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1、什么是酶分子修饰？,通过各种方法使酶分子的结构发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的技术过程称为酶分子修饰。,酶分子修饰的意义,稳定酶的天然构象保护活性部位维持酶功能结构的完整性降低酶的抗原性改变酶学性质,回本章目录,第一节 酶的化学修饰,化学修饰：在体外将酶分子通过人工的方法与一些化学基团（物质），进行共价连接，从而改变酶的结构和性质。即利用修饰剂所具有的各种化学基团特性，直接或经过一定的活化过程，与酶分子上某氨基酸残基（一般尽量选酶活性非必需基团）产生化学反应，对酶分子结构进行改造。,一、化学修饰分类,（一）酶分子主链修饰（二）酶分子侧链基团修饰（三）大分子结合修饰（四）氨基酸置换修饰
2、（五）金属离子置换修饰（六）亲和修饰,（一）酶分子主链修饰,利用酶分子主链的切断和连接，使酶分子的化学结构及其空间结构发生某些改变，从而改变酶的特性和功能的方法。主链切断修饰主链连接修饰,1、主链切断修饰,主链切断的三种情况：活性中心破坏失活活性中心完整保持活性，改变抗原性有利于活性中心的形成显示活性或活力提高,胃蛋白酶原的激活,胰蛋白酶原的激活,胰凝乳蛋白酶原的激活,2、主链连接修饰,将两种或两种以上的酶通过主链连接在一起，形成一个酶分子具有两种或多种催化活性。,（二）酶分子侧链基团修饰,酶蛋白的侧链基团：指组成蛋白质的氨基酸残基上的功能团。包括：氨基（-NH2）、羧基（-COOH）、咪唑基
3、、吲哚基、酚羟基、羟基、胍基、甲硫基等。,分子内交联修饰,含有双功能基团的化合物（双功能试剂）如戊二醛、己二胺 、葡聚糖、二乙醛等，可以在酶蛋白分子中相距较近的两个基团之间形成共价交联，从而提高酶的稳定性的修饰方法,（三） 酶的大分子修饰,采用水溶性大分子与酶蛋白的侧链基团(共价)结合使酶分子的空间构象发生改变，从而改变酶的特性与功能的方法,非共价修饰,使用一些能与酶非共价地相互作用而又能有效地保护酶的一些添加物，它们既能通过氢键固定在酶分子表面，也能通过氢键有效地与外部水相连，从而保护酶的活力。如多元醇、多糖、多聚氨基酸、蛋白质。,用可溶性大分子，如聚乙二醇、右旋糖苷、肝素等，通过共价键连接
4、于酶分子的表面，形成一层覆盖层。,共价修饰,大分子修饰(共价)的过程,修饰剂的选择：大分子结合修饰采用的修饰剂是水溶性大分子。例如，聚乙二醇（PEG）、右旋糖酐、蔗糖聚合物（Ficoll）、葡聚糖、环状糊精、肝素、羧甲基纤维素、聚氨基酸等。要根据酶分子的结构和修饰剂的特性选择适宜的水溶性大分子。修饰剂的活化：作为修饰剂中含有的基团往往不能直接与酶分子的基团进行反应而结合在一起。在使用之前一般需要经过活化，然后才可以与酶分子的某侧链基团进行反应。 修饰：将带有活化基团的大分子修饰剂与经过分离纯化的酶液，以一定的比例混合，在一定的温度、pH值等条件下反应一段时间，使修饰剂的活化基团与酶分子的某侧链
5、基团以共价键结合，对酶分子进行修饰。 分离：需要通过凝胶层析等方法进行分离，将具有不同修饰度的酶分子分开，从中获得具有较好修饰效果的修饰酶。,应用最广的修饰剂,聚乙二醇是线性分子，溶解度高，具有良好的生物相容性，在体内无毒性、无残留、无抗原性，分子末端有可活化的羟基，活化后可以与酶产生交联，因而，它被广泛用于酶的修饰。可用多种不同试剂活化，修饰不同基团聚乙二醇均三嗪、聚乙二醇琥珀酰亚胺聚乙二醇马来酸酐、聚乙二醇胺,将酶分子肽链上的某一个氨基酸换成另一个氨基酸的修饰方法称为氨基酸置换修饰,(四) 氨基酸置换修饰,氨基酸或核苷酸的置换修饰可以采用化学修饰方法例如，Bender等成功地利用化学修饰法
6、将枯草杆菌蛋白酶活性中心的丝氨酸转换为半胱氨酸，修饰后，该酶失去对蛋白质和多肽的水解能力，却出现了催化硝基苯酯等底物水解的活性。化学修饰法难度大，成本高，专一性差，而且要对酶分子逐个进行修饰，操作复杂，难以工业化生产。,1.化学修饰方法氨基酸置换,2.定点突变法氨基酸置换,现在常用的氨基酸置换修饰的方法是定点突变技术。定点突变（site directed mutagenesis）是20世纪80年代发展起来的一种基因操作技术。是指在DNA序列中的某一特定位点上进行碱基的改变从而获得突变基因的操作技术。是蛋白质工程（Protein Engineering）和酶分子组成单位置换修饰中常用的技术。定点
