固定化酶与固定化细胞 (2)精选PPT.ppt
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1、关于固定化酶与固定化细胞(2)1第1页,讲稿共94张,创作于星期日2本章讲授本章讲授固定化生物催化剂的概念以及吸附法、包固定化生物催化剂的概念以及吸附法、包埋法、共价结合法、无载体固定化酶的基埋法、共价结合法、无载体固定化酶的基本技术和原理;本技术和原理;细胞固定化的基本技术和原理;细胞固定化的基本技术和原理;简要介绍固定化酶基本性质的影响及辅因简要介绍固定化酶基本性质的影响及辅因子的固定化方法和辅酶的再生体系。子的固定化方法和辅酶的再生体系。第2页,讲稿共94张,创作于星期日3第3页,讲稿共94张,创作于星期日41.1.酶是蛋白质,稳定性差(热、酸碱、有机酶是蛋白质,稳定性差(热、酸碱、有机
2、溶剂对其有影响)。溶剂对其有影响)。2.2.不能回收,使用成本高。不能回收,使用成本高。3.3.酶在游离体系中更容易自水解酶在游离体系中更容易自水解4.4.分离纯化困难,也使产物中混杂酶蛋白分离纯化困难,也使产物中混杂酶蛋白 游离酶的缺点:游离酶的缺点:第4页,讲稿共94张,创作于星期日5固定化酶固定化酶(定义):用物理或化学手段定位在限定的(定义):用物理或化学手段定位在限定的空间区域,并使其保持空间区域,并使其保持催化活性催化活性,可重复利用的酶,可重复利用的酶。(19711971年在美国召开的第一届国际酶工程会议)年在美国召开的第一届国际酶工程会议)固定化细胞固定化细胞(定义):将具有一
3、定(定义):将具有一定生理功能生理功能的生物细的生物细胞胞(如微生物细胞、植物细胞或动物细胞等),(如微生物细胞、植物细胞或动物细胞等),用一定的方法将其固定,用一定的方法将其固定,作为固体生物催化剂而加以利用的一门技术。作为固体生物催化剂而加以利用的一门技术。固定化细胞意义固定化细胞意义:用完整的细胞作为生物催化剂,以:用完整的细胞作为生物催化剂,以充分有效地利用生物细胞内的特定充分有效地利用生物细胞内的特定酶或多酶酶或多酶系统。系统。第5页,讲稿共94张,创作于星期日6优点优点省去对酶的提取过程,使酶的损失和生产省去对酶的提取过程,使酶的损失和生产成本成本降到最低程度;降到最低程度;可以利
4、用细胞的可以利用细胞的多酶系统多酶系统直接生产有价值直接生产有价值的产物。的产物。第6页,讲稿共94张,创作于星期日7第一节第一节 酶和细胞的固定化酶和细胞的固定化一、固定化酶和细胞的定义及特点一、固定化酶和细胞的定义及特点二、固定化方法二、固定化方法三三 细胞的固定化方法细胞的固定化方法四四 原生质体的固定化方法原生质体的固定化方法第7页,讲稿共94张,创作于星期日8一、固定化酶和细胞的定义及特点一、固定化酶和细胞的定义及特点 1.1.固定化酶固定化酶(immobilized enzyme)(immobilized enzyme)通过化学或物理的手段将酶定位于限定的通过化学或物理的手段将酶定
5、位于限定的空间区域内,使其保持活性并可反复利用。空间区域内,使其保持活性并可反复利用。第8页,讲稿共94张,创作于星期日9什么是固定化酶?什么是固定化酶?水溶性酶水溶性酶水不溶性载体水不溶性载体水不溶性酶水不溶性酶(固定化酶)(固定化酶)固定化技术固定化技术第9页,讲稿共94张,创作于星期日10酶固定化方法酶固定化方法要求要求不破坏不破坏酶活性中心的构象酶活性中心的构象:酶的固定化不能破坏酶活:酶的固定化不能破坏酶活性中心的构象,尽量防止活性部位的氨基酸残基受性中心的构象,尽量防止活性部位的氨基酸残基受到影响;到影响;载体要求载体要求:a.a.固定化的载体应与酶结合较为牢固。固定化的载体应与酶
6、结合较为牢固。B.B.载体不能与底物、产物等发生化学反应。载体不能与底物、产物等发生化学反应。C.C.载体必须有一定的机械强度,防止因机械搅拌而破碎。载体必须有一定的机械强度,防止因机械搅拌而破碎。位阻位阻应该较小:尽可能不妨碍酶与底物的接近。应该较小:尽可能不妨碍酶与底物的接近。成本成本低:酶固定化的成本要尽可能的低。低:酶固定化的成本要尽可能的低。第10页,讲稿共94张,创作于星期日11优点优点:(1)(1)可提高稳定性。可提高稳定性。(2)(2)能回收,易与产物分离,可反复使用。能回收,易与产物分离,可反复使用。缺点缺点:(1)(1)存在扩散限制。适于催化小分子物质。存在扩散限制。适于催
