酶工程固定化酶的性质精选课件.ppt
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1、关于酶工程固定化酶的性质第一页,本课件共有12页CH5-2 固定化酶的性质固定化酶的性质2.固定化的酶性质固定化的酶性质 分配效应对分配效应对KmKm的影响的影响 这种影响通常用分配系数这种影响通常用分配系数()()来描述:来描述:SiSiS (1)S (1)式式中中SiSi和和SS分分别别表表示示底底物物或或其其它它效效应应物物在在微微环环境境中中的的局局部部浓浓度度和和宏宏观观体体系系中中的总体的总体(或平均或平均)浓度。浓度。对对最最简简单单的的固固定定化化酶酶系系统统而而言言,其其动动力力学学性性态态,一一般般仍仍服服从从米米氏氏方方程程。当当反反应应系系统统进进行行充充分分搅搅拌拌,
2、消消除除外外扩扩散散限限制制影影响响时时,只只考考虑虑分分配配效效应应的的影影响响,则则反反应应速速度度可可表表示如下:示如下:VmaxSiVmaxSi v=(2)v=(2)Km+Si Km+Si VmaxS VmaxS =(3)=(3)Km+S Km+S VmaxS VmaxS VmaxS VmaxS =(4)=(4)Km/+S K Km/+S Km+Sm+S K Km=Km/(5)m=Km/(5)这这表表明明分分配配系系数数的的影影响响,是是改改变变了了KmKm。K Km m是是分分配配效效应应影影响响下下的的表表观观米米氏氏常常数数。由由式式(1)(1)和和(5)(5),可可以以看看出出
3、SiSiSS,则则1 1,K Km mKmKm,表明固定化作用降低酶对底物的亲和力。,表明固定化作用降低酶对底物的亲和力。通通过过载载体体和和底底物物电电荷荷性性质质、离离子子强强度度和和pHpH值值对对分分配配效效应的影响讨论,可以得出一般性规律如下:应的影响讨论,可以得出一般性规律如下:载载体体与与底底物物带带相相同同电电荷荷时时,相相斥斥,SiSiSS,K Km mKmKm。当当载载体体带带正正电电荷荷时时,局局部部H H+浓浓度度低低于于总总体体浓浓度度,SiSi变变大大,K K变变小小,即即酶酶活活力力一一pHpH曲曲线线向向酸酸性性方方向向偏偏移移,亦亦即即最最适适pHpH向向酸酸
4、性性方方向向偏偏移移;反反之之,离离子子载载体体将将向向碱碱性性方向偏移,如图所示。方向偏移,如图所示。1.载体带正电荷,载体带正电荷,最适最适pH向偏酸性偏移;向偏酸性偏移;2.游离酶的最适游离酶的最适pH3.3.载体带负电荷,载体带负电荷,最适最适pH向偏碱方向偏移;向偏碱方向偏移;V 上上述述效效应应,通通过过提提高高反反应应系系统统的的离离子子强强度度,可可以以减减弱弱或或消消除除。当当离离子子强强度度等等于于载载体体电电荷荷基基团团浓浓度度一一半半时时,K Km mKmKm2 2,当当离离子子强强度度远远大大于于载载体体电电荷基团浓度时,荷基团浓度时,K Km mKmKm。采用疏水性
5、载体时,如底物为极性物质或电采用疏水性载体时,如底物为极性物质或电荷性物质,则荷性物质,则Si小,小,KmKm;如底物为疏水性;如底物为疏水性物物 第二页,本课件共有12页CH5-2 固定化酶的性质固定化酶的性质2.固定化的酶性质固定化的酶性质 扩扩散限制效散限制效应应 酶酶固固定定化化之之后后,由由于于扩扩散散限限制制,使使得得酶酶往往往往不不能能得得到到宏宏观观体体系系相相同同水水平平的的底底物物,因因而而观观测测到到的的实实效效反反应应速速度度,常常低低于于理理论论预预测测的的水水平平。对对于于这这种种影影响响,通通常常引引用用实实效效系系数数O O进进行定量行定量讨论讨论。v=v=O