7、突变技术，为氨基酸或核苷酸的置换修饰提供了先进、可靠、行之有效的手段。,定点突变过程,1、酶分子结构设计（根据已知的酶结构和其存在的问题）2、突变基因序列的确定（考虑物种差异）3、突变基因的获得（DNA合成仪PCR）4、新酶的获得（重组、转入宿主、表达）,（五）金属离子置换修饰,1、概念2、作用范围3、常用金属离子4、方法步骤,1、概念,通过改变酶分子中所含金属离子，使酶的特性和功能发生改变的方法。,2、作用范围,含有金属离子的酶金属酶特点：金属离子往往是酶活性中心的组成部分，对酶的活性起重要作用。（ 1 ）若除去酶活性中心的金属离子，酶会失活，重新加入原离子则酶复活。（ 2 ）加入不同的金属
8、离子（即金属离子置换）则可使酶呈现不同特性。,3、常用金属离子,（往往是二价离子）:Ca 2+，Mg 2+，Mn 2+，Zn 2+，Co 2+，Cu 2+，Fe 2+等。,4、金属离子置换修饰的过程,a. 酶的分离纯化：首先将欲进行修饰的酶经过分离纯化，除去杂质，获得具有一定纯度的酶液。 b. 除去原有的金属离子：在经过纯化的酶液中加入一定量的金属螯合剂，如乙二胺四乙酸（EDTA）等，使酶分子中的金属离子与EDTA等形成螯合物。通过透析、超滤、分子筛层析等方法，将EDTA-金属螯合物从酶液中除去。此时，酶往往成为无活性状态。 c. 加入置换离子：于去离子的酶液中加入一定量的另一种金属离子，酶蛋
9、白与新加入的金属离子结合，除去多余的置换离子，就可以得到经过金属离子置换后的酶。 金属离子置换修饰只适用于那些在分子结构中本来含有金属离子的酶。 用于金属离子置换修饰的金属离子，一般都是二价金属离子。,（六）亲和修饰,亲和标记是一种特殊的化学修饰方法，它利用酶与底物的亲和能力，使用与底物或配体结构类似的修饰剂，对酶活性中心上的氨基酸残基进行共价修饰修饰。亲和标记光化学标记,二、酶修饰后的性质变化,热稳定性：一般来说，热稳定性有较大的提高。 抗原性：比较公认的是PEG和人血清白蛋白在消除酶的抗原性上效果比较明显。各类失活因子的抵抗力：修饰酶对蛋白酶、抑制剂均有一定的抵抗能力，从而提高其稳定性。半
10、衰期：一般在体内的半衰期得到有效延长。由于酶分子经修饰后，增强对热、蛋白酶、抑制剂等的稳定性，从而延长了在体内的半衰期。最适pH：大部分酶经化学修饰后，酶的最适pH发生了变化，这种变化在应用研究上有时具有重要意义。修饰酶最适pH更接近于生理环境，在临床应用上有较大意义。 Km的变化：大多数酶经修饰后，Vm没有明显变化，但有些酶经修饰后，Km值变大。,回本章目录,三、化学修饰方法的几个问题,决定化学修饰成败的关键是修饰的专一性，尽量少破坏必需基团，得到高的酶活力回收。为此，有时需要通过反复试验来确定。其中：对酶性质的了解：活性部位、稳定条件、反应最佳条件及侧链基团性质等； 选择修饰剂考虑：1）分
11、子量、修饰剂链长和对蛋白吸附性；2）修饰剂上反应基团的数目及位置；3）修饰剂上反应基团的活化方法和条件（一般要求较大分子量、良好的生物相容性和水溶性、分子表面有较多反应活性基团）；选择酶反应条件要注意：1）反应体系的溶剂性质、盐浓度、PH、温度、时间；2）酶与修饰剂的比例。参考：酶工程 P.86,四、酶化学修饰的应用,在医药方面：化学修饰可以提高医用酶的稳定性，延长它在体内半衰期，抑制免疫球蛋白的产生，降低免疫原性和抗原性。 在生物技术领域：化学修饰酶能够提高酶对热，酸，碱和有机溶剂的耐性，改变酶的底物专一性和最适pH等酶学性质。 在酶结构功能研究中：1.研究酶空间结构与功能的关系，如酶的活性
12、中心研究；2.确定氨基酸残基的功能；3.测定酶分子中某种氨基酸的数量。,五、酶蛋白化学修饰的局限性,1.某种修饰剂对某一氨基酸侧链的化学修饰专一性是相对的，很少有对某一氨基酸侧链绝对专一的化学修饰剂。2.化学修饰后酶的构象或多或少都有一些改变，因此这种构象的变化将妨碍对修饰结果的解释。3.酶的化学修饰只能在具有极性的氨基酸残基侧链上进行，目前还不能用化学修饰的方法研究非极性氨基酸残基在酶结构与功能关系中的作用。4.酶化学修饰的结果对于研究酶结构与功能的关系能提供一些信息，如某一氨基酸残基被修饰后，酶活力完全丧失，说明该残基是酶活性所“必需”的，为什么是必需的，还得用X射线和其他方法来确定。因此