7、化小分子物质。(2)(2)酶活性下降。酶活性下降。第11页,讲稿共94张,创作于星期日12 2.2.固定化细胞固定化细胞(immobilized cellimmobilized cell)固定在载体上并在一定空间范围内进行生命活固定在载体上并在一定空间范围内进行生命活动(生长、繁殖、新陈代谢)的细胞。动(生长、繁殖、新陈代谢)的细胞。第12页,讲稿共94张,创作于星期日13优越性优越性:(1)(1)降低成本,省去酶的分离纯化工作降低成本,省去酶的分离纯化工作;(2)(2)既可作为单一酶,也可作为复合酶系既可作为单一酶,也可作为复合酶系 完成部分代谢过程。完成部分代谢过程。局限性局限性:(1)(
8、1)细胞内多种酶的存在,会形成不需要的副细胞内多种酶的存在,会形成不需要的副 产物。产物。(2)(2)细胞膜、细胞壁和载体都存在着扩散限制细胞膜、细胞壁和载体都存在着扩散限制 作用。作用。第13页,讲稿共94张,创作于星期日143.3.固定化原生质体固定化原生质体 意义意义:(1)(1)固定化原生质体去除了细胞壁的扩散障碍,固定化原生质体去除了细胞壁的扩散障碍,有利于氧的传递,营养成分的吸收和胞内产有利于氧的传递,营养成分的吸收和胞内产物的分泌。物的分泌。(2)(2)原生质体不稳定,容易破裂,固定化后,由原生质体不稳定,容易破裂,固定化后,由于载体的保护作用,稳定性提高于载体的保护作用,稳定性
9、提高。第14页,讲稿共94张,创作于星期日15 二、固定化方法二、固定化方法固定化方法固定化方法(一)酶的固定化方法(一)酶的固定化方法吸附法吸附法共价偶联法共价偶联法交联法交联法包埋法包埋法网格型网格型微囊型微囊型离子交离子交换吸附换吸附物理物理吸附法吸附法第15页,讲稿共94张,创作于星期日16依据带电的酶或细胞和载体之间的静电作用,使依据带电的酶或细胞和载体之间的静电作用,使酶吸附于惰性固体的表面或离子交换剂上。酶吸附于惰性固体的表面或离子交换剂上。1.1.吸附法(吸附法(adsorptionadsorption)第16页,讲稿共94张,创作于星期日17根据吸附剂的特点分根据吸附剂的特点
10、分:1 1)物理吸附法()物理吸附法(physical adsortionphysical adsortion)作用力:作用力:氢键、疏水键氢键、疏水键常用载体常用载体:氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石、纤维素等。硅胶、羟基磷灰石、纤维素等。2 2)离子结合法()离子结合法(ion bindingion binding)作用力作用力:离子键离子键常用载体:常用载体:DEAE-DEAE-纤维素、纤维素、DEAE-DEAE-葡聚糖凝胶、葡聚糖凝胶、CM-CM-纤维素纤维素第17页,讲稿共94张,创作于星期日18优点:优点:条件温和,操作简便,
11、条件温和,操作简便,酶活力损失少。酶活力损失少。缺点:缺点:结合力弱,易解吸附结合力弱,易解吸附。第18页,讲稿共94张,创作于星期日19 借助共价借助共价键将酶的活性键将酶的活性非必需侧链基非必需侧链基团和载体的功团和载体的功能基团进行偶能基团进行偶联。联。2.2.共价偶联法共价偶联法(covalent binding covalent binding or covalent couplingor covalent coupling)第19页,讲稿共94张,创作于星期日20 1 1)载体:亲水载体优于疏水载体)载体:亲水载体优于疏水载体如如:天然高分子衍生物天然高分子衍生物:纤维素纤维素 葡
12、聚糖凝胶葡聚糖凝胶 亲和性好,机械性能差亲和性好,机械性能差 琼脂糖琼脂糖 合成聚合物:合成聚合物:聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺 聚苯乙烯聚苯乙烯 机械性能好,但有疏水结构机械性能好,但有疏水结构 尼龙尼龙第20页,讲稿共94张,创作于星期日212 2)偶联方法:)偶联方法:偶联成功与否取决于:偶联成功与否取决于:载体:载体:功能基团:芳香氨基,羧基,羧功能基团:芳香氨基,羧基,羧甲基等。甲基等。酶分子酶分子:侧链非必需基团:羧基,巯基,侧链非必需基团:羧基,巯基,羟基,酚基,咪唑基。羟基,酚基,咪唑基。第21页,讲稿共94张,创作于星期日22常用的偶联反应有:重氮化法、叠氮常用的偶联反应有:重氮化法