6、Ov vp p O O=v/v=v/vp p (1 1)式式中中v v为为实实效效反反应应速速度度,v vp p为为理理论论预预期期反反应应速速度度,即即由由溶溶液液酶酶的的米米孟氏方程确定的速度。孟氏方程确定的速度。VmaxSVmaxS VmaxS 由由 v=v=O (2 2)Km+S Km+S Km+S 如前所述,扩散包括外扩散和内扩散两方面。如前所述,扩散包括外扩散和内扩散两方面。外外扩扩散散实实际际上上包包括括分分子子扩扩散散和和对对流流扩扩散散两两部部分分。在在固固定定化化酶酶反反应应操操作作中中,可可以以通通过过搅搅拌拌混混和和而而消消除除或或削削弱弱其其限限制制作作用用。动动力力
7、学学分分析析指指出出,外外扩扩散散限限制制效效应应影影响响下下,酶酶反反应应实实效效速速度度一一般般低低于于酶酶促促转转化化动动力力学学规规定定的的速速度度。因因此此,这这种种扩扩散散限限制制可可以以看看作作是是一种抑制效应,可称为扩散抑制。一种抑制效应,可称为扩散抑制。内内扩扩散散限限制制对对酶酶反反应应动动力力学学的的影影响响,在在某某种种程程度度上上比比外外扩扩散散限限制制更更突突出出,更更重重要要。动力学理论分析所得出的一些主要结论有以下三点,可以用定性的语言来描述。动力学理论分析所得出的一些主要结论有以下三点,可以用定性的语言来描述。底底物物和和其其它它效效应应物物分分子子量量对对扩
8、扩散散速速率率的的影影响响分分析析表表明明,一一般般情情况况下下,固固定定化化酶酶作作用用于于高高分分子子量量底底物物比比低低分分子子量量底底物物的的实实效效反反应应速速度度下下降降程程度度比比溶液酶更大。许多实验结果与此理论分析是一致的。溶液酶更大。许多实验结果与此理论分析是一致的。载载体体结结构构的的影影响响分分析析表表明明,内内扩扩散散限限制制取取决决于于载载体体的的孔孔隙隙率率、孔孔隙隙半半径径、孔孔隙隙曲曲折折程程度度。即即:底底物物的的内内扩扩散散系系数数与与载载体体孔孔隙隙率率成成正正比比,与与底底物物在在宏宏观观体体系系中中固固有有的的扩扩散散系系数数成成正正比比,与与载载体体
9、孔孔隙隙的的曲曲折折系系数数成成反反比比,与与载载体体膜膜厚厚度度或或载载体体颗颗粒粒半径的平方成反比。实验支持了这一理论分析。半径的平方成反比。实验支持了这一理论分析。内内扩扩散散限限制制与与酶酶反反应应固固有有速速度度有有关关。即即是是说说固固有有反反应应速速度度v vp p 大大,酶酶反反应应的的底底物物转转移移系系数数也也大大,当当SS小小于于0.1 0.1 KmKm时时,O O大大,则则固固定定化化酶酶反反应应速速度度也也相对大。相对大。第三页,本课件共有12页CH5-2 固定化酶的性质固定化酶的性质3.固定化的酶催化条件固定化的酶催化条件 酶活力回收率酶活力回收率 游游离离酶酶经经
10、过过固固定定化化以以后后,酶酶活活力力往往往往下下降降。固固定定化化酶酶所所保保留留下下来来的的酶酶活活力力与与游游离离酶酶在在固固定定化化之之前前的的酶酶活活力力之之比比,称称为为该该酶酶活活力力回回收收率率,也也叫叫固固定定化化效效率率、残残存存活活力力等等。在在不不考考虑虑扩扩散散限限制制影影响响的的情情况况下下,固固定定化化酶酶的的酶酶活力回收率可以通过实验测得活力回收率可以通过实验测得由下式求得:由下式求得:V Vm m.B.Bimim F Fim im 100%100%V Vm m.B.B式式中中F Fimim为为活活力力回回收收率率(),B B为为固固定定化化前前所所用用的的游游
11、离离酶酶溶溶液液体体积积;B Bimim为为制制得得的的固固定定化化酶酶湿湿体体积积;V Vm m 为为固固定定化化前前的的酶酶的的最最大大反反应应速速度度;V Vm m 固固定化酶测得的表观最大反应速度。定化酶测得的表观最大反应速度。关关于于固固定定化化酶酶收收率率问问题题,有有不不同同得得报报道道,上上述述方方法法考考虑虑了了在在固固定定化化处处理理过过程程中中,有有未未被被固固定定化化的的酶酶蛋蛋白白、在在固固定定化化过过程程中中失失活活的的酶酶蛋蛋白白以以及及在在固固定定化化后后KcatKcat的变化(降低或升高);的变化(降低或升高);而另一种方法是:而另一种方法是:V Vm m.B