13、化学修饰法研究酶结构与功能关系尚缺乏准确性和系统性。,第二节 酶分子的物理修饰,通过物理方法使酶分子的空间构象发生某些改变，从而改变酶的某些特性和功能的方法通过物理修饰，可以了解不同物理条件下，特别是在极端条件下（高温、高压、高盐、极端pH值等）由于酶分子空间构象的改变而引起酶的特性和功能的变化情况。特点在于不改变酶的组成单位及其基团，酶分子中的共价键不发生改变，只是在物理因素的作用下，副键发生某些变化和重排。,变性、诱导与构象重建 （对酶高级结构调整）,酶肽链变性松散后，使其在有底物类似物或抑制剂存在的非天然条件下复性，酶将折叠成所需要的特殊结构，产生新的性状，此即变性诱导构象重建的原理。,
14、实验证据：在8mol/L尿素存在下，用巯基乙醇处理天然Rnase（核糖核酸酶）,其二硫键全部断裂，肽链松散，活性全部丧失，但当用透析法除去尿素、巯基乙醇后，RNase活力全部恢复，而且复原后产物其物化性质与天然RNase完全相同。,第三节 蛋白质工程和酶的定向进化 （基因水平上进行蛋白质改造）,蛋白质工程以重组DNA技术为基础，结合X-衍射分析技术、蛋白质溶液构象理论及计算机辅助设计发展起来的一种定点定位修饰技术体系，也是在基因水平进行蛋白质改造的技术科学。,一、酶蛋白质工程,1、蛋白质工程的主要目标,(1) 功能的改变(2) 结构特性的改变(3) 新体系的创造,2、酶蛋白质工程所需基本信息,
15、酶的基因克隆 ; 该基因的序列 ; 活性部位的作用机理 , 更理想的是涉及活性部位的氨基酸 ; 酶的晶体结构, 或者至少是同源性很高的蛋白质空间结构。,3、酶蛋白质工程的流程,相关的序列及 3D 结构数据库,4、酶蛋白质工程的前景,酶的蛋白质工程是典型的多学科综合研究 , 所涉及的学科不仅有酶学、蛋白质化学和分 子生物学 , 而且还涉及蛋白质结构解析和生物信息学分析。在对于天然的蛋白分子的研究还未总结出可以基本涵盖绝大多数情况的结构与功能的规律之前 , 酶的蛋白质工程不可能成为主要的创造新酶源的手段。酶的蛋白质工程将创造出大量具有新的、功能更好的酶产品，蛋白质工程对于分子性能的改善程度和功能创
16、新的多样性, 将会超过现在最具想像力的预测。,二、酶的定向进化,1、定向进化的原理2、定向进化示意图3、定向进化不是定点突变4、酶体外定向进化的意义,1、定向进化的原理,在待进化酶基因的PCR扩增反应中，利用Taq DNA聚合酶不具有3-5校对功能的性质，配合适当条件，以很低的比率向目的基因中随机引入突变，构建突变库，凭借定向的选择方法，选出所需性质的优化酶(或蛋白质)，从而排除其他突变体。定向进化的基本规则是“获取你所筛选的突变体”。定向进化=随机突变+定向选择。前者是人为引发的，后者虽相当于环境，起着选择某一方向的进化而排除其他方向突变的作用，整个进化过程完全是在人为控制下进行的。,2、定
17、向进化示意图,随机突变+定向选择目标突变体,3、随机突变的策略,易错PCR技术(error-prone PCR)DNA改组(DNA shuflling)随机引发重组交错延伸技术,4、定向进化不是定点突变,定向进化：突变 筛选 突变位点是随机的，不确定的； 突变位点的数目也是不确定的； 突变的效应更是不可预知的； 理论上讲，凡是能够引起突变的因素（物理的，化学的， 生物的）都可以应用于定向进化中突变体的产生。定点突变： 突变位点是确定的，突变的个数也是预知的； 突变的效应可能是已知的，也可能是未知的； 定点突变的方法一般是以PCR技术为基础的。,5、酶体外定向进化的意义,理论上，蛋白质分子蕴藏着很大的进化潜力，很多功能有待于开发，这是酶的体外定向进化的基本先决条件。酶的体外定向进化技术极大地拓展了蛋白质工程学的研究和应用范围，特别是能够解决合理设计所不能解决的问题，为酶的结构与功能研究开辟了崭新的途径，并且正在工业、农业和医药等领域逐渐显示其生命力。,