13、、叠氮法、溴化氰法、烷基化法等。法、溴化氰法、烷基化法等。第22页,讲稿共94张,创作于星期日23优点:优点:酶与载体结合牢固,不会轻易脱落,酶与载体结合牢固,不会轻易脱落,可连续使用。可连续使用。缺点:缺点:反应条件较激烈,易影响酶的反应条件较激烈,易影响酶的空间构象而影响酶的催化活性。空间构象而影响酶的催化活性。第23页,讲稿共94张,创作于星期日243.3.交联法交联法(crosslinkingcrosslinking)借助双功能试剂使酶分子之间发生交联借助双功能试剂使酶分子之间发生交联的固定化方法。的固定化方法。双功能试剂双功能试剂:常用的是常用的是戊二醛戊二醛 O OH C CH2
14、CH2 CH2 C H第24页,讲稿共94张,创作于星期日25 戊二醛有两戊二醛有两个醛基,均可与个醛基,均可与酶或蛋白质的游酶或蛋白质的游离氨基反应离氨基反应,使酶使酶蛋白交联。蛋白交联。此法与共价偶联法利用的均是共价键,此法与共价偶联法利用的均是共价键,不不同之处:同之处:交联法交联法不使用载体不使用载体。第25页,讲稿共94张,创作于星期日26 交联反应既能发生在分子间,也可发交联反应既能发生在分子间,也可发生在分子内。生在分子内。酶酶浓浓度度低低时时,交交联联发发生生在在分分子子内内,酶酶仍仍保保持溶解状态。持溶解状态。酶酶浓浓度度高高时时,交交联联发发生生在在分分子子间间,酶酶变变为
15、为不溶态。不溶态。第26页,讲稿共94张,创作于星期日27缺点:缺点:(1)(1)反应条件激烈,酶分子的多个基团反应条件激烈,酶分子的多个基团被交联,酶活力损失大。被交联,酶活力损失大。(2)(2)制备的固定化酶颗粒较小,给使用带制备的固定化酶颗粒较小,给使用带来不便。来不便。第27页,讲稿共94张,创作于星期日284.4.包埋法包埋法(entrapmententrapment)将酶用物理的方法包将酶用物理的方法包埋在各种载体(高聚物)埋在各种载体(高聚物)内。分为:内。分为:网格型网格型:将酶包埋在高分将酶包埋在高分子凝胶细微网格中。子凝胶细微网格中。微囊型微囊型:将酶包埋在高分将酶包埋在高
16、分子半透膜中。子半透膜中。第28页,讲稿共94张,创作于星期日291)网格型包埋法网格型包埋法(gel(lattic)entrapmentgel(lattic)entrapment)又称凝胶包埋法又称凝胶包埋法凝胶凝胶包埋条件包埋条件酶活性酶活性强度强度天然凝胶天然凝胶琼脂、海藻酸钙、琼脂、海藻酸钙、角叉菜胶、明胶角叉菜胶、明胶温和温和不变不变差差合成凝胶合成凝胶聚丙烯酰胺、光聚丙烯酰胺、光交联树脂交联树脂聚合反应聚合反应部分失活部分失活 高高使用的多孔载体及其特点使用的多孔载体及其特点第29页,讲稿共94张,创作于星期日30海藻酸钙凝胶海藻酸钙凝胶包埋法:包埋法:滴至滴至海藻酸钠溶液海藻酸钠
17、溶液E(or cell)CaCl2 溶液中溶液中 IE(or IC)角叉菜胶角叉菜胶包埋法:包埋法:滴至滴至角叉菜胶角叉菜胶E(or cell)KCl 溶液中溶液中 IE(or IC)聚丙烯酰胺凝胶聚丙烯酰胺凝胶包埋法:包埋法:APAcr+Bis+E(or cell)IE(or IC)TEMED第30页,讲稿共94张,创作于星期日312 2)微囊型包埋法)微囊型包埋法(microencapsulationmicroencapsulation)又称又称半透膜半透膜包埋法包埋法 将一定量酶液包在半透性的高分子微孔膜将一定量酶液包在半透性的高分子微孔膜内内 。半透膜半透膜:直径几十微米到几百微米,厚
18、约:直径几十微米到几百微米,厚约25nm25nm。半透膜半透膜孔径孔径 80%80%活性。活性。第51页,讲稿共94张,创作于星期日52 (三)酶的最适温度三)酶的最适温度 最适温度与酶稳定性有关。最适温度与酶稳定性有关。多多数数酶酶固固定定化化后后热热稳稳定定性性上上升升,最最适适温温度度也也上升(有例外)。上升(有例外)。(四)酶的最适(四)酶的最适pHpH 带负电荷载体带负电荷载体 :最适:最适pH pH 向碱性偏移。向碱性偏移。带正电荷载体带正电荷载体 :最适:最适pH pH 向酸性偏移。向酸性偏移。第52页,讲稿共94张,创作于星期日53第53页,讲稿共94张,创作于星期日54 固定
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