基或不含辅基的高分子聚合物, 具有氧化 还原酶、参与光合作用的酶和各种水解酶等功能。 在模拟酶方面, 固氮酶的模拟最令人瞩目。人们从天然固氮酶由铁蛋白和 铁钼蛋白 2 种成分组成得到启发, 提出了多种固氮酶模型。如过渡金属(铁
6、、钴、 镍等) 的氮络合物, 过渡金属(钒、钛等) 的氮化物, 石墨络合物, 过渡金属的 氨基酸络合物等。此外,利用铜、铁、钴等金属络合物, 可以模拟过氧化氢酶等。 近来, 国际上已发展起一种分子压印( molecular imprinting) 技术, 又称为 生物压印( bioimprinting) 技术。该技术可以借助模板在高分子物质上形成特异 的识别位点和催化位点。目前, 此项技术已经获得广泛的应用。例如, 模拟酶 可以用于催化反应, 分子压印的聚合物可用作生物传感器的识别单元等。 2.1.2 核酸酶和抗体酶3 35 5 近年来, 人们发现除去蛋白质具有酶的催化功能以外, RNA 和
7、DNA 也具 用催化功能。1982 年 Cech 发现四膜虫的 26SrNAD 的前体, 在没有蛋白质存 在的情况下, 能够进行内含子的自我剪接, 形成成熟的 rRNA , 证明 RNA 分 子具有催化功能, 并将其称为核酸酶(ridozyme , 有人译为核酶) 。1995 年 Cuenoud 又发现某些 DNA 分子也具有催化功能。这就改变了只有蛋白质才具 有催化功能的传统观念, 也为先有核酸, 后有蛋白质提供了进化的证据。 进一步的研究发现核酸酶的一种多功能的生物催化剂, 不仅可以作用于 RNA 和 DNA , 而且还可以作用于多糖、氨基酸酯等底物。核酸酶还可以同时 具用信使编码功能和催
8、化功能, 实现遗传信息的复制、转录和翻译, 是生命化 过程中最简单、最经济、最原始的、催化核酸自身复制和加工的方式。核酸酶 具有核酸序列的高度特异性。这种特异性使核酸酶具有很大的应用价值。只要 知道某种核酸酶的核苷酸序列, 就可以设计合成催化其自我切割和断裂的核酸 组成。根据这些基因组的全部序列, 就可设计并合成出防治有这些病毒引起的 人、畜和植物病毒病的核酸酶, 如能够防治流感、肝炎、艾滋病和烟草花叶病 等。核酸酶也可以用来治疗某些遗传病和癌病。核酸酶还可以用作研究核酸图 谱和基因表达的工具。 抗体酶的催化效率远比模拟酶高。同时, 从原理上讲, 只要能找到合适的 过渡态类似物, 几科可以为任
9、何化学反应提供全新的蛋白质催化剂抗体 酶。目前抗体酶催化的反应、闭环反应, 还能催化合成反应、交换反应、闭环 反应、异构化反应、氧化还原反应等。此外, 与模拟酶相比, 抗体酶已经用于 酶作用机理的研究, 手性药物的合成和拆分,抗癌药物的制备。目前人们正致力 于进一步提高抗体酶的催化效率, 期望在深入了解酶的作用机理, 以及抗体和 酶的结构和功能的基础上, 能够真正按照人们的意愿, 构建出具有特定催化活 性和专一性的、催化效率高的、能满足各种用途需要的抗体酶。 2.1.3 非水系酶6 67 7 众所周知, 酶不能改变反应的平衡常数( Keq) 。但是, 利用水- 有机溶剂 两相系统,可以引起实践
10、上很有用的“表现”Keq很大的改变。前已述及, 在非 水系统内酶的稳定性提高。水溶性更高、亲水性更强的酶的稳定性, 似乎取决 于微环境内存在水的薄层, 大约几个水分子厚,水的数量非常微小,每个酶分 子需要50500 个水分子。酶也可以在几乎完全无水的状态下起催化作用。在 这样微小的、不含游离氢离子的环境中的pH , 是无法直接测量和控制的。然而, 酶有一种“记忆”功能。 当酶从水溶液中向有机溶剂中转移时,似乎能够“记 住”, 即保留住它最后所处环境中的pH , 以及在该pH 的功能。如果酶结合的 水被除去, 或被易于与水混溶的有机溶剂稀释, 则酶一般会失去活性。但是, 在不发生失活的条件下,
11、只要有极微量的水以及与之有关的水的活度的降低, 会大大降低酶热失活的速度。这一现象可以用于绝大多数酶。例如, 猪胰脏脂 肪酶在含有0.02 %水的三丁酸甘油酯内, 100 时的半衰期为12h ;当水分为 0.8 %时, 凌晨衰期下降到12min。而在100 %的水中, 酶将立即失活。此外, 在 水- 有机溶剂两相系统内, 水的冰点下降, 这样, 就可以在非常低的温度下, 使用对热特别不稳定的酶。降低水的活度可以使酶分子更具有刚性, 这就可能 影响到酶的Km 和Vmax 。在极端情况下, 可能引起酶的催化功能的改变。 以往, 人们都是从酶的最适pH 的水溶液中回收酶。然后, 将其研磨成粉末。 再
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