12、.Bimim F Fim im 100%100%V Vm m.(B BB B)式式中中符符号号与与上上式式相相同同,B B为为固固定定化化处处理理后后,回回收收的的未未固固定定的的酶酶蛋蛋白白的的量量。实实际际上上这这种种方方法法,只只考考虑虑了了在在固固定定化化处处理理过过程程中中,固固定定化化方方法法对对酶酶蛋蛋白白构构型、活性中心等的影响,把未被固定化的酶蛋白作为回收考虑。型、活性中心等的影响,把未被固定化的酶蛋白作为回收考虑。固固定定化化酶酶的的话话力力回回收收率率因因所所采采用用的的固固定定化化方方法法而而异异。一一般般来来说,说,F Fimim 值按下列固定化方法顺序递减:值按下列
13、固定化方法顺序递减:吸附法凝胶包埋法微型胶囊包埋法交联法吸附法凝胶包埋法微型胶囊包埋法交联法 例例如如,李李增增吉吉等等(1993(1993年年)报报道道,用用DEAEDEAE纤纤维维素素直直接接吸吸附附天天冬冬氨氨酸酸酶酶,酶酶活活力力回回收收达达9090;以以聚聚乙乙烯烯基基吡吡啶啶与与聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸复复合合物物包包埋埋同同一一酶酶,当当加加酶酶量量为为每每1 1克克复复合合物物8.40mg8.40mg和和16.8mg16.8mg时时,酶酶活活力力回回收收分分别别可可达达8787和和9494。姜姜涌涌明明等等(1993(1993年年)用用壳壳聚聚糖糖作作载载体体,戊戊二二醛醛作作
14、交交联联剂剂,分分别别对对木木瓜瓜蛋蛋白白酶酶、AS1.398AS1.398中中性性蛋蛋白白酶酶、胰胰蛋蛋白白酶酶和和胃胃蛋蛋白白酶酶进进行行固固定定化化,在在最最佳佳条条件件下下,固固定定化化酶酶的的活活力力回回收收率率分分别别为为4747、7474、5050和和5555。底物专一性变化底物专一性变化 对对于于作作用用于于大大分分子子底底物物的的酶酶,当当其其固固定定于于水水不不溶溶性性载载体体之之后后,往往往往由由于于空空间间障障碍碍,而而使使酶酶对对分分子子量量大大的的底底物物的的催催化化活活性性大大大大下下降降。例例如如,糖糖化化酶酶用用CM一一纤纤维维素素经经化化学学法法共共价价固固
15、定定化化后后,对对分分子子量量为为8000的的直直链链淀淀粉粉的的催催化化活活性性下下降降23,而而对对分分子子量量为为500000的直链淀粉的催化活性下降的直链淀粉的催化活性下降85一一87。反应的最适反应的最适pH值变化值变化许许多多实实验验证证明明,酶酶固固定定化化后后的的反反应应最最适适pH值值会会发发生生不不同同程程度度的的变变化化。例例如如,天天冬冬氨氨酸酸酶酶固固定定于于疏疏水水载载体体N烷烷基基琼琼脂脂糖糖珠珠之之后后,酶酶的的最最适适反反应应pH与与液液酶酶相相比比,向向碱碱性性区区移移动动了了04个个pH单单位位,(为为pH89马马林林等等,1991)。胰胰蛋蛋白白酶酶用用
16、戊戊二二醛醛固固定定于于脱脱乙乙酰酰壳壳聚聚糖糖载载体体后后,最最适适pH范范围围加加宽宽,由由液液相相酶酶的的pH8.0变变为为pH7.09.0(隋隋德德新新等等,1991)。另另外外也也有有实实验验证证明明固固定化酶最适定化酶最适pH移向酸侧的。移向酸侧的。反应最适温度的变化反应最适温度的变化固固定定化化酶酶的的最最适适反反应应温温度度,在在很很多多情情况况下下是是高高于于游游离离酶酶的的。同同上上实实验验的的固固定定化化天天冬冬氨氨酸酸酶酶最最适适反反应应温温度度提提高高了了5,为为50;胰胰蛋蛋白白酶酶也也提提高高了了5,为为60,而而且且即即使使在在70仍仍有有较较高高的的活活性性。
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